Історія відкриття елементарних частинок

Сумський державний університет

реферат

по фізиці

на тему:

Історія відкриття елементарних частинок

викладач

Нефедченко В.Ф.

м.Суми

2003р.

Зміст

Від електрона до нейтрино. 5

Електрон. 5

Фотон. 6

Протон. 7

Нейтрон. 8

Позитрон. 10

Півонії і Мюони. Відкриття мезона. 12

Нейтрино. 17

Від дивацтва до чарівності. 19

Відкриття дивних частинок. 19

Резонанси. 21

«Зачаровані» частинки. 22

Висновок. 23

Література. 26

Вступ.

У середині та другій половині ХХ століття в тих розділах фізики, які зайняті вивченням фундаментальної структури матерії, були отримані воістину дивні результати. Перш за все, це проявилося у відкритті чималої кількості нових субатомних частинок. Їх зазвичай називають елементарними частинками, але далеко не всі з них дійсно елементарні. Багато з них в свою чергу складаються з ще більш елементарних частинок.

Відкриття елементарних частинок стало закономірним результатом загальних успіхів у вивченні будови речовини, досягнутих фізикою в кінці 19 ст. Воно було підготовлено всебічними дослідженнями оптичних спектрів атомів, вивченням електричних явищ в рідинах і газах, відкриттям Фотоелектрика, рентгенівських променів, природної радіоактивності, що свідчили про існування складної структури матерії.

Світ субатомних частинок воістину різноманітний. До них відносяться протони і нейтрони, що становлять атомні ядра, а також обертаються навколо ядер електрони. Але є і такі частинки, які в навколишньому нас речовині практично не зустрічаються. Час їх життя надзвичайно мало, воно становить найдрібніші частки секунди. Після закінчення цього надзвичайно короткого часу вони розпадаються на звичайні частинки. Таких нестабільних короткоживучих частинок вражаюче багато: їх відомо вже кілька сотень.

У 60-70-ті роки фізики були абсолютно збиті з пантелику численністю, різноманітністю і незвичністю знову відкритих субатомних частинок. Здавалося, їм не буде кінця. Абсолютно незрозуміло, для чого стільки частинок. Чи є ці елементарні частинки хаотичними і випадковими осколками матерії? Або, можливо, вони таять в собі ключ до пізнання структури Всесвіту? Розвиток фізики в наступні десятиліття показало, що в існуванні такої структури немає ніяких сумнівів. В кінці ХХ ст. фізика починає розуміти, яке значення кожної з елементарних частинок.

Миру субатомних частинок притаманний глибокий і раціональний порядок. В основі цього порядку - фундаментальні фізичні взаємодії.

Елементарні частинки в точному значенні цього терміна - первинні, далі нерозкладних частинки, з яких, за припущенням, складається вся матерія. У понятті "Елементарні частинки" в сучасній фізиці знаходить вираз ідея про первісних сутності, що визначають всі відомі властивості матеріального світу, ідея, що зародилася на ранніх етапах становлення природознавства і завжди грала важливу роль в його розвитку.

Поняття "Елементарні частинки" сформувалося в тісному зв'язку з встановленням дискретного характеру будови речовини на мікроскопічному рівні. Виявлення на рубежі 19-20 вв. найдрібніших носіїв властивостей речовини - молекул і атомів - і встановлення того факту, що молекули побудовані з атомів, вперше дозволило описати всі відомі речовини як комбінації кінцевого, хоча і великого, числа структурних складових - атомів. Виявлення в подальшому наявності складових складають атомів - електронів і ядер, встановлення складної природи ядер, які опинилися побудованими всього з двох типів часток (протонів і нейтронів), істотно зменшило кількість дискретних елементів, що формують властивості речовини, і дало підставу припускати, що ланцюжок складових частин матерії завершується дискретними безструктурними утвореннями - елементарними частинками. Таке припущення, взагалі кажучи, є екстраполяцією відомих фактів і скільки-небудь строго обгрунтовано бути не може. Не можна з упевненістю стверджувати, що частинки, елементарні в сенсі наведеного визначення, існують. Протони і нейтрони, наприклад, тривалий час вважалися елементарними частинками, як з'ясувалося, мають складну будову. Не виключена можливість того, що послідовність структурних складових матерії принципово нескінченна. Може виявитися також, що твердження "складається з ..." на якійсь ступені вивчення матерії виявиться позбавленим змісту. Від даного вище визначення "елементарності" в цьому випадку доведеться відмовитися. Існування елементарних частинок - це свого роду постулат, і перевірка його справедливості - одна з найважливіших завдань фізики.

Від електрона до нейтрино

електрон

Історично першою відкритою елементарною частинкою був електрон - носій негативного елементарного електричного заряду в атомах.

Це сама «стара» елементарна частинка. В ідейному плані він увійшов у фізику в 1881 р, коли Гельмгольц у промові на честь Фарадея вказав, що атомна структура речовини разом з законами електролізу Фарадея неминуче призводить до думки, що електричний заряд завжди повинен бути кратний деякому елементарному заряду, - т. Е . до висновку про квантування електричного заряду. Носієм негативного елементарного заряду, як ми тепер знаємо, і є електрон.

Максвелл ж, створив фундаментальну теорію електричних і магнітних явищ і використав істотно експериментальні результати Фарадея, не приймав гіпотези атомного електрики.

Тим часом «тимчасова» теорія про існування електрона була підтверджена в 1897 р в експериментах Дж. Дж. Томсона, в яких він ототожнив так звані катодні промені з електронами і виміряв заряд і масу електрона. Частинки катодних променів Томсон називав «корпускулами» або початковими атомами. Слово «електрон» спочатку використовувалося для позначення величини заряду «корпускули». І тільки згодом електроном стали називати саму частку.

Однак ідея про електрон не відразу отримала визнання. Коли на лекції в Королівському суспільстві Дж. Дж. Томсон - першовідкривач електрона - висловив припущення, що частинки катодних променів слід розглядати як можливі компоненти атома, деякі його колеги щиро вважали, що він містифікує їх. Сам Планк зізнавався в 1925 р, що не вірив тоді, в 1900 р., До кінця в гіпотезу про електрон.

Можна сказати, що після дослідів Міллікена, виміряти в 1911р. заряди індивідуальних електронів, ця перша елементарна частинка отримала право на існування.

Фотон

Пряме експериментальне доказ існування фотона було дано Р. Міллікеном в 1912-1915 рр. в його дослідженнях фотоефекту, а також А. Комптоном в 1922 р, який виявив розсіювання рентгенівських променів зі зміною їх частоти.

Фотон - в деякому сенсі особлива частка. Справа в тому, що маса його спокою на відміну від інших частинок (крім нейтрино) дорівнює нулю. Тому його стали вважати часткою не відразу: спочатку вважали, що наявність кінцевої і відмінною від нуля маси спокою - обов'язкова риса елементарної частинки.

Фотон - це «жвавий» Планка квант світла, т. Е. Квант світла, що несе імпульс.

Кванти світла ввів Планк в 1901 р для того, щоб пояснити закони випромінювання абсолютно чорного тіла. Але він був не частинками, а тільки мінімально можливими «порціями» енергії світла тієї чи іншої частоти.

Хоча припущення Планка про квантуванні енергії світла абсолютно суперечило всієї класичної теорії, сам Планк зрозумів це не відразу. Вчений писав, що він «... намагався якось ввести величину h в рамки класичної теорії. Однак всупереч всім таким спробам ця величина виявилася вельми норовливої ​​». Згодом ця величина отримала назву постійної Планка (h = 6 * 10 ^-27 ерг.с).

Після введення постійної Планка ситуація не стала яснішою.

«Живими» фотони або кванти зробила теорія відносності Ейнштейна, який в 1905 р показав, що кванти повинні мати не тільки енергію, але й імпульс, і що вони є в повному розумінні частками, тільки особливими, так як маса спокою їх дорівнює нулю, і рухаються вони зі швидкістю світла.

Отже висновок про існування частинки електромагнітного поля - фотона - бере свій початок з роботи М. Планка (1900). Припустивши, що енергія електромагнітного випромінювання абсолютно чорного тіла квантована, Планк отримав правильну формулу для спектра випромінювання. Розвиваючи ідею Планка, А. Ейнштейн (1905) постулював, що електромагнітне випромінювання (світло) в дійсності є потоком окремих квантів (фотонів), і на цій основі пояснив закономірності фотоефекту.

Протон

Протон був відкритий Е. Резерфордом в 1919 р в дослідженнях взаємодії альфа-частинок з атомними ядрами.

Точніше відкриття протона пов'язано з відкриттям атомного ядра. Воно було зроблено Резерфордом в результаті бомбардування атомів азоту високо енергетичними α-частинками. Резерфорд зробив висновок, що «ядро атома азоту розпадається внаслідок величезних сил, що розвиваються при зіткненні зі швидкою α-частинкою, і що звільняється водневий атом утворює складову частину ядра азоту». У 1920 р ядра атома водню були названі Резерфордом протонами (протон по-грецьки означає найпростіший, первинний). Були й інші пропозиції з приводу назви. Так, наприклад, пропонувалося назва «барон» (Барос по-грецьки означає тяжкість). Однак воно підкреслювало тільки одну особливість ядра водню - його масу. Термін «протон» був істотно глибше і змістовніше, відображаючи фундаментальність протона, бо протон - це найпростіше ядро ​​- ядро ​​найлегшого ізотопу водню. Це, безсумнівно, один з найбільш вдалих термінів у фізиці елементарних частинок. Таким чином, протони - це частинки з одиничним позитивним зарядом і масою, в 1840 разів перевищує масу електрона.

нейтрон

Інша частинка, що входить до складу ядра, - нейтрон - була відкрита в 1932 Дж. Чедвиком при дослідженнях взаємодії α-частинок з берилієм. Нейтрон має масу, близьку до маси протона, але не володіє електричним зарядом. Відкриттям нейтрона завершилося виявлення частинок - структурних елементів атомів і їх ядер.

Відкриття ізотопів не прояснив питання про будову ядра. До цього часу були відомі лише протони - ядра водню, і електрони, а тому природною була спроба пояснити існування ізотопів різними комбінаціями цих позитивно і негативно заряджених частинок. Можна було б думати, що ядра містять А протонів, де А - масове число, і АZ електронів. При цьому повний позитивний заряд збігається з атомним номером Z.

Така проста картина однорідного ядра спочатку не суперечила висновку про малих розмірах ядра, які з досвіду Резерфорда. "Природний радіус" електрона r0 = e ² / mc ² (який виходить, якщо прирівняти електростатичну енергію e ² / r0 заряду, розподіленого по сферичної оболонці, власної енергії електрона mc ²⁾ становить r0 = 2,82 * 10 ^-15 м. Такий електрон досить малий, щоб перебувати всередині ядра радіусом 10 ^-14 м, хоча помістити туди велике число часток було б важко. У 1920р. Резерфорд та інші вчені розглядали можливість існування стійкої комбінації з протона і електрона, що відтворює нейтральну частку з масою, приблизно рівною масі протона. Однак через відсутність електричного заряду такі частинки з працею піддавалися б виявленню. Навряд чи вони могли б і вибивати електрони з металевих поверхонь, як електромагнітні хвилі при фотоефекті.

Лише через десятиліття, після того як природна радіоактивність була глибоко досліджена, а радіоактивне випромінювання стали широко застосовувати, щоб викликати штучне перетворення атомів, було надійно встановлено існування нової складової частини ядра.У 1930 В.Боте і Г. Беккер з Гісенського університету проводили опромінення літію та берилію альфа-частками і за допомогою лічильника Гейгера реєстрували виникає при цьому проникаюче випромінювання. Оскільки на це випромінювання не чинили впливу електричні і магнітні поля, і вона мала велику проникаючу здатність, автори прийшли до висновку, що випускається жорстке гамма-випромінювання. У 1932 Ф. Жоліо і І.Кюрі повторили досліди з берилієм, пропускаючи таке проникаюче випромінювання через парафіновий блок. Вони виявили, що з парафіну виходять протони з незвично високою енергією, і зробили висновок, що, проходячи через парафін, гамма-випромінювання в результаті розсіювання породжує протони. (У 1923 було встановлено, що рентгенівські промені розсіюються на електронах, даючи Комптонівське ефект.)

Дж.Чедвік повторив експеримент. Він також використовував парафін і за допомогою іонізаційної камери, в якій збирався заряд, що виникає при вибиванні електронів з атомів, вимірював пробіг протонів віддачі.

Чедвік використовував також газоподібний азот (в камері Вільсона, де уздовж сліду зарядженої частинки відбувається конденсація водяних крапельок) для поглинання випромінювання і вимірювання пробігу атомів віддачі азоту. Застосувавши до результатів обох експериментів закони збереження енергії і імпульсу, він прийшов до висновку, що виявлене нейтральне випромінювання - це не гамма-випромінювання, а потік частинок з масою, близькою до маси протона. Чедвік показав також, що відомі джерела гамма-випромінювання не вибивають протонів.

Тим самим було підтверджено існування нової частинки, яку тепер називають нейтроном.

Розщеплення металевого берилію відбувалося таким чином:

Альфа-частинки ⁴ ₂ He (заряд 2, масове число 4) стикалися з ядрами берилію (заряд 4, масове число 9), в результаті чого виникали вуглець і нейтрон.

Відкриття нейтрона стало важливим кроком вперед. Спостережувані характеристики ядер тепер можна було інтерпретувати, розглядаючи нейтрони і протони як складові частини ядер.

Нейтрон, як тепер відомо, на 0,1% важче протона. Вільні нейтрони (поза ядра) зазнають радіоактивний розпад, перетворюючись в протон і електрон. Це нагадує про первісної гіпотези складовою нейтральної частинки. Однак всередині стабільного ядра нейтрони пов'язані з протонами і мимоволі не розпадаються.

позитрон

Починаючи з 30-х років і аж до 50-х років нові частинки відкривалися головним чином в космічних променях. У 1932 р в їх складі А. Андерсоном була виявлена ​​перша античастинка - позитрон (е +) - частинка з масою електрона, але з позитивним електричним зарядом. Позитрон був першою відкритою античастинкою. Існування е + безпосередньо випливало з релятивістської теорії електрона, розвинутої П. Діраком (1928-31) незадовго до виявлення позитрона. У 1936р. американські фізики К. Андерсон і С. Неддермейер виявили при дослідженні космічних променів мюони (обох знаків електричного заряду) - частинки з масою приблизно в 200 мас електрона, а в іншому дивно близькі за властивостями до е-, е +.

Позитрони (позитивні електрони) в речовині не можуть існувати, тому що при уповільненні вони анігілюють, з'єднуючись з негативними електронами. У цьому процесі, який можна розглядати як зворотний процес народження пар, позитивний і негативний електрони зникають, при цьому утворюються фотони, яким передається їх енергія. При анігіляції електрона і позитрона в більшості випадків утворюються два фотони, значно рідше - один фотон. Однофотонна анігіляція може статися тільки в тому випадку, коли електрон сильно пов'язаний з ядром; участь ядра в цьому випадку необхідно для збереження імпульсу. Двухфотонная анігіляція, навпаки, може відбуватися і з вільним електроном. Часто процес анігіляції відбувається після практично повної зупинки позитрона. В цьому випадку випускаються в протилежних напрямах два фотона з рівними енергіями.

Позитрон був відкритий Андерсоном при вивченні космічних променів методом камери Вільсона. На малюнку, який є репродукцією з отриманою Андерсоном фотографії в камері Вільсона, видно позитивна частинка, що входить в свинцеву пластину завтовшки 0,6 см з імпульсом 6,3 • 107 еВ / с і виходить з неї з імпульсом 2,3 • 107 еВ / с. Можна встановити верхню межу для маси цієї частки, допустивши, що вона втрачає енергію тільки на зіткнення. Ця межа становить 20 me. На підставі цієї та інших подібних фотографій Андерсон висунув гіпотезу про існування позитивної частинки з масою, приблизно рівною масі звичайного електрона. Цей висновок скоро було підтверджено спостереженнями Блеккета і Оккиалини в камері Вільсона. Незабаром після цього Кюрі і Жоліо відкрили, що позитрони утворюються при конверсії гамма-променів радіоактивних джерел, а також випускаються штучними радіоактивними ізотопами. Так як фотон, будучи нейтральним, утворює пару (позитрон і електрон), то з принципу збереження електричного заряду випливає, що за абсолютною величиною заряд позитрона дорівнює заряду електрона.

Перше кількісне визначення маси позитрона було зроблено Тібо, який вимірював відношення e / m методом трохоїда і прийшов до висновку, що маси позитрона і електрона відрізняються не більше ніж на 15%. Пізніші експерименти Шпіса і Кана, які використовували мас-спектрографічний установку, показали, що маси електрона і позитрона збігаються з точністю до 2%. Ще пізніше Дюмонд і співробітники виміряли з великою точністю довжину хвилі анігіляційного випромінювання. З точністю до помилок експерименту (0,2%) вони отримали таке значення довжини хвилі, якого слід було очікувати в припущенні, що позитрон і електрон мають рівні маси.

Закон збереження моменту кількості руху в застосуванні до процесу народження пар показує, що позитрони володіють напівцілим спіном і, отже, підкоряються статистиці Фермі. Розумно припустити, що спін позитрона дорівнює 1/2, як і спін електрона.

Півонії і Мюони. відкриття мезона

Відкриття мезона, на відміну від відкриття позитрона стало не результатом одиничного спостереження, а швидше за висновком з цілої серії експериментальних і теоретичних досліджень.

У 1932 році Россі, використовуючи метод збігів, запропонований Боті і Кольхерстером, показав, що відому частину спостережуваного на рівні моря космічного випромінювання складають частинки, здатні проникати через свинцеві пластини товщиною до 1 м. Незабаром після цього він також звернув увагу на існування в космічних променях двох різних компонент. Частинки однієї компоненти (проникаюча компонента) здатні проходити через великі товщі речовини, причому ступінь поглинання їх різними речовинами приблизно пропорційна масі цих речовин. Частинки інший компоненти (лівнеобразующая компонента) швидко поглинаються, особливо важкими елементами; при цьому утворюється велика кількість вторинних частинок (зливи). Експерименти з вивчення проходження частинок космічних променів через свинцеві пластини, проведені з камерою Вільсона Андерсоном і Неддемейером, також показали, що існують дві різні компоненти космічних променів. Ці експерименти показали, що, в той час як в середньому втрата енергії частинок космічних променів у свинці співпадала по порядку величин з теоретично обчисленої втратою на зіткнення, деякі з цих частинок відчували набагато більші втрати.

У 1934 році Бете і Гайтлер опублікували теорію радіаційних втрат електронів і народження пар фотонами. Властивості менш проникаючої компоненти, що спостерігалася Андерсоном і Неддемейером, перебувають у злагоді зі властивостями електронів, передбаченими теорією Бете і Гайтлера; при цьому великих втрат пояснювалися радіаційними процесами. Властивості лівнеобразующего випромінювання, виявленого Россі, також могли бути пояснені в припущенні, що це випромінювання складається з електронів і фотонів високих енергій. З іншого боку, визнаючи справедливість теорії Беті і Гайтлера, доводилося робити висновок, що "проникаючі" частки в експериментах Россі і менш поглинаються частки в експериментах Андерсона і Неддемейера відрізняються від електронів. Довелося припустити, що проникають частинки важче електронів, так як відповідно до теорії втрати енергії на випромінювання обернено пропорційні квадрату маси.

У зв'язку з цим обговорювалася можливість краху теорії випромінювання при великих енергіях. В якості альтернативи Вільямс в 1934 році висловив припущення, що проникають частинки космічних променів, можливо, мають масу протона. Одна з труднощів, пов'язаних з цією гіпотезою, полягала в необхідності існування не тільки позитивних, але і негативних протонів, тому що експерименти з камерою Вільсона показали, що проникають частинки космічних променів мають заряди обох знаків. Більш того, на деяких фотографіях, отриманих Андерсоном і Неддемейером в камері Вільсона, можна було бачити частинки, що не випромінювали подібно електронам, але, проте, були не такими важкими, як протони. Таким чином, до кінця 1936 року стало майже очевидним, що в космічних променях є, крім електронів, ще й частки до тих пір невідомого типу, імовірно частинки з масою, проміжною між масою електрона і масою протона. Слід зазначити також, що в 1935 році Юкава з чисто теоретичних міркувань передбачив існування подібних частинок.

Існування частинок з проміжною масою було безпосередньо доведено в 1937 році експериментами Неддемейера і Андерсона, Стріт і Стівенсона.

Експерименти Неддемейера і Андерсона стали продовженням (з поліпшеною методикою) згадуваних вище досліджень по втратах енергії частинок космічних променів. Вони були проведені в камері Вільсона, вміщеній в магнітне поле і розділеної на дві половини платинової пластиною товщиною 1 см. Втрати імпульсу для окремих частинок космічних променів визначалися шляхом вимірювання кривизни сліду до і після пластини.

Поглинаються частки легко можуть бути інтерпретовані як електрони. Така інтерпретація підкріплюється тим, що поглинаються частки на відміну від проникаючих часто викликають в платиновому поглиначі вторинні процеси і здебільшого зустрічаються групами (по дві і більше). Саме цього і слід було очікувати, оскільки багато хто з електронів, що спостерігаються при такій же геометрії експерименту, що у Неддемейера і Андерсона, входять до складу злив, що утворюються в навколишньому речовині. Що стосується природи проникаючих частинок, то тут багато пояснили два наступних результату, отриманих Неддемейером і Андерсоном.

1). Незважаючи на те, що поглинаються частинки відносно частіше зустрічаються при малих значеннях імпульсів, а проникають частинки навпаки (більш часті при великих значеннях імпульсів), є інтервал імпульсів, в якому представлені і поглинаються і проникаючі частинки. Таким чином, відмінність в поведінці цих двох сортів часток не може бути приписано відмінності в енергіях. Цей результат виключає можливість вважати проникаючі частинки електронами, пояснюючи їх поведінку несправедливістю теорії випромінювання при великих енергіях.

2). Є деяке число проникаючих частинок з імпульсами менше 200 МеВ / с, які виробляють не велику іонізацію, ніж однозарядна частка поблизу мінімуму кривої іонізації. Це означає, що проникають частинки космічних променів значно легше, ніж протони, оскільки протон з імпульсом менше 200 МеВ / с виробляє питому іонізацію, приблизно в 10 разів перевищує мінімальну.

Стріт і Стівенсон спробували безпосередньо оцінити масу частинок космічних променів шляхом одночасного вимірювання імпульсу і питомої іонізації. Вони використовували камеру Вільсона, яка керувалася системою лічильників Гейгера-Мюллера, включеної на антизбігів. Цим досягався відбір частинок, близьких до кінця свого пробігу. Камера містилася в магнітне поле напруженістю 3500 гс; камера спрацьовувала із затримкою близько 1 сек, що дозволяло виробляти рахунок крапельок. Серед великого числа фотографій Стріт і Стівенсон знайшли одну, що являла надзвичайний інтерес.

На цій фотографії видно слід частинки з імпульсом 29 МеВ / с, іонізація якої приблизно в шість разів перевищує мінімальну.Ця частка має негативним зарядом, оскільки вона рухається вниз. Судячи по імпульсу і питомої іонізації, її маса виявляється рівною приблизно 175 масам електрона; ймовірна помилка, складова 25%, обумовлена ​​неточністю вимірювання питомої іонізації. Зауважимо, що електрон, що володіє імпульсом 29 МеВ / с, має практично мінімальну іонізацію. З іншого боку, частинки з таким імпульсом і масою протона (або рухається вгору звичайний протон, або негативний протон, що рухається вниз) мають питомої іонізацією, яка приблизно в 200 разів перевищує мінімальну; крім того, пробіг такого протона в газі камери повинен бути менше 1 см. У той же час слід, про який йде мова, ясно видно протягом 7 см, після чого він виходить з освітленого обсягу.

Описані вище експерименти, безумовно, довели, що проникають частинки дійсно є більш важкими, ніж електрони, але більш легкими, ніж протони. Крім того, експеримент Стріт і Стівенсона дав першу приблизну оцінку маси цієї нової частинки, яку ми можемо тепер назвати її загальноприйнятим ім'ям - мезон.

Отже в 1936 р А. Андерсон і С. Неддермейер відкрили мюон (μ- мезон). Ця частка відрізняється від електрона тільки своєю масою, яка приблизно в 200 разів більше електронної.

У 1947р. Пауелл спостерігав у фотоемульсіях сліди заряджених частинок, які були інтерпретовані як мезони Юкави і названі π-мезонами або півоніями. Продукти розпаду заряджених піонів, що представляють собою також заряджені частинки, були названі μ-мезонами або мюонами. Саме негативні мюони і спостерігалися в дослідах Конверсія: на відміну від півоній мюони, як і електрони, не взаємодіють сильно з атомними ядрами.

Так як при розпаді зупинилися півоній завжди утворювалися мюони строго певної енергії, звідси випливало, що при переході π в μ повинна утворюватися ще одна нейтральна частинка (маса її виявилася дуже близькою до нуля). З іншого боку, ця частка практично не взаємодіє з речовиною, тому був зроблений висновок, що вона не може бути фотоном. Таким чином, фізики зіткнулися з новою нейтральної часткою, маса якої дорівнює нулю.

Отже, був відкритий заряджений мезон Юкави, розпадається на мюон і нейтрино. Час життя π-мезона щодо цього розпаду дорівнювала 2 · 10 ^-8 с. Потім з'ясувалося, що і мюон нестабільний, що в результаті його розпаду утворюється електрон. Час життя мюона виявилося близько 10 ^-6 с. Так як електрон, що утворюється при розпаді мюона, не має чітко визначеної енергії, то дійшли висновку, що поряд з електроном при розпаді мюона утворюються два нейтрино.

У 1947 також в космічних променях групою С. Пауелла були відкриті p + і p - мезони з масою в 274 електронні маси, які відіграють важливу роль у взаємодії протонів з нейтронами в ядрах. Існування подібних частинок було припущено Х. Юкавой в 1935.

нейтрино

Відкриття нейтрино - частинки, майже не взаємодіє з речовиною, веде свій початок від теоретичної здогадки В. Паулі (1930), що дозволила за рахунок припущення про народження такої частинки усунути труднощі з законом збереження енергії в процесах бета-розпаду радіоактивних ядер. Експериментально існування нейтрино було підтверджено лише в 1953 (Ф. Райнес і К. Коуен, США).

При β-розпаді ядер, як ми вже говорили, крім електронів вилітають ще нейтрино. Частка ця спочатку була «введена» у фізику теоретично. Саме існування нейтрино було постульовано Паулі в 1929 році, за багато років до його експериментального відкриття (1956 рік). Нейтрино нейтральна частинка з нульовою (або мізерно малою) масою знадобилася Паулі для того, щоб врятувати закон збереження енергії в процесі β-розпаду атомних ядер.

Спочатку Паулі назвав гіпотетичну нейтральну частку, що утворюється при β-розпаді ядер, нейтроном (це було до відкриття Чедвіка) і припустив, що вона входить до складу ядра.

Наскільки важко було прийти до гіпотези нейтрино, що утворюються в самому акті розпаду нейтрона, видно хоча б з того, що всього за рік до появи фундаментальної статті Фермі про властивості слабкої взаємодії дослідник, виступаючи з доповіддю про сучасний стан фізики атомного ядра використовував термін «нейтрон» для позначення двох частинок, які називаються зараз нейтроном і нейтрино. «Наприклад, згідно з пропозицією Паулі, - говорить Фермі, - було б можливо уявити, що всередині атомного ядра знаходяться нейтрони, які випускали б одночасно з β-частками. Ці нейтрони могли б проходити через великі товщі речовини, практично не втрачаючи своєї енергії, і тому були б практично не спостерігаються. Існування нейтрона, безсумнівно, могло б просто пояснити деякі поки незрозумілі питання, такі, як статистика атомних ядер, аномальні власні моменти деяких ядер, а також, можливо, природу проникаючого випромінювання ». Справді, коли мова йде про частку, що випускається з β-електронами і погано поглинається речовиною, необхідно мати на увазі нейтрино. Можна зробити висновок, що в 1932 році проблеми нейтрона і нейтрино були вкрай заплутані. Знадобився рік напруженої роботи теоретиків і експериментаторів, щоб дозволити як принципові, так і термінологічні труднощі.

«Після відкриття нейтрона, - говорив Паулі, - на семінарах в Римі мою нову частинку, що випускається при β-розпаді, Фермі став називати« нейтрино », щоб відрізнити її від важкого нейтрона. Це італійська назва стало загальноприйнятим ».

У 30-роки теорія Фермі була узагальнена на позитронний розпад (Вік, 1934 рік) і на переходи зі зміною кутового моменту ядра (Гамов та Теллер, 1937 рік).

«Долю» нейтрино можна порівняти з «долею» електрона. Обидві частки були спочатку гіпотетичними - електрон був введений, щоб привести атомну структуру речовини у відповідність до законів електролізу, а нейтрино - для порятунку закону збереження енергії в процесі β-розпаду. І тільки значно пізніше вони були відкриті як реально існуючі.

У 1962 було з'ясовано, що існують два різних нейтрино: електронне і мюонне. У 1964 у розпаді нейтральних К-мезонів було виявлено незбереження т. Н. комбінованої парності (введеної Лі Цзун-дао і Ян Чжень-Ніномія і незалежно Л. Д. Ландау в 1956), що означає необхідність перегляду звичних поглядів на поведінку фізичних процесів при операції відображення часу.

Від дивацтва до чарівності

Відкриття дивних частинок

Кінець 40-х - початок 50-х рр. ознаменувалися відкриттям великої групи частинок з незвичайними властивостями, що одержали назву "дивних". Перші частинки цієї групи К + - і К - мезони, L-, S + -, S- -, X- -гиперона були відкриті в космічних променях, наступні відкриття дивних частинок були зроблені на прискорювачах - установках, що створюють інтенсивні потоки швидких протонів і електронів. При зіткненні з речовиною прискорені протони й електрони народжують нові елементарні частинки, які і стають предметом вивчення.

У 1947 р Батлер і Рочестер в камері Вільсона спостерігали дві частинки, названі V-частинками. Спостерігалося два треки, як би утворюють латинську букву V. Освіта двох треків свідчило про те, що частинки нестабільні і розпадаються на інші, більш легкі. Одна з V-частинок була нейтральною і розпадалася на дві заряджені частинки з протилежними зарядами. (Пізніше вона була ототожнена з нейтральним К-мезонів, який розпадається на позитивний і негативний півонії). Інша була зарядженої і розпадалася на заряджену частинку з меншою масою і нейтральну частку. (Пізніше вона була ототожнена з зарядженим К + -мезона, який розпадається на заряджений і нейтральний півонії).

V-частинки допускають, на перший погляд, і іншу інтерпретацію: їх поява можна було б витлумачити не як розпад частинок, а як процес розсіювання. Дійсно, процеси розсіювання зарядженої частинки на ядрі з утворенням в кінцевому стані однієї зарядженої частинки, а також непружного розсіювання нейтральної частинки на ядрі з утворенням двох заряджених частинок будуть виглядати в камері Вільсона так само, як і розпад V-частинок. Але така можливість легко виключалася на тій підставі, що процеси розсіювання більш вірогідні в більш щільних середовищах. А V-події спостерігалися в свинці, який був присутній в камері Вільсона, а безпосередньо в самій камері, яка заповнена газом з меншою щільністю (в порівнянні з щільністю свинцю).

Зауважимо, що якщо експериментальне відкриття π-мезона було в якомусь сенсі «очікуваним» в зв'язку з необхідністю пояснити природу нуклонних взаємодій, то відкриття V-частинок, як і відкриття мюона, виявилося повною несподіванкою.

Відкриття V-частинок і визначення їх самих «елементарних» характеристик розтягнулося більш ніж на десятиліття. Після першого спостереження цих частинок в 1947р. Рочестер і Батлер продовжували свої досліди ще два роки, але їм не вдалося спостерігати жодної частки. І тільки після того як апаратуру підняли високо в гори, були знову виявлені V-частинки, а також і відкриті нові частинки.

Як з'ясувалося пізніше, всі ці спостереження виявилися спостереженнями різних розпадів однієї і тієї ж частинки - К-мезона (зарядженого або нейтрального).

«Поведінка» V-частинок при народженні і подальшому розпаді призвело до того, що їх стали називати дивними.

Дивні частки в лабораторії вперше отримані в 1954 р. Фаулером, Шатто, Торндайком і Вайтмор, які, використовуючи пучок іонів від Брукхейвенської Космотрона з початковою енергією 1,5 ГеВ, спостерігали реакції асоціативного освіти дивних частинок.

З початку 50-х рр. прискорювачі перетворилися на основний інструмент для дослідження елементарних частинок. У 70-х рр. енергії частинок, розігнаних на прискорювачах, склали десятки і сотні млрд. електрон-вольт (ГеВ). Прагнення до збільшення енергій частинок обумовлено тим, що високі енергії відкривають можливість вивчення будови матерії на тим менших відстанях, чим вище енергія зіштовхуються частинок. Прискорювачі істотно збільшили темп отримання нових даних і в короткий термін розширили і збагатили наше знання властивостей мікросвіту. Застосування прискорювачів для вивчення дивних частинок дозволило більш детально вивчити їх властивості, зокрема особливості їх розпаду, і незабаром привело до важливого відкриття: з'ясуванню можливості зміни характеристик деяких мікропроцеси при операції дзеркального відображення - т. Зв. порушення просторів, парності (1956). Введення в дію протонних прискорювачів з енергіями в мільярди електрон-вольт дозволив відкрити важкі античастинки: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антісігма-гіперонів (1960). У 1964 був відкритий найважчий гіперонів W- (з масою близько двох мас протона).

Резонанси.

У 1960-х рр. на прискорювачах було відкрито велику кількість вкрай нестійких (у порівнянні з ін. нестабільними елементарними частинками) частинок, які отримали назву "резонансів". Маси більшості резонансів перевищують масу протона. Перший з них D1 (1232) був відомий з 1953 р Виявилося, що резонанси складають основна частина елементарних частинок.

Сильна взаємодія π-мезона і нуклона в стані з повним ізотопічним спіном 3/2 і моментом 3/2 призводить до появи у нуклона збудженого стану. Цей стан протягом дуже короткого часу (близько 10 ^-23 с) розпадається на нуклон і π-мезон. Оскільки цей стан має цілком певні квантові числа, як і стабільні елементарні частинки, природно було назвати його часткою. Щоб підкреслити дуже малий час життя цього стану, його і подібні короткоживучі стану стали називати резонансними.

Нуклонах резонанс, відкритий Фермі в 1952 р, пізніше стали називати Δ _{3/2 3/2} - ізобарою (щоб виділити той факт, що спін і ізотопічний спин Δ-ізобари рівні 3/2). Так як час життя резонансів незначна, їх не можна спостерігати безпосередньо, аналогічно тому, як спостерігають «звичайні» протон, π-мезони і мюони (по їхніх слідах в трекових приладах). Резонанси виявляють за характерним поведінки перетинів розсіювання частинок, а також вивчаючи властивості продуктів їх розпаду. Більшість відомих елементарних частинок відноситься саме до групи резонансів.

Відкриття Δ-резонансу мало найважливіше значення для фізики елементарних частинок.

Зауважимо, що збуджені стани або резонанси не є абсолютно новими об'єктами фізики. Раніше вони були відомі в атомній і ядерній фізиці, де їх існування пов'язане з складовою природою атома (утвореного із ядра і електронів) і ядра (утвореного із протонів і нейтронів). Що стосується властивостей атомних станів, то вони визначаються тільки електромагнітним взаємодією. Малі ймовірності їх розпаду пов'язані з дещицею константи електромагнітної взаємодії.

Збуджені стани існують не тільки у нуклона (в цьому випадку говорять про його ізобарних станах), а й у π-мезона (в цьому випадку говорять про мезонних резонансах).

«Причина появи резонансів в сильних взаємодіях незрозуміла - пише Фейнман, - спочатку теоретики і не припускали, що в теорії поля з великою константою взаємодії існують резонанси. Пізніше вони усвідомили, що якщо константа взаємодії досить велика, то виникають ізобарна стану. Однак справжнє значення факту існування резонансів для фундаментальної теорії залишається неясною ».

«Зачаровані» частинки

В кінці 1974р. дві групи експериментаторів (група Тинга на протонному прискорювачі в Брукхейвені і група Б. Ріхтера, яка працювала на установці із зустрічними електронно-позитронними пучками в Стенфорді) одночасно зробили найважливіше відкриття у фізиці елементарних частинок: відкрили нову частинку - резонанс з масою, що дорівнює 3,1 ГеВ (перевищує три маси протона).

Найбільш дивним властивістю цього резонансу виявилася його мала ширина розпаду - вона дорівнює всього 70кеВ, що відповідає часу життя близько 10 ^-23 с.

Загальноприйнятого пояснення природи ψ-мезонів засноване на гіпотезі існування поряд зі «стандартні» трьома u-, d- і s-кварками ще четвертого, з-кварком. Від відомих раніше кварків з-кварк відрізняється значенням нового квантового числа, названого Чарма. Тому з-кварк отримав назву чармового - або зачарованого - кварка.

У 1974 були виявлені і інші масивні (в 3-4 протонні маси) і в той же час відносно стійкі y-частинки, з часом життя, незвично великим для резонансів. Вони виявилися тісно пов'язаними з новим сімейством елементарних частинок - "зачарованих", перші представники якого (D0, D +, Lс) були відкриті в 1976. У 1975 було отримано перші відомості про існування важкого аналога електрона і мюона (важкого лептона t).

За відкриття ψ-частинок Тінг і Ріхтером в 1976 році була присуджена Нобелівська премія з фізики.

У 1977р. були відкриті більш важкі (в порівнянні з ψ-частинками) нейтральні мезони з масами порядку 10ГеВ, тобто більш ніж в десять разів важче нуклонів. Як і в випадку ψ-мезонів, ці мезони, що отримали назву «іпсилон» -мезонів, були спостережено в реакції утворення мюонних пар в протон-ядерних зіткненнях.

висновок

Таким чином, за роки, що минули після відкриття електрона, було виявлено величезну кількість різноманітних мікрочастинок матерії. Для всіх елементарних частинок характерні виключно малі розміри: лінійні розміри нуклона і півонії приблизно рівні 10 ^-15 м. Теорія передбачає, що розмір електрона повинен бути близько 10 ^-19 м.

Маса ж переважної більшості частинок порівнянна з масою протона, яка в енергетичних одиницях близька до 1 ГеВ (1000 МеВ).

Світ елементарних частинок виявився досить складно влаштованих. Несподіваними у багатьох відношеннях виявилися властивості виявлених елементарних частинок. Для їх опису, крім характеристик, запозичених з класичної фізики, таких, як електричний заряд, маса, момент кількості руху, треба було ввести багато нових спеціальних характеристик, зокрема для опису дивних елементарних частинок - дивина (К. Нішіджіма, М. Гелл-Ман , 1953), "зачарованих" елементарних частинок - "чарівність" (американські фізики Дж. Бьyoркен, Ш. Глешоу, 1964); вже назви приведених характеристик відображають незвичайність описуваних ними властивостей елементарних частинок.

Вивчення внутрішньої будови матерії і властивостей елементарних частинок з перших своїх кроків супроводжувалося радикальним переглядом багатьох усталених понять і уявлень. Закономірності, що керують поведінкою матерії в малому, виявилися настільки відмінними від закономірностей класичної механіки та електродинаміки, що зажадали для свого опису абсолютно нових теоретичних побудов.

Вивчення внутрішньої будови матерії і властивостей елементарних частинок з перших своїх кроків супроводжувалося радикальним переглядом багатьох усталених понять і уявлень. Закономірності, що керують поведінкою матерії в малому, виявилися настільки відмінними від закономірностей класичної механіки та електродинаміки, що зажадали для свого опису абсолютно нових теоретичних побудов. Такими новими фундаментальними побудовами в теорії з'явилися приватна (спеціальна) і загальна теорія відносності (А. Ейнштейн, 1905 і 1916; відносності теорія, Тяжіння) і квантова механіка (1924-27; Н.Бор, Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Е. Шредінгер, М. Борн). Теорія відносності і квантова механіка знаменували собою справжню революцію в науці про природу і заклали основи для опису явищ мікросвіту. Однак для опису процесів, що відбуваються з елементарними частинками, квантової механіки виявилося недостатньо. Знадобився наступний крок - квантування класичних полів (т. Н. Квантування вторинне) і розробка квантової теорії поля. Найважливішими етапами на шляху її розвитку були: формулювання квантової електродинаміки (П. Дірак, 1929), квантової теорії b-розпаду (Е. Фермі, 1934), що поклала початок сучасної теорії слабких взаємодій, квантової мезодінамікі (Юкава, 1935). Безпосередньою попередницею останньої була т. Зв. b-теорія ядерних сил (І. Є. Тамм, Д. Д. Іваненко, 1934; Сильні взаємодії). Цей період завершився створенням послідовного обчислювального апарату квантової електродинаміки (С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швінгер; 1944-49), заснованого на використанні техніки перенормування (Квантова теорія поля). Ця техніка була узагальнена згодом стосовно до інших варіантів квантової теорії поля.

Квантова теорія поля продовжує розвиватися і вдосконалюватися і є основою для опису взаємодій елементарних частинок У цій теорії є ряд істотних успіхів, і все ж вона ще дуже далека від завершеності і не може претендувати на роль всеосяжної теорії елементарних частинок Походження багатьох властивостей елементарних частинок і природа властивих їм взаємодій значною мірою залишаються неясними. Можливо, знадобиться ще не одна перебудова всіх уявлень і набагато більш глибоке розуміння взаємозв'язку властивостей мікрочастинок і геометричних властивостей простору-часу, перш ніж теорія елементарних частинок буде побудована.

література

Ахиезер А.І., Рекало М.П. Біографія елементарних частинок. -К .: Наукова Думка, 1983.

Дорфман Я.Г. Всесвітня історія фізики з початку 19 століття до середини 20 століття. -М.,: 1 979.

Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс загальної фізики. -К .: Изд. Еделвейс, 1994.

Кемпфер Ф. Шлях в сучасну фізику. -М .: 1972.

Крейчі. Світ очима сучасної фізики. -М .: Світ, 1974.

Мякішев Г.Я. Елементарні частинки. -М .: Просвещение, 1977.

Пасічній А.П. Фізика елементарних частінок. -К .: Вища школа, 1980.

Савельєв І.В. Курс фізики. -М .: Наука, 1989.