Элементарные частицы

Согласно представлениям учёных в XX веке, протон, нейтрон и электрон настолько просты, что их нельзя разложить на более простые составные. Собственно отсюда и термин — элементарные частицы. Тут, разумеется, можно, и не без основания, возразить: не произойдет ли с элементарными частицами в будущем то же самое, что произошло с атомом?

Элементарные частицы в модели атома
Рис.12

Рис.12. Элементарные частицы — протоны и нейтроны в ядре атома удерживаются ядерными силами (коричневые стрелки). Электроны связаны с ядром электромагнитными силами (желтые стрелки).

В XIX веке ученые были убеждены, что атом является простейшей частью материи. В XX веке было известно, что он представляет собой систему элементарных частиц. Не состоят ли и эти элементарные частицы из каких-нибудь субэлементарных частиц, например, кварков или партонов?

Такое мнение не лишено основания, и мы займемся немного позже. А здесь мы разберем основные свойства протона, нейтрона, электрона и прочих известных элементарных частиц.

Размеры элементарных частиц

Каковы же размеры элементарных частиц?

Горошины вокруг Эйфелевой башни
Рис.13

Рис.13. Электроны вращаются вокруг ядра подобно горошинам вокруг Эйфелевой башни.

Следовало бы спросить, насколько они малы?

Биллион (1012) элементарных частиц, вытянутых в один ряд, образует цепь длиной всего 1 мм. Таким образом, диаметр элементарной частицы представляет собой одну биллионную миллиметра (10-15 метра). В привычной форме записи это число выглядит так:

0.000 000 000 000 001

Это величина, которую трудно запомнить и даже произнести. Поэтому ученые вместо одной биллионной миллиметра ввели единицу «один ферми» в память об итальянском физике Энрико Ферми, который внес крупный вклад в познание элементарных частиц.

Один ферми = 10-15 метра = 0.000 000 000 000 001 метра = примерно диаметр элементарной частицы

Масса элементарных частиц

Никто во всем мире пока не знает, из чего, собственно, состоят элементарные частицы. Но все же можно определить количество этого таинственного «чего-то» в одной частице. Это количество называется массой частицы.

Чем больше масса любого тела, тем больше его вес. И чем больше масса тела, тем труднее его привести в движение или, наоборот, остановить, если оно движется. Такое «нежелание» тела изменить свое состояние называется инерцией.

Элементарные частицы обладают очень маленькой массой, а тем самым и малой инерцией. По этой причине их движение легко можно ускорить до скорости, близкой к скорости света.

Некоторые элементарные частицы имеют даже нулевую массу (например, фотон). Частицы с нулевой массой движутся сразу же после своего возникновения со скоростью света, т.е. с наивысшей возможной скоростью.

Масса элементарных частиц — есть их важнейшая физическая характеристика.

Масса элементарных частиц
Таблица 14

В данный момент речь идет о массе частицы в состоянии покоя, когда она не движется. Такая масса называется массой покоя. Позднее мы увидим, что масса элементарной частицы зависит от того, с какой скоростью движется частица. Чем быстрее это движение, тем больше ее масса.

Масса покоя отдельной частицы всегда и везде одинакова. Например, масса покоя электрона на Земле соответствует его массе покоя в далекой-далекой галактике.

Другие элементарные частицы

В процессе изучения протонов, электронов и нейтронов в ускорителях на короткое время возникают и другие частицы.

Ускоритель (см.рис.16) — это, своего рода, мощный микроскоп, с помощью которого ученые изучают свойства элементарных частиц. При этом появляются все новые виды частиц, подобно тому, как зоологи до сих пор открывают неизвестные виды животных, а ботаники — новые виды растений.

В таблице 14 приведены наиболее известные частицы, которые способны просуществовать во Вселенной хотя бы ничтожно короткое время (приблизительно одну миллиардную секунды).

Помимо них был открыт ряд частиц с еще более коротким временем жизни, в биллион раз более коротким, чем жизнь частиц, приведенных в таблице. Они существуют всего лишь 10-2410-20 сек. Такие элементарные частицы и называются резонансы.

До сих пор точно не установлено, являются ли они вообще настоящими элементарными частицами. Есть основания предполагать, что они не представляют особой важности для Вселенной, и поэтому в нашей таблице они не приведены.

Частицы в таблице размещены соответственно энергии покоя, которой они обладают. Чем больше энергия покоя элементарной частицы, тем более высокое место в таблице она занимает.

Рассмотрим правую часть таблицы (левой, т.е. античастицами, мы займемся позже).

Протон и нейтрон сравнительно тяжелые частицы, и поэтому они приводятся в верхней части таблицы. Электрон, напротив, частица легкая, и в таблице вы найдете его внизу.

Массу покоя электрона обозначим mе, она равна примерно 10-27 грамма (точнее, 9.1*10-28 грамма или 9.1*10-31 кг). Если массу электрона mе умножить на квадрат скорости света, то получится энергия покоя электрона: mеc2 = 0.51 MeV, как и приведено в таблице.

Электрон среди элементарных частиц, имеющих массу покоя, самый легкий.

Грамм протонов
Рис.15. Масса покоя протона.

Из таблицы следует, что самая тяжелая частица, называемая омегой, более чем в 3000 раз тяжелее электрона. Но даже биллион (1012) частиц омега не способен привести в движение самые точные весы в мире. Квадриллион (1024) протонов весит приблизительно 1 грамм.

Вращение элементарных частиц

Многие тела во Вселенной движутся вокруг собственной оси. Такое движение мы называем вращением. Вращаются планеты, звезды, спутники, галактики, а также молекулы, атомы и элементарные частицы.

Вращение элементарных частиц получило название спин.

В некотором смысле спин хотя и похож на вращение больших тел, но всё же существенно и отличается от него. Частицу со спином можно представить себе в виде маленького волчка.

В отличие от больших тел вращение элементарных частиц нельзя ни замедлить, ни ускорить.

Ускоритель элементарных частиц
Рис.16

Рис.16. Ускоритель частиц (Батавия, штат Иллинойс, США), сфотографированный с самолета. Элементарные частицы (протоны) ускоряются в кольцевом подземном туннеле (самый большой круг). В левой части снимка — главное здание, от которого влево вверх отходят три канала Для экспериментальных исследований. Протоны, попадающие из туннеля в канал, обладают энергией порядка 400 Гэв (4*1011 эв).

Спин является неизменным свойством всех элементарных частиц.

По величине спина все элементарные частицы делятся на две группы. Частицы, которые не вращаются вообще или вращаются очень быстро (т.е. имеют нулевой или целочисленный спин), названы в честь индийского физика Бозе бозонами. А частицы, которые вращаются со средней скоростью (т.е. имеют полуцелый спин), называются фермионами, по имени итальянского физика Ферми.

Оба вида частиц значительно отличаются друг от друга.

Туннель ускорителя элементарных частиц
Рис.17

Рис.17. Внутренний вид туннеля ускорителя частиц, показанного на предыдущем снимке. Внутри, под синим покрытием, расположена вакуумированная труба размером 5 х 12 см. Вдоль нее на желтых подставках расположены 1014 магнитов, которые охлаждаются водой, подаваемой сверху через трубопровод. В трубе, замкнутой в кольцо, обращаются протоны с частотой приблизительно 50 тысяч раз в секунду. При каждом обращении протон получает энергию порядка 2.8 Мэв.

Деление элементарных частиц на бозоны и фермионы показано на рисунке 18. Для наглядности воспользуемся сравнением с поездом.

В первом вагоне, проводника которого зовут Ферми, действует правило, согласно которому в купе не должно находиться более двух пассажиров; один из них сидит в направлении движения поезда, другой — против движения.

Совсем по-другому ведут себя пассажиры во втором вагоне, проводником которого является господин Бозе. Количество пассажиров в купе не ограничено. Общительные путешественники ведут себя здесь как частицы с нулевым или целочисленным спином. В небольшом пространстве может поместиться значительное количество бозонов, например, фотонов.

Бозоны и фермионы
Рис.18

Рис.18. Взаимоотношения фермионов и бозонов мы можем представить себе как взаимоотношения пассажиров в поезде.

Электрический заряд элементарных частиц

В таблице 14 красным цветом обозначены элементарные частицы с положительным электрическим зарядом, синим — частицы с отрицательным зарядом, белый цвет принадлежит частицам нейтральным, т.е. не имеющим электрического заряда.

Движение электрически заряженных частиц называется электрическим током. Через нить лампы накаливания проходит примерно десять триллионов электронов (1019 электронов) за секунду. Заряд в 1019 электронов называется кулон. Ток одного кулона за секунду равен одному амперу.

Таким образом, заряд электрона равен 10-19 кулона. Это наименьший и неделимый электрический заряд.

Кулон. Ампер.
Рис.19

Количество электричества, которым обладает электрон, имеют все элементарные частицы с отрицательным зарядом (табл.14). Заряд протона и всех прочих положительно заряженных частиц имеет такую же величину, как и заряд электрона. Разница здесь только в знаке.

Тело, заряженное положительно (например, дождевое облако, расческа, конденсатор), испытывает недостаток электронов, так как в нем преобладают протоны. И наоборот, тела, заряженные отрицательно, характеризуются избытком электронов. Если общее количество электронов и протонов одинаково, то тело не имеет электрического заряда.

Вокруг частицы с электрическим зарядом существуют силы, действующие на другие заряженные частицы, которые оказываются в непосредственной близости от нее. Пространство вокруг заряженной частицы, где действуют электрические силы, называется электрическим полем.

Переход электронов с расчески на волосы и обратно
Рис.20

Рис.20. При расчесывании волос электроны переходят с расчески на волосы. Расческа заряжена положительно, волосы — отрицательно. Электроны перескакивают обратно на расческу, и при этом возникают искры.

Если заряженная частица движется, то вокруг нее начинают действовать магнитные силы (магнитное поле). Заряженная частица в ускоренном или замедленном движении испускает электромагнитное излучение (фотоны).

Электрический заряд не уничтожается и не возникает из ничего. Это явление известно как закон сохранения электрического заряда.

На таблице 14 мы видим, что самой легкой заряженной частицей является электрон. Это значит, что электрон не делится на более мелкие частицы, которым он передал бы свой заряд. Таким образом, электрон — стабильная частица.

Следующей важной группой элементарных частиц являются барионы. Основное их свойство — барионный заряд (барионное число). По-гречески baris означает «тяжелый», «массивный».

Барионытяжелые частицы. Вы найдете их в верхней части таблицы. Барионы образуют замкнутую группу: барион может превратиться только в другой барион. Например, нейтрон может превратиться в протон, протон — в нейтрон. Протон и нейтрон — основные частицы ядра атома, поэтому их ещё называют нуклонами (ядерными частицами), по-латински nucleus означает «ядро».

Барионы, более тяжелые, чем нуклоны, обозначаются заглавными греческими буквами («лямбда», «кси», «сигма», «омега»). В таблице они стоят выше нуклонов и называются гиперонами. Все гипероны — нестабильные частицы, они распадаются вскоре после своего рождения. Также и одинокий нейтрон распадается приблизительно в течение десяти минут на протон.

Каждый барион стремится «скатиться» как можно ниже в таблице. Барионом, занимающим самое нижнее место в таблице, является протон, который более не распадается, потому что иначе бы одним барионом в космосе стало меньше, а природа строго следит за тем, чтобы не потерялся ни один барион.

Физики приписали каждому бариону положительный заряд +1. У всех остальных частиц барионный заряд равен нулю (например, фотон, электрон и другие бозоны). Сумма всех барионов, способных превращаться, обозначается N и называется общим барионным зарядом или барионным числом.

Общий барионный заряд остается неизменным, несмотря на любые процессы, происходящие во Вселенной. Это явление мы называем законом сохранения барионного заряда. Протон сам по себе не может распадаться, так как иначе был бы нарушен закон сохранения барионного заряда, как мы уже говорили.

Эти космические законы (сохранение электрического и сохранения барионного заряда) действуют без исключений. Ведь стабильность протона и электрона — основа нашего космоса. Если бы не было строгого сохранения этих величин (электрического и барионного зарядов), то протоны и электроны распадались бы на более легкие частицы, не могли бы существовать молекулы и атомы, и Вселенная выглядела бы совсем по-другому.

Лептонный заряд и лептонное число

Самые легкие элементарные частицы в нашей таблице относятся к лептонной группе, группе легких частиц. По-гречески leptos означает «легкий», «мелкий».

К лептонным частицам относятся:

  • электрон (обозначается е),
  • отрицательно заряженный мюон (μ)
  • и два вида нейтрино (электронное нейтрино Ve и мюонное нейтрино Vμ.

Так же как и в случае с барионами, природа строго следит за тем, чтобы лептоны не потерялись. Каждый лептон имеет лептонный заряд +1. У всех остальных частиц (барионов и бозонов) лептонный заряд равен нулю. Сумма лептонных зарядов при всех превращениях остается неизменной, потому что на нее распространяется закон сохранения лептонного заряда.

Чтобы картина была полной, назовем еще три свойства элементарных частиц:

  1. изотопический спин,
  2. странность
  3. и четность.

Так как описание их заняло бы слишком много места и для основного содержания нашей статьи они не столь существенны, мы не будем на них останавливаться.

Итак, мы закончили обзор свойств элементарных частиц, помещенных в правой половине таблицы 14. Мы убедились, что каждая из них имеет несколько характеристик, определяющих свойства элементарных частиц:

  • масса,
  • спин,
  • электрический заряд,
  • барионный заряд,
  • лептонный заряд.

Левая часть таблицы зеркально отражает правую ее часть. Каждой частице на правой стороне отвечает ее отражение на левой: речь идет об античастицах, о которых мы поговорим в другой статье.

Оцените статью
Добавить комментарий