Мир элементарных частиц

Изучение в школе отдельных предметов естествознания

Познание материи, думаю, началось с тех пор, когда древнегреческие мыслители впервые ввели в обиход понятие <<атом>>, что отражало природу этой частицы <<неделимый>>. С тех давних времён и почти до начала 20 века атом считался последним <<кирпичиком>> в структуре материи. Вернее, не совсем правильно, что до 20 века все учёные считали атом неделимым. Были учёные, которые интуитивно полагали, что существует внутреннее строение атомов. Но развитие науки в целом не позволяло проводить эксперименты, которые бы подтвердили неоднородную структуру атома. Д. И. Менделеев в 1892 г. с сожалением излагал, что <<признаваемые ныне атомы химических элементов составляют последние грани анализа, до которого простирается мысль естествоиспытателя>>.

Очень скоро были сделаны четыре важнейших открытия, которые произвели революцию во взглядах на строение материи. Нельзя даже предположить, по какому пути пошло бы развитие физики, если бы не эти блестящие открытия. Наверное, если бы не тогда, то чуть позже и может быть другими учёными, но эти же открытия были бы сделаны. В 1895г. немецкий физик Конрад Вильгельм Рентген открыл непонятные тогда лучи с огромной проникающей способностью, названные им икс-лучами, называемые теперь рентгеновскими.

В 1896г. французский учёный Антуан Анри Беккерель установил, что соль урана испускает лучи неизвестной природы, названные урановыми. Очень скоро выяснилось, что такие же лучи испускает торий, то есть было открыто неизвестное до сих пор явление природы - радиоактивность. Можно удивляться такой последовательности открытий, но уже в 1897г. из Англии Джозеф Джон Томсон доказал существование элементарной частицы, являющейся носителем отрицательного заряда. На границе столетий, в 1900г. на заседании немецкого физического общества Маркс- Планк изложил гипотезу о существовании квантов - испускание энергии отдельными порциями. Все эти, сделанные один за другим, открытия заинтересовали многих учёных.

Хочу отметить, что большинство учёных достойны беспредельного восхищения и огромной благодарности от нас, будущих поколений, за те открытия, которые ими были сделаны. Путём невероятных усилий, огромных затрат сил, времени, совершая революционные изменения уже имеющихся точек зрения в некоторых вопросах, они делали свои научные открытия. Изучение <<беккерелевых>> лучей продолжает Пьер и Мария Склодовская-Кюри, Э. Резерфорд, С. Мейер, Дж. Томсон, У. Круус и У. Размай, и многие другие учёные.

Благодаря их самоотверженному труду, очень скоро последовала серия следующих открытий, которые позволили заглянуть вглубь атома. В 1911 году Резерфорд в майском номере <<Философского журнала>> опубликовал знаменитую статью <<Рассеивание альфа - и бета-частиц веществом и структура атома>>. Учёный мир узнал о планетарной модели строения атома, о которой теперь знает каждый восьмиклассник. Несмотря на то, что в представленной модели атома имелось противоречие с известной к тому времени теорией электро - магнитных излучений Максвелла, Резерфорд настаивал на правильности своей теории, интуитивно полагая разрешение такой <<научной>> проблемы в применении квантовой теории М. Планка.

Очень скоро Нильс Бор смог разрешить противоречие двух теорий, сформулировав известные постулаты, а открытие протона в 1919г. и чуть позже - в 1932г. - нейтрона, полностью разрушило представление о неделимости атома. Открытие протона и нейтрона <<разрушили>> ядро, сформировав к тому времени убеждения учёных в том, что в лабораторных условиях можно осуществлять искусственный распад ядер и получать новые элементы.

Следующее поколение учёных с этого времени делают новые революционные открытия.

В 1934г. Ирен и Пьер Жолио - Кюри сообщают о явлении искусственной радиоактивности. В этом же году ими был открыт новый вид радиоактивности - позитронная радиоактивность. Таким образом,

<<кирпичики>>, из которых состоит материя, в начале 20 века уменьшилась до размеров протонов, нейтронов и электронов. К этому времени уже известны другие частицы - фотоны и, самое главное, благодаря теории квантовой физики, известно проявление частицами волновых свойств и наоборот.

А стабильность нейтрона в ядре и его нестабильность в свободном состоянии, нестабильность ядер трансурановых элементов, неизвестность сил, удерживающих протон и нейтроны в ядре - это лишь часть вопросов, которые вновь возникают перед учёными.

Поэтому, в результате исследований - деление ядер урана, цепные ядерные реакции, создание ядерных реакторов и, наконец, создание ускорителей для ядер лёгких атомов. В это же время открываются элементарные частицы в космическом излучении.

1932г. вошёл в историю физики как <<год чудес>>. Первое чудо - открытие нейтрона, до этого времени были известны 3 элементарные частицы: протон, электрон и фотон. В результате ядерной реакции

4Не2 +9В4->12С6+1n0; ученик Резерфорда Чедвик получил неизвестное пока, новое излучение. С нейтроном в физику вошло третье (сильное) и четвёртое (слабое) взаимодействия. Оказалось, в отличие от электрона, протона, фотона -нейтрон нестабилен - он самопроизвольно (спонтанно) превращается в другие частицы.

n->р + е- +ve

<<Распад>> нейтрона не означает, что нейтрон состоит из этих частиц, они родились в момент распада. <<Распад>> как раз и обусловлен слабым взаимодействием. Нестабильны свободные нейтроны и нейтроны в нестабильных ядрах.

В августе 1932г. Андерсон, регистрируя на фотопластинках космические лучи, обнаружил след новой частицы, которая имела положительный заряд и массу = mе. Это был предсказанный год назад Дираком позитрон е+-античастица е- электрона. Так была открыта первая античастица. Позитрон образуется из имеющего большую энергию кванта электромагнитного излучения: γ->е- + е+.

До этого времени считалось, что имеются два вида фундаментальных частиц - электроны и протоны, что они никогда не изменяются и что число их постоянно. Экспериментальное доказательство образования пар- электронов и позитронов показало, что электроны могут возникать и снова исчезать, число их не постоянно.

С открытием позитрона рушилась перегородка между веществом и полем: поле может превращаться в вещество, равно как вещество может превращаться в поле - аннигиляция электрона и позитрона. В 30-х годах был открыт мюон μ-, масса-207 mе, время жизни 2 х10-6 с, несколько лет спустя - действительный <<переносчик>> ядерного взаимодействия - пион PI+ ; 273 mе; 2,6 х10-8 с радиус взаимодействия элементарных частиц рассчитывается по формуле:

ŗ =ĥ/2PImĉ, m - масса покоя переносчика, ŗ =10-15 м для PI+.

С 1932г. до 1964г. - через три десятилетия элементарных частиц известно более - 300. Практически все они оказались нестабильны, у большинства время жизни- 10-22 - 10-23 с, столь мало живущие частицы называют <<резонансами>>.

До 40-х годов - новые частицы искали в космическом излучении, после - в лабораториях с ускорителями элементарных частиц. В конце 40-х -55 годов была открыта большая группа частиц, названные <<странные>>- <<странность>> специфический, безразмерный <<заряд>> частицы, отсутствует у всех открытых ранее частиц.

Если не учитывать частицы, время жизни которых не превышает 10-22 с, то число частиц сокращается до 19. Их распределили по трём семействам: первое - из одной частицы - фотон γ; второе - лептоны (по-гречески <<лептос>>- мелкий, лепта - мелкая монета). Это семейство состояло из 4-х частиц; электрон е-, мюон μ-, электронное нейтрино ve, мюонное нейтрино vμ, (открыты- -1956г. , -1962г. ).

Третье семейство было названо адронами; (<<адрон>> как и ядро - от греческого <<хадрос>> - массивный, тяжёлый). Все <<резонансы>> относятся к семейству адронов. В этом семействе разделяют два подсемейства- мезоны и барионы. Без <<резонансов>> мезоны состоят из 5 частиц: положительный пион PI+, нейтральный пион PI0 , положительный каон к+, нейтральный каон к0, нейтральный эта -мезон η0.

Барионы из 9 частиц: протон р, нейтрон n и семь гиперонов: лямбда-гиперон Λ0, трёх сигма - гиперонов Σ+, Σ-, Σ°, двух кси -гиперонов Ξ°,

Ξֿ, и омега -гиперона Ωֿ.

У трёх из всех частиц γ, PI0,η0 - нет античастиц. Лептоны и барионы имеют полуцелый спин - фермионы, целый спин - бозоны.

В 1964г. Гелл - Манн и Цвейг выдвинули гипотезу, по которой все адроны состоят из частиц- кварков. Вначале рассматривали три кварка: U, D, S, и три антикварка u‾ , d‾, s‾ Все кварки- фермионы. Один и тот же кварк бывает в нескольких состояниях - разновидностях, называемых цветами: жёлтый, красный, синий - кварки; оранжевый, фиолетовый, зелёный - антикварки. В состав бариона входят кварки трёх основных цветов, поэтому барионы -бесцветны.

Адроны строятся из кварков следующим образом: барион - из трёх кварков, антибарион- из трёх антикварков, мезон- из кварка и антикварка. В квантовой <<храмодинамике>> есть <<правило невылетания цветов>>, по которому в свободном состоянии могут находиться только <<безцветные>> объекты.

Расщепить адроны на составляющие их кварки не удалось. Три кварка и антикварка к концу 70х позволили конструировать все адроны и антиадроны, такое конструирование не порождало лишних, (неизвестных к тому времени), объектов. В середине 70-х в результате опытов по рассеянию электронов высоких энергий на протонах были открыты новые частицы -<<очарованные>>.

В 1974г. был открыт ещё один мезон - нейтральный Ϋ/Ψ джей - пси - мезон (спин 1, масса 6000mе, время жизни 10-20 с). Для объяснения его свойств, времени жизни, пришлось постулировать существование нового кварка - с - кварка (charm - очарование) и ввести для неё величину - <<очарование>>. Вскоре был открыт ещё ряд мезонов.

Между кварками существует взаимодействие - сильное (ядерное). <<Переносчиками>> этого взаимодействия являются <<цветные>> частицы -глюоны (от английского <> - клей). Как и фотоны- глюоны не имеют массы покоя.

В отличие от фотонов, которые не имеют зарядов и поэтому не взаимодействуют друг с другом, глюоны обладают специфическим зарядом -<<цветом>>, в связи, с чем различают 8 глюонов. Глюоны сильно взаимодействуют друг с другом, глюоны рождают глюоны, поэтому попытка выбить кварки приводит к рождению кварка и антикварка. Сейчас известно 13 фундаментальных бозонов- <<переносчиков>> основных взаимодействий: фотон (электромагнитный), 8 глюонов (сильное взаимодействие), 3 промежуточных бозона (слабое взаимодействие), и гипотетический гравитон. Известно 12 фундаментальных фермионов - это лептоны и кварки.

До 1974г. было известно 4 лептона и 3 кварка, но из теории следовало, что число лептонов должно быть равно числу кварков.

В 1974г. с открытием с-кварка число лептонов и кварков сравнялось, но в 1975г. был открыт пятый лептон - τ- (таон, масса 3500mе, время жизни

появились доводы в пользу существования третьего нейтрино - таенного нейтрино, vτ. т. е. число лептонов увеличилось до шести. Начались поиски пятого и шестого кварков; в - кварков (носитель величины <<прелести>>), и t-кварк, т. е. 6 лептонов и 6 кварков - полный перечень фундаментальных фермионов.

Кроме открытия всех указанных частиц, во второй половине 20 века с помощью ускорителей высоких энергий продолжалось открытие элементов таблицы Д. И. Менделеева. Были получены элементы 106 го- 112 порядкового номера.

Современные ускорители позволяют синтезировать сверхтяжёлые элементы, методом ядерных реакций под действием тяжёлых ионов. Изучение ядер тяжёлых элементов привело учёных к выводу о такой закономерности, что чем тяжелее ядро, тем меньше время его жизни. Но последние расчёты и исследования приводят к дальнейшим выводам о том, что дальнейшее увеличение массы ядер, начиная с некоторого номера, снова приведёт к стабильности ядер. Более того, установлено, что некоторые ядра (например, америций) могут существовать как миллиарды лет, так и доли секунды, испытывая один и тот же распад-деление. Интересны последние выводы о стабильности ядер были сделаны, в связи с количественным сохранением протонов и нейтронов в ядре. Стабильны ядра гелия (2 протона, 2 нейтрона), кислорода (8 протонов, 8 нейтронов), кальция (20 протонов, 20 нейтронов), свинца(82 протона, 82 нейтрона). Эти комбинации чисел называют <<магическими>> Следующий за свинцом элемент будет иметь <<магическую>> комбинацию протонов и нейтронов соответственно 134 и 184. Время его жизни, предположительно, будет составлять миллионы лет. Необходимо отметить, что в 90 годах в г. Дубне учёными построен новый ускоритель тяжёлых ионов - циклотрон У-400. С помощью этого ускорителя удалось синтезировать 116-й стабильный элемент, 114 тоже получен, но с числом нейтронов в ядре меньше, в 184, поэтому это ядро не является стабильным. С помощью циклотрона У-400 есть возможность получить 118 элемент. Есть ли предел?

Созданный трудом учёных многих стран Большой адронный коллайдер, однажды приведённый в действие в 2008г. , по мнению учёных, даст ответ на очень многие вопросы, которых становится тем больше, чем дальше вглубь микромира уходит наука. Возможно, именно с помощью этого крупнейшего научного сооружения и будет получен ответ на вопрос - где предел?