СУЧАСНІ УЯВЛЕННЯ ПРО СТРУКТУРНІ РІВНІ МІКРОСВІТУ

Основний зміст глави

Відкриття великого числа елементарних частинок стимулювало теоретичні та експериментальні пошуки фундаментальних частинок, що грають роль першооснов для решти світу складових мікрочастинок. До теперішнього часу встановлено існування трьох поколінь фундаментальних частинок (кварків і лептонів), висунуті гіпотези багатовимірних струменя для пояснення спектру мас і зарядів фундаментальних частинок.

З.1 Частинки і античастинки мікросвіту

У 1930 р англійський фізик Пол Дірак теоретично передбачив існування античастинки електрона, яка має таку ж масу, що і електрон, але відрізняється від нього знаком (але не абсолютною величиною) електричного заряду. Для неї знак заряду повинен був бути протилежним знаку заряду електрона, т. Е. Позитивним.

У цьому знайшло свій прояв властивість симетрії рівняння Дірака щодо знака електричного заряду частинок. Вважають, що це говорить також про наявність властивостей симетрії в основних законах природи, в даному випадку це приклад зарядовим симетрії. Незабаром така частка була виявлена експериментально (А. Андерсон, 1932 г.).

Пізніше були відкриті античастинки для протона (Антипротон), нейтрона (антинейтрон) і нейтрино (антинейтрино). В останніх двох випадках заряди частинок і античастинок однакові, але по ряду інших властивостей вони все ж відрізняються один від одного. При записи позначень античастинок використовують знак частки-партнера, але з додаванням до нього тильди над символом, наприклад Антипротон позначають символом Р , а для позначення антинейтрона використовують символ П.

Виявилося, що народження античастинки завжди відбувається в парі з відповідною часткою, так що при цьому виконується закон збереження загального електричного заряду Всесвіту. Від появи пари різнойменних і однакових за абсолютною величиною зарядів нейтральність всесвіту не порушується.

Античастинки є рідкісними «гостями» серед світу звичайних частинок і швидко зникають в актах анігіляції. Анігіляція - це взаємне знищення, зникнення пари «частка - античастинка» з утворенням кванта електромагнітного випромінювання з високою енергією

(Гамма-кванта). Символічно реакцію аннигиляцию електрона і позитрона (т. Е. Антиелектрона) записують у вигляді

Народження двох гамма-квантів обумовлено проявом закону збереження імпульсу в ізольованій системі. До початку реакції частки, зближуючись назустріч один одному, мають цілком певну суму векторів імпульсів. Щоб не змінити (зберегти) величину цієї суми, імпульси гамма-квантів після виникнення повинні бути спрямованими в протилежні сторони.

Перш ніж проаннігіліровать, позитрон і електрон утворюють іноді водородоподобном систему, цілком описується теорією Бора. У пий обидві частки обертаються на загальній круговій орбіті навколо центру мас. За розмірами атом позитронно приблизно в два рази більше атома водню.

Нещодавно (у 2008 р) з'явилося повідомлення про спостереження молекули позитронно, в якій пов'язані два атома позитронно. Для позначення таких екзотичних атомів і молекул був запропонований символ Тайдз (інь і ян), який використовується для позначення єдності протилежних начал в китайському містицизмі і символічні позначення Ps і Ps 2 (рис. 30). До речі сказати, це ще один приклад співіснування наукових і містичних образів в сучасній єдиної культурі.

Атом і молекула позитронно

Мал. 30. Атом і молекула позитронно

Крім того, до теперішнього часу в лабораторіях фізиків вдалося отримати невеликі кількості антиречовини у вигляді антиводню і антигелія. У цих з'єднання замість «нормальних» частинок присутні їхні антиподи - антипротона, антинейтрони, позитрони.

Довгий час вважали, що нейтрино не тільки не має електричного заряду, але не має і маси. До теперішнього часу експериментально встановлено, що нейтрино має масу, відмінну від нуля. Більш того, відкриті три види нейтрино з різними значеннями маси: електронне нейтрино (v e ), найлегше, мюонне нейтрино (v M ) і Таон нейтрино (v T ), найважче з трьох.

Разом з електроном ( е ), мюонів (р) і Таон (т), три нейтрино утворюють сімейство лептонів (табл. 6).

Таблиця 6

сімейство пептонов

е

т

Ve

V M

V T

Підставою для об'єднання цих частинок в єдину групу служить та обставина, що перераховані частки можуть перетворюватися один в одного. Так, наприклад, мюон може перетворюватися в електрон, антинейтрино і нейтрино по реакції

Крім того, іноді мюон заміщає електрон в атомах. У згоді з теорією Бора, радіус мюонною орбіти виявляється в стільки разів менше електронної, у скільки разів маса мюона більша за масу електрона. Парадоксально, але в важких атомах мюонів орбіта потрапляє в

область ядра атома. Спіновий число лептонів равнооні беруть участь в

так званих слабких взаємодіях.

Іншу групу елементарних частинок утворює сімейство мезонів. Вона більш численна, ніж сімейство лептонів, і в табл. 7 наведені тільки деякі частинки з даної групи.

Таблиця 7

сімейство мезонів

+

71

71 °

До

до +

до 0

до ~

D +

D 0

D "

У 0

В ~

Все мезони мають нульове значення спина, саме це є однією з підстав для віднесення елементарної частинки даного сімейства. Ще більш численною є група баріонів - елементарних частинок, спінові квантове число для яких є

1 про

кратним розміром -. У це сімейство входять, зокрема, протони і

нейтрони. Ці дві частинки є складовими частинами ядер атомів, де вони тісно пов'язані ядерними силами. Ядернис сили індиферентні (нечутливі) до електричного заряду протонів. Тому в складі ядер атомів обидва типи частинок називають нуклонами, т. Е. Частинками ядра.

В цілому, до початку 70-х років XX ст. при дослідженні каскадів реакцій народження мікрочастинок, подібних до наведеного на рис. 31, було відкрито понад 350 видів частинок, які належали за термінологією того часу до класу елементарних частинок. (В ці роки іноді сукупність елементарних частинок порівнювали з колекцією марок.)

Каскад реакцій народження елементарних частинок при зіткненні зустрічних пучків протонів і антипротонів

Мал. 31. Каскад реакцій народження елементарних частинок при зіткненні зустрічних пучків протонів і антипротонів

До теперішнього часу список відкритих частинок мікросвіту (разом з так званими резонансними, дуже корогкожівущімі станами) перевищив рубіж 500 найменувань. З урахуванням наявності античастинок «суспільство» елементарних частинок стає ще більшим. Воно набагато перевищує кількість хімічних елементів, згрупованих в таблицю Д. І. Менделєєва.

Мимоволі виникали сумніви з приводу елементарності такого великого числа частинок. Може бути, велика їх частина все-таки має внутрішню структуру?

Традиція пошуку першооснов, закладена ще в античні часи, стимулювала вчених на пошук дійсно елементарних, які не мають в своєму складі будь-яких частин, фундаментальних частинок. Оскільки експериментатори «зробили свою частину роботи», відкривши велику кількість мікрочастинок, черга була за теоретиками.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >