referat (История открытия основных элементарных частиц)

16

План:

1. Введение_______________________________________________стр 2.

2. Развитие идеи о планетарной модели атома__________________стр.3

3. Краткие исторические сведения_____________________________стр.5

4. Электроны и позитроны____________________________________стр.8

5. Открытие нейтрона________________________________________стр.10

6. Окрытие мезона__________________________________________стр.12

7. Вывод__________________________________________________стр.15

8. Спиок использованной литературы__________________________стр.16

Введение.

Элементарные частицы в точном значении этого термина — пер­вичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии «Э. ч.» в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все из­вестные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие «Э. ч.» сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19—20 вв. мельчайших носителей свойств ве­щества — молекул и атомов — и установление того факта, что моле­кулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структур­ных составляющих — атомов. Выявление в дальнейшем наличия со­ставных слагающих атомов — электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискрет­ных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дис­кретными бесструктурными образованиями — Э. ч. Такое предположе­ние, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенно­стью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, дли­тельное время считавшиеся Э. ч., как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение «состоит из...» на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения «элементарности» в этом случае придется отказаться. Существование Э. ч. — это своего рода постулат, и проверка его спра­ведливости — одна из важнейших задач физики.

Развитие идеи о планетарной модели атома.

Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строе­нии атома.

Один из первых экспериментальных фактов, свидетельствующих о сложности атомов, о существовании у них внутренней структуры элек­трической природы, был установлен Фарадеем. На основании опытов по электролизу различных солей и других соединений можно было с уве­ренностью утверждать, что электрические заряды имеются в атомах всех элементов. Однако надо было выяснить, что представляет собой электричество, является ли оно непрерывной субстанцией или в при­роде существуют неделимые «атомы электричества».

Так как при электролизе одинаковое количество атомов любого одновалентного элемента всегда переносит одно и то же количество электричества, можно было предположить, что в природе существует «атом количества электричества», одинаковый в атомах всех элемен­тов.

Этот заряд получил название элементарного заряда. В 1891 году ирландский физик Дж. Стоней предложил для него название электрон Решающие эксперименты, доказавшие реальность существования элек­тронов, были выполнены английским физиком Дж. Томсоном в 1899 году. Модель атома по Томсону представляла собой положительно за­ряженную жидкость, в которой плавают отрицательные электроны. На протяжении 12 лет эта модель представлялась весьма правдоподобной. Но в 1911 году из опытов Резерфорда, сыгравшего большую роль в по­нимании строения атома, непосредственно вытекает п л а н е т а р н а я модель атома. Основные положения теории атома сформулировал Нильс Бор.

Этот величайший переворот в физике произошел на рубеже ХХ века.

Именно в это время великие принципы классической физики обна­ружили свою несостоятельность перед лицом новых фактов. Физики пе­решли границы новой неведомой области, имя которой - микромир.

Удар по представлениям, ставшим привычными, оказался тем бо­лее чувствительным, что в конце ХIХ века даже выдающиеся физики были убеждены в том, что основные законы природы раскрыты, и оста­ется использовать их для объяснения различных явлений и процессов.

Ведь до этого фундаментальные принципы классической механики Ньютона, электродинамики Максвелла и др. разделов физики получали все новые и новые подтверждения своей справедливости.

Никому не приходило в голову, что с уменьшением, к примеру, массы тел или увеличением их скорости законы Ньютона, давно счи­тавшиеся чуть ли не самоочевидными, могут оказаться несостоятель­ными.

И вот выяснилось, что атомы подвержены разрушению. Странные свойства обнаружил электрон. Его масса выростала со скоростью. Ос­новная характеристика тела - масса, считавшаяся со времен Ньютона неизменной, оказалась зависящей от скорости. А ведь массу было при­нято рассматривать как меру количества вещества, содержащегося в теле.

Но эти трудности оказались трамплином для новых теорий ХХ века - теории относительности и квантовой механики.

Классическая физика оказалась частным, или, точнее, предельным случаем теории относительности при скоростях, значительно меньших скорости света.

Термин «Э. ч.» часто употребляется в современной физике не в своём точном значении, а менее строго — для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет про­стейшее ядро атома водорода — протон). Как показали исследования, эта группа частиц необычайно обширна. К ней относятся: протон (р), нейтрон (n) и электрон (e^-) , фотон (g), пи-мезоны (p), мюоны (m), ней­трино трёх типов (электронное v_e, мюонное v_m и связанное с т. н. тяжё­лым лептоном v_t), т. н. странные частицы (К-мезоны и гипероны), разно­образные резонансы, открытые в 1974—77 y-частицы, «очарованные» частицы, ипсилон-частицы (¡) и тяжёлые лептоны (t⁺, t^—) — всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Число частиц, включаемых в эту группу, продолжает расти и, скорее всего, неограниченно велико; при этом большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, поскольку, по современным представле­ниям, они являются составными системами (см. ниже). Использование названия «Э. ч.» ко всем этим частицам имеет исторические причины и связано с тем периодом исследований (начало 30-х гг. 20 в.), когда единственно известными представителями данной группы были протон, нейтрон, электрон и частица электромагнитного поля — фотон. Эти че­тыре частицы тогда естественно было считать элементарными, т. к. они служили основой для построения окружающего нас вещества и взаимо­действующего с ним электромагнитного поля, а сложная структура про­тона и нейтрона не была известна.

Открытие новых микроскопических частиц материи постепенно раз­рушило эту простую картину. Вновь обнаруженные частицы, однако, во многих отношениях были близки к первым четырём известным части­цам. Объединяющее их свойство заключается в том, что все они явля­ются специфическими формами существования материи, не ассоцииро­ванной в ядра и атомы (иногда по этой причине их называют «субъядер­ными частицами»). Пока количество таких частиц было не очень велико, сохранялось убеждение, что они играют фундаментальную роль в строении материи, и их относили к категории Э. ч. Нарастание числа субъядерных частиц, выявление у многих из них сложного строения по­казало, что они, как правило, не обладают свойствами элементарности, но традиционное название «Э. ч.» за ними сохранилось

Краткие исторические сведения.

Открытие Э. ч. явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спек­тров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, от­крытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радио­активности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.

Исторически первой открытой Э. ч. был электрон — носитель отрица­тельного элементарного электрического заряда в атомах. В 1897 Дж. Дж. Томсон установил, что т. н. катодные лучи образованы потоком мель­чайших частиц, которые были названы электронами. В 1911 Э. Резер­форд, пропуская альфа-частицы от естественного радиоактивного ис­точника через тонкие фольги различных веществ, выяснил, что положи­тельный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях — ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, про­тоны — частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, — нейтрон — была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследова­ниях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. От­крытием нейтрона завершилось выявление частиц — структурных эле­ментов атомов и их ядер.

Вывод о существовании частицы электромагнитного поля — фотона — берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела кванто­ванна, Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905) постулировал, что электро­магнитное излучение (свет) в действительности является потоком от­дельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существо­вания фотона были даны Р. Милликеном (1912— 1915) и А. Комптоном (1922).

Открытие нейтрино — частицы, почти не взаимодействующей с ве­ществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули (1930), позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устра­нить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 (Ф. Райнес и К Коуэн, США).

С 30-х и до начала 50-х гг. изучение Э. ч. было тесно связано с ис­следованием космических лучей. В 1932 в составе космических лучей К. Андерсоном был обнаружен позитрон (е⁺) — частица с массой элек­трона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был пер­вой открытой античастицей. Существование е⁺ непосредственно выте­кало из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928—31) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании осмических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) — частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е^-, е⁺.

В 1947 также в космических лучах группой С. Пауэлла были открыты p⁺ и p^--мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существова­ние подобных частиц было предположено Х. Юкавой в 1935.

Конец 40-х — начало 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название «стран­ных». Первые частицы этой группы К⁺- и К^--мезоны, L-, S⁺ -, S^- -, X^- -гипе­роны были открыты в космических лучах, последующие открытия стран­ных частиц были сделаны на ускорителях — установках, создающих ин­тенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые Э. ч., кото­рые и становятся предметом изучения.

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования Э. ч. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на уско­рителях, составили десятки и сотни млрд. электронвольт (Гэв). Стрем­ление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энер­гии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре при­вело к важному открытию: выяснению возможности изменения характе­ристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отраже­ния— т. н. нарушению пространств. четности (1956). Ввод в строй про­тонных ускорителей с энергиями в миллиарды эв позволил открыть тя­жёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W^- (с мас­сой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабиль­ными Э. ч.) частиц, получивших название «резонансов». Массы боль­шинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D₁ (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основная часть Э. ч.

В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: элек­тронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов. было обнаружено несохранение т, н. комбинированной чётности (введённой Ли-Цзун дао и Ян Чжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956), озна­чающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени.

В 1974 были обнаружены массивные (в 3—4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые y-частицы, с временем жизни, не­обычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч. — «очарованных», первые представители кото­рого (D⁰, D⁺, L_с) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжё­лого лептона t). В 1977 были открыты ¡-частицы с массой порядка де­сятка протонных масс.