mukhin-fizika-elementarnykh-chastits (810757), страница 26
Текст из файла (страница 26)
е. в 1837 раз меньшей, чем масса самого легкого атома (водорода) а. При этом во всех вариантах опыта с катодными лучами (разные материалы электродов, различный газ и др.) образующиеся частицы имели одинаковые массу и заряд. Исследование некоторых других явлений (электролиз, электронная эмиссия и др.) привело к аналогичному результату: в составе всех атомов содержатся в разном количестве тождественные элементарные частицы, которые при известных условиях могут отделяться от атомов. Так как атомы электрически нейтральны, то атомный остаток (ион) имеет положительный заряд, равный по значению заряду всех отделившихся электронов.
Открытие электрона привело к большому успеху в развитии представлений о веществе. В частности, была развита электронная теория металлов; было получено естественное объяснение для химических сил сцепления атомов в молекуле (электрическое притяжение между электронами и положительными ионами). При детальном изучении были обнаружены новые свойства электрона. Оказалось, что электроны обладают внутренним моментом количества движения — спином, равным 8~2, и соот- ' Точное значение массы электрона и других элементарных частиц см.
в таблице в конце книги У 99. Введение к часты четвертой ветствующим ему магнитным моментом, равным одному магнетону Бора: е Гг 1М =- — — =9,27.10 хг эрг/Ге=9,27.10 'в Дж/Тл*. те 2 Открытие электрона позволило построить первую модель атома.
В 1904 г. Томсон высказал предположение о том, что атом представляет собой положительно заряженный шар размером примерно 10 в см с плавающими в нем в равновесном состоянии электронами, Малые колебания электронов приводили к испусканию атомом электромагнитного излучения — фотонов. Однако после классических опытов Резерфорда по аномальному рассеянию сг-частиц (1911 г.) стало ясно, что наблюдающиеся при рассеянии а-частиц отклонения на большие углы не могут быть объяснены моделью Томсона. Для объяснения этих опытов Резерфорд предложил планетарную модель атома.
Согласно этой модели атом состоит из положительно заряженного ядра очень малых (около 10 1' см) размеров, вокруг которого на относительно больших расстояних (около 10 в см) вращаются электроны. Так как масса электронов очень мала, то практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Дальнейшие опыты Резерфорда с, сх-частицами привели (1919 г.) к открытию расщепления атомного ядра' азота, сопровождающегося вылетом положительно заряженной частицы с зарядом +е и массой, равной массе ядра атома легкого изотопа водорода (в 1836 раз больше массы электрона).
Кроме азота опыт был сделан и на других веществах. В результате было установлено, что ядра этих веществ при бомбардировке их быстрыми сг-частицами испускают ядра водорода. Тем самым было доказано, что в составе всех ядер содержатся простейшие водородные ядра — протоны («протопи — простейший, первичный), В настоящее время протон хорошо изучен. Известно, что это в стабильная частица с барионным числом В= 1, изотопическим олином Т=1/2 (и проекцией Т1+1/2)' внутреннюю четность протона условились считать положительной (Р=+1); его масса равна 1,007276 а.е.м.=938,26 МэВ вы, заряд +е,,спин 1/2 (в единицах й), магнитный момент примерно 2,79рв, где рв= — =5,05 10 ка эрг/Ге=5,05 10 тт Дж/Тл, 1836 * О поправках к значению магнитного момента электрона см.
1 101. '" Напомним, что для удобства составления энергетических балансов массу честна часто выражают не в Мэв!сх, а непосредственно в МэВ. Чаеень 4. Лееиноны, адроны, кварки Открытие протона позволило построить протон-электронную модель ядра, согласно которой в атомном ядре содержится А протонов и (А — У) электронов. В этой модели становилась понятной пропорциональность атомной массы массовому числу и порядкового номера — заряду, но модель имела существеннейшие недостатки (см. введение к книге).
Продолжая опыты Резерфорда, Боте и Беккер в 1930 г. обнаружили, что при облучении п-частицами некоторых легких элементов (Ве, 11) последние вместо протонов испускают излучение, очень слабо поглощаемое свинцом. Детальное исследование этого излучения, проведенное в 1932 г. супругами Жолио-Кюри и Чедвиком, привело к выводу о том, что оно представляет собой поток нейтральных частиц с массой, приблизительно равной массе протона. Вновь открытая элементарная частица была названа ней троном. Напомним, что нейтрон, так же как и протон, имеет В= 1, Т = 1/2 (но Т~ — — — 1/2), Р=+1; его масса лв„=10086652 аем.=939,55 МэВ, сйин 1/2, магнитный момент р - — 1,9! ри, В отличие от протона нейтрон является нестабильной частицей. Период полураспада нейтрона примерно равен 10 мин. Вскоре после открыгия нейтрона советский физик Д.
Д. Иваненко и независимо от него немецкий физик Гейзенберг выдвинули гипотезу о протон-нейтронном строении ядра. В соответствии с этой гипотезой все ядра состоят из протонов и нейтронов. Таким образом, к 1932 г. схема строения атома в значительной степени. определилась. Было установлено, что все атомы состоят из электронов и атомных ядер, которые в свою очередь состоят из протонов и нейтронов. Атомы и ядра различных веществ отличаются числом содержащихся в них электронов, протонов и нейтронов. При известных условиях можно изменить число содержащихся в атоме электронов (ионизация) или число содержащихся в ядре нуклонов (ядерная реакция). В результате таких.
процессов из одних ядер и атомов получаются другие. Таким образом, в некотором смысле атомы и ядра можно считать простым объединением трех видов частиц †протон, нейтронов и электронов. 1В связи с этим естественно было назвать эти частицы элементарными. Кроме нуклонов и электронов в зти годы были известны еще три частицы, имеющие самое непосредственное отношение к атому и ядру.
Это фотоны (у-кванты), испускаемые атомом (ядром) в процессе энергетических переходов, а также нейтрино и позитроны, которые испускаются ядром в процессе ()-рогвспада. Правда, ни об одной из этих частиц нельзя сказать, что она входит в состав атома илн атомного ядра, так кап они 9 99. Введение к части четвертой !33 возникают в самый момент их испускания атомом или ядром.
Однако эти' частицы также были названы элементарными, так как ни одну из них нельзя представить себе «состоящей» из других, «более элементарных» частиц в том смысле, как говорилось выше о ядре или атоме. Так, известно, что нейтрон в среднем за 10 мин распадается на протон, электрон и нейтрино. Однако из этого вовсе не следует, что нейтрон «состоит» из трех частиц, что он является их простым объединением, сочетанием.
Об этом говорит хотя бы резкое несоответствие магнитных моментов нейтрона и электрона. И действительно, из теории !3-распада известно, что электрон и нейтрино возникают в самый момент превращения нейтрона в протон (так же как они возникают в самый момент !3-распада любого атомного ядра). В соответствии с этим на данном этапе развития физики элементарными частицами стали называть такие частицы, внутреннюю структуру которых нельзя описать (при существующем уровне знаний) как простое объединение, сочетание других частиц. Историю открытия элементарных частиц и исследования их свойств можно (довольно условно) разбить на четыре этапа. На первом этапе, окончившемся в ! 932 г., было открыто шесть перечисленных выше элементарных частиц; фотон, электрон„протон, иейтрон, позитрон, нейтрино (последняя только теоретически).
История открытия и свойства этих частиц были кратко охарактеризованы выше. Более подробно о некоторых из них будет рассказано в 3 100 в 103. Второй этап исследования элементарных частиц начался в 1935 г., когда стало ясно, что существующих частиц недостаточно для объяснения природы ядерных сил, и начались поиски ядерного кванта с массой 200 — -300»е,. Этот период ознаменован открытием мюонов (р', р, 1938 г.) и я-мезонов (я+ и х, 1947 г., ко, 1950 г,) и детальным исследованием их свойств. Доказано, что х-мезон пригоден на роль ядерного кванта.
Этим вопросам посвящены ч 104--113. Третий этап охватывает большой период времени (1949— 1964 гг.), в течение которого были открыты и изучены странные частицы 6 114 — 119), доказано нарушение четности в слабых взаимодействиях Я 104, 114), открыты антннуклоны 6 93 — 98), экспериментально подгверждеио существование электронных и мюонных нейтрино и антинейтрино (В 103 — 105), изучена структура нуклонов Я 89 -92), открыты резонансы Я 112). Наконец, четвертый этап исследования свойств элементарных частиц начался еще в пределах третьего этапа (!961 г.) и продолжается по настоящее время. Этот этап ознаменован Часть 4.
Ленноны, аароны, кварки рядом успешных попыток систематизации накопленного материала. Главными событиями этапа были: создание Я7 (3)- симметрии и предсказание Й -гиперона 6 122); построение трехкварковой модели 5124); открытие слабых нейтральных токов (ф 129) и очарованных частиц 6 125); создание четырехкварковой модели 6 125); развитие квантовой хромодинамикн 6 124); создание единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий 6 130); открытие Т-мезонов и тяжелого лептона 6 126); открытие глюонов 6 127); открытие И'к- и Еобозонов 6 130).
К 1989 г. элементарных частиц (в сформулированном выше .смысле этого понятия) обнаружено несколько десятков, а с учетом нестабильных частиц — резонансов — даже несколько сотен. При этом оказалось, что свойства многих из них тесно связаны между собой и что их можно описать, введя представление о новых субэлементарных объектах — кварках. Таким образом, термин «элементарные частицы» снова становится не вполне удовлетворительным (хотя н является пока общепринятым). В связи с этим в последние годы начинает формироваться современное представление об истинно элементарных частицах, которыми в настоящее время считают шесть кварков (открыто пять) и шесть лептонов [открыто пять, но в существовании шестого (ч,) никто не сомневается].
Между ними действуют четыре типа снл (взаимодействий): сильное (нстинно сильное), электромагнитное, слабое и гравитационное. Квантами этих взаимодействий соответственно являются восемь глюонов, фотон„три тяжелых бозона н гравитон. Нуклоны, мезоны и другне сильновзаимодействующие частицы (адроны) состоят из кварков и глюонов. Ядерные силы между нуклонами н вообще сильное взаимодействие между адронамн являются вторичным проявлением истинно снльного взаимодействия между кварками.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
