Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Гельфгат

§ 28. Елементарні частинки

1. Які частинки слід уважати елементарними?

Протягом тисячоліть людство намагалося розгадати таємниці будови речовини та відповісти на запитання: з чого складаємося ми самі та все навколо нас? Ідею про дискретну структуру речовини розвивали в Стародавній Греції, а потім у Римі. Проте переконливі свідчення на користь такої думки вчені здобули тільки в ХІХ-ХХ століттях. І вже на початку XX століття виявилося, що атоми не є неподільними. Почалися пошуки та вивчення «справжніх» найменших частинок. Їх назвали елементарними частинками. Це такі частинки, які неможливо розділити на складові частини (хоч деякі з них і мають складну внутрішню будову). «Найбільш елементарні» частинки, які не мають внутрішньої структури, називають фундаментальними (це, наприклад, лептони та кварки).

Зіткнення частинки з античастинкою спричиняє анігіляцію — «зникнення» обох частинок, а точніше їх перетворення на фотони великої енергії (зрозуміло, що при такому перетворенні мають виконуватися всі відомі закони збереження). Можливий і зворотний процес: унаслідок взаємодії фотонів великої енергії з речовиною можуть народжуватися пари «частинка — античастинка». Відкриття цих процесів показало, що немає «прірви» між двома видами матерії — речовиною та полем (випромінюванням). При анігіляції речовина перетворюється на випромінювання, а при народженні пар частинок — випромінювання в речовину.

Після відкриття нейтрона декому здавалося, що саме електрон, протон і нейтрон є «головними» елементарними частинками: з них складаються атоми, а з атомів — будь-яка речовина. Проте скоро виявилося, що елементарних частинок набагато більше. Спочатку до них додали фотон (адже електромагнітне випромінювання теж є видом матерії). Намагаючись пояснити β-розпад, В. Паулі висунув гіпотезу про існування ще однієї елементарної частинки — нейтрино. Згодом існування такої частинки (і навіть не однієї) було доведено експериментально.

Англійський фізик П. Дірак висунув гіпотезу про існування античастинок — «двійників» кожної частинки. Частинка та античастинка (цей поділ є досить умовним) мають однакові маси, спіни тощо. Проте електричні заряди цих частинок і деякі інші характеристики є протилежними. Першою з виявлених експериментально античастинок був позитрон — античастинка електрона. Цей «антиелектрон» із позитивним зарядом спочатку було виявлено в космічних променях, а потім народження позитронів спостерігали в лабораторних умовах. Пізніше було виявлено антипротони, антинейтрони тощо. Лише в кількох випадках (наприклад, для фотона) античастинка є тотожною самій частинці.

Відкриття нових елементарних частинок тривали. Деякі з цих частинок виявляли, як і позитрон, у космічних променях. Це елементарні частинки та ядра атомів, народжені та прискорені до високих енергій у Всесвіті (на Сонці, у межах Галактики або поза цими межами). Переважну більшість частинок у космічних променях складають протони, за ними йдуть α-частинки. Усіх інших ядер і частинок набагато менше. Проте під час зіткнень швидких частинок космічних променів з ядрами атомів у верхніх шарах земної атмосфери народжується багато нових частинок.

Щоб мати змогу шукати нові елементарні частинки та спостерігати перетворення цих частинок, фізикам потрібно спостерігати зіткнення частинок і ядер з високою енергією. Отже, виникла необхідність створення прискорювачів, які б надавали ядрам і зарядженим частикам великої енергії. Такі прискорювачі стають усе складнішими, більшими за розмірами та дорожчими; проте без них не можна просуватися вперед у фізиці елементарних частинок.

Навколо фізики

Перелік відомих елементарних частинок у середині XX століття швидко розширювався. Були відкриті мюони та п-мезони з масами відповідно 207 і 273 мас електрона, К-мезони з масами, приблизно вдвічі меншими від мас нуклонів, гіперони тощо. Переважна більшість відкритих елементарних частинок були нестабільними, середній час їх життя не перевищував мікросекунд. Ці частинки зазнавали перетворень доти, доки не утворювалися стабільні частинки. Будь-яка спроба «розбити» елементарну частинку на якісь «більш елементарні», влучивши в неї іншою дуже швидкою частинкою, спричинить тільки народження вже відомих елементарних частинок.

2. Класифікація елементарних частинок. Структура адронів

Коли кількість відомих елементарних частинок сягнула сотень, тобто перевищила кількість хімічних елементів, виникла необхідність здійснити класифікацію частинок. Перш за все частинки розділили на три групи за їх масою. Щоправда, потім у цю класифікацію довелося внести корективи (повторилася історія створення Д. І. Менделєєвим періодичної системи елементів).

У класифікації потрібно було врахувати спін частинок, тому що для систем однакових частинок з цілим і напівцілим спінами (в одиницях сталої Планка h) виконуються різні закономірності.

Але ще важливішою ознакою є здатність частинок брати участь у різних фундаментальних взаємодіях. Відповідно до сучасних уявлень будь-яку взаємодію переносять частинки — кванти відповідного поля. Відомі такі види фундаментальних взаємодій*:

• гравітаційна (її носії — гіпотетичні частинки гравітони);
• електромагнітна (її носії — фотони);
• сильна (її носії — глюони);
• слабка (її носії — проміжні бозони).

* Установлено, що електромагнітна та слабка взаємодії є проявами єдиної електрослабкої взаємодії.

Зверніть увагу!

Гравітаційна взаємодія на малих відстанях незрівнянно менша від інших, проте, на відміну від них, ця взаємодія існує між усіма частинками. В електромагнітній взаємодії беруть участь усі частинки з відмінним від нуля електричним зарядом. (У фізиці елементарних частинок і ядерній фізиці частинкам приписують також інші заряди: баріонний, лептонний тощо, які зберігаються під час перетворення частинок.) У сильній взаємодії беруть участь далеко не всі частинки (і лише коли відстань між частинками не перевищує приблизно 10^-15 м), прикладом цієї взаємодії є ядерні сили. У слабкій взаємодії беруть участь усі частинки, крім фотонів, якщо відстань між частинками не перевищує приблизно 10^-17 м.

Аналіз властивостей адронів дозволив припустити, що вони мають певну структуру, тобто складаються з «менших» частинок. Досліди з розсіювання дуже швидких електронів на нуклонах дали результати, аналогічні результатам досліду Резерфорда: переважна більшість електронів зазнає дуже малих відхилень, навіть проходячи крізь протон або нейтрон, а невелика частка електронів «наштовхується» всередині нуклонів на якісь перепони та відхиляється на великі кути.

Навколо фізики

Нейтрино не мають електричного заряду, тому практично вони беруть участь тільки в слабкій взаємодії. Саме тому їх так важко було виявити: адже для народженого в надрах Сонця нейтрино земна куля набагато прозоріша, ніж чисте скло для фотонів сонячного світла. Ймовірність взяти участь у взаємодії з речовиною для нейтрино дуже мала, а без такої взаємодії частинку не можна зареєструвати.

Подальший розвиток теорії та порівняння теоретичних висновків з експериментальними даними показали, що кваркам слід приписати ще одну властивість, яку знов-таки умовно назвали «кольором». Колір може бути червоним, синім або зеленим (колір антикварків — відповідно античервоним, антисинім і антизеленим). Усі адрони мають бути «білими», а білий колір можна отримати двома способами: 1) поєднанням червоного, синього та зеленого (або відповідних антикольорів); 2) поєднанням якогось кольору з відповідним антикольором.

Усі відомі баріони можна «сконструювати», поєднавши три кварки різних кольорів (рис. 28.1), а всі відомі мезони — поєднавши один кварк і один антикварк іншого типу (наприклад, червоний і античервоний).

Рис. 28.1. Кваркова структура нейтрона

Відповідно до кваркової теорії численні адрони містять кварки з однойменними електричними зарядами. Отже, має бути величезне притягання між кварками, яке компенсує дуже сильне на таких відстанях кулонівське відштовхування. Взаємодію між кварками (сильну взаємодію) пояснюють тим, що ці частинки обмінюються глюонами (ця назва походить від англійського «клей»).

Усі спроби отримати вільні кварки виявилися невдалими. Теорія пояснює це тим, що для звільнення кварка потрібна нескінченна енергія. Якщо ж бомбардувати адрони все більш швидкими частинками, то енергія витрачатиметься на народження нових пар «кварк—антикварк», а звільнення окремих кварків не відбудеться.

Навколо фізики

Існування мезонів передбачив 1935 року японський фізик-теоретик X. Юкава: він розглядав їх як частинки, які переносять взаємодію між нуклонами. Лише через 12 років заряджені піони (різновид мезонів) були знайдені в космічних променях.

Згідно із сучасними уявленнями, саме шість кварків і шість лептонів є найменшими «цеглинками» речовини. Слід урахувати три різні «кольорові» стани кожного кварка, а також існування античастинок. Згадаймо також про фотони, глюони тощо. Як бачимо, природа має досить різноманітні «цеглинки». Залишається ще дуже багато запитань до природи. Пошук загальних закономірностей триває...

Ви дочитали останній параграф підручника. Вивчення шкільного курсу фізики завершене. Сподіваємося, що вам було цікаво пройти шляхами пізнання законів природи. Віримо, що ви вже зробили правильний вибір свого життєвого шляху та розумієте: освіта (у будь-якій формі) не має закінчуватися!

Щасти вам!

Підбиваємо підсумки

Елементарними називають частинки, які неможливо розділити на складові частини, а фундаментальними — такі, що не мають внутрішньої структури.

Кожна частинка має свою античастинку з такою самою масою та протилежними знаками електричного та інших зарядів. Наприклад, античастинкою електрона є позитрон. Лише в кількох випадках (наприклад, для фотона) античастинка є тотожною самій частинці.

Під час зіткнення частинки з античастинкою відбувається анігіляція, тобто перетворення частинок у фотони великої енергії. Можливий і зворотний процес: унаслідок взаємодії фотонів великої енергії з речовиною можуть народжуватися пари «частинка—античастинка».

Фундаментальні взаємодії, у яких беруть участь елементарні частинки: гравітаційна, електромагнітна та слабка (прояви єдиної електрослабкої взаємодії), сильна.

Кварки, як і лептони, є фундаментальними частинками; в адронах вони взаємодіють унаслідок обміну глюонами. Вільні кварки в природі не існують. Нейтрино (нейтральні лептони) практично беруть участь тільки у слабкій взаємодії, тому легко проходять крізь речовину.

Контрольні запитання

1. Які частинки називають елементарними? фундаментальними? 2. Що таке античастинки? 3. Який процес називають анігіляцією? 4. Назвіть фундаментальні взаємодії. 5. Які частинки називають адронами? 6. Що ви знаєте про кварки? про нейтрино?

Вправа № 28

1. Які елементарні частинки не є фундаментальними?

2. Чи існує мезон, який складається з кварка та відповідного антикварка?

3. Які частинки беруть участь тільки в слабких і гравітаційних взаємодіях? у слабких, гравітаційних і електромагнітних?

4. Протон і антипротон, які рухалися з малими швидкостями, зазнали анігіляції з утворенням двох фотонів. Визначте частоту випромінювання, якому відповідають ці фотони.

5. Визначте мінімальну частоту випромінювання, при взаємодії якого з речовиною можуть народитися пари «електрон—позитрон».