Природознавство. 11 клас. Ільченко

§ 22. Елементарні частинки

Відкриття явища радіоактивності і результати дослідів Резерфорда переконливо показали, що атоми не є неподільними найпростішими частинками. Як було встановлено, вони складаються з електронів, протонів і нейтронів. Спочатку частинки, з яких побудовані атоми, вважалися не здатними до змін і перетворень. Тому їх назвали елементарними частинками. Знайомство з властивостями цих трьох частинок, найбільш розповсюджених у вивченій частині Всесвіту, показало, що термін «елементарна частинка» досить умовна. Одна з цих частинок — нейтрон — у вільному стані існує в середньому лише близько 15 хв, а потім самочинно розпадається на протон, електрон і нейтрино. Однак вважати протон, електрон і нейтрино «дійсними» елементарними частинками, а нейтрон «складною» елементарною частинкою не можна, тому що кожна з цих частинок при взаємодії з іншими частинками й атомними ядрами може перетворюватися в інші частинки.

Повне число параметрів, що визначають властивості частинок, досить велике. Найважливішими з них є маса частинки, її електричний заряд, спін і час життя. З усіх названих характеристик спеціального пояснення вимагає лише спін. Спіном називається величина, що дає кількісну характеристику обертального руху частинки. Спін частинки (механічний момент) у різних частинок може мати різні значення, але всі частинки одного типу мають однакові спіни.

Особливо слід зазначити існування чотирьох типів фундаментальної взаємодії між елементарними частинками — гравітаційної, електромагнітної, сильної і слабкої. Найкраще вивченими є гравітаційні сили, що діють між будь-якими частинками, і електромагнітні сили, що діють між зарядженими частинками. Прикладом сильної взаємодії можуть служити ядерні сили, що зв’язують в атомних ядрах протони і нейтрони. Слабка взаємодія виявляється в процесам, зв’язаних з випусканням або поглинанням нейтрино.

Античастинки. Англійський фізик Поль Дірак у 1928 р. розробив теорію, з якої випливало, що в природі повинна існувати частинка з масою, рівною масі електрона, але заряджена позитивно. Така частинка — позитрон — була виявлена експериментально в 1932 р.

Таблиця елементарних частинок

Назва частинки			Символ		Маса		Спін в одиницях, h	Електричний заряд, кратний заряду електрона е (частинка-античастинка)	Час життя, с
			Частинки	Античастинки	в масах електрона mе	в МеВ
Фотон			Г		0	0	1	0	Стабільний
Лептони		Електронне нейтрино Мюонне нейтрино Тау-нейтрино	νε νμ ντ		0 0 0	0 0 0	1/2 1/2 1/2	0 0 0	Стабільний Стабільний Стабільний
		Електрон Мюон Тау-лептон	e- μ- τ-	е+ μ+ τ+	1 207 3492	0,511 105,66 1782	1/2 1/2 1/2	-1 / 1 -1 / 1 -1 / 1	Стабільний 2,2 • 10-6 1,46 • 10-12
Адрони	Мезони	Пі-мезони	π0 π+	π0 π-	264,1 273,1	134,96 139,57	0 0	0 1 / -1	1,83 • 10-16 2,6 • 10-8
		Ка-мезони	K+ K0		966,4 974,1	493,67 437,7	0 0	1 / -1 0	1,2 • 10-8 K0S - 8,9 • 10-11 K0L - 5,2 • 10-8
		Ета-нуль-мезон	η0		1074	548,8	0	0	2,4 • 10-19
	Нуклони	Протон Нейтрон	р n		1836,1 1838,6	933,28 939,57	1/2 1/2	1 / -1 0	Стабільний (?) 103
	Гіперони	Лямбда-гіперон	Λ0		2183,1	1115,6	1/2	0	2,63 • 10-10
		Сигма-гіперони	Σ+ Σ0 Σ		2327,6 2333,6 2343,1	1189,4 1192,5 1197,4	1/2 1/2 1/2	1 / -1 0 -1 / 1	8 • 10-11 5,55,8 • 10-20 1,48 • 10-10

У 1933 р. Фредерік і Ірен Жоліо-Кюрі довели, що гамма-квант з енергією, більшою енергії спокою електрона і позитрона, яку можна підрахувати за формулою Е = 2mс² ≈ 1,02 МеВ, при проходженні поблизу атомного ядра може перетворитися в пару електрон-позитрон. Позитрон, здатний до спільного «народження» у парі з електроном і до анігіляції при зустрічі, назвали античастинкою. Народження електронно-позитронних пар і анігіляція електронів і позитронів при зустрічі наочно показують, що дві форми матерії — речовина і поле — не є різко розмежованими, можливі перетворення матерії з однієї форми в іншу.

Після відкриття першої античастинки — позитрона природно виникло запитання про існування інших античастинок. До цього часу встановлено, що античастинка є в кожної елементарної частинки. Маса будь-якої античастинки в точності дорівнює масі відповідної частинки, а електричний заряд (для заряджених частинок) дорівнює за абсолютним значенням зарядові частинки і протилежний йому за знаком.

Кварки. Крім частинок, представлених у таблиці, відкрите велике число частинок з дуже малим часом життя — близько 10^-22 с. Ці частинки названі резонансами. З відкриттям цих частинок невизначеність поняття «елементарна частинка» стала особливо помітною.

У 1963 р. М. Гелл-Манно і Дж. Цвейгом була запропонована гіпотеза про існування в природі декількох частинок, названих кварками. Відповідно до цієї гіпотези всі побудовані з кварків і антикварків, з’єднаних між собою в різних комбінаціях.

Елементарними частинками вважають частинки, які не складаються з інших відомих частинок і під час взаємодії з іншими частинками чи полями поводяться як єдине ціле.

Однією з найбільш важливих властивостей частинок є їх взаємоперетворюваність, яка підлягає законам збереження.

Перевірте себе

• 1. Як в науці розвивалося уявлення про першооснови буття — елементарні частинки?
• 2. Які елементарні частинки вам відомі з курсу фізики і хімії?
• 3. Якими величинами характеризуються елементарні частинки?

Поміркуйте

• 1. Охарактеризуйте фотон як елементарну частинку.
• 2. Чи можете назвати стабільні елементарні частинки?
• 3. Чи можна вважати, що нейтрон складається з протона-електрона?
• 4. Охарактеризуйте основну властивість елементарних частинок.
• 5. Яким загальним закономірностям підпорядковане існування елементарних частинок?