Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 63. Елементарні частинки

Поняття елементарної частинки. Ще 1949 р. Луї де Бройль (1892-1987, Франція) запропонував створити міжнародну організацію для здійснення наукових досліджень мікросвіту. У 1954 р. офіційно відкрито європейську організацію з ядерних досліджень (ЦЕРН) — найбільшу у світі лабораторію фізики високих енергій. Сьогодні фізика елементарних частинок стала новою, великою і самостійною галуззю науки. Дослідження елементарних частинок у земних умовах здійснюється за допомогою прискорювачів частинок різних конструкцій: лінійних прискорювачів, циклотронів, синхрофазотронів, колайдерів (мал. 254) тощо. Проводять дослідження і природних потоків частинок — космічного проміння.

Мал. 254. Прискорювачі елементарних частинок

На початок 60-х років ХХ ст. кількість відкритих елементарних частинок стала настільки великою, що виникли сумніви, чи всі частинки, які називають елементарними, повністю відповідають цій назві.

Поняття елементарних частинок ґрунтується на факті дискретної будови речовини. Ряд елементарних частинок має складну внутрішню структуру, проте розділити їх на частини неможливо. Інші елементарні частинки є безструктурними й можуть вважатися первинними фундаментальними частинками.

Елементарна частинка — збірний термін, що належить до мікрооб’єктів у суб’ядерному масштабі.

Найхарактернішою особливістю елементарних частинок є їхня здатність до перетворень і взаємодії. Водночас дочірні частинки не є структурними складовими материнських, а народжуються в актах перетворення.

Отже, за сучасними уявленнями, елементарні частинки не просто «цеглинки» світобудови, це специфічні об’єкти мікросвіту. До того ж їм властивий особливий вид фундаментальної взаємодії — слабка взаємодія. За інтенсивністю слабка взаємодія в багато (приблизно в 10¹⁴) разів менша від сильної і навіть електромагнітної взаємодії. Проте вона значно більша за гравітаційну взаємодію, оскільки маси елементарних частинок надто малі, а радіус їхньої взаємодії становить лише 10^-18 м.

Типи фундаментальних взаємодій. Щоб зрозуміти механізм слабкої взаємодії, пригадаймо інші відомі нам типи взаємодій і їхній характер.

Вивчаючи механіку, ми ознайомились із гравітаційною взаємодією (силами всесвітнього тяжіння) і деякими виявами електромагнітної взаємодії (силами пружності, тертя). В електродинаміці ми вивчили електромагнітну взаємодію, а в ядерній фізиці — сильну (ядерну).

Щоб зрозуміти характер слабкої взаємодії, звернімося ще раз до електромагнітної. На самому початку вивчення електродинаміки ми з’ясували, що електричні сили діють на відстані. Посередником, що передає взаємодію, є поле. Можна стверджувати, що сила, з якою одна заряджена частинка діє на іншу, зумовлена електричним полем, яке створює перша частинка. Аналогічним способом магнітне поле є посередником магнітних сил.

Згодом ми з’ясували, що електромагнітні поля можуть поширюватись у вигляді хвиль у просторі, а також що світлу властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм. Унаслідок чого можна пояснити електромагнітну взаємодію між зарядженими частинками: 1) як взаємодію через поле і 2) як обмін фотонами між частинками.

На малюнку 255 зображено наочний приклад того, як у результаті обміну частинками відбувається взаємодія. На малюнку 255, а діти кидають одне в одного подушки. Спіймавши подушку, кожна дитина відкочується назад. Це ілюстрація сили відштовхування. Якщо діти намагаються вирвати подушки з рук одне одного (мал. 255, б), то кожний тягне партнера до себе. Це ілюстрація сили притягання.

Мал. 255. Ілюстрація обмінного характеру взаємодії

Подібним чином може відбуватись електромагнітна взаємодія між зарядженими частинками: одна із заряджених частинок випромінює фотон і зазнає внаслідок цього віддачу. Інша частинка поглинає фотон. За такої взаємодії відбувається передача енергії та імпульсу від однієї частинки до іншої, і посередником при цьому є фотон.

У 1935 р. японський фізик Хідекі Юкава (1907-1981) висловив припущення, що подібним чином відбувається і сильна взаємодія між нуклонами в ядрі. Подальші дослідження показали, що посередником сильної взаємодії є глюони.

Таким чином, природно припустити, що мають існувати посередники слабкої та гравітаційної взаємодій. Пошук таких частинок тривав десятиліття. У 1983 р. Карло Руббіа заявив про довгоочікуване відкриття проміжних бозонів — частинок, через які відбуваються слабкі взаємодії.

Пошук квантів гравітаційного поля — гравітонів — поки що не дав результатів.

Властивості відомих на цей час основних типів взаємодій зведено в таблиці 11.

Таблиця 11

Тип взаємодії	Характер взаємодії	Радіус дії	Квант взаємодії
Сильна	Забезпечує зв’язок нуклонів у ядрі	r = 10-15 м	Мезон/глюон
Електромагнітна	Взаємодія між електрично зарядженими частинками	r = ∞	Фотон
Слабка	Взаємодія, яка виявляється в розпадах частинок, а також у дії нейтрино на речовину	r = 10-15 м	Бозон
Гравітаційна	Універсальна взаємодія, властива всім без винятку частинкам, які мають масу (у мікросвіті суттєвої ролі не відіграє)	r = ∞	Гравітон (?)

Перед фізиками поставлено задачу створити теорію, яка б об’єднала всі типи взаємодій, пояснивши їх з єдиної точки зору. Ця ідея випливає зі сприйняття навколишнього світу як єдиного цілого. Задача ця надзвичайно складна. Ейнштейн у свій час витратив багато років (40 останніх років свого життя), щоб об’єднати гравітаційну та електромагнітну взаємодії, проте це йому не вдалося.

На початку 60-х років американські фізики Стівен Вайнберг і Шелдон Глешоу та пакистанський фізик Абдус Салам запропонували так звану калібрувальну теорію, яка об’єднує слабку й електромагнітну взаємодії. У цій теорії слабка й електромагнітна взаємодії розглядаються як два різні вияви єдиної, більш фундаментальної взаємодії. У ній фотони — посередники електромагнітної взаємодії — розглядаються як векторні бозони. А проміжні бозони: W⁺-бозон, W^--бозон та Z⁰-бозон (нестабільні частинки, час життя яких 3 • 10^-25 с) — є посередниками слабкої взаємодії.

Створення теорії електрослабкої взаємодії було відзначено присудженням Вайнбергу, Глешоу, й Саламу Нобелівської премії з фізики 1979 р.

Класифікація частинок. За властивостями елементарні частинки поділяють на такі групи:

• за масою. Легкі частинки — лептони (до них належить електрон), найважчі — адрони (до них належать протони та нейтрони), й особлива частинка — фотон, частинка без маси, яка здатна існувати лише в русі зі швидкістю світла;
• за видом взаємодії. Для гравітаційної — гравітони¹, для електромагнітної взаємодії — фотони, сильну взаємодію зумовлено глюонами, слабку — векторними бозонами.

¹ Існування гравітонів поки не доведено експериментально через слабкість гравітаційної взаємодії, проте його вважають цілком імовірним.

Більше про елементарні частинки ви дізнаєтеся, проаналізувавши малюнок 256.

Мал. 256. Класифікація елементарних частинок

Майже всі частинки, які можна безпосередньо спостерігати, належать до лептонів або адронів. Головна відмінність між ними в тому, що адрони беруть участь у сильній взаємодії, а лептони — ні. До того ж лептонів є лише 6, а адронів — понад сотню. Це дало підставу вважати, що адрони не є суто елементарними частинками й мають певну внутрішню структуру. У 1964 р. фізики Марі Гелл-Манн (нар. 1929, США) та Джордж Цвейг (нар. 1937, США) запропонували модель, за якою адрони мають складатися з фундаментальніших частинок — кварків.

Саме кварки та лептони є «будівельним матеріалом» для речовин. Завдяки взаємодії кварків існують ядра атомів. Формування електронних оболонок навколо ядра веде до утворення атомів (мал. 257).

Мал. 257 «Будівельний матеріал» речовин

Кожна частинка має античастинку (позначається тильдою над позначенням частинки). Маси, час існування і спіни частинки й античастинки однакові. Інші параметри, зокрема електричний заряд і магнітний момент, рівні за модулем, але протилежні за знаком. Прикладами частинок й античастинок є електрон і позитрон, протон й антипротон, нейтрон й антинейтрон, нейтрино й антинейтрино. Зіткнення частинки і античастинки приводить до їх взаємної анігіляції, унаслідок якої вони перетворюються на інші форми матерії.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Яку частинку називають елементарною? Назвіть стабільні елементарні частинки. 2. Який тип фундаментальної взаємодії характерний для елементарних частинок? 3. Що загального можна сказати про механізм усіх фундаментальних взаємодій?

Виконуємо навчальні проекти

• Які питання ядерної енергетики вирішуються в нашій країні та світі?
• Альтернативні джерела енергії.
• Проблеми реєстрації нейтрино.
• Біологічна дія радіаційного випромінювання.

Перевірте себе (§ 50-63)

1. Укажіть, від чого залежить максимальна кінетична енергія фотоелектронів і як саме.

• А) від заряду електронів; обернено пропорційно
• Б) від частоти світла; лінійно
• В) від маси електронів; прямо пропорційно
• Г) від швидкості фотонів; прямо пропорційно

2. Червона межа фотоефекту для срібла дорівнює 0,26 мкм. Визначте роботу виходу електронів зі срібла.

• А) 4,65 • 10^-9 Дж
• Б) 6,37 • 10^-19 Дж
• В) 7,37 • 10^-19 Дж
• Г) 7,65 • 10^-19 Дж

3. Укажіть правильне продовження твердження «Лінійчатий спектр випромінює речовина в...».

• А) газоподібному молекулярному стані
• Б) газоподібному атомарному стані
• В) твердому стані
• Г) будь-якому агрегатному стані

4. У результаті серії послідовних радіоактивних розпадів атомів Урану

перетворився нестабільний атом Плюмбуму

Визначте кількість α-розпадів і β—розпадів.

• А) 6 і 4
• Б) 8 і 4
• В) 8 і 6
• Г) 6 і 2

5. Період піврозпаду ізотопу Цезію

дорівнює 30 рокам. Визначте, скільки відсотків атомів цього ізотопу розпадеться за 150 років.

• А) 82,2 %
• Б) 87,5 %
• В) 96,9 %
• Г) 98,1 %

6. Поверхню літію опромінюють світлом частотою 10¹⁵ Гц. Визначте максимальну кінетичну енергію фотоелектронів, якщо робота виходу електронів з літію — 2,4 еВ.

7. Атоми Гідрогену в основному стані поглинають фотони з довжиною хвилі 102,8 нм. Скільки різних спектральних ліній можна спостерігати за переходу атомів у незбуджений стан?

8. На яку мінімальну відстань α-частинка наблизиться до нерухомого ядра атома Стануму, якщо її маса 6,7 • 10^-27 кг а швидкість руху — 10⁷ м/с?

9. Скільки води можна нагріти від 20 °С до 100 °С за рахунок енергії, що виділяється під час поділу 4,7 г урану-235? Вважайте, що за кожного поділу ядра Урану виділяється енергія 200 МеВ.

10. Виділяється чи поглинається енергія під час наведеної ядерної реакції?