Концепция атомизма и элементарные частицы

Электромагнитное взаимодействие менее интенсивно, чем сильное. С помощью такого взаимодействия осуществляется, во-первых, взаимосвязь и взаимодействие между положительно заряженным ядром и обращающимися вокруг него отрицательно заряженными электронами, во-вторых, взаимодействие между атомами в молекулах вещества. С электромагнитными взаимодействиями связано большинство сил, встречающихся в природе: силы упругости, поверхностного натяжения, изменения агрегатного состояния тел, химические превращения, магнитные и оптические явления и т.д. Можно, пожалуй, сказать, что большинство явлений, которые происходят в окружающем нас макромире, могут быть объяснены посредством механизма электромагнитного взаимодействия.

Слабое взаимодействие значительно  слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия. О силе взаимодействия судят по скорости процессов, которые оно вызывает (например, распад так называемых квазичастиц). Очевидно, что при слабом взаимодействии процессы происходят гораздо медленнее, чем при сильном и даже электромагнитном взаимодействии. Несмотря на это, слабое взаимодействие играет важную роль в природе. Без него погасло бы наше Солнце, был бы невозможен Р-распад радиоактивных атомных ядер, эволюция звезд и многое другое.

Гравитационное  взаимодействие осуществляется на чрезвычайно коротких расстояниях и вследствие крайней малости масс частиц дает весьма малые эффекты. Оно является самым слабым среди всех остальных. Сила такого взаимодействия, по закону Ньютона, прямо пропорциональна произведению масс двух элементарных частиц и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Приведенная классификация взаимодействий имеет  относительный характер, так как существенно зависит от энергии частиц. Во всяком случае, классификация не является ни окончательной, ни универсальной.

5. Одна из  характерных особенностей элементарных  частиц состоит в способности рождаться и уничтожаться, т.е. испускать и поглощать частицы при ядерных реакциях. Типичным примером может служить реакция превращения пары электрон и позитрон в пару фотонов:

е^- + е^+ → 2γ.

Учитывая, что в этой и аналогичных реакциях происходит превращение частиц вещества в кванты излучения, или фотоны, часто ее называют аннигиляцией, или исчезновением, материи. Подобные же взаимопревращения происходят и с другими элементарными частицами, поэтому термин «аннигиляция» вряд ли подходит для характеристики таких превращений. Ведь фотоны являются такими же материальными объектами, как и электроны и позитроны.

4. Классификация элементарных частиц

Разделение элементарных частиц по различным группам, или их классификацию, можно проводить по разным основаниям деления. Например, подобную классификацию можно проводить по массе, электрическому заряду, времени жизни частиц и т.д. Однако научная классификация в качестве такого основания выбирает существенный признак, каким, несомненно, служит характер фундаментального взаимодействия частиц.

По типу взаимодействия, в котором участвуют  элементарные частицы, все они могут быть отнесены к двум основным группам.

К первой группе относятся адроны (от греч. — сильный, большой), которые особенно активно участвуют в сильном взаимодействии, но могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

Адроны, в  свою очередь, делятся на барионы  и мезоны. К барионам (от греч. —  тяжелый) относятся элементарные частицы, обладающие полуцелым спином, масса которых не меньше массы протона. С этим связано само название этих частиц, поскольку самая легкая из них— протон — в 1836 раз тяжелее электрона. Протон и нейтрон являются наиболее известными барионами. Кроме них к ним принадлежат гипероны, часть «очарованных» частиц и др., но единственно стабильной частицей среди них является протон. Нейтроны стабильны только во взаимодействии с протонами внутри ядра, в свободном же состоянии они распадаются. Остальные барионы также нестабильны и быстро распадаются, превращаясь в конечном итоге в протон и легкие частицы. Характерным свойством барионов является сохранение разности между числом барионов и антибарионов, которое нередко формулируют в виде закона сохранения барионного заряда, если приписать бариону особый заряд.

Мезоны - это  адроны с целым спином. Название произошло от греч. слова, означающего «средний», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные значения между массами протона и электрона. Мезон 
состоит из двух кварков (точнее, кварка и антикварка).

Легчайшие из мезонов - пионы или p - мезоны: p ^-, p ⁺, p ⁰. Более массивные - каоны К⁺, К^-, К⁰; их масса почти в два раза меньше массы протона.

Ко второй группе элементарных частиц принадлежат лептоны (от греч. — легкий, тонкий), участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К этой группе относится электрон, мюон (m ⁺), фотон, нейтрино и открытый в 1975 г. тяжелый τ-лептон.

Помимо общих групповых характеристик  элементарные частицы обладают также специфическими, индивидуальными признаками, которые характеризуются их квантовыми числами. К ним относят массу частицы, время ее жизни, спин и электрический заряд.

5. Кварковая модель адронов

Большое число элементарных частиц, и в особенности адронов, уже  в начале 1950-х гг. побудило физиков  заняться поиском закономерностей  в распределении их масс и других квантовых чисел. Эти поиски привели  Г. Цвейга и М. Гелл-Мана к гипотезе, что все адроны являются комбинациями кварков.

По современным представлениям кварки — гипотетические материальные частицы, из которых состоят все адроны, т.е. частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К ним относятся все барионы и мезоны, а также многочисленные нестабильные (резонансные) элементарные частицы. Согласно новой гипотезе, мезоны состоят из кварка и антикварка, барионы (тяжелые частицы, такие, как протон, нейтрон и им подобные) — из трех кварков.

Гипотеза кварков стала необходимой  для объяснения динамики различных процессов, в которых участвуют адроны. В первое время с ее помощью удалось упорядочить большой экспериментальный материал, накопленный при исследовании элементарных частиц. При этом удалось выяснить, что реакции, в которых участвуют некоторые адроны, можно объяснить с помощью гипотетических кварков. В 60-х гг. XX в. был предпринят даже эксперимент, напоминающий опыт Резерфорда, который бомбардировал атомы альфа-частицами. Но вместо таких частиц в новом эксперименте осуществлялась бомбардировка протонов электронами высоких энергий. По рассеянию электронов ученые высказали предположение, что протон обладает определенной структурой, элементами которой должны быть кварки.

Хотя гипотеза о кварках теоретически необходима, никакого надежного экспериментального подтверждения их существования, несмотря на многочисленные поиски с помощью ускорителей высоких энергий, в космических лучах и окружающей среде, не было найдено. Это заставило некоторых физиков предположить, что здесь мы встречаемся с принципиально новым явлением природы, которое называют удержанием кварков. Однако это мнение не является общепринятым и встречает различные возражения.

Вначале предполагалось, что существует четыре кварка, но в настоящее время к ним добавлено еще два и, следовательно, допускается существование шести кварков, которые обозначаются символами u (верхний), d (нижний), с (очарованный), s (Странный), t (истинный), b (прелестный). По симметрии им соответствует такое же число антикварков, обозначаемых теми же самыми символами, но с черточкой наверху. В ходе дальнейших исследований выяснилось, что каждый кварк может быть носителем трех разных зарядов сильного взаимодействия, которые сейчас принято называть синим, зеленым и красным цветами. Когда происходит объединение таких кварков в единое целое, то их заряды, или цвета, дают общий белый цвет или, точнее, свет. Эта аналогия заимствована из оптики, где соединение синего, зеленого и красного цветов образует белый свет. Точно так же тяжелые адроны, в частности протон и нейтрон, состоят из кварков трех основных цветов. Мезоны же состоят из одного кварка и одного антикварка. В данном случае используется другая аналогия из оптики, состоящая в том, что основной и дополнительный цвет также дают белый свет. Благодаря этим аналогиям исследование о кварках получило название хромодинамики. Цветовой заряд в хромодинамике, как и в электродинамике, порождает особое поле, названное глюонным (от англ. glue — клей). Кванты такого поля называются глюонами и по свойствам похожи на фотоны, так как лишены массы покоя и зарядов.

Так, например, на рисунке 1 изображена кварковая структура протона и нейтрона.

Поскольку (если отвлечься от электрического заряда) свойства протонов и нейтронов отличаются не очень сильно, принимают, что различие между кварками u и d сводится в основном к различию величин их электрических зарядов.

Кваркам присваивают следующие  значения атомного номера Z (число протонов) и массового числа А (A = Z+N, где N-число нейтронов)

u: Z = 2/3, A = 1/3;

d: Z = -1/3, A = 1/3.

Таким образом, при кварковой модели для описания свойств элементарных частиц достаточно допустить существование 18 кварков и 18 антикварков. Поскольку лептоны являются такими же бесструктурными объектами, как и кварки, то к общему числу кварков и антикварков следует добавить число всех лептонов (электрон, мюон, нейтрино и тяжелый лептон) и их антилептонов. Всего, следовательно, получится 44 фундаментальные частицы. Некоторым современным ученым это число кажется также неприемлемым, ибо исследователи стремились построить мироздание на минимальном числе фундаментальных частиц, свойствами которых возможно объяснить бесчисленное многообразие явлений и процессов, происходящих во Вселенной.

6. Строение атомного ядра и ядерные процессы

С развитием концепции атомизма и переходом к исследованию элементарных частиц физики приступили к изучению самого ядра атома. В первой модели атома Резерфорда—Бора предполагалось, что ядро состоит из положительно заряженных массивных протонов. Только после открытия в 1932 г. английским ученым Д. Чедвиком электрически нейтральной частицы, названной нейтроном, в изучении строения ядра наметился явный прогресс. Сразу же после этого открытия русский физик Д. Иваненко первым выступил в печати с гипотезой, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и лишенных заряда нейтронов. В том же году немецкий физик В. Гейзенберг развил эту гипотезу дальше. Тот факт, что нейтроны электрически нейтральны, сыграл ключевую роль в дальнейших ядерных исследованиях. Во-первых, электрически нейтральные нейтроны не отталкиваются ядром и поэтому их можно применить для бомбардировки ядра и более тщательного изучения его строения и свойств. Во-вторых, нейтроны служат незаменимым средством в практическом использовании ядерной энергетики, получении трансурановых элементов, радиоактивных изотопов, геологической разведке и т.д.

Протоны и нейтроны, образующие ядро и называемые нуклонами, по своей  массе в 4 тыс. раз превосходят  массу составляющих атом электронов. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом, число протонов определяет заряд атома, а число нейтронов находится по формуле: N=A — Z, где N— число нейтронов, А — массовое число, Z— число протонов. Размеры ядра зависят от числа содержащихся в нем нуклонов. Плотность ядерного вещества чрезвычайно велика и, по расчетам, составляет приблизительно 10¹⁴ г/см3, т.е. 100 млн т/см³.

Исследование структуры ядра сопряжено  со многими теоретическими и экспериментальными трудностями. Поэтому при построении моделей ядра используются различные аналогии и полуэмпирические схемы. Так, еще в 1936 г. известный датский ученый Н. Бор и советский физик Я. Френкель выдвинули капельную модель атомного ядра. В ней ядро рассматривается по аналогии с каплей жидкости, которая, однако, состоит из интенсивно взаимодействующих между собой протонов и нейтронов. Поверхность такой капли может колебаться и при определенных условиях привести к разделению капли на части, т.е. к разрушению ядра.

Другая модель была предложена американским ученым М. Гепперт-Майер и немецким физиком X. Йенсеном в 50-х гг. XX в. Она была названа оболочечной моделью ядра, согласно которой нуклоны, как и электроны в атоме, заполняют соответствующие оболочки в ядре, которые характеризуются разными значениями энергий. В противовес этой модели датские ученые О. Бор (сын Н. Бора) и Б. Моттельсон выдвинули обобщенную модель ядра, которая состоит из устойчивой внутренней части, вокруг которой движутся внешние нуклоны. Под воздействием этих нуклонов внутренняя часть ядра может изменять свою структуру, принимая форму вытянутого эллипсоида, напоминающую своего рода каплю. Поскольку указанная модель в определенной мере объединяет представления капельной и оболочечной моделей, ее и назвали обобщенной.

Процесс взаимодействия нуклонов осуществляется путем многократного испускания одним из них я-мезона и поглощения его другим нуклоном. В результате этого протон превращается в нейтрон, а нейтрон преобразуется в протон. Протоны и нейтроны, образующие атомное ядро, удерживаются вместе мощными силами ядерного взаимодействия, которые принадлежат, как мы уже знаем, к фундаментальному типу сильного взаимодействия. Под энергией связи ядра подразумевают энергию, которую необходимо затратить, чтобы разделить его на отдельные нуклоны. Она равна разности между суммой масс нуклонов, входящих в ядро, и массой образованного из них ядра, умноженной на квадрат скорости света:

Е = (Рm +Nm- M)-c².

Из этой разницы как раз образуется тот дефект массы, за счет которого возникает огромная термоядерная энергия  в результате расщепления ядра: 
Есвязи=Δmс².

Отсюда становится ясным, что масса  ядра атома меньше массы составляющих его нуклонов, так как в процессе синтеза часть их массы превращается в энергию и выделяется в окружающую среду. Зная общую энергию связи нуклонов, можно найти удельную энергию, приходящуюся на отдельный нуклон. Для большинства ядер эта энергия в среднем оказывается одинаковой, но для легких и тяжелых ядер наблюдается отклонение от среднего значения. Следует также обратить внимание на то, что с увеличением числа протонов в тяжелых ядрах тех атомов, которые занимают места в последних клетках периодической системы элементов Менделеева, заметное воздействие оказывают силы отталкивания между положительно заряженными протонами. Они стремятся разрушить ядро, и поэтому ядра таких атомов становятся нестабильными, а атомы химических элементов, начиная с № 83 (висмут), оказываются неустойчивыми. Именно этим объясняется естественная радиоактивность³ элементов, наблюдаемая в природе.