Элементарные частицы

Представление о том, что вещество состоит из элементарных частиц, возникло в древней Греции и претерпело много изменений. Демокрит ввел понятие «атом» (неделимый), как наименьшее количество вещества. В 19 веке «атом» стал наименьшим количеством элемента.

В 1897 году открыт электрон и было установлено, что он входит в состав атома. В 1911 году опыты по рассеянию α -частиц Э. Резерфорда показали, что атом состоит из электронной оболочки и положительно заряженного ядра. После открытия протона в 1919 году и нейтрона в 1932 году возникла протонно-нейтронная теория строения ядер, согласно которой в атомном ядре существует только два типа частиц – нейтроны и протоны. В 1932 году Гейзенберг обратил внимание на удивительную близость масс протона и нейтрона (m_p = 938, 3 МэВ, а m_n = 939, 6 МэВ), и в этой связи предположил, что протон и нейтрон – различные состояния одной и той же частицы, названной им нуклоном. Согласно Гейзенбергу наблюдаемое различие между протонным и нейтронным состояниями нуклона характеризуется новым внутренним квантовым числом, названным им изотопическим спином.

Вскоре ученым пришлось признать, что ядро представляет собой на самом деле динамичную систему разнообразных частиц, чье скоротечное образование, взаимодействие и распад играют ключевую роль в ядерных процессах. К началу 1950-х годов изучение этих частиц, названных элементарными, стало одной из ключевых проблем физической науки.

В первоначальном смысле элементарные частицы представлялись как частицы, которые нельзя считать состоящими из других частиц. Но способность элементарных частиц к взаимным превращениям не позволяет рассматривать их как простейшие, неразложимые «кирпичики». Большая часть таких частиц (а их известно более 300) является составными системами.

Множество элементарных частиц делится на две группы: адроны (от греческого hadros – «большой») и лептоны (от греческого leptos – «маленький»). В свою очередь, адроны делятся на барионы (от греческого barys – «тяжелый») и мезоны (от греческого mesos – «средний»). К числу барионов относятся гипероны и нуклоны. Нуклоны – общее название протонов и нейтронов, являющихся основными составляющими атомных ядер. К классу лептонов относятся электрон и нейтрино. Одна частица – фотон – не входит ни в одну из этих групп. Указанное деление проводится по типам фундаментальных взаимодействий, в которых участвуют частицы на основе законов сохранения ряда физических величин. Практически каждая элементарная частица имеет свою античастицу.

Для объяснения явления радиоактивного распада совсем не обязательно рассматривать все элементарные частицы, а к уже названным электрону, нейтрону и протону следует добавить нейтрино и античастицы, предсказанные в уравнении Дирака, а также фотоны.

Каждая элементарная частица описывается набором дискретных значений физических величин (квантовых чисел). Общими характеристиками элементарных частиц являются: масса, электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др. Основные свойства некоторых элементарных частиц представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1