Елементарна частка, яка не має заряду. Які мікрооб'єкти належать до основних елементарних частинок

Зі словами "електрика", "електричний заряд", "електричний струм" ви зустрічалися багато разів і встигли до них звикнути. Але спробуйте відповісти на запитання: Що таке електричний заряд? - і ви переконаєтеся, що це не так просто. Справа в тому, що поняття заряду - це основне, первинне поняття, яке не зводиться на сучасному рівні розвитку наших знань до якихось більш простих, елементарних понять

Спробуємо спочатку з'ясувати, що розуміють під твердженням: це тіло чи частка має електричний заряд.

Ви знаєте, що всі тіла побудовані з найдрібніших, неподільних на простіші (наскільки зараз науці відомо) частинок, які тому називають елементарними. Всі елементарні частинки мають масу і завдяки цьому притягуються один до одного згідно із законом всесвітнього тяжіння з силою, що порівняно повільно зменшується в міру збільшення відстані між ними, обернено пропорційною квадрату відстані. Більшість елементарних частинок, хоч і не всі, крім того, мають здатність взаємодіяти один з одним з силою, яка також зменшується пропорційно квадрату відстані, але ця сила у величезну кількість разів перевищує силу тяжіння. Так. в атомі водню, зображеному схематично на малюнку 91, електрон притягується до ядра (протону) з силою, що в 101" разів перевищує силу гравітаційного тяжіння.

Якщо частинки взаємодіють один з одним із силами, які повільно зменшуються зі збільшенням відстані та у багато разів перевищують сили всесвітнього тяжіння, то кажуть, що ці частинки мають електричний заряд. Самі частки називаються зарядженими. Бувають частинки без електричного заряду, але не існує електричного заряду без частинки.

Взаємодії між зарядженими частинками звуться електромагнітних. Електричний заряд - фізична величина, що визначає інтенсивність електромагнітних взаємодій, подібно до того, як маса визначає інтенсивність гравітаційних взаємодій.

Електричний заряд елементарної частки це не особливий «механізм» у частинці, який можна було б зняти з неї, розкласти на складові та знову зібрати. Наявність електричного заряду у електрона та інших частинок означає лише існування

певних силових взаємодій між ними. Але ми, по суті, нічого не знаємо про заряд, якщо не знаємо законів цих взаємодій. Знання законів взаємодій має входити до наших уявлень про заряд. Ці закони не прості, викласти їх у кількох словах неможливо. Ось чому не можна дати досить задовільного короткого визначення того, що таке електричний заряд.

Два електричних зарядів знак.Всі тіла мають масу і тому притягуються один до одного. Заряджені тіла можуть як притягувати, так і відштовхувати один одного. Цей найважливіший факт, знайомий вам із курсу фізики VII класу, означає, що у природі є частинки з електричними зарядами протилежних знаків. При однакових знаках заряду частки відштовхуються, а за різних притягуються.

Заряд елементарних частинок - протонів, які входять до складу всіх атомних ядер, називають позитивним, а заряд електронів - негативним. Між позитивними та негативними зарядами немає внутрішніх відмінностей. Якби знаки зарядів частинок помінялися місцями, то від цього характер електромагнітних взаємодій анітрохи не змінився б.

Елементарний заряд.Окрім електронів та протонів, є ще кілька типів заряджених елементарних частинок. Але тільки електрони та протони можуть необмежено довго існувати у вільному стані. Інші ж заряджені частинки живуть менше мільйонних часток секунди. Вони народжуються при зіткненнях швидких елементарних частинок і, проіснувавши мізерно мало, розпадаються, перетворюючись на інші частки. З цими частинками ви познайомитеся у X класі.

До частинок, які мають електричного заряду, належить нейтрон. Його маса лише трохи перевищує масу протона. Нейтрони разом із протонами входять до складу атомного ядра.

Якщо елементарна частка має заряд, то його значення, як показали численні досліди, суворо визначено (про один з таких дослідів - досвід Міллікена та Іоффе - було розказано в підручнику для VII класу)

Існує мінімальний заряд, званий елементарним, який має всі заряджені елементарні частинки. Заряди елементарних частинок відрізняються лише символами. Відокремити частину заряду, наприклад, у електрона, неможливо.

« Фізика – 10 клас»

Спочатку розглянемо найпростіший випадок, коли електрично заряджені тіла перебувають у спокої.

Розділ електродинаміки, присвячений вивченню умов рівноваги електрично заряджених тіл, називають електростатикою.

Що таке електричний заряд?
Які є заряди?

Зі словами електрика, електричний заряд, електричний струмви зустрічалися багато разів і встигли звикнути до них. Але спробуйте відповісти на запитання: Що таке електричний заряд? Саме поняття заряд- це основне, первинне поняття, що не зводиться на сучасному рівні розвитку наших знань до будь-яких більш простих, елементарних понять.

Спробуємо спочатку з'ясувати, що розуміють під твердженням: «Це тіло чи частка має електричний заряд».

Всі тіла побудовані з найдрібніших частинок, які неподільні на простіші і тому називаються елементарними.

Елементарні частинки мають масу і завдяки цьому притягуються одна до одної згідно із законом всесвітнього тяжіння. Зі збільшенням відстані між частинками сила тяжіння зменшується пропорційно квадрату цієї відстані. Більшість елементарних частинок, хоч і не всі, крім того, мають здатність взаємодіяти один з одним з силою, яка також зменшується пропорційно квадрату відстані, але ця сила в багато разів перевищує силу тяжіння.

Так, в атомі водню, зображеному схематично на малюнку 14.1, електрон притягується до ядра (протону) з силою, що в 10 39 разів перевищує силу гравітаційного тяжіння.

Якщо частинки взаємодіють один з одним із силами, які зменшуються зі збільшенням відстані так само, як і сили всесвітнього тяжіння, але перевищують сили тяжіння у багато разів, то кажуть, що ці частинки мають електричний заряд. Самі частки називаються зарядженими.

Бувають частинки без електричного заряду, але немає електричного заряду без частинки.

Взаємодія заряджених частинок називається електромагнітним.

Електричний заряд визначає інтенсивність електромагнітних взаємодій, як маса визначає інтенсивність гравітаційних взаємодій.

Електричний заряд елементарної частинки - це не особливий механізм у частинці, який можна було б зняти з неї, розкласти на складові та знову зібрати. Наявність електричного заряду в електрона та інших частинок означає існування певних силових взаємодій між ними.

Ми по суті нічого не знаємо про заряд, якщо не знаємо законів цих взаємодій. Знання законів взаємодій має входити до наших уявлень про заряд. Ці закони непрості, і викласти їх кількома словами неможливо. Тому не можна дати досить задовільне коротке визначення поняття електричний заряд.

Два електричних зарядів знак.

Всі тіла мають масу і тому притягуються один до одного. Заряджені тіла можуть як притягувати, так і відштовхувати один одного. Цей найважливіший факт, знайомий вам, означає, що у природі є частинки з електричними зарядами протилежних знаків; у разі зарядів однакових знаків частинки відштовхуються, а разі різних притягуються.

Заряд елементарних частинок протонів, що входять до складу всіх атомних ядер, називають позитивним, а заряд електронів- Негативним. Між позитивними та негативними зарядами внутрішніх відмінностей немає. Якби знаки зарядів частинок помінялися місцями, то від цього характер електромагнітних взаємодій анітрохи не змінився б.

Елементарний заряд.

Окрім електронів та протонів, є ще кілька типів заряджених елементарних частинок. Але тільки електрони та протони можуть необмежено довго існувати у вільному стані. Інші ж заряджені частинки живуть менше мільйонних часток секунди. Вони народжуються при зіткненнях швидких елементарних частинок і, проіснувавши мізерний час, розпадаються, перетворюючись на інші частки. З цими частинками ви познайомитеся у 11 класі.

До частинок, які не мають електричного заряду, відноситься нейтрон. Його маса лише трохи перевищує масу протона. Нейтрони разом із протонами входять до складу атомного ядра. Якщо елементарна частка має заряд, його значення суворо визначено.

Заряджені тілаЕлектромагнітні сили у природі грають величезну роль завдяки тому, що до складу всіх тіл входять електрично заряджені частинки. Складові частини атомів - ядра і електрони - мають електричний заряд.

Безпосередньо дія електромагнітних сил між тілами не виявляється, тому що тіла у звичайному стані електрично нейтральні.

Атом будь-якої речовини нейтральний, оскільки число електронів у ньому дорівнює числу протонів в ядрі. Позитивно та негативно заряджені частинки пов'язані один з одним електричними силами та утворюють нейтральні системи.

Макроскопічне тіло заряджено електрично в тому випадку, якщо воно містить надмірну кількість елементарних частинок з одним знаком заряду. Так, негативний заряд тіла обумовлений надлишком числа електронів у порівнянні з числом протонів, а позитивний – недоліком електронів.

Щоб отримати електрично заряджене макроскопічне тіло, т. е. наелектризувати його, потрібно відокремити частину негативного заряду від пов'язаного з ним позитивного або перенести на нейтральне тіло негативний заряд.

Це можна зробити за допомогою тертя. Якщо провести гребінцем по сухому волоссю, то невелика частина рухомих заряджених частинок - електронів перейде з волосся на гребінець і зарядить її негативно, а волосся зарядиться позитивно.

Рівність зарядів під час електризації

За допомогою досвіду можна довести, що при електризації тертям обидва тіла набувають зарядів, протилежних за знаком, але однакових за модулем.

Візьмемо електрометр, на стрижні якого укріплено металеву сферу з отвором, і дві пластини на довгих рукоятках: одна з ебоніту, а інша з плексигласу. При терті одна про одну пластини електризуються.

Внесемо одну з пластин всередину сфери, не торкаючись її стін. Якщо пластина заряджена позитивно, частина електронів зі стрілки і стрижня електрометра притягнеться до пластини і збереться на внутрішній поверхні сфери. Стрілка при цьому позитивно зарядиться і відштовхнеться від стрижня електрометра (рис. 14.2, а).

Якщо внести всередину сфери іншу пластину, вийнявши заздалегідь першу, то електрони сфери і стрижня будуть відштовхуватися від пластини і зберуться надміру на стрілці. Це викликає відхилення стрілки від стрижня, причому у той самий кут, що у першому досвіді.

Опустивши обидві пластини всередину сфери, ми взагалі не виявимо відхилення стрілки (рис. 14.2 б). Це доводить, що заряди пластин дорівнюють за модулем і протилежні за знаком.

Електризація тіл та її прояви.Значна електризація відбувається при терті синтетичних тканин. Знімаючи з себе сорочку із синтетичного матеріалу в сухому повітрі, можна чути характерне потріскування. Між зарядженими ділянками поверхонь, що труться, проскакують маленькі іскорки.

У друкарнях відбувається електризація паперу під час друку, і листи злипаються. Щоб це не відбувалося, використовують спеціальні пристрої для стікання заряду. Однак електризація тіл при тісному контакті іноді використовується, наприклад, у різних електрокопіювальних установках та ін.

Закон збереження електричного заряду.

Досвід з електризацією пластин доводить, що з електризації тертям відбувається перерозподіл наявних зарядів між тілами, колись нейтральними. Невелика частина електронів переходить із одного тіла на інше. При цьому нові частки не виникають, а раніше не зникають.

При електризації тіл виконується закон збереження електричного заряду. Цей закон справедливий для системи, в яку не входять ззовні і з якої не виходять назовні заряджені частинки, тобто для ізольованої системи.

В ізольованій системі алгебраїчна сума зарядів усіх тіл зберігається.

q 1 + q 2 + q 3 + ... + q n = const. (14.1)

де q 1 q 2 і т. д. - заряди окремих заряджених тіл.

Закон збереження заряду має глибоке значення. Якщо кількість заряджених елементарних частинок не змінюється, виконання закону збереження заряду очевидно. Але елементарні частинки можуть перетворюватися одна на одну, народжуватися і зникати, даючи життя новим часткам.

Однак у всіх випадках заряджені частинки народжуються лише парами з однаковими за модулем та протилежними за знаком зарядами; зникають заряджені частинки теж лише парами, перетворюючись на нейтральні. І в усіх цих випадках алгебраїчна сума зарядів залишається однією і тією ж.

Справедливість закону збереження заряду підтверджують спостереження величезним числом перетворень елементарних частинок. Цей закон виражає одне з найбільш фундаментальних властивостей електричного заряду. Причина збереження заряду досі невідома.

Елементарна частка - найдрібніша, неподільна, не має структури частка.

ОСНОВИ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Електродинаміка- Розділ фізики, що вивчає електромагнітні взаємодії. Електромагнітні взаємодії- Взаємодії заряджених частинок. Основними об'єктами вивчення в електродинаміці є електричні та магнітні поля, створювані електричними зарядами та струмами.

Тема 1. Електричне поле (електростатика)

Електростатика -розділ електродинаміки, що вивчає взаємодію нерухомих (статичних) зарядів.

Електричний заряд.

Усі тіла електризуються.

Наелектризувати тіло – це означає повідомити електричний заряд.

Наелектризовані тіла взаємодіють – притягуються та відштовхуються.

Чим більше наелектризовані тіла, тим більше вони взаємодіють.

Електричний заряд - це фізична величина, яка характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітні взаємодії і є кількісним заходом цих взаємодій.

Сукупність всіх відомих експериментальних фактів дозволяє зробити такі висновки:

· Існує два роду електричних зарядів, умовно названих позитивними та негативними.

· Заряди не існують без частинок

· Заряди можуть передаватися від одного тіла до іншого.

· На відміну від маси тіла електричний заряд не є невід'ємною характеристикою даного тіла. Те саме тіло в різних умовах може мати різний заряд.

· Електричний заряд залежить від вибору системи відліку, де він вимірюється. Електричний заряд залежить від швидкості руху носія заряду.

· однойменні заряди відштовхуються, різноіменні – притягуються.

Одиниця виміру в СІ - Кулон

Елементарна частка - найдрібніша, неподільна, не має структури частка.

Наприклад, в атомі: електрон ( , протон ( , Нейтрон ( .

Елементарна частка може мати заряд, а може не мати заряду: , ,

Елементарний заряд -заряд, що належить елементарній частинці, найменший, неподільний.

Елементарний заряд – заряд електрона за модулем.

Заряди електрона та протона чисельно рівні, але протилежні за знаком:

Електризація тел.
Що означає «макроскопічне тіло заряджено»? Чим визначається заряд будь-якого тіла?

Усі тіла складаються з атомів, до складу яких входять позитивно заряджені протони, негативно заряджені електрони та нейтральні частки – нейтрони . Протони та нейтрони входять до складу атомних ядер, електрони утворюють електронну оболонку атомів.

У нейтральному атомі число протонів у ядрі дорівнює числу електронів в оболонці.

Макроскопічні тіла, які з нейтральних атомів, електронейтральні.

Атом цієї речовини може втратити один або кілька електронів або придбати зайвий електрон. У цих випадках нейтральний атом перетворюється на позитивно або негативно заряджений іон.

Електризація тіл– процес отримання електрично заряджених тіл із електронейтральних.

Тіла електризуються під час контакту один з одним.

При контакті частина електронів з тіла переходить в інше, обидва тіла електризуються, тобто. отримують заряди рівні за величиною та протилежні за знаком:
«надлишок» електронів у порівнянні з протонами створює в тілі «-» заряд;
"Недолік" електронів у порівнянні з протонами створює в тілі "+" заряд.
Заряд будь-якого тіла визначається кількістю надлишкових чи недостатніх порівняно з протонами електронів.

Заряд може передаватися від одного тіла до іншого лише порціями, що містять ціле число електронів. Таким чином, електричний заряд тіла – дискретна величина, кратна заряду електрона:

Приблизно 1000 секунд (для вільного нейтрона) до мізерно малої частки секунди (від 10 −24 до 10 −22 з для резонансів).

Будова та поведінка елементарних частинок вивчається фізикою елементарних частинок.

Усі елементарні частинки підпорядковуються принципу тотожності (всі елементарні частинки одного виду у Всесвіті повністю однакові за всіма своїми властивостями) та принципом корпускулярно-хвильового дуалізму (кожній елементарній частинці відповідає хвиля де-Бройля).

Всі елементарні частинки мають властивість взаємоперетворюваності, що є наслідком їх взаємодій: сильної, електромагнітної, слабкої, гравітаційної. Взаємодії частинок викликають перетворення частинок та їх сукупностей на інші частинки та їх сукупності, якщо такі перетворення не заборонені законами збереження енергії, імпульсу, моменту кількості руху, електричного заряду, баріонного заряду та ін.

Основні характеристики елементарних частинок:час життя, маса, спин, електричний заряд, магнітний момент, баріонний заряд, лептонний заряд, дивність, ізотопічний спин, парність, зарядова парність, G-парність, CP-парність.

Класифікація

За часом життя

• Стабільні елементарні частинки - частинки, що мають нескінченно великий час життя у вільному стані (протон, електрон, нейтрино, фотон та їх античастинки).
• Нестабільні елементарні частинки - частки, що розпадаються інші частки у вільному стані за кінцевий час (всі інші частки).

За масою

Всі елементарні частинки поділяються на два класи:

• Безмасові частки - частки з нульовою масою (фотон, глюон).
• Частинки з ненульовою масою (всі інші частки).

За величиною спина

Всі елементарні частинки поділяються на два класи:

За видами взаємодій

Елементарні частинки поділяються на такі групи:

Складові частинки

• Адрони - частки, що беруть участь у всіх видах фундаментальних взаємодій. Вони складаються з кварків і поділяються, своєю чергою, на:
  • мезони - адрони з цілим спином , тобто бозонами ;
  • баріони - адрони з напівцілим спином, тобто ферміони. До них, зокрема, відносяться частинки, що становлять ядро ​​атома - протон і нейтрон.

Фундаментальні (безструктурні) частинки

• Лептони - ферміони, які мають вигляд точкових частинок (тобто ні з чого не складаються) аж до масштабів порядку 10 -18 м. Не беруть участі в сильних взаємодіях. Участь в електромагнітних взаємодіях експериментально спостерігалося лише заряджених лептонів (електрони , мюони , тау-лептони) і спостерігалося для нейтрино . Відомі 6 типів лептонів.
• Кварки - дробозаряджені частинки, що входять до складу адронів. У вільному стані не спостерігалися (для пояснення відсутності таких спостережень запропоновано механізм конфайнменту). Як і лептони, діляться на 6 типів і вважаються безструктурними, проте, на відміну від лептонів, беруть участь у сильній взаємодії.
• Калібрувальні бозони - частки, за допомогою обміну якими здійснюються взаємодії:
  • фотон - частка, що переносить електромагнітну взаємодію;
  • вісім глюонів - частинок, що переносять сильну взаємодію;
  • три проміжні векторні бозони W + , W− і Z 0, що переносять слабку взаємодію;
  • гравітон - гіпотетична частка, що переносить гравітаційну взаємодію. Існування гравітонів, хоча поки що не доведено експериментально у зв'язку зі слабкістю гравітаційної взаємодії, вважається цілком імовірним; однак гравітон не входить до стандартної моделі елементарних частинок.

Відео на тему

Розміри елементарних частинок

Незважаючи на велику різноманітність елементарних частинок, їх розміри укладаються у дві групи. Розміри адронів (як баріонів, так і мезонів) становлять близько 10 -15 м, що близько до середньої відстані між кварками, що входять до них. Розміри фундаментальних, безструктурних частинок - калібрувальних бозонів, кварків і лептонів - у межах похибки експерименту узгоджуються з їх точковістю (верхня межа діаметра становить близько 10 -18 м) див. пояснення). Якщо в подальших експериментах остаточні розміри цих частинок не будуть виявлені, то це може свідчити про те, що розміри калібрувальних бозонів, кварків і лептонів близькі до фундаментальної довжини (яка, можливо, може виявитися планковською довжиною 1,6·10 −35 м). .

Слід зазначити, однак, що розмір елементарної частки є досить складною концепцією, яка не завжди узгоджується з класичними уявленнями. По-перше, принцип невизначеності не дозволяє суворо локалізувати фізичну частинку. Хвильовий пакет , що представляє частку як суперпозицію точно локалізованих квантових станів , завжди має кінцеві розміри і певну просторову структуру, причому розміри пакета можуть бути цілком макроскопічними - наприклад, електрон в експерименті з інтерференцією на двох щілинах «відчуває» обидві щілини інтерферометра, рознесені на макроскоп . По-друге, фізична частка змінює структуру вакууму навколо себе, створюючи «шубу» з короткочасно існуючих віртуальних частинок – ферміон-антиферміонних пар (див. Поляризація вакууму) та бозонів-переносників взаємодій. Просторові розміри цієї області залежать від калібрувальних зарядів, якими володіє частка, і від мас проміжних бозонів (радіус оболонки з масивних віртуальних бозонів близький до їхньої комптонівської довжини хвилі, яка, у свою чергу, обернено пропорційна їх масі). Так, радіус електрона з погляду нейтрино (між ними можлива лише слабка взаємодія) приблизно дорівнює комптонівській довжині хвилі W-бозонів ~3×10 −18 м , а розміри області сильної взаємодії адрону визначаються комптонівської довжиною хвилі найлегшого з адронів, пі-мезона (~10 -15 м), що виступає тут як переносник взаємодії.

Історія

Спочатку термін «елементарна частка» мав на увазі щось абсолютно елементарне, першоцеглину матерії. Однак, коли в 1950-х і 1960-х роках були відкриті сотні адронів зі схожими властивостями, стало ясно, що принаймні адрони мають внутрішні ступеня свободи, тобто не є в строгому сенсі слова елементарними. Ця підозра надалі підтвердилася, коли з'ясувалося, що адрони складаються з кварків.

Таким чином, фізики просунулися ще трохи вглиб будови речовини: елементарними, точковими частинами речовини зараз вважаються лептони і кварки. Для них (разом з калібрувальними бозонами) застосовується термін « фундаментальнічастинки».

В активно розробляється приблизно з середини 1980-х теорії струн передбачається, що елементарні частинки та їх взаємодії є наслідками різних видів коливань особливо малих «струн».

Стандартна модель

Стандартна модель елементарних частинок включає 12 ароматів ферміонів, відповідні їм античастинки, а також калібрувальні бозони (фотон, глюони, W- І Z-бозони), які переносять взаємодії між частинками, та виявлений у 2012 році бозон Хіггса, який відповідає за наявність інертної маси у частинок. Однак Стандартна модель значною мірою розглядається швидше як теорія тимчасова, а не дійсно фундаментальна, оскільки вона не включає гравітацію і містить кілька десятків вільних параметрів (маси частинок і т. д.), значення яких не випливають безпосередньо з теорії. Можливо, існують елементарні частинки, які не описуються Стандартною моделлю - наприклад, такі як гравітон (частка, що гіпотетично переносить гравітаційні сили) або суперсиметричні партнери звичайних частинок. Усього модель описує 61 частинку.

Ферміони

12 ароматів ферміонів поділяються на 3 сімейства (покоління) по 4 частинки у кожному. Шість із них - кварки. Інші шість - лептони, три з яких є нейтрино, а три несуть одиничний негативний заряд: електрон, мюон і тау-лептон.

Античастинки

Також існують 12 ферміонних античастинок, що відповідають вищезгаданим дванадцяти частинкам.

Кварки

Кварки та антикварки ніколи не були виявлені у вільному стані – це пояснюється явищем

Подальше проникнення глибини мікросвіту пов'язані з переходом від рівня атомів до рівня елементарних частинок. Як перша елементарна частка наприкінці XIX ст. було відкрито електрон, та був у перші десятиліття XX в. – фотон, протон, позитрон та нейтрон.

Після Другої світової війни, завдяки використанню сучасної експериментальної техніки, і насамперед потужним прискорювачам, у яких створюються умови високих енергій та величезних швидкостей, було встановлено існування великої кількості елементарних частинок – понад 300. Серед них є як експериментально виявлені, так і теоретично обчислені, включаючи резонанси, кварки та віртуальні частки.

Термін елементарна часткаспочатку означав найпростіші, далі ні на що не розкладаються частинки, що лежать в основі будь-яких матеріальних утворень. Пізніше фізики усвідомили всю умовність терміна "елементарний" стосовно мікрооб'єктів. Зараз уже не підлягає сумніву, що частинки мають ту чи іншу структуру, але, проте, назва, що історично склалася, продовжує існувати.

Основними характеристиками елементарних частинок є маса, заряд, середнє життя, спин і квантові числа.

Масу спокою елементарних частинок визначають по відношенню до маси спокою електрона. Існують елементарні частинки, що не мають маси спокою, – фотони. Інші частинки за цією ознакою поділяються на лептони– легкі частки (електрон та нейтрино); мезони- Середні частки з масою в межах від однієї до тисячі мас електрона; баріони– важкі частки, чия маса перевищує тисячу мас електрона та до складу яких входять протони, нейтрони, гіперони та багато резонансів.

Електричний заряд є іншою найважливішою характеристикою елементарних частинок. Всі відомі частинки мають позитивний, негативний або нульовий заряд. Кожній частинці, крім фотону та двох мезонів, відповідають античастинки з протилежним зарядом. Приблизно у 1963–1964 роках. була висловлена ​​гіпотеза про існування кварків- Часток з дробовим електричним зарядом. Експериментального підтвердження ця гіпотеза поки що не знайшла.

За часом життя частинки поділяються на стабільні і нестабільні . Стабільних частинок п'ять: фотон, два різновиди нейтрино, електрон та протон. Саме стабільні частинки грають найважливішу роль структурі макротіл. Всі інші частки нестабільні, вони існують близько 10-10-10-24 с, після чого розпадаються. Елементарні частинки із середнім часом життя 10 –23 –10 –22 с називають резонансами. Внаслідок короткого часу життя вони розпадаються ще до того, як встигнуть залишити атом чи атомне ядро. Резонансні стани обчислені теоретично, зафіксувати їх у реальних експериментах не вдається.

Крім заряду, маси та часу життя, елементарні частинки описуються також поняттями, які не мають аналогів у класичній фізиці: поняттям спина . Спиномназивається власний момент імпульсу частинки, не пов'язаний з її переміщенням. Спин характеризується спиновим квантовим числом s, яке може набувати цілі (±1) або напівцілі (±1/2) значення. Частинки з цілим спином – бозони, з напівцілим - ферміони. Електрон відноситься до ферміонів. Відповідно до принципу Паулі в атомі не може бути більше одного електрона з одним і тим же набором квантових чисел n,m,l,s. p align="justify"> Електрони, яким відповідає хвильові функції з однаковим числомn, дуже близькі за енергіями і утворюють в атомі електронну оболонку. Відмінності в числеl визначають "подоболочку", інші квантові числа визначають її заповнення, про що було сказано вище.

У характеристиці елементарних частинок є ще одне важливе уявлення взаємодії. Як зазначалося раніше, відомо чотири види взаємодій між елементарними частинками: гравітаційне,слабке,електромагнітнеі сильне(ядерне).

Усі частки, що мають масу спокою ( m 0), беруть участь у гравітаційному взаємодії, заряджені – й у електромагнітному. Лептони беруть участь ще й у слабкій взаємодії. Адрони беруть участь у всіх чотирьох фундаментальних взаємодіях.

Згідно з квантовою теорією поля, всі взаємодії здійснюються завдяки обміну віртуальними частинками тобто частинками, про існування яких можна судити лише опосередковано, за деякими їх проявами через якісь вторинні ефекти ( реальні частки можна безпосередньо зафіксувати за допомогою приладів).

Виявляється, що всі відомі чотири типи взаємодій - гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка - мають калібрувальну природу і описуються калібрувальними симетріями. Тобто всі взаємодії зроблені "з однієї болванки". Це вселяє надію, що можна буде знайти "єдиний ключ до всіх відомих замків" і описати еволюцію Всесвіту зі стану, представленого єдиним суперсиметричним суперполем, зі стану, в якому відмінності між типами взаємодій між різними частинками речовини і квантами полів ще не виявлені.

Існує безліч методів класифікації елементарних частинок. Так, наприклад, частинки поділяють на ферміони (Фермі-частинки) – частинки речовини та бозони (Бозе-частинки) – кванти полів.

Згідно з іншим підходом, частинки поділяють на 4 класи: фотони, лептони, мезони, баріони.

Фотони (Кванти електромагнітного поля) беруть участь в електромагнітних взаємодіях, але не мають сильної, слабкої, гравітаційної взаємодії.

Лептони отримали свою назву від грецького слова leptos- Легкий. До них відносяться частинки, що не володіють сильною взаємодією мюони (μ - , μ +), електрони (е - , е +), електронні нейтрино (ve - , e +) і мюонні нейтрино (v - m, v + m). Усі лептони мають спин, рівний ½, і, отже, є ферміонами. Всі лептони мають слабку взаємодію. Ті з них, які мають електричний заряд (тобто мюони та електрони), мають також електромагнітну взаємодію.

Мезони - Нестабільні частинки, що сильно взаємодіють, не несуть так званого баріонного заряду. До них належить р-мезони, або півонії (π + , π - , π 0), До-мезони, або каони (К + , К - , К 0), ця-мезони (η) . Маса До-мезонів становить ~970mе (494 МеВ для заряджених та 498 МеВ для нейтральних До-мезонів). Час життя До-мезон має величину порядку 10 -8 с. Вони розпадаються з освітою я-мезонів та лептонів або тільки лептонів. Маса ця-мезонів дорівнює 549 МеВ (1074mе), час життя - близько 10 -19 с. Ця-мезони розпадаються з утворенням π-мезонів та γ-фотонів. На відміну від лептонів, мезони мають не тільки слабку (і, якщо вони заряджені, електромагнітну), але також і сильну взаємодію, що проявляється при взаємодії їх між собою, а також при взаємодії між мезонами і баріонами. Спин усіх мезонів дорівнює нулю, тому вони є бозонами.

Клас баріонів поєднує в собі нуклони (p, n) і нестабільні частинки з масою більше маси нуклонів, що отримали назву гіперонів. Всі баріони мають сильну взаємодію і, отже, активно взаємодіють з атомними ядрами. Спин всіх баріонів дорівнює ½, тому баріони є ферміонами. За винятком протону, усі баріони нестабільні. При розпаді баріонів поряд з іншими частинками обов'язково утворюється баріон. Ця закономірність є одним із проявів закону збереження баріонного заряду.

Крім перерахованих вище частинок виявлено велику кількість сильно взаємодіючих короткоживучих частинок, які отримали назву резонансів . Ці частинки є резонансними станами, утвореними двома або великим числом елементарних частинок. Час життя резонансів становить лише ~ 10 -23 -10 -22 с.

Елементарні частинки, а також складні мікрочастинки вдається спостерігати завдяки тим слідам, які вони залишають при проходженні через речовину. Характер слідів дозволяє судити про знак заряду частинки, її енергії, імпульс і т. п. Заряджені частинки викликають іонізацію молекул на своєму шляху. Нейтральні частинки слідів не залишають, але вони можуть виявити себе в момент розпаду на заряджені частинки або в момент зіткнення з ядром. Отже, зрештою нейтральні частинки також виявляються по іонізації, викликаної породженими ними зарядженими частинками.

Частинки та античастинки. У 1928 р. англійському фізику П. Дірак вдалося знайти релятивістське квантово-механічне рівняння для електрона, з якого випливає ряд чудових наслідків. Насамперед, із цього рівняння природним чином, без будь-яких додаткових припущень, виходять спин та числове значення власного магнітного моменту електрона. Таким чином, з'ясувалося, що спин є величиною одночасно і квантової, і релятивістської. Але цим не вичерпується значення рівняння Дірака. Воно дозволило також передбачити існування античастки електрона – позитрон. З рівняння Дірака виходять повної енергії вільного електрона як позитивні, а й негативні значення. Дослідження рівняння показують, що при заданому імпульсі частинки існують рішення рівняння, що відповідають енергіям: .

Між найбільшою негативною енергією (– mе з 2) та найменшою позитивною енергією (+ m e c 2) є інтервал значень енергії, які можуть реалізуватися. Ширина цього інтервалу дорівнює 2 mе з 2 . Отже, виходять дві області власних значень енергії: одна починається з + m e з 2 і простягається до +∞, інша починається з – mе з 2 і тягнеться до –∞.

Частка з негативною енергією повинна мати дуже дивні властивості. Переходячи в стани з дедалі меншою енергією (тобто з модулем, що збільшується, негативною енергією), вона могла б виділяти енергію, скажімо, у вигляді випромінювання, причому, оскільки | Е| нічим не обмежений, частка з негативною енергією могла б випромінювати нескінченно велику кількість енергії. Такого висновку можна дійти наступним шляхом: із співвідношення Е=mе з 2 випливає, що у частинки з негативною енергією маса буде негативною. Під дією гальмівної сили частка з негативною масою повинна не сповільнюватися, а прискорюватися, здійснюючи над джерелом сили, що гальмує, нескінченно велика кількість роботи. Зважаючи на ці труднощі слід, здавалося б, визнати, що стан з негативною енергією потрібно виключити з розгляду як приводить до абсурдних результатів. Однак це суперечило б деяким загальним принципам квантової механіки. Тому Дірак вибрав інший шлях. Він запропонував, що переходи електронів у стани з негативною енергією зазвичай не спостерігаються з тієї причини, що всі рівні з негативною енергією вже зайняті електронами.

Згідно з Діраком, вакуум є такий стан, в якому всі рівні негативної енергії заселені електронами, а рівні з позитивною енергією вільні. Оскільки всі без винятку зайняті рівні, що лежать нижче забороненої смуги, електрони на цих рівнях ніяк себе не виявляють. Якщо одному з електронів, що знаходяться на негативних рівнях, повідомити енергію Е≥ 2mе з 2 то цей електрон перейде в стан з позитивною енергією і поводитиметься звичайним чином, як частка з позитивною масою і негативним зарядом. Ця перша з передбачених теоретично частинок була названа позитроном. При зустрічі позитрона з електроном вони анігілюють (зникають) – електрон переходить з позитивного рівня на негативний вакантний. Енергія, що відповідає різниці цих рівнів, виділяється у вигляді випромінювання. На рис. 4 стрілка 1 зображує процес народження пари електрон-позитрон, а стрілка 2 – їх анігіляцію Термін "анігіляція" не слід розуміти буквально. По суті, відбувається не зникнення, а перетворення одних частинок (електрона та позитрону) на інші (γ-фотони).

Існують частинки, які тотожні зі своїми античастинками (тобто не мають античасток). Такі частки називаються абсолютно нейтральними. До них належать фотон, π 0 -мезон і η-мезон. Частинки, тотожні зі своїми античастинками, не здатні до анігіляції. Це, однак, не означає, що вони взагалі не можуть перетворюватися на інші частки.

Якщо баріонам (тобто нуклонам та гіперонам) приписати баріонний заряд (або баріонне число) У= +1, антибаріон – баріонний заряд У= –1, а решті частинок – баріонний заряд У= 0, то для всіх процесів, що протікають за участю баріонів та антибаріонів, буде характерно збереження баріонів заряду, подібно до того як для процесів характерне збереження електричного заряду. Закон збереження баріонного заряду обумовлює стабільність м'якого з баріонів - протона. Перетворення всіх величин, що описують фізичну систему, при якому всі частинки замінюються на античастинки (наприклад, електрони протонами, а протони електронами і т. д.), називається зарядом сполучення.

Дивні частки.До-мезони та гіперони були виявлені у складі космічних променів на початку 50-х рр. XX ст. Починаючи з 1953 р. їх одержують на прискорювачах. Поведінка цих частинок виявилася настільки незвичайною, що вони були названі дивними. Незвичайність поведінки дивних частинок полягала в тому, що народжувалися вони явно за рахунок сильних взаємодій з характерним часом близько 10 -23 с, а життя їх виявилося близько 10 -8 -10 -10 с. Остання обставина вказувала на те, що розпад частинок здійснюється внаслідок слабких взаємодій. Було незрозуміло, чому дивні частки живуть так довго. Оскільки і в народженні, і в розпаді λ-гіперону беруть участь одні й ті самі частинки (π-мезони і протон), дивувалося, що швидкість (тобто ймовірність) обох процесів настільки різна. Подальші дослідження показали, що дивні частки народжуються парами. Це навело на думку, що сильні взаємодії не можуть відігравати ролі в розпаді частинок внаслідок того, що для їх прояву потрібна присутність двох дивних частинок. З тієї ж причини виявляється неможливим поодиноке народження дивних частинок.

Щоб пояснити заборону одиночного народження дивних частинок, М. Гелл-Манн і К. Нішиджима ввели до розгляду нове квантове число, сумарне значення якого має, на їхню думку, зберігатися при сильних взаємодіях. Це квантове число Sбуло названо дивністю частинки. При слабких взаємодіях дивина може зберігатися. Тому вона приписується лише сильно взаємодіючим частинкам – мезонам та баріонам.

Нейтріно.Нейтрино - єдина частка, яка не бере участі ні в сильних, ні в електромагнітних взаємодіях. Виключаючи гравітаційне взаємодія, у якому беруть участь усі частки, нейтрино може брати участь лише у слабких взаємодіях.

Довгий час залишалося незрозумілим, чим відрізняється нейтрино від антинейтрино. Відкриття закону збереження комбінованої парності дало змогу відповісти це питання: вони відрізняються спіральністю. Під спіральністюрозуміється певне співвідношення між напрямами імпульсу Рі спина Sчастки. Спіральність вважається позитивною, якщо спин та імпульс мають однаковий напрямок. У цьому випадку напрямок руху частинки ( Р) і напрямок "обертання", що відповідає спину, утворюють правий гвинт. При протилежно спрямованих спині та імпульсі спіральність буде негативною (поступальний рух та “обертання” утворюють лівий гвинт). Відповідно до розвиненої Янгом, Лі, Ландау та Саламом теорії поздовжнього нейтрино, всі існуючі в природі нейтрино, незалежно від способу їх виникнення, завжди бувають повністю поздовжньо поляризовані (тобто спин їх спрямований паралельно або антипаралельно імпульсу) Р). Нейтрино має негативну(ліву) спіральність (йому відповідає співвідношення напрямів Sі Р, зображене на рис. 5 (б), антинейтрино - позитивну (праву) спіральність (а). Отже, спіральність – те, що відрізняє нейтрино від антинейтрино.

Мал. 5.Схема спіральності елементарних частинок

Систематика елементарних частинок.Закономірності, які у світі елементарних частинок, може бути сформульовані як законів збереження. Таких законів накопичилося вже чимало. Деякі їх виявляються не точними, а лише наближеними. Кожен закон збереження висловлює певну симетрію системи. Закони збереження імпульсу Р, моменту імпульсу Lта енергії Евідображають властивості симетрії простору та часу: збереження Еє наслідок однорідності часу, збереження Робумовлено однорідністю простору, а збереження L- Його ізотропністю. Закон збереження парності пов'язаний із симетрією між правим і лівим ( Р-Інваріантність). Симетрія щодо зарядового сполучення (симетрія частинок та античастинок) призводить до збереження зарядової парності ( З-Інваріантність). Закони збереження електричного, баріонного та лептонного зарядів виражають особливу симетрію. З-функції. Нарешті, закон збереження ізотопічного спина відбиває ізотропність ізотопічного простору. Недотримання одного із законів збереження означає порушення в даній взаємодії відповідного виду симетрії.

У світі елементарних частинок діє правило: дозволено все, що не забороняють закони збереження. Останні відіграють роль правил заборони, що регулюють взаємоперетворення частинок. Насамперед відзначимо закони збереження енергії, імпульсу та електричного заряду. Ці три закони пояснюють стабільність електрона. Зі збереження енергії та імпульсу випливає, що сумарна маса спокою продуктів розпаду повинна бути меншою за масу спокою частки, що розпадається. Отже, електрон міг би розпадатися лише з нейтрино і фотони. Але ці частинки електрично нейтральні. Ось і виходить, що електрону просто нема кому передати свій електричний заряд, тому він стабільний.

Кварки.Часток, званих елементарними, стало так багато, що виникли серйозні сумніви щодо їх елементарності. Кожна із сильно взаємодіючих частинок характеризується трьома незалежними адитивними квантовими числами: зарядом Q, гіперзарядом Ута баріонним зарядом У. У зв'язку з цим виникла гіпотеза у тому, що це частки побудовано з трьох фундаментальних частинок – носіїв цих зарядів. У 1964 р. Гелл-Ман і незалежно від нього швейцарський фізик Цвейг висунули гіпотезу, згідно з якою всі елементарні частинки побудовані з трьох частинок, названих кварками. Цим частинкам приписуються дробові квантові числа, зокрема, електричний заряд, що дорівнює +⅔; -⅓; +⅓ відповідно для кожного із трьох кварків. Ці кварки зазвичай позначаються буквами U,D,S. Крім кварків, розглядаються антикварки ( u,d, S). На сьогоднішній день відомо 12 кварків – 6 кварків та 6 антикварків. Мезони утворюються із пари кварк-антикварк, а баріони – із трьох кварків. Так, наприклад, протон та нейтрон складаються з трьох кварків, що робить протон або нейтрон безбарвними. Відповідно розрізняють три заряди сильних взаємодій - червоний ( R), жовтий ( Y) та зелений ( G).

Кожному кварку приписується однаковий магнітний момент (мкВ), величина якого з теорії не визначається. Розрахунки, зроблені на підставі такого припущення, дають для протона значення магнітного моменту p = μ кв, а для нейтрону μ n = – ⅔μ кв.

Таким чином, для відношення магнітних моментів виходить значення μ p / μ n = –⅔, що чудово узгоджується з експериментальним значенням.

В основному колір кварку (подібно до знака електричного заряду) став виражати відмінність у властивості, що визначає взаємне тяжіння і відштовхування кварків. За аналогією з квантами полів різних взаємодій (фотонами в електромагнітних взаємодіях, р-мезонами у сильних взаємодіях тощо) були введені частинки-переносники взаємодії між кварками. Ці частки були названі глюонами. Вони переносять колір від одного кварку до іншого, внаслідок чого кварки утримуються разом. У фізиці кварків сформульовано гіпотезу конфайнменту (від англ. confinements- Полон) кварків, згідно з якою неможливо віднімання кварку з цілого. Він може існувати лише як елемент цілого. Існування кварків як реальних частинок у фізиці надійно обґрунтоване.

Ідея кварків виявилася дуже плідною. Вона дозволила як систематизувати вже відомі частки, а й передбачити низку нових. Положення, що склалося у фізиці елементарних частинок, нагадують становище, що утворилося у фізиці атома після відкриття в 1869 р. Д. І. Менделєвим періодичного закону. Хоча сутність цього закону була з'ясована лише приблизно через 60 років після створення квантової механіки, він дозволив систематизувати відомі на той час хімічні елементи і, крім того, призвів до передбачення існування нових елементів та їх властивостей. Так само фізики навчилися систематизувати елементарні частинки, причому розроблена систематика в ряді випадків дозволила передбачити існування нових частинок і передбачити їх властивості.

Отже, нині істинно елементарними вважатимуться кварки і лептони; їх 12, або разом з античатицями – 24. Крім того, існують частинки, що забезпечують чотири фундаментальні взаємодії (кванти взаємодії). Цих частинок 13: гравітон, фотон, W± - і Z-частки та 8 глюонів.

Існуючі теорії елементарних частинок не можуть вказати, що є початком ряду: атоми, ядра, адрони, кварки. У цьому ряду кожна складніша матеріальна структура включає більш просту як складову частину. Очевидно, так нескінченно продовжуватися не може. Припустили, що описаний ланцюжок матеріальних структур базується на об'єктах іншої природи. Показано, що такими об'єктами можуть бути не точкові, а протяжні, хоч і надзвичайно малі (~10-33 см) освіти, названі суперструнами.Описана ідея у нашому чотиривимірному просторі не реалізована. Ця область фізики взагалі надзвичайно абстрактна, і дуже важко підібрати наочні моделі, що допомагають спрощеному сприйняттю ідей, закладених у теоріях елементарних частинок. Тим не менш, ці теорії дозволяють фізикам висловити взаємоперетворення та взаємозумовленість "найбільш елементарних" мікрооб'єктів, їх зв'язок з властивостями чотиривимірного простору-часу. Найбільш перспективною вважається так звана М-теорія (М – від mystery- Загадка, таємниця). Вона оперує дванадцятимірним простором . Зрештою, при переході до безпосередньо сприйманого нами чотиривимірного світу всі “зайві” виміри “згортаються”. М-теорія поки що єдина теорія, яка дає можливість звести чотири фундаментальні взаємодії до одного – так званої Суперсила.Важливо також, що теорія допускає існування різних світів і встановлює умови, що забезпечують виникнення нашого світу. М-теорія ще недостатньо розроблена. Вважається, що остаточна «теорія всього» на основі М-теорії буде побудована вXXIв.