1.4. Открытие фотона

Фотон в некотором смысле особая частица в физике элементарных частиц. Масса её покоя в отличие от других частиц (кроме нейтрино) равна нулю. Поэтому её не сразу стали считать частицей. Считалось, что наличие отличной от нуля массы покоя является обязательным свойством элементарной частицы.

Фотон – это «оживленный» Планковский квант света, т.е. квант света, несущий импульс.

Кванты (порции) света были введены Планком в 1901 г. для того, чтобы объяснить законы черного излучения. Но они были только минимально возможными «порциями» энергии света той или иной частоты. Хотя предположения Планка о квантовании энергии света абсолютно противоречило всей классической теории, самим Планком это было понято не сразу. Планк писал, что он «… пытался как-то ввести величину h в рамки классической теории. Однако вопреки всем таким попытками эта величина оказалась весьма строптивой». Сейчас эта величина имеет название постоянной Планка.

После введения постоянной Планка ситуация не стала более ясной. «Мои тщетные попытки, - резюмирует Планк, - как-то ввести квант действия в классическую теорию продолжались в течение ряда лет и стоили мне немалых трудов. Некоторые из моих коллег усматривали в этом своего рода трагедию. Но я был другого мнения об этом, потому что польза, которую я извлекал из этого углубленного анализа, была весьма значительной. Ведь теперь я точно знал, что квант действия играет в физике гораздо большую роль, чем я вначале был склонен считать».

Теория относительности Эйнштейна «оживила» фотоны или кванты. Эта теория показала, что кванты должны иметь не только энергию, но и импульс, и что они являются в полном смысле частицами, только особенными, так как масса покоя их равна нулю, и двигаются они со скоростью света.

НЕЙТРОН

2.1. Открытие нейтрона, методы его регистрации.

Представление о фотоне, электроне и протоне буквально пронизывают весь организм современной физики, они являются достоянием всей физики, а не только физики элементарных частиц. К этим «старым» частицам настолько привыкли, что их даже не считают специфическими объектами элементарных частиц. Но «начало» физики элементарных частиц датируют обычно не 1895 годом, когда был открыт электрон, и не 1901 годом, когда был открыт фотон, а отсчитывают её с 1932 г., когда Чедвик открыл четвертую элементарную частицу – нейтрон. В связи с этим отличием история открытия и доступные на момент открытия методы регистрации этих частиц рассматриваются вместе.

Впервые гипотеза о существовании нейтрона была высказана Резерфордом еще в 1920 г. в Бейкерианской лекции «Ядерное строение атома». Тогда Резерфорд сказал: «Предполагается возможность существования атома с массой 1 и нулевым зарядом ядра. Подобная атомная структура представляется вполне возможной... Такой атом обладал бы весьма своеобразными свойствами. Его внешнее поле было бы практически равно нулю повсюду, за исключением области, прилегающей непосредственно к ядру, благодаря чему он мог бы проходить свободно через вещество. Существование таких атомов. Вероятно, трудно было бы обнаружить с помощью спектроскопа, и их невозможно было сохранять в герметически закрытом сосуде. С другой стороны, они должны легко проникать в недра атома и могут либо соединяться с ядром, либо распадаться под действием интенсивного поля ядра, результатом чего будет, вероятно, испускание H-атома или электрона, или же обоих вместе.»

Резерфорд предполагал, что нейтрон, названный им нейтральным атомом, представляет собой сильно связанное состояние электрона и протона

Предпринятые после этого экспериментальные поиски нейтрона не увенчались успехом. Виной было отличие наблюдения от данного физиками объяснения. В 1932 г. Боте и Беккер наблюдали излучение нейтронов при облучении бериллия α-частицами, но ошибочно отождествили это явление с испусканием γ-лучей. Год спустя Ирэн и Фредерик Жолию-Кюри наблюдали выбивание протонов из веществ под действием нейтронов, но объяснили это явление как результат взаимодействия с высокоэнергичными γ-квантами. Эти два метода и описывают первые способы регистрации нейтрона.

В день появления сообщения об исследования этих эффектов Резерфорд не поверил словам физиков и сразу приступил к работе. Резерфорд имел большой опыт наблюдения эффекта Комптона, и поэтому не смог приписать наблюдения нейтрона к этому эффекту. Дня напряженной работы было достаточно, чтобы не только наблюдать эффекты, свойственные нейтрону, но и измерить его массу.

Открытие нейтрона связано с множеством трудностей и заблуждений, неизбежных при всяком открытии принципиально новых явлений и, особенно при их истолковании. Донейтронная физика знала в мире атомов и молекул только электромагнитные силы и сводила или пыталась свести все, что происходит в этом мире, к электромагнитному взаимодействию. Дело в том, что квантовая механика достигла грандиозных успехов в понимании структуры атомов и молекул, поэтому все фактически базировалось на единственном предположении о том, что силы, действующие между электронами и ядрами, имеют электростатические происхождение и подчиняются закону Кулона.

Успех был настолько велик, что атомное ядро хотели «втиснуть» в электромагнитную картинку мира». Так как единственными частицами с отличными от нуля массами покоя были протон и электрон, их хотели считать структурными частями ядра. То есть, считать, что ядро состоит из электронов и протонов, между которыми действуют электрические силы.

Но гипотеза о протонно-электронной структуре ядра противоречила в своей сущности квантовой механике. В 1926 г. Гейзенберг показал, что электрон не может «в столь малом объеме пространства», которое занимает ядро. Рассмотрим почему.

Пусть R – линейные размеры ядра. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, неопределенность в импульсе ядерного электрона будет порядка ħ/R, где ħ – квантовая постоянная. Умножив эту величину на скорость электрона в ядре, равную по порядку величины скорости света c, мы найдем неопределенность электрона cħ/R. Эта величина должна быть, естественно, меньше, чем энергия связи ядра, приходящаяся на одну ядерную частицу. Энергия составляет 8 МэВ, а неопределенность в энергии электрона при

R=10^-15 м составляет 200 МэВ. Неопределенность в энергии больше энергии связи, значит электрон не может находиться в ядре.

Это не единственное противоречие донейтронной физики, но мы ограничимся лишь названиями других противоречий: «азотная катастрофа» и противоречия в значениях магнитных моментов ядер. Все эти противоречия были устранены после открытия нейтрона. Точнее, после предположения о включении нейтрона в состав ядра. Эта гипотеза была высказана Иваненко и Гейзенбергом спустя несколько месяцев после открытия Чедвика.

Нейтрон, в отличие от протона и электрона, не стабилен. Свободный нейтрон живет около 15 мин и распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Что касается нейтрона в ядре, то из-за его связи в ядре он, как правило, не может распадаться.

СОВРЕМЕННАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ