2.1.3.Краткая характеристика элементарных частиц

Согласно современным научным физическим взглядам, глубинные структуры

материального мира представлены элементарными частицами. За исключением электрона,

исследования которого начались еще в прошлом веке, все остальные частицы были

обнаружены в XX столетии. Их свойства оказались весьма необычными, резко

отличающимися от свойств макротел, с которыми мы сталкиваемся в повседневном опыте. 31

Все элементарные частицы обладают одновременно и корпускулярными, и

волновыми свойствами, а закономерности их движения, изучаемые квантовой физикой,

отличаются от закономерностей движения макротел, описанных в классической физике.

Это происходит потому, что на микроуровне поля не являются абсолютно

континуальными (непрерывными), т.к. они представляются состоящими из квантов, которые

можно рассматривать в качестве частиц, обладающих одновременно и корпускулярными, и

волновыми характеристиками. Т.о., частицы вещества неотделимы от создаваемых ими

полей, а каждое из полей вносит свой «вклад» в структуру частиц, обусловливая их свойства.

В пограничных областях существует непрерывный переход полей и частиц

вещества. Т.е., если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее

пространство будет выражать протяженность этих полей и частиц.

Первая элементарная частица (электрон) была открыта на рубеже XIX — XX

столетий. В настоящее время их насчитывается более 350 разновидностей.

Все элементарные частицы в зависимости от времени жизни подразделяются на три

группы:

1.Стабильные или устойчивые. К ним относятся частицы, которые существуют

сравнительно долго. Это электрон, протон, фотон, нейтрино. Так, время жизни электрона

больше 5 .10

21

лет, протона 2 .10

30

лет.

2.Квазистабильные или малоустойчивые. К ним относится нейтрон, время жизни

которого составляет около 1000 сек.

3.Резонансные или крайне неустойчивые. К ним относятся каоны и лямбда-

гипероны, а также целая группа (семейство) «очарованных» и гравитоны.

У всех элементарных частиц есть античастицы, отличающиеся противоположными

знаками электрического заряда и магнитного момента. Для электрона — это позитрон, для

протона — антипротон и т.д.

О существовании таких частиц впервые объявил английский физик П. Дирак. Он

создал теорию, из которой следовало, что в природе должна существовать частица с массой,

равной массе электрона, но заряженная положительно. Такая частица (позитрон) и была

обнаружена первой экспериментально в 1932 г. К. Андерсоном.

Свойства античастиц аналогичны свойствам обычных частиц. Из античастиц могут

образовываться устойчивые атомные ядра, атомы, молекулы и антивещество. Его иногда

неправильно называют антиматерией, в то время как в действительности антивещество

представляет собой особую форму материи как объективной реальности. Пока антивещество

не обнаружено даже в космосе, поэтому существование «антимира» (т.е. галактик из

антивещества) остается проблематичным.

Доказано, что все элементарные частицы участвуют в 4-х типах взаимодействий:

сильном, слабом, электромагнитном и гравитационном (подробнее об этом см. в теме 2.3.).

По типам взаимодействий все элементарные частицы классифицируются на 3

группы:

1.Адроны (от греч. — большой, сильный). Это тяжелые частицы. Они участвуют во

всех типах взаимодействий, но характеризуются особенно сильным взаимодействием. Мир

адронов включает более 300 частиц, большинство их нестабильно.

2.Лептоны (от греч. — мелкий, легкий). Это легкие частицы. Они участвуют в

слабых, электромагнитных, гравитационных взаимодействиях, но никогда не участвуют в

сильных. Известно 12 лептонов: электрон, позитрон, мюон, 3 типа нейтрино и еще 6

антицастиц.

3.Фотоны (частицы с нулевой массой покоя). Они участвуют только в

электромагнитном взаимодействии, поэтому не могут быть отнесены ни к первой, ни ко

второй группам. С 70-х гг. XX в. развивается представление, что фотоны входят в одну

группу с очень массивными частицами. Эти частицы называются промежуточными32

векторными бозонами. Они ответственны на слабое взаимодействие и пока на опыте не

наблюдаемы.

Элементарным частицам присущи следующие общие свойства:

1.Тождественность (неразличимость) частиц данного типа, например, электронов,

протонов и др.

2.Способность существовать в свободном состоянии достаточно большой промежуток

времени (больше характерного ядерного времени 10 -

23

сек.). Но частицы могут быть и

весьма устойчивы, и существовать неопределенно долго.

3.Обладание некоторыми физическими характеристиками (массой покоя, спином),

сохраняющимися при взаимодействиях частиц.

4.Способность элементарных частиц превращаться в другие элементарные частицы.

5.Элементарность не исключает сложного внутреннего строения частицы, о чем в

настоящее время известно довольно мало. Так, до сих пор ученые не могут объяснить

размеров электрона и его устойчивости. Эксперименты последних лет дают определенное

указание на сложность структуры протона и нейтрона.

5