Краткие исторические сведения.

 Открытие Э. ч. явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спек­тров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, от­крытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радио­активности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.

Исторически первой открытой Э. ч. был электрон — носитель отрица­тельного элементарного электрического заряда в атомах. В 1897 Дж. Дж. Томсон установил, что т. н. катодные лучи образованы потоком мель­чайших частиц, которые были названы электронами. В 1911 Э. Резер­форд, пропуская альфа-частицы от естественного радиоактивного ис­точника через тонкие фольги различных веществ, выяснил, что положи­тельный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях — ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, про­тоны — частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, — нейтрон — была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследова­ниях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. От­крытием нейтрона завершилось выявление частиц — структурных эле­ментов атомов и их ядер.

Вывод о существовании частицы электромагнитного поля — фотона — берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела кванто­ванна, Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905) постулировал, что электро­магнитное излучение (свет) в действительности является потоком от­дельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существо­вания фотона были даны Р. Милликеном (1912— 1915) и А. Комптоном (1922).

  Открытие нейтрино — частицы, почти не взаимодействующей с ве­ществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули (1930), позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устра­нить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 (Ф. Райнес и К Коуэн, США).

   С 30-х и до начала 50-х гг. изучение Э. ч. было тесно связано с ис­следованием космических лучей. В 1932 в составе космических лучей К. Андерсоном был обнаружен позитрон (е⁺) — частица с массой элек­трона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был пер­вой открытой античастицей. Существование е⁺ непосредственно выте­кало из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928—31) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании осмических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) — частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е^-, е⁺.

  В 1947 также в космических лучах группой С. Пауэлла были открыты p⁺ и p^--мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существова­ние подобных частиц было предположено Х. Юкавой в 1935.

   Конец 40-х — начало 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название «стран­ных». Первые частицы этой группы К⁺- и К^--мезоны, L-, S⁺ -, S^- -, X^- -гипе­роны были открыты в космических лучах, последующие открытия стран­ных частиц были сделаны на ускорителях — установках, создающих ин­тенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые Э. ч., кото­рые и становятся предметом изучения.

   С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования Э. ч. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на уско­рителях, составили десятки и сотни млрд. электронвольт (Гэв). Стрем­ление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энер­гии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре при­вело к важному открытию: выяснению возможности изменения характе­ристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отраже­ния — т. н. нарушению пространств. четности (1956). Ввод в строй про­тонных ускорителей с энергиями в миллиарды эв позволил открыть тя­жёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W^- (с мас­сой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабиль­ными Э. ч.) частиц, получивших название «резонансов». Массы боль­шинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D₁ (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основная часть Э. ч.

   В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: элек­тронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов. было обнаружено несохранение т, н. комбинированной чётности (введённой Ли-Цзун дао и Ян Чжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956), озна­чающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени.

      В 1974 были обнаружены массивные (в 3—4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые y-частицы, с временем жизни, не­обычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч. — «очарованных», первые представители кото­рого (D⁰, D⁺, L_с) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжё­лого лептона t). В 1977 были открыты ¡-частицы с массой порядка де­сятка протонных масс.

     Таким образом, за годы, прошедшие после открытия электрона, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц материи. Мир Э. ч. оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях оказались свойства обнаруженных Э. ч. Для их опи­сания, помимо характеристик, заимствованных из классической физики, таких, как электрический заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых специальных характеристик, в част­ности для описания странных Э. ч. — странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман, 1953), «очарованных» Э. ч. — «очарование» (американские физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых ха­рактеристик отражают необычность описываемых ими свойств Э. ч.

Электроны и позитроны

В состав всех окружающих нас веществ входят электроны. Их элек­трический заряд точно известен (например, из экспериментов с масля­ными капельками) и равен e =4,802•10^-10 электростатических единиц. Масса электрона тоже точно известна (например, из экспериментов по отклонению в электрическом и магнитном полях, дающих величину от­ношения электрического заряда к массе) и имеет величину m _e=9,105•10^-28 г. Соответствующее значение энергии покоя m_ec² =0,51079 Мэв. Ана­лиз атомных спектров показывает, что спин электрона s =1/2, а его маг­нитный момент равен одному магнетону Бора. Электроны подчиняются статистике Ферми, так как они обладают полуцелым спином. Это согла­суется с экспериментальными данными о структуре атомов и о поведе­нии электронов в металлах.

Позитроны (положительные электроны) в веществе не могут сущест­вовать, потому что при замедлении они аннигилируют, соединяясь с от­рицательными электронами. В этом процессе, который можно рассмат­ривать как обратный процесс рождения пар, положительный и отрица­тельный электроны исчезают, при этом образуются фотоны, которым передается их энергия. При аннигиляции электрона и позитрона в боль­шинстве случаев образуются два фотона, значительно реже - один фо­тон. Однофотонная аннигиляция может произойти только в том случае, когда электрон сильно связан с ядром; участие ядра в этом случае не­обходимо для сохранения импульса. Двухфотонная аннигиляция, напро­тив, может происходить и со свободным электроном. Часто процесс ан­нигиляции происходит после практически полной остановки позитрона. В этом случае испускаются в противоположных наравлениях два фотона с равными энергиями.

Позитрон был открыт Андерсоном при изучении космических лучей методом камеры Вильсона. На рисунке, который является репродукцией с полученной Андерсоном фотографии в камере Вильсона, видна поло­жительная частица, входящая в свинцовую пластину толщиной 0,6 см с импульсом 6,3•10⁷ эв/с и выходящая из нее с импульсом 2,3•10⁷ эв/с. Можно установить верхний предел для массы этой частицы, допустив, что она теряет энергию только на столкновения. Этот предел составляет 20 m_e. На основании этой и других сходных фотографий Андерсон вы­двинул гипотезу о существовании положительной частицы с массой, примерно равной массе обычного электрона. Это заключение скоро было подтверждено наблюдениями Блэккета и Оккиалини в камере Вильсона. Вскоре после этого Кюри и Жолио открыли, что позитроны образуются при конверсии гамма-лучей радиоактивных источников, а также испускаются искусственными радиоактивными изотопами. Так как фотон, будучи нейтральным образует пару (позитрон и электрон), то из принципа сохранения электрического заряда следует, что по абсолют­ной величине заряд позитрона равен заряду электрона.

Первое количественное определение массы позитрона было проде­лано Тибо, который измерял отношение e/m методом трохоид и пришел к выводу, что массы позитрона и электрона отличаются не больше чем на 15 %. Более поздние эксперименты Шписа и Цана, которые исполь­зовали масс-спектрографическую установку, показали, что массы элек­трона и позитрона совпадают с точностью до 2 %. Еще позже Дюмонд и сотрудники измерили с большой точностью длину волны аннигиляцион­ного излучения. С точностью до ошибок эксперимента (0,2 %) они полу­чили такое значение длины волны, которого следовало ожидать в пред­положении, что позитрон и электрон имеют равные массы.

Закон сохранения момента количества движения в применении к про­цессу рождения пар показывает, что позитроны обладают полуцелым спином и, следовательно, подчиняются статистике Ферми. Разумно предположть, что спин позитрона равен 1/2, как и спин электрона.

Открытие нейтрона.

  Открытие изотопов не прояснило вопрос о строении ядра. К этому времени были известны лишь протоны – ядра водорода и электроны, а потому естественной была попытка объяснить существование изотопов различными комбинациями этих положительно и отрицательно заря­женных частиц. Можно было бы думать, что ядра содержат А протонов, где А – массовое число, и АZ электронов. При этом полный положитель­ный заряд совпадает с атомным номером Z.

   Такая простая картина однородного ядра поначалу не противоре­чила выводу о малых размерах ядра, вытекавшему из опытов Резер­форда. «Естественный радиус» электрона r ₀ = e ²/ mc ² (который получа­ется, если приравнять электростатическую энергию e ²/ r ₀ заряда, распре­деленного по сферической оболочке, собственной энергии электрона mc ²) составляет r ₀ = 2,821^–15 м. Такой электрон достаточно мал, чтобы находиться внутри ядра радиусом 10^–14 м, хотя поместить туда большое число частиц было бы затруднительно. В 1920 Резерфорд и другие уче­ные рассматривали возможность существования устойчивой комбина­ции из протона и электрона, воспроизводящей нейтральную частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Однако из-за отсутствия электрического заряда такие частицы с трудом поддавались бы обнару­жению. Вряд ли они могли бы и выбивать электроны из металлических поверхностей, как электромагнитные волны при фотоэффекте.

Лишь спустя десятилетие, после того как естественная радиоактив­ность была глубоко исследована, а радиоактивное излучение стали ши­роко применять, чтобы вызывать искусственное превращение атомов, было надежно установлено существование новой составной части ядра. В 1930 В.Боте и Г.Беккер из Гисенского университета проводили облу­чение лития и бериллия альфа-частицами и с помощью счетчика Гей­гера регистрировали возникающее при этом проникающее излучение. Поскольку на это излучение не оказывали влияния электрические и маг­нитные поля и оно обладало большой проникающей способностью, ав­торы пришли к выводу, что испускается жесткое гамма-излучение. В 1932 Ф.Жолио и И.Кюри повторили опыты с бериллием, пропуская такое проникающее излучение через парафиновый блок. Они обнаружили, что из парафина выходят протоны с необычно высокой энергией, и заклю­чили, что, проходя через парафин, гамма-излучение в результате рас­сеяния порождает протоны. (В 1923 было установлено, что рентгенов­ские лучи рассеиваются на электронах, давая комптоновский эффект.)

  Дж.Чедвик повторил эксперимент. Он также использовал парафин и с помощью ионизационной камеры (рис. 1), в которой собирался заряд, возникающий при выбивании электронов из атомов, измерял пробег протонов отдачи.

Рис.1

Чедвик использовал также газообразный азот (в камере Вильсона, где вдоль следа заряженной частицы происходит конденсация водяных капелек) для поглощения излучения и измерения пробега атомов отдачи азота. Применив к результатам обоих экспериментов законы сохранения энергии и импульса, он пришел к выводу, что обнаруженное нейтраль­ное излучение – это не гамма-излучение, а поток частиц с массой, близ­кой к массе протона. Чедвик показал также, что известные источники гамма-излучения не выбивают протонов.

Тем самым было подтверждено существование новой частицы, кото­рую теперь называют нейтроном. Расщепление металлического берил­лия происходило следующим образом:

 

Альфа-частицы ⁴₂He (заряд 2, массовое число 4) сталкивались с яд­рами бериллия (заряд 4, массовое число 9), в результате чего возникали углерод и нейтрон.

Открытие нейтрона явилось важным шагом вперед. Наблюдаемые характеристики ядер теперь можно было интерпретировать, рассматри­вая нейтроны и протоны как составные части ядер. На рис. 2 схематиче­ски показана структура нескольких легких ядер.

Рис.2

Нейтрон, как теперь известно, на 0,1% тяжелее протона. Свободные нейтроны (вне ядра) претерпевают радиоактивный распад, превращаясь в протон и электрон. Это напоминает о первоначальной гипотезе со­ставной нейтральной частицы. Однако внутри стабильного ядра ней­троны связаны с протонами и самопроизвольно не распадаются.

 

Открытие мезона

 Открытие мезона, в отличие от открытия позитрона явилось не ре­зультатом единичного наблюдения, а скорее выводом из целой серии экспериментальных и теоретических исследований.

 В 1932 году Росси, используя метод совпадений, предложенный Боте и Кольхерстером, показал, что известную часть наблюдаемого на уровне моря космического излучения составляют частицы, способные прони­кать через свинцовые пластины толщиной до 1 м. Вскоре после этого он также обратил внимание на существование в космических лучах двух различных компонент. Частицы одной компоненты (проникающая компо­нента) способны проходить через большие толщи вещества, причем степень поглощения их различными веществами приблизительно про­порциональна массе этих веществ. Частицы другой компоненты (ливне­образующая компонента) быстро поглощаются, в особенности тяжелыми элементами; при этом образуется большое число вторичных частиц (ливни). Эксперименты по изучению прохождения частиц космических лучей через свинцовые пластины, проведенные с камерой Вильсона Ан­дерсоном и Неддемейером, также показали, что существуют две раз­личные компоненты космических лучей. Эти эксперименты показали, что, в то время как в среднем потеря энергии частиц космических лучей в свинце совпадала по порядку величин с теоретически вычисленной потерей на столкновения, некоторые из этих частиц испытывали гораздо большие потери.

В 1934 году Бете и Гайтлер опубликовали теорию радиационных по­терь электронов и рождения пар фотонами. Свойства менее проникаю­щей компоненты, наблюдавшейся Андерсоном и Неддемейером, нахо­дились в согласии со свойствами электронов, предсказанными теорией Бете и Гайтлера; при этом большие потери объяснялись радиацион­ными процессами. Свойства ливнеобразующего излучения, обнаружен­ного Росси, также могли быть объяснены в предположении, что это из­лучение состоит из электронов и фотонов больших энергий. С другой стороны, признавая справедливость теории Бете и Гайтлера, приходи­лось делать вывод, что "проникающие" частицы в экспериментах Росси и менее поглощающиеся частицы в экспериментах Андерсона и Недде­мейера отличаются от электронов. Пришлось предположить, что прони­кающие частицы тяжелее электронов, так как согласно теории потери энергии на излучение обратно пропорциональны квадрату массы.

В связи с этим обсуждалась возможность краха теории излучения при больших энергиях. В качестве альтернативы Вильямс в 1934 году высказал предположение, что проникающие частицы космических лучей, возможно, обладают массой протона. Одна из трудностей, связанных с этой гипотезой, заключалась в необходимости существования не только положительных, но и отрицательных протонов, потому что экспери­менты с камерой Вильсона показали, что проникающие частицы косми­ческих лучей имеют заряды обоих знаков. Более того, на некоторых фо­тографиях, полученных Андерсоном и Неддемейером в камере Виль­сона, можно было видеть частицы, которые не излучали подобно элек­тронам, но, однако, были не такими тяжелыми, как протоны. Таким обра­зом, к концу 1936 года стало почти очевидным, что в космических лучах имеются, кроме электронов, еще и частицы до тех пор неизвестного типа, предположительно частицы с массой, промежуточной между мас­сой электрона и массой протона. Следует отметить также, что в 1935 году Юкава из чисто теоретических соображений предсказал существо­вание подобных частиц.

Существование частиц с промежуточной массой было непосредст­венно доказано в 1937 году экспериментами Неддемейера и Андерсона и Стрита и Стивенсона.

Эксперименты Неддемейера и Андерсона явились продолжением (с улучшенной методикой) упоминавшихся выше исследований по потерям энергии частиц космических лучей. Они были проведены в камере Виль­сона, помещенной в магнитное поле и разделенной на две половины платиновой пластиной толщиной 1 см. Потери импульса для отдельных частиц космических лучей определялись путем измерения кривизны следа до и после пластины.

Поглощающиеся частицы легко могут быть интерпретированы как электроны. Такая интерпретация подкрепляется тем, что поглощаю­щиеся частицы в отличие от проникающих часто вызывают в платино­вом поглотителе вторичные процессы и по большей части встречаются группами (по две и больше). Именно этого и следовало ожидать, так как многие из электронов, наблюдаемых при такой же геометрии экспери­мента, что у Неддемейера и Андерсона, входят в состав ливней, обра­зующихся в окружающем веществе. Что касается природы проникающих частиц, то здесь многое пояснили два следующих результата, получен­ных Неддемейером и Андерсоном.

1). Несмотря на то, что поглощающиеся частицы относительно чаще встречаются при малых значениях импульсов, а проникающие частицы наоборот (более часты при больших значениях импульсов), имеется ин­тервал импульсов, в котором представлены и поглощающиеся и прони­кающие частицы. Таким образом, различие в поведении этих двух сор­тов частиц не может быть приписано различию в энергиях. Этот резуль­тат исключает возможность считать проникающие частицы электронами, объясняя их поведение несправедливостью теории излучения при больших энергиях.

2). Имеется некоторое число проникающих частиц с импульсами меньше 200 Мэв/с, которые производят не большую ионизацию, чем од­нозарядная частица вблизи минимума кривой ионизации. Это означает, что проникающие частицы космических лучей значительно легче, чем протоны, поскольку протон с импульсом меньше 200 Мэв/с производит удельную ионизацию, примерно в 10 раз превышающую минимальную.

Стрит и Стивенсон попытались непосредственно оценить массу час­тиц космических лучей путем одновременного измерения импульса и удельной ионизации. Они использовали камеру Вильсона, которая управлялась системой счетчиков Гейгера-Мюллера, включенной на ан­тисовпадения. Этим достигался отбор частиц, близких к концу своего пробега. Камера помещалась в магнитное поле напряженностью 3500 гс; камера срабатывала с задержкой около 1 сек, что позволяло произво­дить счет капелек. Среди большого числа фотографий Стрит и Стивенсон нашли одну, представлявшую чрезвычайный интерес.

На этой фотографии виден след частицы с импульсом 29 Мэв/с, ионизация которой примерно в шесть раз превышает минимальную. Эта частица обладает отрицательным зарядом, поскольку она движется вниз. Судя по импульсу и удельной ионизации, ее масса оказывается равной примерно 175 массам электрона; вероятная ошибка, составляющая 25 %, обусловлена неточностью измерения удельной ионизации. Заметим, что электрон, обладающий импульсом 29 Мэв/с, имеет практически минимальную ионизацию. С другой стороны, частицы с таким импульсом и массой протона (либо движущийся вверх обычный протон, либо отрицательный протон, движущийся вниз) обладают удельной ионизацией, которая примерно в 200 раз превышает минимальную; кроме того, пробег такого протона в газе камеры должен быть меньше 1 см. В то же время след, о котором идет речь, ясно виден на протяжении 7 см, после чего он выходит из освещенного объема.

Описанные выше эксперименты безусловно доказали, что проникающие частицы действительно являются более тяжелыми, чем электроны, но более легкими, чем протоны. Кроме того, эксперимент Стрита и Стивенсона дал первую примерную оценку массы этой новой частицы, которую мы можем теперь назвать ее общепринятым именем - мезон.

 

 

Вывод.

  Изучение внутреннего строения материи и свойств Э. ч. с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и представлений. Закономерности, управляющие поведением материи в малом, оказались настолько отличными от закономерностей классической механики и электродинамики, что потребовали для своего описания совершенно новых теоретических построений. Такими новыми фундаментальными построениями в теории явились частная (специальная) и общая теория относительности (А. Эйнштейн, 1905 и 1916; Относительности теория, Тяготение) и квантовая механика (1924—27; Н.Бор, Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Э. Шредингер, М. Борн). Теория относительности и квантовая механика знаменовали собой подлинную революцию в науке о природе и заложили основы для описания явлений микромира. Однако для описания процессов, происходящих с Э. ч., квантовой механики оказалось недостаточно. Понадобился следующий шаг — квантование классических полей (т. н. квантование вторичное) и разработка квантовой теории поля. Важнейшими этапами на пути её развития были: формулировка квантовой электродинамики (П. Дирак, 1929), квантовой теории b-распада (Э. Ферми, 1934), положившей начало современной теории слабых взаимодействий, квантовой мезодинамики (Юкава, 1935). Непосредственной предшественницей последней была т. н. b-теория ядерных сил (И. Е. Тамм, Д. Д. Иваненко, 1934; Сильные взаимодействия). Этот период завершился созданием последовательного вычислительного аппарата квантовой электродинамики (С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швингер; 1944—49), основанного на использовании техники перенормировки (Квантовая теория поля). Эта техника была обобщена впоследствии применительно к другим вариантам квантовой теории поля.

    Квантовая теория поля продолжает развиваться и совершенст­воваться и является основой для описания взаимодействий Э. ч. У этой теории имеется ряд существенных успехов, и всё же она ещё очень далека от завершённости и не может претендовать на роль всеобъемлющей теории Э. ч. Происхождение многих свойств Э. ч. и природа присущих им взаимодействий в значительной мере остаются неясными. Возможно, понадобится ещё не одна перестройка всех представлений и гораздо более глубокое понимание взаимосвязи свойств микрочастиц и геометрических свойств пространства-вре­мени, прежде чем теория Э. ч. будет построена.

1 Мякишев Г.Я. “Элементарные частицы” М.,Просвещение, 1977г.

2 Савельев И.В. “Курс физики”, М, Наука, 1989г.

3 Крейчи “Мир глазами современной физики” М, Мир, 1974

4 Комар А.А. “Элементарные частицы” cтатья

5 Зисман Г.А., Тодес О.М. “ Курс общей физики” Киев, изд. Эделвейс            

1994 г.

6 Федоров Ф. “Цепная реакция идеи” М., изд. Знание, 1975 г.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: