История открытия основных элементарных частиц

План 1. Введениестр 2. Развитие идеи о планетарной модели атомастр.3. Краткие исторические сведениястр.4. Электроны и позитроныстр.5. Открытие нейтронастр.6. Окрытие мезонастр.7. Выводстр.8. Спиок использованной литературыстр.16 Введение. Элементарные частицы в точном значении этого термина первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.

В понятии Э. ч. в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии. Понятие Э. ч. сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19 20 вв. мельчайших носителей свойств вещества молекул и атомов и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих атомов.

Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц протонов и нейтронов, существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями Э. ч. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может.

Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведнного определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся Э. ч как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна.

Может оказаться также, что утверждение состоит из на какой-то ступени изучения материи окажется лишнным содержания. От данного выше определения элементарности в этом случае придется отказаться. Существование Э. ч. это своего рода постулат, и проверка его справедливости одна из важнейших задач физики.

Развитие идеи о планетарной модели атома

за ними сохранилось . они служили основой для построения окружающего нас вещества и взаимоде... Термин Э. ч. Нарастание числа субъядерных частиц, выявление у многих из них сложног...

Краткие исторические сведения

Открытие Э. ч. нарушению пространств. четности 1956. В 1964 был открыт самый тяжлый гиперон W- с массой около двух масс про...

Электроны и позитроны

Анализ атомных спектров показывает, что спин электрона s 12, а его маг... Это согласуется с экспериментальными данными о структуре атомов и о по... Двухфотонная аннигиляция, напротив, может происходить и со свободным э... Часто процесс аннигиляции происходит после практически полной остановк... На рисунке, который является репродукцией с полученной Андерсоном фото...

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 em 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 12, 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 АZ 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 r0 e2mc2 который получается, если приравнять электростатическую энергию e2r0 заряда, распределенного по сферической оболочке, собственной энергии электрона mc2 составляет r0 2,8210 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 Мэвс, 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 Мэвс 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 Мэвс, 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 Мэвс, 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 е 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 вс же она ещ очень далека от завершнности 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 ещ 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.