11 Вопрос

На микроскопическом уровне физика сегодня занимается изучением процессов, разыгрывающихся на длинах порядка 10 в минус восемнадцатой степени см., за время - порядка 10 в минус двадцать второй степени с. В мегамиреученые с помощью приборов фиксируют объекты, удаленные от нас на расстоянии около 9-12 млрд. световых лет.

Микромир. Демокритом в античности была выдвинута Атомистическая гипотеза строения материи, позже, в XVIII в. была возрождена химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря трудам Дж. Дальтона стали изучаться физико- химические свойства атома. В XIX в. Д. И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии. Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем было открыто явление радиоактивности, которое заключалось в самопроизвольном превращении атомов одних элементов в атомы других элементов.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Томсоном электрона - отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы.

Существовало несколько моделей строения атома.

В 1902 г. английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) предложил первую модель атома — положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг».

В 1911 г. Э. Резерфорд предложил модель атома, которая напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.

Ядро имеет положительный заряд, а электроны - отрицательный. Вместо сил тяготения, действующих в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов — атом электрически нейтрален.

Обе эти модели оказались противоречивы.

В 1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров.

Модель атома Н. Бора базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая; 2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

В конечном итоге точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует.

Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений.

Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь частично. Ответы на эти вопросы были получены в результате развития квантовой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.

Виды взаимодействия элементарных частиц

Различные процессы с элементарными частицами заметно различаются по интенсивности их протекания. В соответствии с этим взаимодействия элементарных частиц можно разделить на четыре класса: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие вызывает процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью, оно приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно сильное взаимодействие обуславливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает устойчивость ядер. Потому сильное взаимодействие называют также ядерным.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется через электрическое поле. Очевидно, что это взаимодействие возможно только между электрически заряженными телами. Электромагнитное взаимодействие заметно слабее сильного (ядерного). Именно это взаимодействие обуславливает связь электронов с ядром в атоме и атомов в молекуле.

Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Примером процесса, обусловленного слабым взаимодействием, является бета-распад, а примером элементарной частицы, способной только к слабому взаимодействию, может служить нейтрино. Именно крайне малой интенсивностью слабого взаимодействия объясняется тот факт, что нейтрино свободно пронизывают толщу Земли и Солнца, не испытывая при этом поглощения.

Гравитационное взаимодействие является универсальным, оно наблюдается между любыми материальными телами, но в микромире оно не играет существенной роли. По сравнению с остальными тремя взаимодействиями оно пренебрежимо мало.

Интенсивность различных взаимодействий по сравнению с сильным распределяется следующим образом:

сильное ~ 1

электромагнитное ~ 10^-2 … 10^-3

слабое ~ 10^-10 … 10^-14

гравитационное ~ 10^-38 … 10^-40

По способности к тому или иному виду взаимодействия все элементарные частицы делятся на два класса: адроны и лептоны. Адроны способны ко всем четырем взаимодействиям, лептоны не испытывают сильного взаимодействия.

Кроме способности к различным взаимодействиям, элементарные частицы имеют другие характеристики, прежде всего массу, время жизни, спин, электрический заряд.По массе все частицы делятся на тяжелые – адроны, средние – мезоны, легкие – лептоны. По времени жизни частицы делятся на стабильные (время жизни t ®  ¥ ), квазистабильные (t> 10^-20 с) и нестабильные (t = 10^-23 …10^-24 с). Например, время жизни протона t> 10³⁰ лет, электрона - t> 10²¹ лет, нейтрона ~ 1000 с.

Спин может быть целым или полуцелым кратным величине . Например, спинp - мезона равен 0, протона, нейтрона, электрона - ½, фотона – 1.

Электрический заряд является целым кратным величине е= 1,6^.10^-19 Кл (элементарный электрический заряд).

Помимо указанных величин, элементарные частицы характеризуются еще рядом квантовых чисел. Все лептоны имеют лептонный зарядL, равный +1 для лептонов, -1 для антилептонов и 0 для всех остальных частиц. Все барионы имеют барионный зарядB, равный +1 для барионов, -1 для антибарионов и 0 для всех остальных частиц. У фотонаB= 0 и L= 0.

Кроме барионного и лептонного зарядов элементарные частицы могут иметь еще три квантовых числа: “странность” S, “очарование” c и “красоту”b. Для обычных частиц S = 0, c= 0, b= 0, для “очарованных” частиц c¹0, для “красивых” частиц b¹0.

Квантовые числа элементарных частиц разделяются на точные, которые связаны с физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах, и неточные, для которых соответствующие физические величины в некоторых процессах не сохраняются. Точными квантовыми числами являются: электрический заряд q, лептонный заряд L и барионный заряд B, спин. СтранностьS, очарование c и красота b – неточные квантовые числа, они сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняются в слабом взаимодействии.

Классификация самых распространенных элементарных частиц приведена в таблице 1.

Таблица 1

Элементарные частицы

Частица	Античастица	Обозначения	Электрический заряд, Кл	Масса, МэВ	Время   жизни, с	Спин, ћ
Фотон		g	0	0	¥	1
лептоны
Электрон	Позитрон	e^-,e^+	± 1,6^.10^-19	0,511	¥	½
Нейтрино (электронное)	Антинейтрино		0	0	¥	½
адроны
мезоны
p - мезоны (пионы)		p ^+,p ^-,  p ^0	± 1,6^.10^-19 0	139,6 135,0	2,5^.10^-8 2^.10^-16	0
Барионы
протон	антипротон		± 1,6^.10^-19	938,26	®  ¥	½
нейтрон	антинейтрон		0	939,55	1^.10^3	½

Суть кварковой модели

Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы — барионы, а более легкие пары кварк - антикварк образуют мезоны.

Чтобы учесть все известные тогда адроны, Гелл-Манн и Цвейг ввели три различных типа кварков, получивших довольно причудливые названия: u (от up — верхний), d (от "down" — нижний) и s (от "strange" — странный), а сами эти типы стали называть "ароматом". Современные исследования увеличили число кварков до шести: up-, down-, strange-, charm-, bottom-, top-кварки (расположены в порядке увеличения их массы). Допуская возможность различных комбинаций ароматов, можно объяснить существование большого числа адронов. Например, протон состоит из двух и- и одного d-кварков, а нейтрон — из двух d-кварков и одного u-кварка