Теория:
В опытах Резерфорда было доказано, что атомы состоят из электронов (\(e^{-}\)), нейтронов(\(_0^{1}n\)) и протонов (\(_1^1p\)). Ещё раньше стало известно о фотоне (\(\gamma\)). При изучении бета-распада была обнаружена ещё одна частица — нейтрино (\(_0^{0}{\nu}\)).
В \(1928\) году Полем Дираком было сделано предположение о существовании античастиц (частиц с такой же массой, но противоположным зарядом и другими характеристиками взаимодействия, которые различаются знаком).
Все элементарные частицы превращаются друг в друга и эти взаимные превращения — главный факт их существования.
Существование двойника электрона — позитрона — было предсказано теоретически П. Дираком в \(1931\) году. Спустя год позитрон был обнаружен с помощью камеры Вильсона, помещённой в магнитное поле. При встрече позитрона с электроном обе частицы исчезают, породив фотоны большой энергии. Возможен и обратный процесс: когда фотон сталкивается с ядром, рождается электронно-позитивная пара.
Существование двойника электрона — позитрона — было предсказано теоретически П. Дираком в \(1931\) году. Спустя год позитрон был обнаружен с помощью камеры Вильсона, помещённой в магнитное поле. При встрече позитрона с электроном обе частицы исчезают, породив фотоны большой энергии. Возможен и обратный процесс: когда фотон сталкивается с ядром, рождается электронно-позитивная пара.
Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц
Методы регистрации частиц весьма разнообразны, в зависимости от целей эксперимента и условий, применяются различные регистрирующие устройства.
- Счётчик Гейгера — один из важнейших приборов для автоматического счета частиц. Он применяется в основном для регистрации электронов и \(γ\)-квантов.
- В настоящее время в экспериментах на крупнейших ускорителях широко применяется сцинтилляционные и черенковские счётчики. Метод сцинтилляций состоит в подсчете крохотных вспышек света при попадании \(∝\)-частиц на экран. Этот счетчик успешно регистрирует практически все частицы. Черенковские счетчики пригодны только для регистрации частиц, движущихся с релятивистскими скоростями.
Счётчики позволяют лишь регистрировать факт прохождения частицы, а наиболее наглядную картину можно получить с помощью камеры Вильсона и пузырьковой камеры.
Камера Вильсона — это прибор для наблюдения путей быстрых заряженных частиц (треков).
Камера состоит из источника заряженных частиц (\(1\)), поршня (\(2\)), электродов для создания электрического поля (\(3\) и \(4\)), лампы бокового освещения (\(5\)) ( рис. \(1\)).
Рис. \(1\)
При резком опускании поршня, пар в камере становится перенасыщенным. Быстрая заряженная частица, пролетающая через камеру, оставляет на своем пути цепочку ионов, на которых оседают капельки конденсата, получается туманный след частицы (рис. \(2\)) — трек (на рис. \(1\) под цифрой \(6\)). След можно сфотографировать.
По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека оценивается ее скорость.
По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека оценивается ее скорость.
Рис. \(2\)
Данная камера не позволяет работать с нейтральными частицами, так как они не оставляют следов в камере (не вызывают ионизацию атомов вследствие отсутствия у них заряда). Однако эти частицы можно зафиксировать с помощью пузырьковой камеры (\(1952\) г.), в основе которой лежит перегретая жидкость. В \(1957\) году была изобретена искровая камера, действие которой основан на применении электрического пробоя.
До сих пор для регистрации частиц применяется метод толстослойных фотоэмульсий, основанный на их ионизирующем воздействии на микрокристаллы галогенида серебра (обычно бромида серебра, \(AgBr\)) в фотоэмульсии. Заряженная частица, пролетая через фотоэмульсию, ионизирует атомы брома в микрокристаллах \(AgBr\), отрывая электроны. Освобожденные электроны перемещаются к так называемым «центрам чувствительности» в кристалле — дефектам структуры или примесям. Там они создают отрицательно заряженные центры. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении микрокристаллы, затронутые частицей, восстанавливаются до металлического серебра. В результате чего образуется видимый трек — цепочка мелких зёрен серебра вдоль траектории движения частицы. По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Этот метод особенно ценен для изучения редких и высокоэнергетических процессов.
Фундаментальные взаимодействия
Под фундаментальными взаимодействиями понимаются принципиально различные по своей природе силы, действующие между частицами вещества, которые вызваны обменом между частицами-переносчиками взаимодействия.
Критерий классификации — это силы взаимодействия. В настоящее время известно четыре фундаментальных взаимодействия: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое и, соответственно, четыре типа частиц-переносчиков взаимодействий.
В \(1967\) году Глэшоу, Вайнбергом и Саламом было выдвинуто предположение, что природа электромагнитного и слабого взаимодействия одинакова (электрослабая теория). Были предсказаны четыре бозона с единичным спином. Бозоны \(W^+\), \(W^-\) и \(Z^0\) «реализуют» слабое взаимодействие, в то время как один бозон — \(\gamma\)-квант — «реализует» электромагнитное взаимодействие (рис. \(3\)).
В сильном взаимодействии участвуют адроны. Характерное расстояние его проявления — \(10^{-15}\) м. Носителями этого взаимодействия являются мезоны и глюоны (безмассовые бозоны). Кварки участвуют во всех типах взаимодействий.
Открытия новых частиц продолжаются до сих пор. Так, в \(2016\) году были экспериментально обнаружены гравитационные волны, что является подтверждением существования гравитонов — частиц-носителей гравитационного взаимодействия.
Еще в \(1960\)-х годах Хиггсом было предсказано существование частицы — бозона Хиггса — кванта поля Хиггса. Именно из-за взаимодействия с полем Хиггса элементарные частицы могут приобретать массу. Экспериментально бозон Хиггса был обнаружен только в \(2012\) году.
В \(1967\) году Глэшоу, Вайнбергом и Саламом было выдвинуто предположение, что природа электромагнитного и слабого взаимодействия одинакова (электрослабая теория). Были предсказаны четыре бозона с единичным спином. Бозоны \(W^+\), \(W^-\) и \(Z^0\) «реализуют» слабое взаимодействие, в то время как один бозон — \(\gamma\)-квант — «реализует» электромагнитное взаимодействие (рис. \(3\)).
В сильном взаимодействии участвуют адроны. Характерное расстояние его проявления — \(10^{-15}\) м. Носителями этого взаимодействия являются мезоны и глюоны (безмассовые бозоны). Кварки участвуют во всех типах взаимодействий.
Открытия новых частиц продолжаются до сих пор. Так, в \(2016\) году были экспериментально обнаружены гравитационные волны, что является подтверждением существования гравитонов — частиц-носителей гравитационного взаимодействия.
Еще в \(1960\)-х годах Хиггсом было предсказано существование частицы — бозона Хиггса — кванта поля Хиггса. Именно из-за взаимодействия с полем Хиггса элементарные частицы могут приобретать массу. Экспериментально бозон Хиггса был обнаружен только в \(2012\) году.
Рис. \(3\). Схема теории Вайнберга — Салама — Глэшоу
Единство физической картины мира
Единство физической картины мира — это концепция, утверждающая, что все явления природы подчиняются общим фундаментальным законам, а различные силы и взаимодействия связаны между собой и могут быть описаны единой теоретической схемой.
Идея единства заключается в том, что:
- множество наблюдаемых явлений — от движения планет до поведения атомов — управляется небольшим набором универсальных законов;
- разные виды взаимодействий (гравитационное, электромагнитное и др.) могут быть проявлениями более глубоких, единых механизмов;
- материя и энергия имеют общую природу и взаимно превращаются (согласно формуле \(E=mc^{2}\))
- микромир (квантовая физика) и макромир (классическая физика) описываются взаимосвязанными теориями.