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, порождая фотоны большой энергии. Возможен и обратный процесс: когда фотон сталкивается с ядром, рождается электронно-позитронная 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 — Мюллера — один из важнейших приборов для автоматического счёта частиц. Он применяется в основном для регистрации электронов и \(γ\)-квантов.
- В настоящее время в экспериментах на крупнейших ускорителях широко применяются сцинтилляционные и черенковские счётчики. Метод сцинтилляций состоит в подсчёте крохотных вспышек света при попадании \(α\)-частиц на экран. Этот счётчик успешно регистрирует практически все частицы. Черенковские счётчики 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. \(1\). Камера Вильсона
При резком опускании поршня пар в камере становится перенасыщенным. Быстрая заряженная частица, пролетающая через камеру, оставляет на своём 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 её скорость.
По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины трека оценивается её скорость.
Рис. \(2\). Образование трека — след частицы
Данная камера не позволяет работать с нейтральными частицами, так как они не оставляют в ней следов (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 основано 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. Освобождённые 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 и вызванные 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.
Теория Глэшоу — Вайнберга — Салама (ГВС-теория) — это теория, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие.
Она была сформулирована в \(1967\) году Стивеном Вайнбергом, Шелдоном Глэшоу и Абдусом Саламом с использованием механизма Хиггса для объяснения масс частиц.
На рис. \(3\) представлена структурная схема классификации элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий, лежащая в основе Стандартной модели физики.
На рис. \(3\) представлена структурная схема классификации элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий, лежащая в основе Стандартной модели физики.
Рис. \(3\). Схема теории Глэшоу — Вайнберга — Салама
Схема разделена на две большие области: «Составные частицы» (слева, голубой блок) и «Взаимодействия и теории» (справа, жёлтый блок).
Левая часть — составные частицы: здесь показана иерархия материи от самых мелких строительных блоков к макроструктурам.
Вещество — общий класс, который разбивается на две группы:
- кварки — фундаментальные частицы, из которых состоят адроны;
- лептоны — фундаментальные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии (пример: электроны).
Адроны — составные частицы, состоящие из кварков. Делятся:
- на мезоны (содержат кварк и антикварк);
- барионы (содержат \(3\) кварка).
Нуклоны — подвид барионов (протоны и нейтроны), из которых состоят ядра атомов.
Дальнейшая иерархия: атомы \(→\) молекулы — переход к макромиру.
Правая часть — взаимодействия и теории: эта часть посвящена тому, как частицы взаимодействуют и каким математическим теориям подчиняются эти процессы.
Переносчики взаимодействия — частицы-бозоны, передающие силы между другими частицами:
- фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия;
- \(W±\) и \(Z0\)-бозоны — переносчики слабого взаимодействия;
- глюоны — переносчики сильного взаимодействия;
- гравитоны — гипотетические переносчики гравитации (отмечены знаком вопроса, так как на тот момент не были обнаружены);
- бозон Хиггса — особая частица, отвечающая за механизм приобретения массы другими частицами (не относится напрямую к одному виду взаимодействия, но критически важен для Стандартной модели).
Фундаментальные взаимодействия (снизу вверх):
- электромагнетизм (описывается квантовой электродинамикой);
- слабое взаимодействие;
- сильное взаимодействие (описывается квантовой хромодинамикой).
Теории объединения:
- Электрослабая теория — объединяет электромагнитное и слабое взаимодействия.
- Теория Великого объединения (ТВО) — гипотетическая теория, объединяющая электрослабое и сильное взаимодействия.
- Теория всего — конечная цель, объединение всех четырёх фундаментальных взаимодействий (включая гравитацию).
Ключевые особенности схемы
Знак вопроса (\(?\)) рядом с гравитоном, квантовой гравитацией, ТВО и Теорией всего указывает на то, что эти области остаются нерешёнными проблемами современной физики. Схема наглядно показывает, как частицы (слева) участвуют во взаимодействиях (справа) через обмен переносчиками.
Знак вопроса (\(?\)) рядом с гравитоном, квантовой гравитацией, ТВО и Теорией всего указывает на то, что эти области остаются нерешёнными проблемами современной физики. Схема наглядно показывает, как частицы (слева) участвуют во взаимодействиях (справа) через обмен переносчиками.
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 — управляются 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.