История открытия основных элементарных частиц

План:

1.   Введение_______________________________________________стр 2.

2.   Развитие идеи о планетарной модели атома__________________стр.3

3.   Краткие исторические сведения_____________________________стр.5

4.   Электроны и позитроны____________________________________стр.8

5.   Открытие нейтрона________________________________________стр.10

6.   Окрытие мезона__________________________________________стр.12

7.   Вывод__________________________________________________стр.15

8.   Спиок использованной литературы__________________________стр.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 приведённого 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 лишённым 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.

Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строе­нии атома.

Один из первых экспериментальных фактов, свидетельствующих о сложности атомов, о существовании у них внутренней структуры элек­трической природы, был установлен Фарадеем. На основании опытов по электролизу различных солей и других соединений можно было с уве­ренностью утверждать, что электрические заряды имеются в атомах всех элементов. Однако надо было выяснить, что представляет  собой электричество, является ли оно непрерывной субстанцией или в при­роде существуют неделимые «атомы электричества».

Так как при электролизе одинаковое количество атомов любого одновалентного элемента всегда переносит одно и то же количество электричества, можно было предположить, что в природе существует «атом количества электричества», одинаковый в атомах всех элемен­тов.

Этот заряд получил название элементарного заряда. В 1891 году ирландский физик Дж. Стоней предложил для него название электрон Решающие эксперименты, доказавшие реальность существования элек­тронов, были выполнены английским физиком Дж. Томсоном в 1899 году. Модель атома по Томсону представляла собой положительно за­ряженную жидкость, в которой плавают отрицательные электроны. На протяжении 12 лет эта модель представлялась весьма правдоподобной. Но в 1911 году из опытов Резерфорда, сыгравшего большую роль в по­нимании строения атома, непосредственно вытекает  п л а н е т а р н а я  модель атома. Основные положения теории атома сформулировал Нильс Бор.

Этот величайший переворот  в физике произошел на рубеже ХХ века.

Именно в это время великие принципы классической физики обна­ружили свою несостоятельность перед лицом новых фактов. Физики пе­решли границы новой неведомой области, имя которой - микромир.

Удар по представлениям, ставшим привычными, оказался тем бо­лее чувствительным, что в конце ХIХ века даже выдающиеся   физики были убеждены в том, что основные законы природы раскрыты, и оста­ется использовать их для объяснения различных явлений и процессов.

Ведь до этого фундаментальные принципы классической механики Ньютона, электродинамики Максвелла и др. разделов физики получали все новые и новые подтверждения своей справедливости.

Никому не приходило в голову, что с уменьшением, к примеру, массы тел или увеличением их скорости законы Ньютона, давно счи­тавшиеся чуть ли не самоочевидными, могут оказаться несостоятель­ными.

И вот выяснилось, что атомы подвержены разрушению. Странные свойства обнаружил электрон. Его масса выростала со скоростью. Ос­новная характеристика тела - масса, считавшаяся со времен Ньютона неизменной, оказалась зависящей от скорости. А ведь массу было при­нято рассматривать как меру количества вещества, содержащегося в теле.

Но эти трудности оказались трамплином для новых теорий  ХХ века - теории относительности и квантовой механики.

       Классическая физика оказалась частным, или, точнее, предельным случаем теории относительности при скоростях, значительно меньших скорости света.

        Термин «Э. ч.» часто употребляется в современной физике не в своём точном значении, а менее строго — для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет про­стейшее ядро атома водорода — протон). Как показали исследования, эта группа частиц необычайно обширна. К ней относятся: протон (р), нейтрон (n) и электрон (e^-) , фотон (g), пи-мезоны (p), мюоны (m), ней­трино трёх типов (электронное v_e, мюонное v_m и связанное с т. н. тяжё­лым лептоном v_t), т. н. странные частицы (К-мезоны и гипероны), разно­образные резонансы, открытые в 1974—77 y-частицы, «очарованные» частицы, ипсилон-частицы (¡) и тяжёлые лептоны (t⁺, t^—) — всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Число частиц, включаемых в эту группу, продолжает расти и, скорее всего, неограниченно велико; при этом большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, поскольку, по современным представле­ниям, они являются составными системами (см. ниже). Использование названия «Э. ч.» ко всем этим частицам имеет исторические причины и связано с тем периодом исследований (начало 30-х гг. 20 в.), когда единственно известными представителями данной группы были протон, нейтрон, электрон и частица электромагнитного поля — фотон. Эти че­тыре частицы тогда естественно было считать элементарными, т. к. они служили основой для построения окружающего нас вещества и взаимо­действующего с ним электромагнитного поля, а сложная структура про­тона и нейтрона не была известна.

       Открытие новых микроскопических частиц материи постепенно раз­рушило эту простую картину. Вновь обнаруженные частицы, однако, во многих отношениях были близки к первым четырём известным части­цам. Объединяющее их свойство заключается в том, что все они явля­ются специфическими формами существования материи, не ассоцииро­ванной в ядра и атомы (иногда по этой причине их называют «субъядер­ными частицами»). Пока количество таких частиц было не очень велико, сохранялось убеждение, что они играют фундаментальную роль в строении материи, и их относили к категории Э. ч. Нарастание числа субъядерных частиц, выявление у многих из них сложного строения по­казало, что они, как правило, не обладают свойствами элементарности, но традиционное название «Э. ч.» за ними сохранилось

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 r₀ = e²/mc² (который получа­ется, если приравнять электростатическую энергию e²/r₀ заряда, распре­деленного по сферической оболочке, собственной энергии электрона mc²) составляет r₀ = 2,8210^–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.