Elementar zarralar kvant fizikasi qonunlariga bo'ysunadi

Zarrachalar elementar deyiladi, ularga (fizikaning rivojlanishining ushbu bosqichida) hech qanday ichki tuzilishni kiritish mumkin emas.
Atomni tashkil etuvchi asosiy zarralar - elektronlar, protonlar va neytronlar dastlab o'zgarishlarga va har qanday o'zgarishlarga qodir emas deb hisoblangan. Shuning uchun ular elementar deb ataladi. Biroq, keyinchalik "elementar zarracha" atamasi ancha shartli ekanligi ko'rsatildi. Masalan, erkin neytronning umri taxminan 15 minutni tashkil qiladi va keyin u proton, elektron va antineytrinoga parchalanadi: Hozirda topilgan barcha elementar zarralardan faqat foton, elektron, proton va neytrino, agar ularning har biri atrofdagi fazoda yolg'iz bo'lsa, o'z o'zgarmasligini saqlab qoladi.
Elementar zarralar kvant fizikasi qonunlariga bo'ysunadi.
Elementar zarrachalarning zamonaviy tasnifi ularning asosiy xossalari: massasi, elektr zaryadi, spini va umri, shuningdek, lepton va barion zaryadlariga asoslanadi. 23.1-jadvalda umri 10 -20 s dan ortiq bo'lgan elementar zarrachalarning xossalari haqida ba'zi ma'lumotlar keltirilgan. Jadvaldagi zarralar massasining ortib borish tartibida joylashtirilgan.
Elementar zarralar jadvali barcha qisqa muddatli rezonans zarralarini, xususan, "maftunkor" zarralarni o'z ichiga olmaydi. Shuningdek, zaif o'zaro ta'sirlarning tashuvchilari - vektor bozonlari ham kiritilmagan. Natijada 39 ta zarracha hosil bo'ladi. Jadval foton bilan ochiladi. Foton yolg'iz qolib, birinchi guruhni tashkil qiladi. Fotonlar elektromagnit maydonning kvantlari (yorug'lik, -nurlanish va boshqalar), mos keladigan antizarralarga ega emas, ya'ni. o'zlarining antizarralaridir.
Keyingi guruhni engil zarralar - leptonlar hosil qiladi. U o'n ikkita zarrani (shu jumladan antizarralarni) o'z ichiga oladi. Bular elektron, muon (1937 yilda kosmik nurlarda kashf etilgan - bu elektronning og'ir analogi bo'lib, massasi elektronning massasidan taxminan 200 baravar ko'p) va -lepton (taon taxminan 3500 marta massaga ega) massa elektron). Bu uch zarrachaning har biri oʻz neytrinosiga ega boʻlib, har xil oʻzgarishlarda oʻzining zaryadlangan zarrachasiga hamroh boʻladi: elektron neytrino elektronlar bilan birga, myuon neytrinosi muonlar bilan birga, lepton esa -leptonlar bilan birga tugʻiladi. -lepton juda katta massaga ega bo'lsa-da, boshqa barcha xossalari bo'yicha ularga yaqin bo'lgani uchun u leptonlar guruhiga kiradi. Uni boshqa leptonlar bilan bog'laydigan asosiy xususiyat shundaki, bu zarra boshqa leptonlar kabi kuchli o'zaro ta'sirlarda qatnashmaydi. Keyin mezonlar keladi. Bu guruh sakkizta zarrachadan iborat. Ulardan eng engillari mezonlar: ijobiy, salbiy va neytral. Ularning massalari 264,1 va 273,1 elektron massalari. Fotonlar elektromagnit maydonning kvantlari bo'lgani kabi, pionlar yadro maydonining kvantlaridir. Bundan tashqari, to'rtta - mezon va bitta - mezon mavjud.
Oxirgi guruh - barionlar - eng keng tarqalgan. U 39 ta zarradan 18 tasini o'z ichiga oladi. Barionlarning eng yengili nuklonlar - proton va neytronlardir. Ulardan keyin giperonlar deb ataladiganlar keladi. Butun jadval 1964 yilda kashf etilgan (omega-minus) zarra bilan yopilgan. Uning massasi elektron massasidan 3273 marta katta.
Mezonlar va barionlar adronlar sinfi - kuchli o'zaro ta'sirlarda ishtirok etadigan zarralar. Adronlar umr bo'yi c bo'lgan "barqaror" zarrachalarga va umr bo'yi c rezonanslarga bo'linadi, ya'ni. kuchli o'zaro ta'sir qilish vaqtiga to'g'ri keladi. Tug'ilgan paytdan boshlab parchalanish paytigacha bo'lgan yo'l uzunligi taxminan 10 -15 m ni tashkil qiladi va bu zarralar detektorlarda hech qanday iz qoldirmaydi. Ular energiya funktsiyasi sifatida tarqalish deb ataladigan tasavvurlar uchastkalarida cho'qqilar sifatida namoyon bo'ladi. Rezonanslar kuchli o'zaro ta'sir tufayli, barqaror zarralar - elektromagnit va zaif o'zaro ta'sirlar tufayli parchalanadi.
Elementar zarrachalarning guruhlarga bo'linishi faqat massalar farqi bilan emas, balki boshqa muhim xususiyatlar, masalan, spin bilan ham belgilanadi. Leptonlar va barionlarning spini mezon spinlari 0 ga, foton spini esa 1 ga teng.
Elementar zarralar o'rtasidagi o'zaro ta'sirning to'rt turi mavjud - tortishish, elektromagnit, kuchli va kuchsiz.
Kuchli o'zaro ta'sir piondan boshlangan og'ir zarralarga xosdir. Uning eng mashhur namoyon bo'lishi - atom yadrolarining mavjudligini ta'minlaydigan yadro kuchlari. Elektromagnit o'zaro ta'sirda faqat elektr zaryadlangan zarralar va fotonlar bevosita ishtirok etadi. Uning eng mashhur namoyon bo'lishi atomlarning mavjudligini aniqlaydigan Kulon kuchlaridir. Moddaning makroskopik xususiyatlarining katta qismi uchun javob beradigan elektromagnit o'zaro ta'sir. Shuningdek, u elektron-pozitron juftligini va boshqa ko'plab mikroskopik jarayonlarni yo'q qilishga olib keladi. Zaif o'zaro ta'sir fotonlardan tashqari barcha zarralarga xosdir. Uning eng mashhur ko'rinishi neytron va bir qator atom yadrolarining parchalanishidir.
Gravitatsion o'zaro ta'sir olamning barcha jismlariga xos bo'lib, o'zini universal tortishish kuchlari shaklida namoyon qiladi. Bu kuchlar yulduzlar, sayyoralar tizimlari va boshqalarning mavjudligini ta'minlaydi. Gravitatsion o'zaro ta'sir juda zaif va oddiy energiyalarda elementar zarralar dunyosida muhim rol o'ynamaydi. . Elementar zarralar dunyosida tortishish kuchi 10-35 m gacha bo'lgan ultra kichik masofalarga to'g'ri keladigan 10 22 MeV darajadagi ulkan energiyalarda sezilarli bo'ladi.
Hozirgi vaqtda juda ko'p elementar zarralar mavjud (350 dan ortiq). Shuning uchun savol tug'iladi: bu zarrachalarning tuzilishida umumiy narsa bormi? Ularni elementar deb hisoblash mumkinmi? 1963 yilda M. Gell-Mann va J. Tsvayg tabiatda kvarklar deb ataladigan bir nechta zarrachalarning mavjudligi haqidagi farazni ilgari surdilar. Ushbu gipotezaga ko'ra, barcha mezonlar, barionlar va rezonanslar - ya'ni. adronlar kvark va antikvarklardan iborat bo'lib, ularning birikmalari har xil. Dastlab, uchta kvark (va shunga mos ravishda uchta antikvark) mavjudligi haqidagi gipoteza kiritildi. Kvarklar u, d, s harflari bilan belgilanadi. Ularning fraksiyonel elektr zaryadlari bo'lishi kerak. Ulardan birinchisi - u - kvark - zaryadga ega - e va d- va s-kvarklar bir xil zaryadga ega, bu erda e elektron zaryad moduli. To'rtinchi kvark, c-kvarkning mavjudligi bashorat qilingan va "maftunkor" kvark deb nomlangan. Keyin bu kvarkni o'z ichiga olgan zarralar eksperimental ravishda topildi. c-kvarkning massasi s-kvarkning massasidan oshadi. Keyinchalik, undan ham og'irroq b- va t-kvarklar bashorat qilingan va keyin kashf etilgan.
Kvarklar leptonlar bilan birga haqiqiy elementar zarralar hisoblanadi. Kvarklar hali erkin holatda topilmagan va endi zarralarni kvarklarga ajratish mumkin emasligi haqida takliflar ilgari surilgan. Bu farazlar kvarklar orasidagi oʻzaro taʼsir kuchlari masofaga qarab kamaymaydi, shuning uchun zarrachalardan kvarklarni ajratib boʻlmaydi, degan fikrga asoslanadi.
Fizikada elementar zarralar atom yadrosi masshtabidagi fizik ob'ektlar bo'lib, ularni tarkibiy qismlarga bo'lish mumkin emas. Biroq, bugungi kunda olimlar hali ham ulardan ba'zilarini ajratishga muvaffaq bo'lishdi. Bu eng kichik jismlarning tuzilishi va xossalari elementar zarrachalar fizikasi tomonidan o'rganiladi. Keyinchalik ma'lum bo'ldiki, atom hali ham ikkita jismoniy ob'ektga - yadro va elektronga bo'linishi mumkin. Ikkinchisi keyinchalik birinchi elementar zarraga aylandi, 1897 yilda ingliz Jozef Tomson katod nurlari bilan tajriba o'tkazdi va ular bir xil massa va zaryadga ega bo'lgan bir xil zarralar oqimi ekanligini aniqladi. Tomsonning ishi bilan parallel ravishda rentgen nurlanishini o'rganish bilan shug'ullanadigan Anri Bekkerel uran bilan tajribalar o'tkazadi va nurlanishning yangi turini ochadi. 1898 yilda frantsuz fiziklari juftligi Mari va Per Kyuri turli xil radioaktiv moddalarni o'rganib, bir xil radioaktiv nurlanishni topdilar. Keyinchalik uning alfa (2 proton va 2 neytron) va beta zarrachalardan (elektronlardan) iborat ekanligi aniqlanadi va Bekkerel va Kyuri Nobel mukofotini olishadi. Uran, radiy va poloniy kabi elementlar bilan tadqiqot olib borgan Mari Sklodovska-Kyuri hech qanday xavfsizlik choralarini ko'rmadi, hatto qo'lqop ham ishlatmadi. Natijada, 1934 yilda u leykemiya bilan kasallangan. Buyuk olimning yutuqlari xotirasi uchun Kyuri juftligi tomonidan kashf etilgan element - poloniy Meri vatani - Poloniya, lotin tilidan - Polsha nomi bilan ataldi. 1905 yildan boshlab Albert Eynshteyn o'z nashrlarini yorug'likning to'lqin nazariyasining nomukammalligiga bag'ishladi, uning postulatlari tajribalar natijalaridan ajralib turadi. Bu keyinchalik taniqli fizikni "yorug'lik kvanti" - yorug'likning bir qismi haqidagi g'oyaga olib keldi. Keyinchalik, 1926 yilda u amerikalik fiziokimist - Gilbert N. Lyuis tomonidan yunoncha "phos" ("yorug'lik") dan tarjima qilingan "foton" deb nomlandi. 1913 yilda ingliz fizigi Ernest Rezerford o'sha paytda o'tkazilgan tajribalar natijalariga asoslanib, ko'plab kimyoviy elementlar yadrolarining massalari vodorod yadrosi massasiga karrali ekanligini ta'kidladi. Shuning uchun u vodorod yadrosini boshqa elementlar yadrolarining tarkibiy qismi deb hisobladi. Rezerford o'z tajribasida azot atomini alfa zarrachalari bilan nurlantirdi, natijada u ma'lum bir zarrachani chiqaradi. Ernest "proton", boshqa yunoncha "protos" dan (birinchi, asosiy). Keyinchalik proton vodorod yadrosi ekanligi eksperimental ravishda tasdiqlandi.
Shubhasiz, proton kimyoviy elementlar yadrolarining yagona tarkibiy qismi emas. Bu fikr yadrodagi ikkita proton bir-birini itarishi va atomning bir zumda parchalanishi bilan asoslanadi. Shuning uchun Rezerford massasi proton massasiga teng, lekin zaryadsiz boshqa zarracha borligi haqidagi farazni ilgari surdi. Olimlarning radioaktiv va engilroq elementlarning o'zaro ta'siri bo'yicha ba'zi tajribalari ularni yana bir yangi nurlanishni kashf etishga olib keldi. 1932 yilda Jeyms Chadvik u neytronlar deb atagan bir xil neytral zarralardan iborat ekanligini aniqladi.
Shunday qilib, eng mashhur zarralar kashf qilindi: foton, elektron, proton va neytron. Keyinchalik, yangi subyadroviy ob'ektlarning kashf etilishi tobora tez-tez uchraydigan hodisaga aylandi va hozirgi vaqtda "elementar" deb hisoblangan 350 ga yaqin zarrachalar ma'lum. Ularning hali bo'linishga qodir bo'lmaganlari tuzilmasiz hisoblanadi va "fundamental" deb ataladi. Fizika sohasidagi keyingi yangiliklarga o'tishdan oldin barcha zarrachalarning xususiyatlarini aniqlash kerak. Eng mashhuri, massa va elektr zaryadidan tashqari, spinni ham o'z ichiga oladi. Bu qiymat boshqacha tarzda "ichki burchak momentumi" deb ataladi va hech qanday tarzda subyadroviy ob'ektning siljishi bilan bog'liq emas. Olimlar spinlari 0, ½, 1, 3/2 va 2 bo'lgan zarralarni aniqlashga muvaffaq bo'lishdi. Spinni ob'ektning xossasi sifatida soddalashtirilgan bo'lsa-da tasavvur qilish uchun quyidagi misolni ko'rib chiqing. ½ aylanish uchun sizga 180 daraja burilganda ko'rinishini saqlaydigan element kerak bo'ladi. Bu bir xil qalam bo'lishi mumkin, faqat har ikki tomonda nosimmetrik tarzda zamin. 2 lik aylanish 720 daraja aylanish orqali shaklni saqlab turishni talab qiladi, 3/2 uchun esa 540.
Bu xususiyat elementar zarralar fizikasi uchun katta ahamiyatga ega.