Концепция атомизма и элементарные частицы

1. Концепция атомизма  и элементарные частицы.

История развития концепции атомизма.

 

Атомизм – натурфилософская и физическая теория, согласно которой чувственно воспринимаемые (материальные) вещи состоят из неделимых  частиц – атомов. Термин атомизм употребляется в двух смыслах. В широком смысле атомизмом называется любое учение об атомах, в узком – древнегреческая философская школа V-IV веков до н. э.

Впервые понятие об атоме как последней и неделимой частице тела возникло в античной Греции в рамках натурфилософского учения школы Левкиппа – Демокрита. Демокрит определял атом как наименьшую, далее неделимую, частицу материи. Атом – неделим, вечен, неизменен. Атомы никогда не возникают и никогда не погибают. Они бывают самой разнообразной формы – шарообразные, угловатые, крючкообразные, вогнутые, выпуклые и различны по размерам. Атомы невидимы, их можно только мыслить. В процессе движения в пустоте атомы сталкиваются друг с другом и сцепливаются. Сцепление большого количества атомов составляет вещи. Возникновение и уничтожение вещей объясняется сложением и разделением атомов; изменение вещей - изменением порядка и положения (поворота) атомов. По Демокриту, мир в целом – это беспредельная пустота, начиненная многими отдельными мирами. Отдельные миры образовались в результате того, что множество атомов, сталкиваясь друг с другом, образуют вихри – кругообразные движения атомов. В вихрях крупные и тяжелые атомы скапливаются в центре, а более легкие и малые вытесняются к периферии. Так возникает земля и небо. Небо образует огонь, воздух, светила. Земля – центр нашего мира, на краю которого находятся звезды. Каждый мир замкнут Число миров бесконечно. Многие из них могут быть населенными. Демокрит впервые описал Млечный путь как огромное скопление звезд. Миры преходящи. Одни из них только возникают, другие находятся в расцвете, третьи уже гибнут.

Атомистическая гипотеза строения материи была возрождена в  

XVIIIв. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря его трудам стали изучаться физико-химические свойства атома. В XIX в. Д.И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

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.

Исследования строения атома началось в 1897 г., когда Дж. Томсон открыл электрон – отрицательно заряженную частицу, которая входит в состав всех атомов. Так же происходит открытие положительно заряженной частицы – протона.

Модель атома – «изюм в пудинге» была предложена в 1902 г. английским физиком У. Томсоном, но не прошла опытной проверки.

В 1911 г. Э. Резерфордом была предложена другая модель атома, которая напоминала Солнечную систему: в центре находится положительно заряженное атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. В целом атом электрически нейтрален. Но у планетарной модели было несколько противоречий.

Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро.

Следующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла.

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

Его модель атома базировалась на планетарной модели                                Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома.

Устойчивость атомов Бор объяснил с помощью своих, несовместимых с классической физикой, постулатов:

1) в каждом атоме существует  несколько стационарных состояний 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.

Но чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспериментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения были связаны главным образом с волновыми свойствами электрона. Точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других – меньше.

Все дело в том, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны.

Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Постулаты Бора ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома.

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. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.

 

Элементарные частицы.

 

После того как физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания и сам он построен из более простых, элементарных частиц. Идея поиска таких частиц заняла главное место в физических исследованиях. В точном смысле слова такие частицы не должны содержать каких-либо других элементов. Иногда элементарные частицы называют также субъядерными частицами.

Первая элементарная частица – электрон – была открыта еще в конце XIX в. Она представляет собой наименьшую единицу электрического заряда. Вторая частица, названная протоном, входящая в состав ядра атома, была открыта Э. Резерфордом в 1919 г. при бомбардировке атомов альфа-частицами. По массе она почти в 2000 раз превосходит массу электрона, но заряжена положительно. Третья частица – нейтрон – была открыта в составе космического излучения и так названа потому, что она является нейтральной и не несет электрического заряда. Четвертая частица, названная фотоном, является квантом излучения света и была введена для объяснения фотоэффекта. Все эти частицы и составили первоначальный запас элементарных частиц.

Начиная с 1930-х гг. физики, занявшись исследованием космических лучей, год за годом открывают в них новые элементарные частицы, число которых неуклонно растет. В 1932 г. был открыт позитрон, первая античастица. Она оказалась равной по массе электрону, но заряженной положительно. Всепроницающая и, по-видимому, широко распространенная легкая частица – нейтрино, была экспериментально открыта в 1953 г. В 1947 г. были открыты π(пи)-мезоны. Еще раньше были открыты µ(мю)-оны, которые раньше называли мезонами. В дальнейшем были обнаружены К+ и К--мезоны и λ(лямбда)-гипероны, частицы, обладающие необычными свойствами, которые были названы «странными».

С 50-х гг. XX в. основным средством обнаружения и исследования элементарных частиц становятся ускорители. С их помощью было открыто многочисленное семейство нестабильных и короткоживущих, так называемых резонансных частиц, а в 1955 г. – антипротон, год спустя – антинейтрон. В 1970–1980-х гг. обнаружено большое количество так называемых очарованных и красивых частиц, которые в 3–10 раз превосходили массу протона.

В последние десятилетия интенсивно развивались исследования элементарных частиц, число которых сейчас, видимо, приближается к 400. Такое количество и разнообразие частиц служит явным свидетельством в пользу того, что они вряд ли могут считаться подлинно элементарными, не образованными из других частиц.

 

Свойства элементарных частиц.

 

Все элементарные частицы отличаются крайне малыми размерами и массами. Большинство из них имеют размеры порядка 10-13 см, а массы, сравнимые с массой протона, т.е. 1,6 10-24 г. Масса электрона гораздо меньше, составляет 0,9 10-27 г. Этим объясняются те квантовые свойства и закономерности, которые им присущи.

Наиболее характерным свойством элементарных частиц является их способность взаимодействовать друг с другом, в процессе которого они превращаются в иные частицы.

Различные взаимодействия частиц проходят с разной интенсивностью. По интенсивности, с которой происходят взаимодействия элементарных частиц, выделяют: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия.

Сильное взаимодействие является наиболее интенсивным, и именно оно обусловливает связь между ядерными частицами – протоном и нейтроном в атомных ядрах, благодаря чему достигается такая прочная стабильность ядра. В стабильном веществе взаимодействие между протонами и нейтронами при не слишком высокой температуре способствует лишь усилению связи между ними. Однако если происходит столкновение ядер или их частей — нуклонов, обладающих достаточно высокой энергией, тогда могут произойти различные ядерные реакции. Наиболее примечательной является реакция термоядерного синтеза, сопровождающаяся выделением огромной энергии.

Электромагнитное взаимодействие менее интенсивно по своему характеру и определяет специфику связи между электронами и ядрами в атоме, а также между атомами в молекуле. С электромагнитными взаимодействиями связано большинство сил, встречающихся в природе: силы упругости, поверхностного натяжения, изменения агрегатного состояния тел, химические превращения, магнитные и оптические явления и многое другое.

Слабое взаимодействие – наименее интенсивно, оно вызывает медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в частности распад так называемых квазичастиц. При слабом взаимодействии процессы происходят гораздо медленнее, чем при сильном и даже электромагнитном взаимодействии. Несмотря на это, слабое взаимодействие играет важную роль в природе. Без него погасло бы наше Солнце, был бы невозможен         β-распад радиоактивных атомных ядер, эволюция звезд и многое другое.

Гравитационное взаимодействие осуществляется на чрезвычайно

коротких расстояниях и вследствие крайней малости масс частиц дает весьма малые эффекты.

Приведенная классификация взаимодействий существенно зависит от энергии частиц и не является ни окончательной, ни универсальной.

Одним из характерных свойств элементарных частиц является способность рождаться и уничтожаться, т.е. испускать и поглощать частицы при ядерных реакциях. Например, реакция превращения пары электрон и позитрон в пару фотонов: е-+ е+ → 2ϒ.

 

Классификация элементарных частиц.

 

По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они могут быть отнесены к двум основным группам: адроны и лептоны.

Первая группа адронов (от греч. – сильный, большой), которые особенно активно участвуют в сильном взаимодействии, но могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействиях, делится на барионы и мезоны.

К барионам (от греч. – тяжелый) относятся элементарные частицы, масса которых не меньше массы протона. Протон и нейтрон являются наиболее известными барионами. Кроме них к этой группе принадлежат гипероны, часть резонансов и «очарованных» частиц, но единственно стабильной частицей среди них является протон. Характерным свойством барионов является сохранение разности между числом барионов и антибарионов, которое нередко формулируют в виде закона сохранения  

барионного заряда, если приписать бариону особый заряд.

К мезонам (от греч. – средний, промежуточный) относят нестабильные адроны. Большинство из них обладают массами, которые являются промежуточными между массой электрона и массой протона. Первыми частицами с такой промежуточной массой были  π-мезоны и κ-мезоны с разными зарядами. В дальнейшем были обнаружены другие

частицы, масса которых превышает массу протона.

Ко второй группе элементарных частиц принадлежат лептоны (от греч. – легкий, тонкий), участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К этой группе относится электрон, мюон, фотон, нейтрино и открытый в 1975 г. тяжелый т-лептон.

Помимо общих групповых характеристик элементарные частицы обладают также специфическими, индивидуальными признаками, которые характеризуются их квантовыми числами. К ним относят массу частицы, время ее жизни, спин и электрический заряд. Основываясь на этих признаках, можно провести дальнейшую классификацию элементарных частиц.

По массе они делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и нестабильные частицы. К стабильным частицам относят электрон, протон, фотон и нейтрино. Квазистабильные частицы распадаются вследствие электромагнитного и слабого взаимодействия. Нестабильные частицы распадаются за счет сильного взаимодействия. Спин характеризует собственный момент количества движения частицы и измеряется целым или полуцелым значением, кратным постоянной Планка. Так, у протона и электрона он равен 1/2, а ϒ (фотона) – 0. Электрические заряды элементарных частиц являются кратными наименьшего заряда, присущего электрону. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1967 г. американский физик М. Гелл-Манн высказал гипотезу о существовании кварков – частиц с дробным