Современные представления о строении физической материи

Каковы же современные научные представления о строении физической материи?

Опыты Резерфорда (1910) показали, что атом состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро по своим размерам в 10 ООО, раз меньше а^ома и сосредотачивает в себе 99,9% всей его массы.

В 1919 г. Резерфорд с помощью бомбардировки а-частицами ядер Be, Fe, Na, Al, Ne, Mg и других элементов установил, что в состав всех ядер входит протон (р), а в 1932 г. английский физик Дж. Чедвик, облучая ядра атомов бериллия а-частицами, обнаружил, что из ядер вылетают нейтральные частицы массой, близкой к массе протона. Эта частица была названа нейтроном (п). По современным представлениям протон и нейтрон являются двумя разными состояниями одной и той же частицы — нуклона (лат. Nucleus — ядро) и из них состоят ядра химических элементов.

¦ Таким образом, к началу 30-х годов прошлого века наука смогла дать приемлемое описание строения вещества на основе планетарной модели атома и четырех видов элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и фотонов). Была объяснена природа и свойства химических элементов и их классификация (таблица Менделеева), механизм химических реакций и образрвания различных соединений, но оставался неясным механизм радиоактивного распада.

В 1930 году Паули выдвигает гипотезу о том, что в процессе бета- распада в число продуктов распада ядра входит легкая незаряженная частица, которая позже получила название нейтрино (v). Этим он «спасает» законы сохранения энергии, импульса и момента количества движения при ядерных реакциях и взаимопревращениях одних элементарных частив в другие.

В 1932 году американский физик К. Андерсом открывает первую античастицу электрона (е-) — позитрон (е+).

По виду взаимодействия между собой все элементарные частицы подразделяются на сильновзаимодействующие (адроны) и слабовзаи- модействующие (пептоны). Адроны подразделяются на мезоны и ба- рионы, а последние, в свою очередь, состоят из нуклонов (нейтроны и протоны) и гиперонов (A, Е, 0, Q). К лептонам относятся электроны, мюоны и нейтрино и их античастицы.

Барионам приписывается особое число — барионный заряд B= I (антибарионы имеют Z? =-I), а лептонам —лептоновый заряд (для леп- тонов L=I, для антилептонов L = -I). Во всех взаимодействиях элементарных частиц барионный и лептоновый заряды должны сохраняться. Согласно современным взглядам, именно этим законом в обычных условиях обусловлена невозможность аннигиляции протона и электро-

на, потому что протон — это барион, а электрон — лептон. Из всех известных элементарных частиц стабильны только протон, электрон и нейтрино.              I

Одной из характеристик элементарных частиц является спин J, т.е. собственный момент импульса частицы в системе отсчета покоя. Спин, как правило, выражается в единицах h (h = Ы2%, h — постоянная Планка) и принимает только целые и полуцелые значения. С точки зрения квантовой статистики, элементарные частицы в зависимости от величины спина J подразделяются на фермионы (статистика Ферми) с полу- целым (1/2, 3/2,...) спином (электрон, нейтрон, протон, мюон, гиперон, электронное нейтрино) и бозоны (статистика Бозе) с целым (О, I, 2,..) спином (пион, каон, фотон). Все пептоны являются фермионами. Фермионы всегда, без исключения, возникают или аннигилируют парами, а бозоны могут рождаться или поглощаться по одному и группами по нескольку частиц.              *

Самораспад и взаимопревращение большинства элементарных частиц, а также результаты различного рода экспериментов с частицами на ускорителях свидетельствуют о том, что все они являются сложными частицами (в том числе протон и нейтрон), состоящими из более простых зерновых частиц (партонов).

Все это дало основание американским физикам-теоретикам М. Гелл-Манну (1963), а затем, независимо от него, Дж. Цвейгу (1964) выдвинуть гипотезу о том, что адроны являются составными частицами, т.е. имеют партонную структуру. По их гипотезе все сильновзаимо- действующие элементарные частицы (барионы) являются комбинациями определенного вида фундаментальных частиц (кварков) и их античастиц (антикварков).

Согласно «стандартной модели» кваркового строения адронов существует шесть кварков, которые различаются «ароматом»: и (от up — верхний), d (от down — нижний), s (от strange — странный), с (от charm — очарование), Ъ (от beauty — красота), t (от truth — истинный). Для каждого кварка существует три «цвета»: красный, желтый и синий. К реальному цвету этот признак никакого отношения не имеет, так же как и «аромат» к реальному обычному запаху. Кварки имеют необычные свойства (не похожи на свойства других частиц): дробный электрический заряд q (и, с, t- +2/3 е; d, s, Ъ = -1/3 е), дробный барионный заряд В = 1/3 и спин s = 1/2.

В соответствии с принципом зарядового сопряжения для каждого кварка должен существовать антикварк. У кварков и антикварков электрический и барионный заряды имеют противоположные знаки. Все кварки и антикварки фермионы. С помощью определенных комбинаций этих гипотетических частиц можно построить любой адрон. Так, например, барионы строятся из трех кварков, а мезоны — из двух кварков (кварк — антикварк).

Максимальные значения энергий, достигнутые в современных ускорителях, составляют порядка IO3 ГэВ, что позволяет различать частицы находящиеся друг от друга на минимальном расстоянии R ~ IO-19 м.

На этих расстояниях электрон еще не выявляет своей внутренней структуры. Исходя из этого, в рамках «стандартной модели» уровень элементарных частиц расщеплен на уровень адронов и уровень фундаментальных частиц (лептоны, кварки), которые, как считается, представляют собой начальный структурный уровень организации материи.

Таково представление современной науки о строении физической материи. Существуют ли кварки в действительности или эта модель служит лишь удобным средством описания элементарных частиц, но Лишена физического смысла? Пока это неизвестно. Ho так как свободные кварки к настоящему времени не наблюдаемы, то считается, что это обстоятельство принципиально ограничивает бесконечное дробление материи. Однако, согласно последним исследованиям, кварки не являются фундаментальными частицами. Глубина деления частиц в ближайшие годы может опуститься на один-два уровня (субкварки, преоны, ришетоы).

В настоящее время в науке рассматриваются четыре фундамен-, тальных взаимодействия: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Считается, что крупнейшим достижением физики 70-х годов прошлого века является установление единства механизмов всех фундаментальных взаимодействий, который носит обменный характер. Каждое фундаментальное взаимодействие характеризуется интенсивностью а;, радиусом действия Rj и характерным временем т.. Сильное (ядерное) и слабое взаимодействия являются короткодействующими.

Сильное (ядерное) взаимодействие свойственно всем адронам, представляет собой силы притяжения и действует на малых расстояниях в ядрах (R-IO-15 м), обеспечивая их устойчивость, несмотря на кулоновские силы отталкивания между протонами.

Основные характеристики фундаментальных взаимодействий даны в таблице 3.1.1.

Таблица 3.1.1
Современной теорией сильного взаимодействия является квантовая хромодинамика, которая еще не завершена. В данной теории переносчиками сильного взаимодействия между кварками являются восемь электрически нейтральных безмассовых глюонов (glue — клей), а между нуклонами — 71-мезоны (пионы), масса которых в 273 раза больше массы электрона.

Пионы являются квантами ядерного взаимодействия и вносят основной вклад в передачу сильного взаимодействия между нуклонами и другими адронами на расстояниях Rj ~ h/(rnC) ~ h/(273meC) ~ ~ 1,4 10-15 м. Сильное взаимодействие между нуклонами не зависит от заряда частиц, т.е. связывает их между собой в различном сочетании: р-р, п-п, р-п.

Слабые взаимодействия проявляются в процессе ядерного распада, а также могут проявляться между любыми парами элементарных частиц (Ri-IO-18 м). Их переносчиками являются промежуточные бозоны W+, W', Z0, которые имеют электрический заряд (q = ±1) и обладают большой массой (в 80-100 раз больше массы протона). Считается, что они могут испускаться и поглощаться как кварками, так и лептонами (?!). Поэтому в слабом взаимодействии должны принимать участие все частицы, кроме фотонов и гравитонов.

Глюоны и промежуточные бозоны относятся к фундаментальным частицам. Так что с учетом них общее количество фундаментальных частиц возрастает до 59.

Перенорчиками электромагнитного взаимодействия во всем диапазоне электромагнитных волн (от радио до гамма-лучей) является фотоны. Таким образом, фотон становится типичным представителем нового класса микрочастиц — переносчиков электромагнитного взаимодействия.

Предполагается, что переносчиками гравитационного взаимодействия являются нейтральные безмассовые гравитоны, которые должны иметь спин J = 2. Экспериментально гравитоны не обнаружены, более того, не обнаружены и гравитационные волны.

В настоящее время создается единая теория электромагнитного и слабого взаимодействия (теория электрослабого взаимодействия) и начаты исследования по объединению всех четырех фундаментальных взаимодействий (теория «расширенной супергравитации»).

Таким образом, представления современной науки о строении физической материи, основываются на признании существования в Природе большого количества элементарных и фундаментальных частиц, взаимодействие между которыми (сильное, слабое и электромагнитное) носит обменный характер.

Переход от четырех элементарных частиц (1932 г.) к более 400 частицам (2000 г.), из них 59-ти фундаментальным, по-видимому, не является правильным. Так, например, при разрушении кирпичной кладки появляется большое количество разнообразных глыб и осколков. Ho все они состоят из трех составляющих: цемента, песка и кирпичей. Природа любит простоту. И этот факт еще в XIV веке интуитивно был осознан английским монахом и философом У. Оккамом, который получил название принципа «бритвы Оккама». Его утверждение гласит: «Чем ближе мы находимся к некоторой истине, тем проще оказываются законы, выражающие эту истину».