Квантовая физика как новый этап познания природы

 

Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10~8 с. Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и поглотиться бумагой. Лишь нейтрино почти бессмертны из-за того, что они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гибнут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко.

 

Все элементарные частицы  превращаются друг в друга, и эти  взаимные превращения — главный  факт их существования.

 

Превращения элементарных частиц ученые наблюдали при столкновениях  частиц высоких энергий.

 

Представления о неизменности элементарных частиц оказались несостоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась.

 

Элементарные частицы  уже далее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам.

 

Вот что заставляет так  думать. Пусть у нас возникло естественное желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо других субэлементарных частиц. Что нужно сделать для того, чтобы попытаться расчленить электрон? Можно придумать только один способ. Это тот же способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что находится внутри пластмассовой игрушки,— сильный удар.

 

По современным представлениям элементарные частицы — это первичные, неразложимые далее частицы, из которых  построена вся материя. Однако неделимость  элементарных частиц не означает, что  у них отсутствует внутренняя структура.

 

В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас элементарными, полностью оправдывают  это название. Основание для сомнений простое: этих частиц очень много.

 

Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сейчас составляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждому  очередному триумфу начала примешиваться  доля беспокойства. Триумфы стали  следовать буквально друг за другом.

 

Была открыта группа так  называемых “странных” частиц: К-ме-зонов и гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных “очарованными”. Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с временем жизни порядка 10~22—10~23 с. Эти частицы были названы резо-нансами, и их число перевалило за двести.

 

Вот тогда-то (в 1964 г.) М. Гелл-Манноном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы,  участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях—адроны, построены из более фундаментальных (или первичных) частиц — кварков.

 

Кварки имеют дробный  электрический заряд. Протоны и  нейтроны состоят из трех кварков.

 

В настоящее время в  реальности кварков никто не сомневается, хотя в свободном состоянии они  не обнаружены и, вероятно, не будут  обнаружены никогда. Существование  кварков доказывают опыты по рассеянию  электронов очень высокой энергии  на протонах и нейтронах. Число различных кварков равно шести. Кварки, насколько сейчас известно, лишены внутренней структуры и в этом смысле могут считаться истинно элемен­тарными.

 

Легкие частицы, не участвующие  в сильных взаимодействиях, называются лептонами. Их тоже шесть, как и кварков (электрон, три сорта нейтрино и еще две частицы — мюон и тау-лептон с массами, зна

 

чительно большими массы электрона).

 

Существование двойника электрона  — позитрона — было предсказано  теоретически английским физиком П. Дираком в 1931 г. Одновременно Дирак  предсказал, что при встрече позитрона  с электроном обе частицы должны исчезнуть, породив фотоны большой  энергии. Может протекать и обратный процесс — рождение электронно-позитронной  пары, например, при столкновении фотона достаточно большой энергии (его  масса должна быть больше суммы масс покоя рождающихся частиц) с ядром.

 

Спустя два года позитрон был обнаружен с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное  поле. Направление искривления трека  частицы указывало знак ее заряда. По радиусу кривизны и энергии  частицы было определено отношение  ее заряда к массе. Оно оказалось по модулю таким же, как и у электрона. На рисунке 190 вы видите первую фотографию, доказавшую существование позитрона. Частица двигалась снизу вверх и, прой­дя свинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии. Из-за этого кривизна траектории увеличилась.

 

 

Процесс рождения пары электрон — позитрон у-квантом в свинцовой пластинке виден на фотографии, приведенной на рисунке 191. В камере Вильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет характерный след в виде двурогой вилки.

 

Исчезновение (аннигиляция) одних частиц и появление других при реакциях между элементарными час

 

Энергия покоя — самый  грандиозный и концентрированный  резервуар энергии во Вселенной. И только при аннигиляции она  полностью высвобождается,  превращаясь  в другие виды энергии. Поэтому антивещество — самый совершенный источник энергии, самое калорийное “горючее”. В состоянии ли будет человечество когда-либо это “горючее” использовать, трудно сейчас сказать.

 

че любой частицы с соответствующей античастицей происходит их аннигиляция. Обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

 

Обнаружены сравнительно недавно антипротон и -антинейтрон. Электрический заряд антипротона отрицателен. Сейчас хорошо известно, что рождение пар частица — античастица и их аннигиляция не составляют монополии электронов и позитронов.

 

Атомы, ядра которых состоят  из антинуклонов, а оболочка — из позитронов, образуют антивещество. В 1969 г. в нашей стране был впервые получен антигелий.

 Заключение

Открытие сложного строения атома — важнейший этап становления  современной физики, наложивший отпечаток  на все ее дальнейшее развитие. В  процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить  атомные спектры, были открыты новые  законы движения микрочастиц—законы квантовой механики. Элементарные частицы—это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Элементарные частицы не остаются неизменными. Все элементарные частицы способны превращаться друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их существования. ольшинство элементарных частиц нестабильны и самопроизвольно превращаются с течением времени в другие частицы; сключение составляют фотон, электрон, протон и нейтрино. Все частицы имеют двойников — античастицы. Например, по отношению к электрону античастицей является позитрон. Частица и античастица имеют одинаковые массы, а их заряды противоположны по знаку. При столкновении частицы с античастицей они исчезают (аннигилируют), превращаясь в другие частицы. Аннигиляция позитрона и электрона сопровождается рождением двух (или трех) гамма-квантов.