§ 44. Элементарныя часціцы і іх узаемадзеянні

Доўгі час пратон, нейтрон і электрон лічыліся непарушнымі «цаглінкамі» матэрыі. Аднак па меры адкрыцця новых часціц перад фізікамі паўстала праблема іх класіфікацыі: колькі ўсяго «цаглінак» матэрыі, якія з іх з’яўляюцца найбольш простымі, а якія маюць складаную структуру, г. зн. утвораны з іншых часціц. Як часціцы ўзаемадзейнічаюць паміж сабой? Як яны распадаюцца?

Кожны электрон характарызуецца ўласным механічным момантам руху, які называецца спінам (ад англ. spin — круціць).

Аж да канца XIX ст. атамы лічыліся непадзельнымі «цаглінкамі» матэрыі. Але ў канцы XIX — пачатку XX ст. вучонымі была вызначана складаная будова атамаў і раскрыта структура ядзер. Адкрыты новыя часціцы — электроны, фатоны, пратоны і нейтроны, якія вызначаюць уласцівасці атамаў і ядзер і іх узаемадзеянне. Менавіта яны, а не атамы з’яўляліся найбольш простымі непадзельнымі часціцамі, іх трэба было лічыць «цаглінкамі светабудовы». 

У 1932 г. была адкрыта новая часціца і першая антычасціца — пазітрон. Хоць яшчэ ў 1928 г. англійскі фізік П. Дзірак, зыходзячы з распрацаванай ім рэлятывісцкай тэорыі руху электрона, прадказаў, што павінен існаваць «двайнік» электрона, які мае дадатны зарад.  Пазітрон з’явіўся першай вынайдзенай антычасціцай. У 1955 г. быў адкрыты
антыпратон, у 1956 г. — антынейтрон. У тым жа годзе была адкрыта яшчэ адна новая часціца — нейтрына.

Існаванне пазітрона (ад лац. positus — дадатны), які прадказаў Поль Дзірак, у 1932 г. даказаў амерыканскі фізік К. Андэрсан, даследуючы касмічныя прамені.

Пры сутыкненні электрона і пазітрона, якія павольна рухаюцца, яны анігілююць (ад лац. nihil — нішто), і ўзнікаюць звычайна два фатоны (мал. 231, а):

Утварэнне пры анігіляцыі менавіта двух (рэдка трох) фатонаў з’яў­ляецца вынікам закону захавання імпульсу і энергіі.

Магчымы і адваротны працэс нараджэння электронна-пазітроннай пары ў полі ядра за кошт энергіі фатона:

Схематычны відарыс такога працэсу паказаны на малюнку 231, б. На малюнку 232 паказана нараджэнне пары электрон-пазітрон у свінцовай пласцінцы, якая апраменьваецца
γ-квантамі.

Неўзабаве быў сфармуляваны прынцып за­ра­давага спалучэння: кожная зараджаная час­ціца мае антычасціну. Гэты прынцып распаў­сюдж­ваецца на нейтральныя часціцы — нейтрон і нейтрына. Усе характарыстыкі часціц і антычасціц аднолькавыя, але зарады (магнітныя моманты) процілеглыя па знаку. Выключэнне — фатон, π⁰-мезон, η⁰-мезон-часціцы — сапраўды нейтральныя часціцы, г. зн. цалкам супадаючыя са сваімі антычасціцамі.

Такім чынам, фактычна палову ўсіх элементарных часціц складаюць антычасціцы.

У тым жа 1932 г. пры даследаванні β^±-распаду была адкрыта яшчэ адна новая часціца — нейтрына.

Вучоным пры даследаванні асаблівасцей β^±-распаду, а таксама ўласцівасцей нейтрына (антынейтрына) упершыню прыйшлося мець справу з яшчэ адным відам фундаментальнага ўзаемадзеяння — слабым узаемадзеяннем. Яно праяўляецца пры ўзаемаператварэннях элементарных часціц. Для характарыстыкі слабых узаемадзеянняў уводзіцца квантавы лік — лептонны зарад, які абазначаецца лацінскай літарай L. Неабходнасць увядзення лептоннага зараду абумоўлена тым, што дагэтуль не выяўлена ні адной з’явы, у якой не выконваецца закон захавання лептоннага зараду: сума лептонных зарадаў да і пасля ўзаемадзеяння захоўваецца. Лептонны зарад уяўляе сабой безразмерны цэлы лік. Ва ўсіх лептонаў (часціц і антычасціц) , а ў часціц, якія не з’яўляюцца лептонамі (напрыклад, нуклонаў), L = 0. Нейтрына, таксама як і электрон, адносяць да класа лептонаў.

Разгледзім рэакцыі β^±  ператварэнняў. З закону захавання лептоннага зараду для ўраўнення рэакцыі распаду нейтрона: 

вынікае:

.

Адкуль знаходзім:

.

Такім чынам, лептонны зарад нейтрына ў дадзенай рэакцыі адмоўны. Значыць, як вынікае з азначэння лептонаў, падчас β⁻-распаду ядра нараджаецца не нейтрына, а антынейтрына  (гл.мал. 216).

Адзначым, што свабодны пратон, у адрозненне ад нейтрона, стабільны. Аднак у ядры становіцца магчымым β⁺ ператварэнне пратона ў нейтрон з выпусканнем пазітрона і нейтрына:

.

Гэта вынікае з закону захавання лептоннага зараду, паколькі:

0 = 0 − 1 + L,

адкуль:

L = +1.

Такім чынам, пры электронным распадзе ўзнікае антынейтрына   пры пазітронным распадзе — нейтрына . Гэта абумоўлена фундаментальным законам захавання лептоннага зараду. 

Перш чым перайсці да класіфікацыі часціц, неабходна даць азначэнне таго, што разумеецца ў наш час пад элементарнай часціцай.

Элементарнымі называюць часціцы, якія на сучасным узроўні развіцця фізікі можна лічыць першаснымі нераскладальнымі далей часціцамі, і з іх пабудавана ўся матэрыя. Непадзельнасць элементарных часціц не азначае, што ў іх адсутнічае ўнутраная структура.

Элементарныя часціцы здольныя ўзаемадзейнічаць адна з адной. Для ўсіх элементарных часціц характэрна здольнасць узнікаць і паглынацца (нараджацца і знішчацца) пры ўзаемадзеянні з іншымі часціцамі. Напрыклад, хоць нейтрон і не складаецца з пратона, электрона і антынейтрына, але ён можа ператварацца ў названыя часціцы пры ўзаемадзеяннях. 

Агульнымі характарыстыкамі ўсіх элементарных часціц з’яўляюцца маса, сярэдні час жыцця, электрычны зарад і спін.

Адрозненне ў масах часціц атрымала адлюстраванне ў назвах тыпаў часціц: лептоны (ад грэч. λεπτοσ (лептас) — лёгкі), мезоны (ад грэч. μεσοσ (мезас) — сярэдні), барыёны (ад грэч. βαρυσ (барыс)  — цяжкі). Аднак у далейшым аказалася, што такая класіфікацыя не адлюстроўвае ўсе ўласцівасці элементарных часціц.

Электрычныя зарады элементарных часціц з’яўляюцца кратнымі велічыні элементарнага электрычнага зараду.

Спін элементарных часціц з’яўляецца цэлым ці напаўцэлым і кратным пастаяннай Планка .

У 50-х гг. ХХ ст. было вынайдзена, што ў ядзерных рэакцыях могуць нараджацца новыя віды часціц, калі часціца, што бамбардзіруе, мае дастатковую энергію. Агульны лік элементарных часціц з антычасціцамі — каля 500, і іх колькасць павялічваецца з кожным годам. З іх 30 — адносна стабільныя з сярэднім часам жыцця не менш за 10⁻¹⁷  с і больш за 400 — кароткажывучыя, з сярэднім часам жыцця 10⁻²³ с. Час жыцця залежыць ад прыроды ўзаемадзеяння. 

У залежнасці ад часу жыцця элементарныя часціцы падзяляюцца на стабільныя, квазістабільныя і нестабільныя (рэзанансы). 

Калі распад абумоўлены моцным узаемадзеяннем, то сярэдні час жыцця часціцы аказваецца вельмі малым (10^–22—10^–24 с), і гістарычна яны былі названы (нестабільнымі) рэзанансамі. 

Пры распадзе, абумоўленым слабым узаемадзеяннем, сярэдні час жыцця часціц   пры электрамагнітным узаемадзеянні —10⁻¹⁶—10⁻¹⁹ с. Такія часціцы называюцца квазістабільнымі.

Стабільнымі ў межах дакладнасці сучасных вымярэнняў з’яўляюцца электрон, пратон, фатон і нейтрына. 

Вывучэннем іх уласцівасцей і ўзаемадзеянняў займаюцца ў раздзеле фізікі, які называецца фізікай элементарных часціц. 

Пытаннi да параграфу

1. Якая антычасціца была адкрыта першай?
2. Ці ўсе элементарныя часціцы маюць антычасціцу?
3. Чым адрозніваецца антычасціца ад часціцы?
4. Якая часціца называецца элементарнай?
5. Якія часціцы з’яўляюцца стабільнымі?
6. Якія часціцы адносяцца да квазістабільных і нестабільных (рэзанансаў)?
7.  У чым заключаецца прынцып зарадавага спалучэння?
8. Сфармулюйце закон захавання лептоннага зараду. Прывядзіце прыклад яго прымянення.