Фізіка. 11 клас

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?

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.