§ 63. Елементарні частинки

Поняття елементарної частинки. Ще 1949 р. Луї де Бройль (1892-1987, Франція) запропонував створити міжнародну організацію для здійснення наукових досліджень мікросвіту. У 1954 р. офіційно відкрито європейську організацію з ядерних досліджень (ЦЕРН) — найбільшу у світі лабораторію фізики високих енергій. Сьогодні фізика елементарних частинок стала новою, великою і самостійною галуззю науки. Дослідження елементарних частинок у земних умовах здійснюється за допомогою прискорювачів частинок різних конструкцій: лінійних прискорювачів, циклотронів, синхрофазотронів, колайдерів (мал. 254) тощо. Проводять дослідження і природних потоків частинок — космічного проміння.

Мал. 254. Прискорювачі елементарних частинок

На початок 60-х років ХХ ст. кількість відкритих елементарних частинок стала настільки великою, що виникли сумніви, чи всі частинки, які називають елементарними, повністю відповідають цій назві.

Поняття елементарних частинок ґрунтується на факті дискретної будови речовини. Ряд елементарних частинок має складну внутрішню структуру, проте розділити їх на частини неможливо. Інші елементарні частинки є безструктурними й можуть вважатися первинними фундаментальними частинками.

Елементарна частинка — збірний термін, що належить до мікрооб’єктів у суб’ядерному масштабі.

Найхарактернішою особливістю елементарних частинок є їхня здатність до перетворень і взаємодії. Водночас дочірні частинки не є структурними складовими материнських, а народжуються в актах перетворення.

Отже, за сучасними уявленнями, елементарні частинки не просто «цеглинки» світобудови, це специфічні об’єкти мікросвіту. До того ж їм властивий особливий вид фундаментальної взаємодії — слабка взаємодія. За інтенсивністю слабка взаємодія в багато (приблизно в 10 14 ) разів менша від сильної і навіть електромагнітної взаємодії. Проте вона значно більша за гравітаційну взаємодію, оскільки маси елементарних частинок надто малі, а радіус їхньої взаємодії становить лише 10 -18 м.

Типи фундаментальних взаємодій. Щоб зрозуміти механізм слабкої взаємодії, пригадаймо інші відомі нам типи взаємодій і їхній характер.

Вивчаючи механіку, ми ознайомились із гравітаційною взаємодією (силами всесвітнього тяжіння) і деякими виявами електромагнітної взаємодії (силами пружності, тертя). В електродинаміці ми вивчили електромагнітну взаємодію, а в ядерній фізиці — сильну (ядерну).

Щоб зрозуміти характер слабкої взаємодії, звернімося ще раз до електромагнітної. На самому початку вивчення електродинаміки ми з’ясували, що електричні сили діють на відстані. Посередником, що передає взаємодію, є поле. Можна стверджувати, що сила, з якою одна заряджена частинка діє на іншу, зумовлена електричним полем, яке створює перша частинка. Аналогічним способом магнітне поле є посередником магнітних сил.

Згодом ми з’ясували, що електромагнітні поля можуть поширюватись у вигляді хвиль у просторі, а також що світлу властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм. Унаслідок чого можна пояснити електромагнітну взаємодію між зарядженими частинками: 1) як взаємодію через поле і 2) як обмін фотонами між частинками.

На малюнку 255 зображено наочний приклад того, як у результаті обміну частинками відбувається взаємодія. На малюнку 255, а діти кидають одне в одного подушки. Спіймавши подушку, кожна дитина відкочується назад. Це ілюстрація сили відштовхування. Якщо діти намагаються вирвати подушки з рук одне одного (мал. 255, б), то кожний тягне партнера до себе. Це ілюстрація сили притягання.

Мал. 255. Ілюстрація обмінного характеру взаємодії

Подібним чином може відбуватись електромагнітна взаємодія між зарядженими частинками: одна із заряджених частинок випромінює фотон і зазнає внаслідок цього віддачу. Інша частинка поглинає фотон. За такої взаємодії відбувається передача енергії та імпульсу від однієї частинки до іншої, і посередником при цьому є фотон.

У 1935 р. японський фізик Хідекі Юкава (1907-1981) висловив припущення, що подібним чином відбувається і сильна взаємодія між нуклонами в ядрі. Подальші дослідження показали, що посередником сильної взаємодії є глюони.

Таким чином, природно припустити, що мають існувати посередники слабкої та гравітаційної взаємодій. Пошук таких частинок тривав десятиліття. У 1983 р. Карло Руббіа заявив про довгоочікуване відкриття проміжних бозонів — частинок, через які відбуваються слабкі взаємодії.

Пошук квантів гравітаційного поля — гравітонів — поки що не дав результатів.

Властивості відомих на цей час основних типів взаємодій зведено в таблиці 11.

Тип взаємодії

Характер взаємодії

Квант взаємодії

§ 49. Елементарні частинки, їхня класифікація, реєстрація та характеристика

У самому слові «елементарна» закладено подвійний зміст. З одного боку, елементарний — це найпростіший, з другого боку, під елементарним розуміють щось фундаментальне, що лежить в основі речей. Саме в цьому розумінні і називають субатомні частинки (частинки, з яких складаються атоми) елементарними.

Жодна із частинок не існує вічно. Більшість елементарних частинок не може проіснувати більше від двох мільйонних частинок секунди, навіть тоді, коли немає жодного зовнішнього впливу. Наприклад, вільний нейтрон (нейтрон поза атомним ядром) існує в середньому 15 хв.

Тільки такі частинки, як фотон, електрон, протон і нейтрино, могли б залишитися незмінними, якби кожна з них була одна на світі.

Але разом з електронами і протонами існують позитрони і антипротони, від зіткнення з якими частинки взаємно знищуються і утворюються нові.

Фотон, випромінений настільною лампою, існує не довше від 10 -8 с. Це той час, який йому потрібен, щоб долетіти до сторінки книжки і поглинутися папером.

Лише нейтрино майже вічне, тому що воно надзвичайно слабко взаємодіє з іншими частинками. Але й нейтрино гинуть від зіткнення з іншими частинками, хоч такі зіткнення трапляються рідко. Усі елементарні частинки перетворюються одна в одну, і ці взаємні перетворення — основний факт їхнього існування.

На малюнку 3.29 ви бачите результат зіткнення ядра Карбону, що мало енергію 60 млрд еВ, з ядром Аргентуму фотоемульсії. Ядро розпадається на уламки, які розлітаються в усі боки. Одночасно народжується багато нових елементарних частинок — піонів.

За сучасними уявленнями, елементарні частинки — це первинні частинки, які далі не розкладаються, з них складається вся матерія. Проте неподільність елементарних частинок не означає, що вони не мають внутрішньої структури.

Існування двійника електрона-позитрона теоретично передбачив англійський фізик Поль Дірак (1902-1984) у 1931 р.

Коли зустрічаються позитрон і електрон, обидві частинки зникають — анігілюють, народжуючи фотони великої енергії. Може бути і зворотний процес — утворення електронно-позитронної пари, наприклад, коли стикається фотон досить великої енергії (його маса має бути більшою від суми мас спокою народжуваних частинок) з ядром.

Через два роки позитрон виявили за допомогою камери Вільсона, вміщеної в магнітне поле. Напрямок викривлення треку частинки вказував на знак її заряду, а за радіусом кривизни й енергією частинки визначили відношення її заряду до маси. Воно за значенням таке саме, як і для електрона. На малюнку 3.30 ви бачите першу фотографію, яка довела існування позитрона. Частинка рухалася вгору і, пройшовши через свинцеву пластинку, втратила частину своєї енергії. Тому кривизна траєкторії збільшилася.

Процес утворення пари електрон-позитрон γ-квантом у свинцевій пластинці видно на фотографії (мал. 3.31). У камері Вільсона, вміщеній у магнітне поле, пара залишає характерний слід у вигляді дворогої вилки.

Те, що зникнення одних частинок і поява інших під час реакції між елементарними частинками — це перетворення, а не просто виникнення нової комбінації складових частин старих частинок, особливо виявляється саме під час анігіляції пари електрон-позитрон. Обидві ці частинки мають певну масу у стані спокою — електричні заряди.

Порівняно недавно виявили антипротон і антинейтрон. Електричний заряд антипротона негативний.

Атоми, ядра яких складаються з антинуклонів, а оболонка — з позитронів, утворюють антиречовину. У 1969 р. уперше було одержано антигелій.

Під час β-розпаду з ядра вилітає електрон. Але електрона в ядрі немає. Звідки ж він береться? Після того як електрон вилітає з ядра, заряд ядра, а отже, і кількість протонів збільшується на одиницю. Масове число ядра не змінюється. Це означає, що кількість нейтронів зменшується на одиницю. Отже, у β-радіоактивних ядрах нейтрон здатний розпадатися на протон і електрон. Протон залишається в ядрі, а електрон вилітає назовні. Лише в стабільних ядрах нейтрони стійкі.

Швейцарський фізик Вольфганг Паулі (1890-1958) припустив, що разом з протоном і електроном під час розпаду нейтрона народжується якась частинка-«невидимка», що й виносить із собою енергію, якої не вистачає. Цю частинку прилади не реєструють, оскільки вона не має електричного заряду і маси спокою. Отже, вона не може йонізувати атоми, розщеплювати ядра, тобто не може спричинювати ефекти, за якими можна судити про виникнення частинки.

Цю частинку Енріко Фермі (1901-1954) назвав нейтрино. Виявилось, що маса спокою нейтрино, як і передбачав Паулі, дорівнює нулю. Це означає, що нейтрино в стані спокою немає. Ледь з’явившись на світ, вони одразу рухаються зі швидкістю 300 000 км/с. Розраховуючи взаємодію нейтрино з речовиною в шарі певної товщини, одержали досить невтішний результат щодо можливості виявити цю частинку експериментально. Земна куля для нейтрино прозоріша, ніж найкраще скло для світла.

Роль нейтрино не зводиться лише до пояснення β-розпаду ядер. Багато елементарних частинок у вільному стані спонтанно розпадається, випромінюючи нейтрино. Передусім так поводиться нейтрон. Тільки в ядрах нейтрон унаслідок взаємодії з іншими нуклонами набуває стабільності. Вільний нейтрон живе в середньому 15 хв. Це довели експериментально лише після того, як було побудовано ядерні реактори, що дають потужні пучки нейтронів.

Як і інші частинки, нейтрино ν має античастинку, яку називають антинейтрино ṽ. Під час розпаду нейтрона на протон і електрон випромінюється саме антинейтрино: n → р + е + ṽ.

Енергія нейтрона завжди більша від суми енергій протона й електрона. Надлишкову енергію виносить із собою антинейтрино.

Розпад частинки зовсім не ознака того, що вона не елементарна. Нейтрон, незважаючи на свою нестабільність, вважається елементарною частинкою, а дейтрон складається з нейтрона і протона, хоч він і стабільний.

У свій час було відкрито групу «дивних» частинок: К-мезонів і гіперонів з масами, більшими від маси нуклонів. У 70-ті роки XX ст. до них приєдналася велика група «зачарованих» частинок, які мають ще більші маси. Крім того, було відкрито частинки з коротким життям — близько 10 -22 -10 -23 с. Ці частинки назвали резонансами, їх було понад 200.

Якщо до таблиці елементарних частинок не вносити резонанси і «зачаровані» частинки, то матимемо 39 частинок. Усі частинки поділяють на групи:

Лептони. Це 12 частинок (з античастинками). Є 3 види нейтрино: електронне нейтрино народжується разом з електронами, мюонне нейтрино — з μ-мезонами і τ-мезонне нейтрино — з τ-мезонами. Далі йдуть електрон, μ-мезон і τ-мезон, відкритий у 1975 р.

Мезони. Ця група має 8 частинок. Найлегші з них π-мезони: позитивні, негативні й нейтральні. Їхні маси — 264 (π°) і 273 (π + , π – ) електронних мас. Піони — це кванти ядерного поля, подібно до того, як фотони є квантами електромагнітного поля. Ще є 4 К-мезони і 1 η°-мезон.

Баріони. До цієї групи входять 18 частинок із 39. Найлегші баріони — це протони і нейтрони. За ними йдуть так звані гіперони. Таблицю замикає Ω – -частинка (омега мінус), відкрита в 1964 р., її маса в 3273 рази більша від маси електрона. Існування великої кількості частинок наводить на думку, що не всі вони однаково елементарні.

Ще в 1963 р. Маррі Гелл-Ман (1929) і Джордж Цвейг (1937) запропонували модель, за якою всі частинки, що беруть участь у сильних (ядерних) взаємодіях, народжені з фундаментальніших (або первинних) частинок — кварків.

Кваркам приписали дробові електричні заряди, їх позначають літерами: u, d, s. Перший — u-кварк — має заряд 2/3е, a d- і s-кварк мають однакові заряди по -1/3е (де е — модуль заряду електрона). Протон складається з двох u-кварків і одного d-кварка; піони складаються з комбінації кварк-антикварк і т. д. Дивні частинки (каони і гіперони) містять важчий s-кварк, його називають «дивним».

Передбачалося існування четвертого с-кварка, його назвали «зачарованим». Потім експериментально виявили частинки, до яких входить цей кварк. Маса с-кварка більша за масу s-кварка.

За сучасними уявленнями, усі лептони, як і кварки, не мають внутрішньої структури. Тому їх можна вважати справді елементарними частинками. Без античастинок відкрито 6 лептонів. Відкрито 5 кварків. П’ятий — це так званий b-кварк, маса якого більша від маси с-кварка. Припускають, що є ще й шостий кварк, масивніший за b-кварк. Теоретичний аналіз приводить до висновку про те, що має бути кварк-лептонна симетрія — речовина, побудована із шести різних лептонів і шести різних кварків. Разом з їхніми античастинками цих справжніх елементарних частинок налічується 24.

До них треба ще додати квант електромагнітного поля — фотон — і кванти поля, що зумовлює міжкваркові взаємодії. Частинки міжкваркового поля називають глюонами. Експериментально глюонів поки що не виявлено. Є ще кванти поля слабких взаємодій — векторні бозони. їх вперше виявлено 1983 р. на Женевському прискорювачі.

До застосування потужних прискорювачів заряджених частинок єдиним джерелом частинок з енергією, достатньою для утворення мезонів і гіперонів, було космічне випромінювання.

Космічне випромінювання — потік атомних ядер (в основному протонів), що потрапляє на Землю зі світового простору й утворює в земній атмосфері вторинне випромінювання, у якому виявлено багато елементарних частинок.

Відкриття космічного випромінювання пов’язане з проведенням на початку XX ст. дослідів, які вказували на існування слабкої йонізації повітря, що спричиняла розряд електроскопів, екранованих товстим шаром речовини. Дослідження причин цього ефекту привели до відкриття випромінювання неземного походження, яке пізніше назвали космічним. Середня енергія космічних частинок становила близько 10 ГеВ, а енергія окремих частинок сягала 10 10 ГеВ. Потік первинного космічного випромінювання на межі атмосфери в період мінімуму сонячної активності становить 7 · 10 2 . 10 4 частинок на 1 м 2 /с і збільшується в кілька разів з наближенням до максимуму активності. Потік заряджених частинок на рівні моря дорівнює в середньому 1,7 · 10 2 частинок на 1 м 2 /с і мало змінюється із сонячною активністю.

Учені вважають, що головним джерелом космічного випромінювання є так звані пульсари, яких у нашій Галактиці нараховується близько 10 млн. Характерну перевагу важких елементів у складі первинного космічного випромінювання, очевидно, можна пояснити переважним прискоренням важких ядер (Z > 20) у джерелах космічного випромінювання. Поява легких елементів у складі космічного випромінювання спричинена розщепленням важких ядер при взаємодії з ядрами міжзоряного газу.

Для реєстрації елементарних частинок використовують прилади, які призначено для знаходження та ідентифікації заряджених частинок. Дія всіх приладів ґрунтується на загальному принципі: заряджені частинки, потрапляючи в прилад, пролітають через речовину, при цьому можуть спричиняти збудження атомів, їх йонізацію.

Перший детектор елементарних частинок — спінтарископ Крукса (мал. 3.32), що ґрунтується на сцинтиляційному методі, з’явився в 1903 р. Він давав змогу зареєструвати наявність зарядженої частинки. Йому на зміну в 1908 р. прийшов газорозрядний лічильник (мал. 3.33). Німецький фізик Ханс Гейгер (1882-1945) використовував для рахунку заряджених частинок газовий розряд (виникнення іскри розряду в газі при проходженні частинки). Цей лічильник реєстрував α-випромінювання радіоактивних елементів. Пізніше, у 1913 р., Гейгер разом з іншим ученим Ервіном Мюллером (1911-1977) удосконалив свій прилад, який тепер працював у сфері самостійного розряду. Газорозрядні лічильники дають змогу лише реєструвати факт проходження через них частинок і визначити деякі їхні характеристики.

Ханс Гейгер

Важливу роль у ядерних дослідженнях відіграють прилади, які дають змогу зафіксувати трек (слід) зарядженої частинки.

У 1912 р. шотландський учений Чарльз Вільсон (1869-1959) створив прилад для реєстрації частинок — туманну камеру (мал. 3.34). Її дія ґрунтується на конденсації перенасиченої пари на йонах з утворенням крапель води. Слід частинки видимий, і його можна сфотографувати.

Інший трековий прилад з’явився у 1952 р. Американський учений Дональд Глазер (1926-2013) створив бульбашкову камеру, у якій частинки рухаються в перегрітій рідині, і при цьому утворюються бульбашки пари (мал. 3.35).

Для реєстрації частинок використовують ще один метод — метод товстошарових емульсій, у якому фотографуються заряджені частинки.

Усі сучасні реєстрації ядерних частинок ділять на 2 групи: 1. Лічильні методи, ґрунтуються на використанні приладів, які рахують число частинок того чи іншого типу. 2. Трекові методи, які дають змогу відтворювати слід частинки.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Електрон — найлегша із заряджених частинок. За яким із законів, які ви знаєте, не можна перетворити електрон у фотон?
• 2. Під час анігіляції електрона і позитрона, які рухаються повільно, утворилося 2 γ-кванти. Під яким кутом один відносно одного вони розлітаються?
• 3. Яка частота γ-квантів, що виникають за умов, зазначених у попередньому запитанні?
• 4. Чому вільний нейтрон розпадається на протон, електрон та антинейтрино, а вільний протон не може розпастися на нейтрон, позитрон і нейтрино?
• 5. Що таке кварк?
• 6. Що таке космічне випромінювання?
• 7. Які методи реєстрації елементарних частинок ви знаєте?
• 8. Чи можна в камері Вільсона спостерігати трек зарядженої частинки із часом життя 10 -23 с?

РОЗВ’ЯЗУЄМО РАЗОМ

1. Чому нейтрони є кращими снарядами для руйнування ядра атома, ніж протони, електрони, α-частинки?

Відповідь. Нейтрон завдяки своїй нейтральності з будь-якою енергією (від часток до кількох мільйонів електрон-вольт) вільно проникає в будь-яке ядро, включаючи і важкі. Але в кожному конкретному випадку частинки-снаряди повинні мати відповідну енергію.

2. Скільки відбувається α- і β-розпадів під час радіоактивного розпаду 238 ₉₂U, якщо він перетворюється в 198 ₈₂Рb?

3. При зіткненні α-частинки з ядром бора 10 ₅В відбулась ядерна реакція, унаслідок якої утворилося 2 нових ядра. Одне із цих ядер було ядро атома Гідрогену 1 ₁H. Визначте порядковий номер і масове число другого ядра, дайте символічний запис ядерної реакції і визначте її енергетичний ефект.

4. Визначте добові витрати Урану 238 ₉₂U на атомній електростанції потужністю 7 МВт, якщо ККД електростанції 20 %. При кожному розпаді виділяється енергія 200 МеВ.

Електричний заряд і елементарні частинки

Чи зможете ви коротко і ємко відповісти на питання: « Що таке електричний заряд? » Це може здатися просто на перший погляд, але на ділі виявляється набагато складніше.

Чи відомо нам, що таке електричний заряд
Справа в тому, що на сучасному рівні знань ми ще не можемо розкласти поняття «заряд» на більш прості складові. Це основоположне, так би мовити, первинне поняття.

Нам відомо, що це певна властивість елементарних частинок, відомий механізм взаємодії зарядів, ми можемо виміряти заряд і використовувати його властивості.

Однак все це наслідок даних, отриманих дослідним шляхом. Природа цього явища нам до цих пір не ясна. Тому однозначно визначити, що таке електричний заряд, ми не можемо.

Для цього необхідно розкрити ціле коло понять. Роз’яснити механізм взаємодії зарядів і описати їх властивості. Тому простіше розібратися, що означає твердження: « дана частка має (несе на собі) електричний заряд ».

Наявність електричного заряду у частинки
Загальновідомо, що всі тіла складаються з найдрібніших частинок. Будь-яке тіло можна розділити на молекули, молекули на атоми, а атоми, у свою чергу, діляться на ще менші складові, які вже є неподільними.

Клас найменших неподільних частинок назвали елементарними частинками. Спочатку це були протон, електрон і нейтрон. Відкриття протона і нейтрона.

Проте пізніше вдалося встановити, що кількість елементарних частинок набагато більше, і що протон, електрон і нейтрон не є неподільними і основоположними будматеріалами Всесвіту. Вони самі можуть розкладатися на складові і перетворюватися в інші види часток.

Тому назва « елементарна частка » в даний час включає досить великий клас частинок, менших за розміром, ніж атоми і ядра атомів. При цьому частинки можуть мати самі різні властивості і якості.

Однак, така властивість, як електричний заряд, буває тільки двох типів, які умовно назвали позитивним і негативним. Наявність заряду у частинки це її властивість відштовхуватися або притягатися до іншої частці, яка теж несе на собі заряд. Напрямок взаємодії при цьому залежить від типу зарядів.

Однойменні заряди відштовхуються, різнойменні притягуються. При цьому сила взаємодії між зарядами дуже велика в порівнянні з гравітаційними силами, властивими всім без винятку тілам у Всесвіті.

У ядрі водню, для прикладу, електрон, що несе негативний заряд, притягується до ядра, що складається з протона та несучого позитивний заряд, з силою в 1039 разів більшою, ніж сила, з якою той же електрон притягається протоном за рахунок гравітаційної взаємодії.

Частинки можуть нести на собі заряд або не нести, залежно від типу частинки. Проте « зняти» заряд з частинки неможливо, точно так само, як неможливо й існування заряду поза частинки.

Крім протона і нейтрона заряд несуть на собі деякі інші види елементарних частинок, проте необмежено довго існувати можуть тільки ці дві частинки.

Решта заряджені частинки існують дуже малий час (порядку 10-10 секунди або менше) і перетворюються в інші види часток.

Електричний заряд і елементарні частинки

Чи зможете ви коротко і ємко відповісти на питання: « Що таке електричний заряд? » Це може здатися просто на перший погляд, але на ділі виявляється набагато складніше.

Чи відомо нам, що таке електричний заряд
Справа в тому, що на сучасному рівні знань ми ще не можемо розкласти поняття «заряд» на більш прості складові. Це основоположне, так би мовити, первинне поняття.

Нам відомо, що це певна властивість елементарних частинок, відомий механізм взаємодії зарядів, ми можемо виміряти заряд і використовувати його властивості.

Однак все це наслідок даних, отриманих дослідним шляхом. Природа цього явища нам до цих пір не ясна. Тому однозначно визначити, що таке електричний заряд, ми не можемо.

Для цього необхідно розкрити ціле коло понять. Роз’яснити механізм взаємодії зарядів і описати їх властивості. Тому простіше розібратися, що означає твердження: « дана частка має (несе на собі) електричний заряд ».

Наявність електричного заряду у частинки
Загальновідомо, що всі тіла складаються з найдрібніших частинок. Будь-яке тіло можна розділити на молекули, молекули на атоми, а атоми, у свою чергу, діляться на ще менші складові, які вже є неподільними.

Клас найменших неподільних частинок назвали елементарними частинками. Спочатку це були протон, електрон і нейтрон. Відкриття протона і нейтрона.

Проте пізніше вдалося встановити, що кількість елементарних частинок набагато більше, і що протон, електрон і нейтрон не є неподільними і основоположними будматеріалами Всесвіту. Вони самі можуть розкладатися на складові і перетворюватися в інші види часток.

Тому назва « елементарна частка » в даний час включає досить великий клас частинок, менших за розміром, ніж атоми і ядра атомів. При цьому частинки можуть мати самі різні властивості і якості.

Однак, така властивість, як електричний заряд, буває тільки двох типів, які умовно назвали позитивним і негативним. Наявність заряду у частинки це її властивість відштовхуватися або притягатися до іншої частці, яка теж несе на собі заряд. Напрямок взаємодії при цьому залежить від типу зарядів.

Однойменні заряди відштовхуються, різнойменні притягуються. При цьому сила взаємодії між зарядами дуже велика в порівнянні з гравітаційними силами, властивими всім без винятку тілам у Всесвіті.

У ядрі водню, для прикладу, електрон, що несе негативний заряд, притягується до ядра, що складається з протона та несучого позитивний заряд, з силою в 1039 разів більшою, ніж сила, з якою той же електрон притягається протоном за рахунок гравітаційної взаємодії.

Частинки можуть нести на собі заряд або не нести, залежно від типу частинки. Проте « зняти» заряд з частинки неможливо, точно так само, як неможливо й існування заряду поза частинки.

Крім протона і нейтрона заряд несуть на собі деякі інші види елементарних частинок, проте необмежено довго існувати можуть тільки ці дві частинки.

Решта заряджені частинки існують дуже малий час (порядку 10-10 секунди або менше) і перетворюються в інші види часток.

§ 63. Елементарні частинки

Поняття елементарної частинки. Ще 1949 р. Луї де Бройль (1892-1987, Франція) запропонував створити міжнародну організацію для здійснення наукових досліджень мікросвіту. У 1954 р. офіційно відкрито європейську організацію з ядерних досліджень (ЦЕРН) — найбільшу у світі лабораторію фізики високих енергій. Сьогодні фізика елементарних частинок стала новою, великою і самостійною галуззю науки. Дослідження елементарних частинок у земних умовах здійснюється за допомогою прискорювачів частинок різних конструкцій: лінійних прискорювачів, циклотронів, синхрофазотронів, колайдерів (мал. 254) тощо. Проводять дослідження і природних потоків частинок — космічного проміння.

Мал. 254. Прискорювачі елементарних частинок

На початок 60-х років ХХ ст. кількість відкритих елементарних частинок стала настільки великою, що виникли сумніви, чи всі частинки, які називають елементарними, повністю відповідають цій назві.

Поняття елементарних частинок ґрунтується на факті дискретної будови речовини. Ряд елементарних частинок має складну внутрішню структуру, проте розділити їх на частини неможливо. Інші елементарні частинки є безструктурними й можуть вважатися первинними фундаментальними частинками.

Елементарна частинка — збірний термін, що належить до мікрооб’єктів у суб’ядерному масштабі.

Найхарактернішою особливістю елементарних частинок є їхня здатність до перетворень і взаємодії. Водночас дочірні частинки не є структурними складовими материнських, а народжуються в актах перетворення.

Отже, за сучасними уявленнями, елементарні частинки не просто «цеглинки» світобудови, це специфічні об’єкти мікросвіту. До того ж їм властивий особливий вид фундаментальної взаємодії — слабка взаємодія. За інтенсивністю слабка взаємодія в багато (приблизно в 10 14 ) разів менша від сильної і навіть електромагнітної взаємодії. Проте вона значно більша за гравітаційну взаємодію, оскільки маси елементарних частинок надто малі, а радіус їхньої взаємодії становить лише 10 -18 м.

Типи фундаментальних взаємодій. Щоб зрозуміти механізм слабкої взаємодії, пригадаймо інші відомі нам типи взаємодій і їхній характер.

Вивчаючи механіку, ми ознайомились із гравітаційною взаємодією (силами всесвітнього тяжіння) і деякими виявами електромагнітної взаємодії (силами пружності, тертя). В електродинаміці ми вивчили електромагнітну взаємодію, а в ядерній фізиці — сильну (ядерну).

Щоб зрозуміти характер слабкої взаємодії, звернімося ще раз до електромагнітної. На самому початку вивчення електродинаміки ми з’ясували, що електричні сили діють на відстані. Посередником, що передає взаємодію, є поле. Можна стверджувати, що сила, з якою одна заряджена частинка діє на іншу, зумовлена електричним полем, яке створює перша частинка. Аналогічним способом магнітне поле є посередником магнітних сил.

Згодом ми з’ясували, що електромагнітні поля можуть поширюватись у вигляді хвиль у просторі, а також що світлу властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм. Унаслідок чого можна пояснити електромагнітну взаємодію між зарядженими частинками: 1) як взаємодію через поле і 2) як обмін фотонами між частинками.

На малюнку 255 зображено наочний приклад того, як у результаті обміну частинками відбувається взаємодія. На малюнку 255, а діти кидають одне в одного подушки. Спіймавши подушку, кожна дитина відкочується назад. Це ілюстрація сили відштовхування. Якщо діти намагаються вирвати подушки з рук одне одного (мал. 255, б), то кожний тягне партнера до себе. Це ілюстрація сили притягання.

Мал. 255. Ілюстрація обмінного характеру взаємодії

Подібним чином може відбуватись електромагнітна взаємодія між зарядженими частинками: одна із заряджених частинок випромінює фотон і зазнає внаслідок цього віддачу. Інша частинка поглинає фотон. За такої взаємодії відбувається передача енергії та імпульсу від однієї частинки до іншої, і посередником при цьому є фотон.

У 1935 р. японський фізик Хідекі Юкава (1907-1981) висловив припущення, що подібним чином відбувається і сильна взаємодія між нуклонами в ядрі. Подальші дослідження показали, що посередником сильної взаємодії є глюони.

Таким чином, природно припустити, що мають існувати посередники слабкої та гравітаційної взаємодій. Пошук таких частинок тривав десятиліття. У 1983 р. Карло Руббіа заявив про довгоочікуване відкриття проміжних бозонів — частинок, через які відбуваються слабкі взаємодії.

Пошук квантів гравітаційного поля — гравітонів — поки що не дав результатів.

Властивості відомих на цей час основних типів взаємодій зведено в таблиці 11.

Тип взаємодії

Характер взаємодії

Квант взаємодії