В 1955 г. была экспериментально обнаружена античастица поотношению к протону — антипротон., отличающийся от протона знаком электрического заряда. Поскольку массы протона и анти протона одинаковы, для их образования требуется энергия, пре вышающая удвоенную энергию покоя протона. На опыте антипро тоны возникали в результате бомбардировки медной мишени про тонами, ускоренными в ускорителе до энергии порядка 6 Гэв. Ми нимальная же энергия для создания протонно-аитппротонной пары равна примерно 2 Гэв:
2піінс2ж2- № эв— 2Гэв.
При обратном процессе взаимодействия антипротона с прото ном образуются не у-кванты, как в случае электронно-позитронной, пары, а мезоны, обладающие колоссальной энергией. Вообще взаи модействие вещества и антивещества представляет собой самый эффективный метод получения энергии.
В 1956 г. был экспериментально обнаружен антинейтрон. Он, как и нейтрон, в целом электрически нейтрален и отличается от нейтрона знаком магнитного момента. О происхождении магнит ного момента у электрически нейтральных частиц будет сказано ниже.
Все многообразие известных в настоящее время элементарных частиц относится к следующим трем группам: легкие частицы, или лептоны; мезоны (частицы с промежуточной массой) н тяжелые частицы, или барионы.
В группу лептонов входят следующие частицы и их античас тицы: электрон, мюоны (ц-мезоны, положительный и отрицатель ный), нейтрино. Их объединяет прежде всего общий характер взаимодействия с ядрами — так называемое слабое взаимодейст вие. Мюон во многих случаях ведет себя-, как электрон.
Нейтрино и антинейтрино отличаются друг от друга так на зываемой сппралы-юстыо. Если считать спин обусловленным вра щением, то с нейтрино можно связать представление о левовинто вом вращении (левая спиральность), а с антинейтрино — пред ставление о правовинтовом вращении (правая спиральность). Правда, строго говоря, спиральность, как и многие сугубо кван товые эффекты, не может быть наглядно истолкована.
Принадлежность частицы к группе лептонов проявляется в на личии особого, так называемого лептонного' заряда: для лептоновчастиц он полагается равным единице, для лептонов-античастиц. он равен — 1. Для всех остальных частиц лептонный заряд равен нулю. Он аналогичен электрическому заряду и является такой же важной характеристикой частиц, как и электрический заряд. При всевозможных превращениях частиц обязательно выполняется за кон сохранения лептонного заряда: алгебраическая сумма лептонных зарядов частиц до превращения равна алгебраической сумме лептонных зарядов частиц, возникших в результате превращения.. Превращения, в которых нарушался бы закон сохранения лептон-
ного заряда, не осуществляются. Этот закон ограничивает мысли мое многообразие различных превращений частиц. Например, не может происходить рождения электронно-протонной пары из у-фотона, так как при этом процессе нарушился бы закон сохра нения лептонного заряда: для фотона он равен нулю, а для си стемы электрона и протона -|-1. При рождении же из фотона электронно-позитронной пары лептонный заряд сохраняется: и до
Т а б л и ц а 7
Н азван ие частицы Символ
и античастицы
Фотон
Э л е к т р о н ы : электрон позитрон
М ю о it ы: рЛ-мезои
р- -мезон
Не іі т р II и о: электронные
мюонные
Пи о н и:
д--мезон
я_-ыезон
я°-мезом
К а о и ы: К^-мезон /(--мезон /С°-мезон
анти-/(0-мезоіі
Н у к л о н ы : протон
антипротон
нейтрон
антинейтрон
Г іі п е р о н ы:
лямбда
кси
сигма
омега
V
_іе° + і<?°
М-+
, оѴги
{ oVc0
1 °'>
1 0Ѵ,Х
.-т+
я-
я0
К+ X
к - / к°
к° /
р ’
-п} 9
ЛР, л»
Е~, Е°
S + 2 ~ 2 °
Q-
|
М асса |
Спин |
Электр. |
Лептой. |
Барнон. |
Время ж изни |
|
покоя |
з а р я д |
|
п |
(среднее) |
|
";/"'ос |
п!е |
з а р я д |
з а р я д |
|
|
|
п сек. |
|
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
Стабилен |
|
|
Лептоны |
|
|
|
|
1 |
1/2 |
— 1 |
+1 |
0 |
Стабилен |
|
1 |
1/2 |
+ 1 |
—1 |
0 |
Стабилен |
|
207 |
1/2 |
+ 1 |
+1 |
0 |
2,2 • ІО“6 |
|
— 1 |
—1 |
0 |
|
0 |
1/2 |
0 |
+1 |
0 |
Стабилен |
|
—1 |
0 |
Стабилен |
|
|
|
|
|
0 |
1/2 |
0 |
+1 |
0 |
Стабилен |
|
—1 |
0 |
^табилен |
|
|
|
|
|
|
Мезоны |
|
|
|
|
273 |
0 |
-;-і |
0 |
0 |
|
|
264 |
0 |
—1 |
0 |
0 |
2,5- ІО-« |
|
0 |
0 |
0 |
1,8- 10-10 |
|
966 |
0 |
-И |
0 |
0 |
1,3- 10-8 |
|
0 |
—1 |
0 |
0 |
0,9- 10-1° |
|
|
|
975 |
0 |
0 |
0 |
0 |
5,6- 10-8 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
Бараоны |
|
|
|
|
1836 |
1/2 |
+1 |
0 |
+ ! } |
Стабилен |
|
—1 |
0 |
|
1839 |
1/2 |
0 |
0 |
+ 1 |
1000 |
|
|
|
0 |
0 |
—1 |
Р^-активиы |
превращения, и после него он остается равным нулю: 0 =
=1+ (—1).
Вгруппу мезонов входят мезоны двух типов: пионы (я-мезоны)
IIкаоны (К-мезоны).
Вгруппу барнонов входят частицы тоже двух типов: нуклоны (протон и нейтрон) и различные гипероны, т. е. сверхтяжелые ча
стицы, поскольку их массы покоя больше массы протона, превы шая ее примерно в 1,5—2 раза; они обладают одинаковым барионным зарядом: для частиц он равен 1, для античастиц — 1; для всех, остальных частиц, не входящих в эту группу, барионный заряд равен нулю. Барионный заряд подобен лептонному. Также
выполняется |
закон |
сохранения |
барионного |
заряда: |
алгебраиче |
ская сумма |
барионных зарядов частиц |
в результате прев |
ращений не |
может |
измениться. |
Закон сохранения |
барионного, |
как и лептонного, заряда играет роль некоего правила отбора, или
.правила запрета, разрешающего одни превращения и запрещаю щего другие. Например, упоминавшийся процесс превращения у-фотона в электронно-протонную пару невозможен еще и потому,, что в нем нарушался бы и закон барионного заряда: 0 ^ 0 + 1 .
Некоторые дополнительные сведения об элементарных части цах (кроме гиперонов) справочного характера приведены в таб лице 7.
Между электронным нейтрино и ц-мезонным имеется довольно тонкое различие, проявляющееся в том, что эти частицы участвуют в различных процессах. Мезонное нейтрино образуется в резуль тате распада заряженных я-мезонов, который идет по следующей схеме:
я^—)-,и++оѴц°,
Я~->|Д_ +0Ѵ(г°.
Захват мезонного нейтрино нуклоном, например, нейтроном» идет по следующей схеме:
оѵ(і°+о?г1- >чР1_ЬЦ- .
Между тем захват электронного нейтрино идет по иной схеме:.
оѵе° + і е ° .
Это различие свидетельствует о том, что электронное и мезонное нейтрино являются различными частицами. Кстати, из этих схем видно, что ц-мезои ведет себя аналогично электрону.
Здесь не рассматриваются некоторые тонкие свойства некоторых элементарных частиц (странность, изотопический спин), поскольку эти вопросы выходят далеко за пределы школьного курса физики.
Рассмотрим вопрос о том, каким образом у электрически нейт рального нейтрона может появиться магнитный момент, который обычно связан с наличием у частицы электрического заряда (вра щающаяся заряженная частица представляет собой круговой ток»
а он обладает магнитным моментом). На первый взгляд крайне странным является наличие магнитного момента у нейтрона. Труд ность была разрешена в результате исследования с т р у к т у р ы нуклонов. Элементарность нуклона, т. е. постоянное сохранение им своей целостности, не исключает возможности наличия у нуклона внутренней структуры. Простейшие, очень грубые представления о структуре нуклонов, вполне доступные для школьников, таковы. Внутри нуклона имеется определенное распределение элект рического заряда. Заряд, например, протона распределен по его объему неравномерно. Размер нуклона имеет порядок 10~15лг = = 1 ферми. В нуклоне имеется центральная часть — керн, или ядро нуклона — с радиусом примерно 0,2 ф, в которой распреде лен положительный заряд, равный примерно -{-0,35 е. В области от границы керна до 0,8 ф распределено л-мезонное облако —
так называемая |
я-мезонная |
«шуба», |
или я-мезонная |
атмосфе |
ра керна; в ней |
сосредоточен |
заряд, |
равный —{-0,5 е для |
протона |
и —0,5 е для нейтрона. Наконец, в самой внешней области нукло на, до расстояния примерно 1,45 ф, называемой «пионной стра
тосферой» |
нуклона, распределен остающийся электрический за |
ряд +0,15 |
е. |
Таким образом, различие в структуре протона и нейтрона со стоит в различии знака электрического заряда пионной «шубы» керна: у протона она я+-мезонная, а у нейтрона л~-мезонная.
Данная структура объясняет имеющиеся величины зарядов протона и нейтрона: + е у протона (+0,35е + 0,5е + 0,15е = + е) и 0 у нейтрона (0,35е— 0,5е + 0,15е = 0).
Кроме того, и это главное, такая структура позволила объяс нить все тонкости, связанные с магнитными моментами протона и нейтрона.
Структура же самой «старой» и «знакомой» элементарной ча стицы — электрона — пока изучена хуже, чем структура нуклонов. Предполагают, что и электрон содержит внутри себя тоже пионную «шубу», или пионную «атмосферу».
В настоящее время имеются данные о том, что вокруг керна нуклона существует система оболочек из нуклон-антинуклонных пар, К-і^езонов, пар пионов и виртуальных фотонов. Аналогичную структуру имеет и электрон, однако его «атмосфера» более про зрачна, чем у нуклона. Так что и в настоящее время сохраняет силу пророческое утверждение В. И. Ленина в его знаменитой книге «Материализм и эмпириокритицизм». «Электрод так же неисчер паем, как и атом, природа бесконечна».
