Экспериментальная ядерная физика - Мухин К.Н.
ISBN 5-283-04076-3
Скачать (прямая ссылка):
Часть четвертая
ПЕПТОНЫ, АДРОНЫ, КВАРКИ
§ 99. Введение к части четвертой
1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Прежде чем говорить о свойствах элементарных частиц, требуется дать определение элементарности. Что такое элементарная частица? Оказывается, ответить на этот вопрос очень трудно.
На различных ступенях человеческого знания существовали разные представления об элементарности. Первые известные нам попытки сведения всех веществ, из которых построен мир, к нескольким простым, элементарным видам вещества были предприняты еще 2500 лет назад великими древнегреческими философами-материалистами Фалесом, Гераклитом и Эм-педоклом. Они считали, что все материальные тела состоят из четырех вечно существующих элементов: земли, воды, воздуха и огня, которые, смешиваясь в разных пропорциях, дают вещества с разными свойствами. Огромная ценность этого мировоззрения заключалась в признании материальности мира. Однако взгляды древних материалистов не могли опираться на конкретные знания о природе вещества и потому носили сугубо отвлеченный характер.
Крупным шагом вперед по пути развития наших представлений о внешнем мире было открытие атомно-молекуляр-ного строения веществ. Это открытие стало возможным только после длительного процесса накопления конкретных сведений о веществах, их составе и превращениях. Оказалось, что все основные свойства данного вещества несет в себе мельчайшая частичка этого вещества — молекула. Все молекулы данного вещества одинаковы, причем состав их не зависит от способа образования. Различных молекул имеется столько, сколько имеется различных веществ. Однако, и в этом была особенная ценность сделанного открытия, все огромное многообразие различных веществ можно представить в виде различных комбинаций из сравнительно небольшого (около 100) количества простейших элементов, носителями всех основных свойств которых являются частицы размерами около 10"8 см, называемые атомами. Атом в переводе с греческого означает «неделимый», т. е. в известном смысле — элементарный. Если вспомнить, что до конца XIX в. о строении атома ничего
130
Часть 4. Пептоны, адроны, кварки
не было известно, то следует признать, что для состояния науки того времени вполне естественно было считать атомы элементарными частицами.
В самом конце XIX в. впервые появились факты, которые поставили под сомнение элементарность атомов. В то время были открыты катодные и рентгеновские лучи, а- и р-радиоактивность и у-излучение радиоактивных веществ, причем оказалось, что свойствами испускать катодные и рентгеновские лучи, а также испытывать радиоактивный распад обладают различные атомы. Таким образом, возник вопрос об атоме как о сложной -системе, способной разрушаться с образованием новых атомов. Сходство свойств различных атомов позволяло надеяться на то, что устройство всех известных атомов удастся свести к разным сочетаниям и взаимодействиям небольшого числа элементарных частиц. Естественно, что на этот раз речь идет о частицах еще более элементарных, чем атомы.
В 1895 г. английский физик Дж. Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу—электрон. Открытие электрона явилось результатом подробного изучения природы катодных лучей, которые оказались потоком частиц с отрицательным электрическим зарядом, равным 4,8 Ю-10 СГСЭ и массой 9,1-10-28г, т.е. в 1837 раз меньшей, чем масса самого легкого атома (водорода)*. При этом во всех вариантах опыта с катодными лучами (разные материалы электродов, различный газ и др.) образующиеся частицы имели одинаковые массу и заряд. Исследование некоторых других явлений (электролиз, электронная эмиссия и др.) привело к аналогичному результату: в составе всех атомов содержатся в разном количестве тождественные элементарные частицы, которые при известных условиях могут отделяться от атомов. Так как атомы электрически нейтральны, то атомный остаток (ион) имеет положительный заряд, равный по значению заряду всех отделившихся электронов. Открытие электрона привело к большому успеху в развитии представлений о веществе. В частности, была развита электронная теория металлов; было получено естественное объяснение для химических сил сцепления атомов в молекуле (электрическое притяжение между электронами и положительными ионами).
При детальном изучении были обнаружены новые свойства электрона. Оказалось, что электроны обладают внутренним моментом количества движения — спином, равным й/2, и соот-
* Точное значение массы электрона и других элементарных частиц см. в таблице в конце книги.
§ 99. Введение к части четвертой
131
ветствующим ему магнитным моментом, равным одному магнетону Бора:
1МВ=— ^ = 9,27 • 1(Г21 эрг/Гс = 9,27 ¦ Ю-24 Дж/Тл*. тс 2
Открытие электрона позволило построить первую модель атома. В 1904 г. Томсон высказал предположение о том, что атом представляет собой положительно заряженный шар размером примерно 10"8 см с плавающими в нем в равновесном состоянии электронами. Малые колебания электронов приводили к испусканию атомом электромагнитного излучения— фотонов.
