Многоликий протон

В-третьих, несколько лет назад физикам удалось получить аж новое агрегатное состояние материи – кварк-глюонную плазму. В этом состоянии кварки не сидят внутри отдельных протонов и нейтронов, а свободно бродят по оболочке ядерной материи. Этого можно достичь, например, разогнав тяжелые ядра в ускорителе до скорости, очень близкой к скорости света, а затем столкнув их друг с другом. В результате этого столкновения в течение очень короткого времени возникает температура в триллионы градусов, которая расплавляет ядра в кварк-глюонную плазму. Теперь выясняется, что теоретические расчеты этого ядерного синтеза требуют хорошего знания трехмерной структуры нуклонов.

Многоликий протон

Изучая структуру материи, физики выяснили, из чего состоят атомы, добрались до атомного ядра и разделили его на протоны и нейтроны. Все эти шаги были довольно просты – достаточно было разогнать частицы до необходимой энергии, столкнуть их друг с другом, после чего они распадались на свои составные части.

Но в случае с протонами и нейтронами этот трюк не сработал. Хотя они являются сложными частицами, их невозможно “разбить” при любом, даже самом сильном столкновении. Поэтому физикам потребовались десятилетия, чтобы придумать различные способы заглянуть внутрь протона и увидеть его структуру и форму. Сегодня изучение структуры протона является одной из самых активных областей физики частиц.

Природа дает подсказки

История исследований структуры протонов и нейтронов берет свое начало в 1930-х годах. Когда нейтроны были открыты наряду с протонами (1932 год), физики с удивлением обнаружили, измерив их массу, что она очень близка к массе протона. Более того, оказывается, что протоны и нейтроны “чувствуют” ядерное взаимодействие совершенно одинаково. Настолько, что с точки зрения ядерных сил протон и нейтрон можно рассматривать как два проявления одной и той же частицы – нуклона: протон – электрически заряженный нуклон, а нейтрон – нейтральный нуклон. Поменяйте протоны на нейтроны, и ядерные силы (почти) ничего не заметят.

Физики выражают это свойство природы как симметрию – ядерное взаимодействие симметрично по отношению к замене протонов на нейтроны, так же как бабочка симметрична по отношению к замене левого на правое. Эта симметрия, помимо того, что сыграла важную роль в ядерной физике, фактически стала первым указанием на то, что нуклоны имеют интересную внутреннюю структуру. Правда, в то время, в 1930-е годы, физики не знали об этом намеке.

Осознание пришло позже. Все началось с того, что в 1940-50 годах в реакциях столкновения между протонами и ядрами различных элементов ученые с удивлением обнаруживали все новые и новые частицы. Не протоны, не нейтроны, не пи-мезоны, которые к тому времени были открыты для удержания нуклонов в ядрах, а какие-то совершенно новые частицы. При всем своем разнообразии эти новые частицы обладали двумя общими свойствами. Во-первых, как и нуклоны, они охотно участвовали в ядерных взаимодействиях – сегодня мы называем такие частицы адронами. Во-вторых, они были очень нестабильны. Самые нестабильные из них распадаются на другие частицы всего за триллионную долю наносекунды, не успев преодолеть расстояние размером с атомное ядро!

Долгое время в адронном “зоопарке” царил беспорядок. В конце 1950-х годов физики познакомились с довольно большим количеством различных видов адронов, начали сравнивать их друг с другом и вдруг заметили некую общую симметрию и даже периодичность в их свойствах. Предполагается, что внутри всех адронов (включая нуклоны) находятся простые объекты, называемые “кварками”. Комбинируя кварки различными способами, можно получить различные адроны, причем именно того типа и свойств, которые были обнаружены в эксперименте.

Что делает протон протоном?

Когда физики открыли кварковую структуру адронов и узнали, что кварки бывают нескольких разновидностей, стало ясно, что из кварков можно построить множество различных частиц. Поэтому не было ничего удивительного в том, что последующие эксперименты один за другим находили новые адроны. Но среди всех адронов было обнаружено целое семейство частиц, состоящих, как и протон, только из двух u-кварки и один d-кварк. Это “братья” протона. И здесь физиков ждал сюрприз.

Во-первых, давайте сделаем простое наблюдение. Если у нас есть несколько объектов, состоящих из одинаковых “кирпичиков”, то более тяжелые объекты содержат больше “кирпичиков”, а более легкие – меньше. Это очень естественный принцип, который можно назвать принципом сочетания или принципом надстройки, и который прекрасно применим как в повседневной жизни, так и в физике. Это можно увидеть даже в структуре атомных ядер – ведь более тяжелые ядра просто состоят из большего количества протонов и нейтронов.

На уровне кварков, однако, этот принцип вообще не работает, и надо признать, что физики еще не до конца понимают, почему. Оказалось, что более тяжелые двойники протона также состоят из тех же кварков, что и протон, хотя они в полтора-два раза тяжелее протона. Они отличаются от протона (и отличаются друг от друга) не в их составе, но благодаря их взаимному распространение кварки, т.е. состояние, в котором кварки находятся по отношению друг к другу. Просто поменяйте положение кварков друг относительно друга, и вы получите другую, явно более тяжелую частицу протона.

Но что произойдет, если взять более трех кварков и соединить их вместе? Получите ли вы новую тяжелую частицу? Удивительно, но нет – кварки будут распадаться по три за раз и превращаться в несколько разных частиц. По какой-то причине природе “не нравится” объединение нескольких кварков в одну частицу! Лишь недавно, буквально в последние годы, появились намеки на то, что некоторые многокварковые частицы действительно существуют, но это лишь подчеркивает, как сильно природа их недолюбливает.

Из этой комбинаторики следует очень важный и глубокий вывод – масса адронов вовсе не складывается с массой кварков. Но если масса адрона может быть увеличена или уменьшена просто за счет рекомбинации составляющих его кирпичиков, это означает, что сами кварки вообще не отвечают за массу адрона. На самом деле, последующие эксперименты показали, что масса самих кварков составляет лишь около двух процентов массы протона, а остальная гравитация обусловлена силовым полем (особыми частицами – глюонами), которые связывают кварки вместе. Переставляя кварки, например, удаляя их друг от друга, мы изменяем глюонное облако, делая его более массивным, что увеличивает массу адрона (рис. 1).

Что происходит внутри быстро летящего протона?

Все описанное выше относится к стационарному протону, на языке физиков – это структура протона в его системе покоя. Однако в этом эксперименте впервые удалось обнаружить структуру протона в различных условиях – внутри быстрый полёт протон.

В конце 60-х гг. В экспериментах по столкновению частиц на ускорителях было замечено, что протоны, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света, ведут себя так, как будто энергия, которую они содержат, не распределена равномерно, а сосредоточена в отдельных компактных объектах. Известный физик Ричард Фейнман предложил называть эти сгустки материи внутри протонов партоны (от англ. часть часть).

В последующих экспериментах были изучены многие свойства партонов, такие как их электрический заряд, число и доля энергии протона, которую несет каждый партон. Оказалось, что заряженные партоны – это кварки, а нейтральные партоны – глюоны. Да, те самые глюоны, которые в системе покоя протона только “обслуживали” кварки, притягивая их друг к другу, теперь стали независимыми партонами и, наряду с кварками, несут “материю” и энергию быстро летящего протона. Эксперименты показали, что примерно половина энергии хранится в кварках, а половина – в глюонах.

Партоны лучше всего изучать в столкновениях между протонами и электронами. Дело в том, что, в отличие от протона, электрон не участвует в сильных ядерных взаимодействиях, и его столкновение с протоном выглядит довольно просто: электрон на очень короткое время испускает виртуальный фотон, который сталкивается с заряженным партоном и порождает в конце большое количество частиц (рис. 2). Можно сказать, что электрон является идеальным скальпелем для “разрезания” протона и расщепления его на отдельные части – хотя и на очень короткое время. Зная, как часто эти процессы происходят в ускорителе, можно измерить количество партонов внутри протона и их заряды.

Что такое партоны на самом деле?

И здесь мы приходим к еще одному поразительному открытию, сделанному физиками, изучающими столкновения частиц при высоких энергиях.

В нормальных условиях вопрос о том, из чего состоит объект, имеет универсальный ответ для всех систем отсчета. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода – независимо от того, смотрим ли мы на неподвижную или движущуюся молекулу. Однако этот принцип – казалось бы, такой естественный! – нарушается, когда речь идет об элементарных частицах, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. В одной системе отсчета сложная частица может состоять из одного набора субчастиц, а в другой системе отсчета – из другого. Оказалось, что Состав – понятие относительное.!

Как это возможно? Здесь ключевым является одно важное свойство: количество частиц в нашем мире не постоянно – частицы могут рождаться и исчезать. Например, если два электрона достаточно высокой энергии столкнуть вместе, то в дополнение к двум электронам может быть создан фотон, электрон-позитронная пара или другие частицы. Все это допускается квантовыми законами, и именно это происходит в реальных экспериментах.

Однако этот “закон несохранения” частиц действует в случае столкновений частицы. Как получается, что один и тот же протон с разных точек зрения выглядит так, будто он состоит из разного набора частиц? Дело в том, что протон – это не просто три кварка, собранные вместе. Между кварками существует глюонное поле. В общем, силовое поле (например, гравитационное или электрическое) – это некая материальная “сущность”, которая пронизывает пространство и позволяет частицам оказывать друг на друга силовое воздействие. В квантовой теории поле также состоит из частиц, но особых – виртуальных. Количество этих частиц не постоянно, они постоянно “отрываются” от кварков и поглощаются другими кварками.

Отдых Покоящийся протон действительно можно рассматривать как три кварка с глюонами, прыгающими между ними. Однако если мы посмотрим на тот же протон из другой системы отсчета, например, из окна проходящего мимо “релятивистского поезда”, то увидим совершенно другую картину. Те виртуальные глюоны, которые склеивали кварки вместе, будут казаться менее виртуальными, “более реальными” частицами. Конечно, они по-прежнему рождаются и поглощаются кварками, но некоторое время они живут независимо, пролетая мимо кварков, как если бы они были настоящими частицами. То, что выглядит как простое силовое поле в одной системе отсчета, превращается в поток частиц в другой системе! Обратите внимание, что мы не касаемся самого протона, а только смотрим на него из другой рамки.

Дальше – больше. Чем больше скорость нашего “релятивистского поезда” приближается к скорости света, тем более удивительную картину мы увидим внутри протона. По мере приближения к скорости света мы заметим, что глюонов внутри протона становится все больше и больше. Более того, они иногда распадаются на кварк-антикварковые пары, которые также пролетают мимо друг друга и также считаются партонами. В результате ультрарелятивистский протон, то есть протон, движущийся относительно нас со скоростью, очень близкой к скорости света, предстает в виде взаимопроникающих облаков кварков, антикварков и глюонов, которые летят вместе и как бы поддерживают друг друга (рис. 3).

Читатель, знакомый с теорией относительности, может насторожиться. Вся физика основана на принципе, что любой процесс протекает одинаково во всех инерциальных системах отсчета. И тут выясняется, что состав протона зависит от системы отсчета, из которой мы его наблюдаем!

Да, именно так, но это никоим образом не нарушает принцип относительности. Результаты физических процессов – например, какие частицы и сколько их образуется при столкновениях – действительно оказываются неизменными, даже если состав протона зависит от системы отсчета.

Эта необычная на первый взгляд, но подчиняющаяся всем законам физики ситуация схематически изображена на рис. 4. На нем показано, как выглядит столкновение двух протонов высокой энергии в разных системах отсчета: в системе покоя одного протона, в центре масс и в системе покоя другого протона. Взаимодействие между протонами происходит через каскад расщепленных глюонов, но только в одном случае этот каскад рассматривается как “внутренность” одного протона, во втором случае он является частью другого протона, а в третьем случае это просто некий объект, которым обмениваются два протона. Этот каскад существует, он реален, но к какой части процесса его следует отнести, зависит от системы отсчета.

Трехмерный портрет протона

Все результаты, которые мы только что описали, были основаны на экспериментах, проведенных довольно давно – в 1960-70-х годах. Казалось бы, с тех пор все должно было быть расследовано и на все вопросы должны были найтись ответы. Но нет – структура протона по-прежнему остается одной из самых интересных тем в физике частиц. Более того, в последние годы интерес к ней вновь возрос, поскольку физики поняли, как получить “трехмерный” портрет быстро движущегося протона, что гораздо сложнее, чем портрет неподвижного протона.

Классические эксперименты по столкновению протонов говорят только о количестве партонов и их энергетическом распределении. В таких экспериментах партоны участвуют как самостоятельные объекты, а значит, из них невозможно выяснить, как партоны расположены друг относительно друга, как именно они собираются в протон. Можно сказать, что долгое время в распоряжении физиков был лишь “одномерный” портрет быстро летящего протона.

Чтобы построить настоящий трехмерный портрет протона и узнать о распределении партонов в пространстве, необходимы гораздо более тонкие эксперименты, чем это было возможно 40 лет назад. Такие эксперименты стали известны физикам совсем недавно, буквально в последнее десятилетие. Они поняли, что среди огромного количества различных реакций, которые происходят при столкновении электрона с протоном, есть одна особенная. глубокое виртуальное комптоновское рассеяние, — которые могут рассказать нам о трехмерной структуре протона.

В общем, комптоновское рассеяние, или эффект Комптона, – это упругое столкновение фотона с какой-либо частицей, например, протоном. Это выглядит следующим образом: приходит фотон, поглощается протоном, который на короткое время переходит в возбужденное состояние, а затем возвращается в исходное состояние, испуская фотон в определенном направлении.

Комптоновское рассеяние фотонов обычного света не приводит ни к чему интересному – это просто обычное отражение света от протона. Для того чтобы “почувствовать” внутреннюю структуру протона и “ощутить” распределение кварков, необходимо использовать фотоны очень высокой энергии – в миллиарды раз выше, чем у обычного света. И такие фотоны – хотя и виртуальные – легко генерируются сталкивающимся электроном. Если мы теперь объединим одно с другим, то получим глубоко-виртуальное комптоновское рассеяние (рис. 5).

Главная особенность этой реакции заключается в том, что она не разрушает протон. Входящий фотон не просто ударяется о протон, а как бы тщательно его исследует, а затем улетает. В какую сторону он улетит и сколько энергии отнимет у протона, зависит от структуры протона, от взаимного расположения партонов внутри него. Поэтому, изучая этот процесс, можно воссоздать трехмерный облик протона, как бы “формируя” его скульптуру.

Однако для физика-экспериментатора это очень сложно. Желаемый процесс происходит довольно редко и его трудно зафиксировать. Первые экспериментальные данные по этой реакции были получены только в 2001 году на ускорителе HERA в немецком ускорительном комплексе DESY в Гамбурге; в настоящее время экспериментаторы собирают новую серию данных. Но уже сейчас, на основе первых данных, теоретики рисуют трехмерные распределения кварков и глюонов в протоне. Физическая величина, о которой физики обычно строили догадки, наконец-то начала “проявляться” в экспериментах.

Будут ли какие-нибудь неожиданные открытия в этой области? Вполне возможно, да. Для иллюстрации скажем, что в ноябре 2008 года была опубликована интересная теоретическая статья, в которой утверждалось, что быстро летящий протон должен иметь форму не плоского диска, а двояковогнутой линзы. Это объясняется тем, что партоны, расположенные в центральной области протона, более сжаты в продольном направлении, чем партоны, расположенные по краям. Было бы очень интересно проверить эти теоретические предсказания экспериментально!

Почему физики интересуются всем этим?

Почему физикам необходимо знать, как именно распределена материя внутри протонов и нейтронов?

Во-первых, этого требует сама логика физики. В мире существует множество поразительно сложных систем, с которыми современная теоретическая физика пока не может полностью справиться. Одной из таких систем являются адроны. Занимаясь структурой адронов, мы оттачиваем возможности теоретической физики, которая может оказаться универсальной и, возможно, помочь в чем-то совершенно другом, например, в изучении сверхпроводников или других материалов с необычными свойствами.

Во-вторых, есть непосредственная польза от ядерной физики. Несмотря на почти столетие исследований атомных ядер, теоретики до сих пор не знают точного закона взаимодействия протонов и нейтронов.

Они должны угадать этот закон частично на основе экспериментальных данных и частично построенный на основе знаний о структуре нуклонов. Именно здесь могут помочь новые данные о трехмерной структуре нуклонов.

В-третьих, несколько лет назад физикам удалось получить не что иное, как новое агрегатное состояние материи – кварк-глюонную плазму. В этом состоянии кварки не сидят внутри отдельных протонов и нейтронов, а свободно перемещаются сквозь сгусток ядерной материи. Этого можно достичь, например, разогнав тяжелые ядра в ускорителе до скорости, очень близкой к скорости света, а затем столкнув их друг с другом. В результате этого столкновения в течение очень короткого времени возникает температура в триллионы градусов, которая расплавляет ядра в кварк-глюонную плазму. Получается, что теоретические расчеты этого ядерного распада требуют хорошего знания трехмерной структуры нуклонов.

Наконец, эти данные очень полезны для астрофизики. Когда тяжелые звезды взрываются в конце своей жизни, они часто оставляют после себя чрезвычайно компактные объекты – нейтронные звезды и, возможно, кварковые звезды. Ядро этих звезд полностью состоит из нейтронов и, возможно, даже из холодной кварк-глюонной плазмы. Такие звезды уже давно открыты, но что происходит внутри них, остается только догадываться. Поэтому хорошее понимание распределения кварков может привести к прогрессу и в астрофизике.

ПРОТОН – 1) Искусственный спутник Земли, используемый для исследования космоса. Максимальная масса “Протона” составляет около 17 тонн. В 1965-68 годах СССР запустил 4 протона. 2) Многоступенчатая ракета-носитель, использующая жидкое топливо. В СССР она использовалась для запуска … … Большой энциклопедический словарь

Оглавление

Ядро атома водорода состоит из одного протона. С точки зрения химии, протон – это ядро атома водорода (точнее, его легкого изотопа – протона) без электрона. В физике протон обозначается как p (или p + ). Химический символ протона (считающегося положительным ионом водорода) – H+ , астрофизический символ – HII.

Протоны (наряду с нейтронами) являются основными составляющими атомных ядер. Порядковый номер химического элемента в периодической таблице (а значит, и все его химические свойства) определяется исключительно зарядом ядра его атомов, который, в свою очередь, равен числу протонов в ядре (протонное число).

Протоны и нейтроны – это нуклоны, которые могут быть связаны между собой ядерными силами, образуя атомные ядра. Ядро наиболее распространенного изотопа атома водорода (с химическим символом “H”) состоит из одного протона. Ядра тяжелых изотопов водорода – дейтерия и трития – содержат один протон, связанный с одним и двумя нейтронами соответственно. Все другие типы атомных ядер состоят из двух или более протонов и различного количества нейтронов.

История

Концепция водоподобной частицы как компонента других атомов развивалась в течение длительного периода времени. Еще в 1815 году Уильям Праут предположил, что все атомы состоят из атомов водорода (которые он назвал “протилами”), основываясь на упрощенной интерпретации ранних атомных масс (см. гипотеза Праута ), которая была опровергнута после получения более точных значений. измеренный.

В 1886 году Евгений Гольдштейн открыл канальные лучи (также известные как анодные лучи) и показал, что они являются положительно заряженными частицами (ионами), образующимися в газах. Однако, поскольку частицы из разных газов имели разные значения отношения заряда к массе (e/m), их нельзя было идентифицировать как одну частицу, в отличие от отрицательных электронов, открытых J . Дж. Томсон . Вильгельм Вин в 1898 году определил ион водорода как частицу с наибольшим отношением заряда к массе в ионизированных газах.

После открытия атомного ядра Эрнестом Резерфордом в 1911 году Антониус ван ден Брук предположил, что место каждого элемента в периодической таблице (его атомный номер) равно его ядерному заряду. Это было подтверждено экспериментально Генри Мозли в 1913 году с помощью рентгеновского спектра.

В 1917 г. (в экспериментах, опубликованных в 1919 и 1925 годах) Резерфорд доказал, что ядро водорода присутствует в других ядрах, что обычно называют открытием протонов. Эти эксперименты начались после того, как Резерфорд заметил, что когда альфа-частицы выбрасывались в воздух (в основном в азот), его сцинтилляционные детекторы показывали в качестве продукта характерные признаки типичных ядер водорода. После своих экспериментов Резерфорд проследил реакцию на азоте в воздухе и обнаружил, что при введении альфа-частиц в чистый газообразный азот эффект был сильнее. В 1919 году. Резерфорд предположил, что альфа-частица просто выбила протон из азота, превратив его в углерод. После наблюдения за изображениями с камеры Уилсона Блэкетта в 1925 году. Резерфорд понял, что альфа-частица поглощается. После захвата альфа-частицы ядро водорода выбрасывается, так что в результате образуется тяжелый кислород, а не углерод, т.е. Z увеличивается, а не уменьшается (см. ниже раздел “Начальная предложенная реакция”). Это была первая описанная ядерная реакция, 14 N + α → 17 O + p. Резерфорд впервые подумал о современном “p” в этом уравнении как об ионе водорода H+.

В зависимости от вашей точки зрения, моментом “открытия” протона можно считать 1919 год (когда было экспериментально установлено, что он происходит из источника, отличного от водорода) или 1920 год (когда он был признан и предложен в качестве элементарной частицы).

Резерфорд знал, что водород является самым простым и легким элементом, и на него повлияла гипотеза Праута о том, что водород является строительным блоком всех элементов. Открытие того, что ядро водорода присутствует в других ядрах как элементарная частица, заставило Резерфорда дать ядру водорода H+ особое название как частице, поскольку он подозревал, что водород, самый легкий элемент, содержит только одну из этих частиц. Он назвал этот новый фундаментальный строительный блок ядра протон после после среднего единственного числа греческого слова, означающего “первый”, πρῶτον. Но Рутерфорд также ссылался на слово протил, использовал Праут. Резерфорд выступал на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки в Кардиффе, которое началось 24 августа 1920 года. Резерфорд первым предположил (ошибочно, см. выше), что эта реакция азота протекает по схеме 14 N + α → 14 C + α + H +. На встрече Оливер Лодж попросил его дать положительному ядру водорода новое название, чтобы его не путали с нейтральным атомом водорода. Изначально он предложил i протон, и пруто (после Праута). Резерфорд позже сообщил, что собрание приняло его предложение назвать ядро водорода “протоном”, следуя слову Праута “протон”. Первое использование слова “протон” в научной литературе появилось в 1920 году.

Кварковая модель элементарных частиц была независимо предложена в 1964 году

Урок 30: Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия

Фундаментальные взаимодействия – Качественно различные типы взаимодействий между элементарными частицами и составными телами.

Кварк – является фундаментальной частицей в стандартной модели, имеющей электрический заряд, кратный e/3 и не обнаруживается в свободном состоянии.

Глюоны – Элементарные частицы, носители сильных взаимодействий.

Стандартная модель – это теория в физике частиц, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя теорию гравитации.

Ускоритель заряженных частиц – Класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) при высоких энергиях.

единая физическая картина мира – Единая физическая теория, объясняющая тайны мироустройства.

Основная и дополнительная литература в классе:

1 Мякишев Г.Я. Я., Буховцев Б.Б., Харугин В.В. М. Физика. 11 класс. Пособие для общеобразовательной организации М.: Просвещение, 2017 – С. 359 – 364, 408 – 412.

2.Рымкевич А. П. Сборник задач по физике. 10 – 11 степень.- М.:Дрофа, 2009 – С. 165 – 166.

Элементарный учебник физики. Учебник в 3-х томах, под научной редакцией Ландсберга Г.С.: Том 3: Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 12-е издание: М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. С. 608 – 636.

4. Джанколи Д.К. Физика в двух томах. Т.2. М.: МИР, 1989. С. 620 – 630.

Основное содержание урока.

Бесконечное разнообразие взаимодействий можно свести к четырем основным:

1. гравитационный;
2. слабый;
3. электромагнитный;
4. сильный.

Фундаментальные взаимодействия различаются по своей природе и силе.

Свойства этих четырех типов фундаментальных взаимодействий показаны в таблице.

Типы взаимодействий

Время взаимодействия,

Радиус взаимодействия,

Коэффициент интенсивности

Гравитоны (не обнаружены)

В 1916 году Альберт Эйнштейн создал Общая теория относительности (ОТО), что объясняет гравитационное взаимодействие.

Слабое взаимодействие объясняется Теория электрослабого взаимодействия (ЭСВ)Разработан в 1967 году физиками Саламом, Глэшоу и Вайнбергом на основе квантовой электродинамики.. За это они получили Нобелевскую премию в 1979 году.

В 1927 и 1940 годах Дирак, Паули, Фейнман, Швингер создали квантовая электродинамика. (CED).Что объясняет суть электромагнитного взаимодействия.

В 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия -. квантовая хромодинамика (КХД), созданный совместными усилиями многих физиков..

На основе этих двух последних теорий Стандартная модельи все его предсказания подтвердились, включая бозон Хиггса.

Стандартная модель – это теория в физике частиц, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя теорию гравитации.

Согласно этой теории, материя состоит из 24 частиц – 6 видов кварков и 6 видов лептонов, причем каждой частице соответствует античастица (всего 12 античастиц).

Лептоны – Фундаментальные частицы с полуцелым спином, которые не участвуют в сильных взаимодействиях. К лептонам относятся: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, лептон τ, нейтрино τ. Лептоны участвуют в слабых взаимодействиях. В этом классе частиц также существует электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами.

Адроны – класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Стандартная модель предполагает, что все адроны теоретически могут быть построены из трех типов кварков: u, d и s. Это наиболее протяженный класс частиц. Существует несколько сотен адронов. Адроны имеют размер около 10 -13 см и состоят из кварков. Адроны, состоящие из трех кварков, называются барионами, а состоящие из кварка и антикварка – мезонами. Наиболее известными адронами, принадлежащими к группе барионов, являются протон и нейтрон. К классу адронов относятся также гипероны Λ, Σ + , Σ 0 , Σ – , π-мезоны, K-мезоны и другие частицы.

кварк – является фундаментальной частицей Стандартной модели, имеющей электрический заряд, кратный e/3 и не обнаруживается в свободном состоянии.

Кварки – это бесструктурные, точечные частицы, размеры которых составляют около 10-16 см, что примерно в 20 000 раз меньше протона.

Протоны и нейтроны состоят из трех кварков: u, d и s.

Протон как структура из двух u-кварков и одного d-кварка

Нейтрон как структура из двух d-кварков и одного u-кварка

Кварковая модель элементарных частиц была выдвинута независимо в 1964 году

Американские физики Мюррей Гел-Манн и Джордж Цвейг в 1964 году.

В настоящее время считается, что существует 6 разновидностей (чаще говорят: ароматов) кварков: u, d, s, c, b, t.

Некоторые свойства кварков

Кварки имеют и дополнительное неотъемлемое свойство, называемое цвет .. Каждый вкус кварка имеет свой цвет – красный, зеленый и синий.

Кварк одного цвета может превратиться в кварк другого цвета, испуская кварк цвета глюон – частица, переносящая сильные взаимодействия. Кварки в адронах находятся в таких цветовых состояниях, что общий цветовой заряд адрона равен нулю. Считается, что адроны бесцветные или белые.

Физика высоких энергий находится в постоянном поиске и развитии. На этом этапе действительно элементарно (т.е. без структуры) считаются кварки, лептоны, полевые кванты (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитоны) и частица Хиггса.

Чтобы понять сложные законы микромира, используются ускорители заряженных частиц.

Ускоритель заряженных частиц – Класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) при высоких энергиях.

Принцип работы всех ускорителей прост – заряженные частицы ускоряются электрическим полем, а магнитное поле создает силу Лоренца, которая отклоняет частицу без изменения ее энергии и определяет орбиту, по которой движутся частицы.

Структурно акселераторы можно разделить на две большие группы:

1. Линейные ускорителигде пучок частиц проходит один раз через ускоряющие промежутки;
2. циклические ускорителив которых пучки движутся по замкнутым кривым (например, окружностям), многократно проходя через промежутки ускорителя.

Типы циклических ускорителей:

1. Бетатрон;
2. Циклотрон;
3. микротрон;
4. Кольцевой фазотрон ФФАГ;
5. Фазотрон;
6. синхрофазотрон;
7. синхротрон;
8. акселератор-приемник.

Также можно классифицировать ускорители в зависимости от их назначения:

1. коллайдеры,
2. источники нейтронов,
3. форсажные камеры,
4. источники синхротронного излучения,
5. центры лечения рака,
6. промышленные акселераторы.

Современные ускорители – это огромные, дорогостоящие комплексы, построенные усилиями многих стран.

Единая физическая картина мира.

Физический образ мира следовал за развитием науки: с самого начала он основывался на атомная механикаИдея заключается в том, что все вещи состоят из независимых элементов, и что все в мире основано на движении, соединении и разъединении этих элементов. Тогда механическая картина мира … …механический взгляд на мир…основанные на законах классической механики Ньютона. Однако при изучении электромагнитных процессов оказалось, что они не совместимы с ньютоновской механикой. Максвелл открыл новый вид фундаментального закона – закон поведения электромагнитного поля. Развитие электродинамики привело к попыткам построить единый электромагнитная картина мира. Утверждалось, что все события в мире управляются законами электромагнитных взаимодействий. Электромагнитный взгляд на мир увенчался созданием Эйнштейном специальной теории относительности. Эта теория заставила переосмыслить пространство и время. Эксперименты в Европейском центре ядерных исследований (CERN), где достигнуты скорости частиц, составляющие 0,99999 скорости света, подтвердили все выводы теории относительности – сокращение длины, замедление времени, нелинейное увеличение импульса.

В первой половине 20-го века был открыт фундаментальный факт: все элементарные частицы способны превращаться друг в друга. Основным принципом единой картины мира стало единство в строении материи. Но единство мира проявляется в законах движения частиц и в законах их взаимодействия.

Революционное изменение в классических представлениях произошло после открытия квантовых свойств материи. Принципы квантовой теории достаточно общие, но многое еще предстоит открыть

Предпринимаются попытки разработать общую теорию для всех типов взаимодействий, между которыми существует определенная связь. Электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия уже объединены в теория Великого объединения. Конечной целью физики является включение гравитационных сил в эту теорию. Возможно, кто-то из вас вскоре сможет решить эту сложную проблему.

Упражнение по решению проблем

1. Разгадайте кроссворд.

1) Один из создателей QED;

5) название кварка u.

2) один из создателей кварковой модели;

4) носитель сильных взаимодействий.

Ответ: Горизонтально: 1) Паули; 5) верх;

По вертикали: 2) Цвейг; 3) истина; 4) глюон.

2. Определите по рисунку: 1) сколько кварков входит в состав протона и сколько в состав нейтрона; 2) сколько кварков входит в состав π-мезонов?

Состав кварков в протоне и нейтроне

Состав кварков в + -мезоне и -мезоне

Ответ: 1) протон и нейтрон состоят из трех кварков; 2) π-мезоны состоят из двух кварков.

Классификация элементарных частиц

Элементарные частицы

Аннотация: Введение в историю открытия, свойства элементарных частиц. Традиционное изложение темы.

100 лет назад было известно 3 элементарных частицы, сегодня (2020 год) – более 350.

Термин “элементарные” первоначально подразумевал, что эти частицы представляют собой кирпичики материи, не имеющие внутренней структуры. В настоящее время только некоторые частицы (электрон, нейтрино, кварки и т.д.) считаются бесструктурными. Давайте рассмотрим все по порядку.

Первое поколение элементарных частиц (электрон, протон, нейтрон, нейтрино, фотон)

В своих экспериментах по прохождению электрического тока через разбавленные газы У. Крукс изучал свойства излучения, испускаемого катодом. Это излучение

• вызывает свечение некоторых веществ
• обладает кинетической энергией, поскольку заставляет вращаться катушку, расположенную на его пути
• отклоняется магнитным полем
• негативно взимается

Крукс считал, что это заряженные молекулы газа.

В 1897 году английский физик Дж. Дж. Крукс считал, что это заряженные частицы газа. Томсон, проводя эксперименты по изучению влияния электрических и магнитных полей на это излучение, определил скорость составляющих его частиц. Оказалось, что она намного меньше скорости света, поэтому излучение не могло быть электромагнитной волной (было такое мнение). Измерив массу частиц, ученый пришел к выводу, что лучи состояли из очень легких, отрицательно заряженных частиц. Он назвал эти частицы “корпускулами”, позже было принято название “электрон”.

В 1906 году. Дж. Томсон был удостоен Нобелевской премии:

J OSEPH J OHN T HOMSON в знак признания больших заслуг его теоретических и экспериментальных исследований в области проведения электричества через газы.

(За достижения в теоретическом и экспериментальном изучении проведения электричества через газы)

30 апреля 1897 года – дату доклада Томсона о своих открытиях на заседании Лондонского королевского общества – можно считать днем рождения электрона.

Масса электрона m_e = 9,1-10 -31 кг, заряд e = 1,6-10 -19 K, спиновое квантовое число s = 1/2, магнитный момент μ_e = 1.00116 μ_Бгде μ_Б – является магнетоном Бора, четность положительна.

Э.Резерфорд проводил эксперименты с источником α-частицы, помещенные в камеру, которая может быть заполнена различными газами. В стенке камеры напротив источника было проделано отверстие, которое закрыли фольгой. Толщина фольги превышала диапазон α-частица. Экран из сульфида цинка был помещен снаружи камеры для наблюдения сцинтилляций, создаваемых выходящими из него частицами. Это были, например, “быстрые атомы, образующиеся при прохождении α-частица через водород”. E. Резерфорд обнаружил, что при заполнении камеры азотом образуются частицы аномально большого радиуса действия. Из результатов его экспериментов следовало, что в объеме газа образуются сцинтиллирующие частицы. Вывод Э. Резерфорда: “На основании полученных результатов трудно удержаться от заключения, что дальнодействующие атомы, образующиеся при столкновениях α-частицы являются не атомами азота, а атомами водорода или атомами с массой 2. Если это так, то мы должны заключить, что атом азота распадается под действием огромных сил, возникающих при близком столкновении с быстрым атомом. α-и что освобожденный атом водорода является частью атома азота. В этих осторожных словах Е. Резерфорд в 1919 году объявил об открытии частицы, которую он назвал протон.

Первая ядерная реакция превращения азота в кислород, проведенная Резерфордом в этом аппарате, протекает следующим образом

Масса протона m_p = 1,673-10 -27 кг, заряд q_p = 1,6-10-19 K, спиновое квантовое число s = 1/2, магнитный момент μ_p = 2.7928 μ_Б, положительный паритет.

Фотон – это элементарная частица, не имеющая массы покоя и электрического заряда, но обладающая энергией и импульсом. Это квант электромагнитного поля, который реализует взаимодействие между заряженными частицами. Фотон как квантовая частица характеризуется корпускулярно-волновым дуализмом, он проявляет свойства частицы и волны одновременно. Она появилась в теории М. Теория Планка (1900), которая объясняет спектр абсолютно черного тела, и была подтверждена в работе Эйнштейна о фотоэлектрическом эффекте (1905). Эйнштейн показал, основываясь на справедливости закона излучения черного тела, что квант энергии также должен обладать импульсом. Импульс фотона был экспериментально обнаружен Артуром Комптоном (эффект Комптона).

Масса фотона m_γ = 0, заряд e = 0, спиновое квантовое число s = 1 и магнитный момент μ_e = 1.00116 μ_Бгде μ_Б – является магнетоном Бора, четность положительна.

В 1930 году Боте и Беккер обнаружили, что во время облучения бериллия и лития α-частицы испускают излучение, которое очень слабо поглощается свинцом. Слабое поглощение позволило предположить, что это был γ-радиация. Впоследствии Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что это излучение выбивает из парафина протоны с энергией 4,3 МэВ. Их следы были замечены в камере Вильсона. Предполагалось, что протоны выбиваются γ-кванты через эффект, подобный эффекту Комптона. Расчеты показали, что такой процесс несовместим с законом сохранения энергии.

Открытие нейтрона (27 февраля 1932 года) принадлежит физику Джеймсу Чедвику, который объяснил результаты экспериментов В. Боте и Г. Беккера. Он провел серию экспериментов, в которых продемонстрировал несостоятельность гипотезы гамма-излучения. Чедвик предположил, что излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и провел измерения, которые подтвердили эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтроны. Интересно, что ранее Чедвик безуспешно пытался обнаружить нейтроны в электрических разрядах в водороде.

Ядерная реакция, в ходе которой был создан нейтрон, протекает следующим образом

Открытие нейтрона было отмечено Нобелевской премией для Джеймса Чедвика в 1935 году:

J AMES C HADWICK за открытие нейтрона.

Масса нейтрона m_n = 1,6749-10 -27 кг, заряд q_n = 0, спиновое квантовое число s = 1/2, магнитный момент μ_p = -1.913 μ_Б, положительный паритет.

Гипотеза о существовании нейтрино была выдвинута швейцарским физиком В. Паули в 1930 году для того, чтобы объяснить свойства β-распад атомных ядер. Сложность заключалась в очевидном несоответствии закону сохранения энергии. Паули писал: “Я признаю, что мой метод на первый взгляд может показаться довольно невероятным, поскольку если бы нейтрино существовали, они были бы давно открыты. Тем не менее, тот, кто не рискует, не выигрывает. Поэтому мы должны обсудить все пути к спасению”.

Только после открытия деления ядер и развития реакторных технологий стало возможным экспериментально обнаружить нейтрино (точнее, антинейтрино, чей импульс и спин направлены в одну сторону). Ядерный реактор является мощным источником нейтронов, которые распадаются с испусканием антинейтрино по схеме

Рис. 1 Схема эксперимента по обнаружению нейтрино

Рис.1 Схема эксперимента по обнаружению нейтрино

В 1956 году Рейнс и Коэн (США) доказали существование антинейтрино с помощью сложного эксперимента. Согласно предсказаниям Паули, нейтрино имеет очень малое активное сечение взаимодействия с веществом σ

10 -47 м 2 . Доказательством существования антинейтрино стало наблюдение реакции

В больших резервуарах (2) (объем

1400 L) представляли собой жидкие сцинтилляторы, (3) – водные мишени (

200 л). Емкости просматривались через фотоумножители (4). Позитроны быстро замедлялись и аннигилировали с электронами e + e – -> γ + γ. Два кванта, летящие в противоположных направлениях, регистрируются сцинтилляционными детекторами, включенными в систему совпадений (первый импульс на рис. 1). Нейтроны замедляются (

10 мкс), захватываются ядрами кадмия. Последние, переходя в основное состояние, излучают γ-квант. Их регистрация дает второй импульс (рис.1).

Все эти сложности необходимы для выделения очень редких полезных событий на огромном фоне сигналов, не связанных с регистрацией антинейтрино. Таким образом, событие происходит, если два детектора одновременно регистрируют импульсы z γ-кванты с энергией 0,511 МэВ, а затем через 10 мкс регистрируются γ-излучение возбужденного ядра кадмия. После примерно 1400 часов работы эффективность подсчета антинейтрино составила (2.88±0.22) импульсов в час.

Важность экспериментального подтверждения существования нейтрино была подчеркнута присуждением Нобелевской премии в 1995 году Ф. Рейнс (Коэн не дожил до этого):

Ф РЕДЕРИК Р АЙНЕС за исследования свойств материи при низких температурах, которые привели, в частности, к получению жидкого гелия.

(для обнаружения нейтрино)

0 (если не 0, то обязательно намного меньше массы электрона), заряд q_ν = 0, спиновое квантовое число s = 1/2, магнитный момент μ_ν = < 10 -10 μ_Б.

Возникает вопрос: являются ли нейтрино и антинейтрино разными частицами? Если это одна и та же частица, то должны произойти обе реакции

Для проверки первого варианта источником антинейтрино может быть ядерный реактор. Поскольку нейтронных дисков в природе не существует, эксперимент можно было провести только на нейтронах, содержащихся в атомном ядре. В 1946 году Б. Понтекорво предложил использовать реакцию для этой цели:

Один из нейтронов, содержащихся в ядре 37 Cl, превращается в протон, что приводит к образованию радиоактивного изотопа 37 Ar с периодом полураспада 35,04 дня. Такой эксперимент был проведен в 1956 году П. Дэвисом в Брукхейвене, США. В качестве мишени было использовано около 4000 литров раствора четыреххлористого углерода. Каждый сеанс облучения длился 2 месяца. Аргон не был обнаружен! Вывод заключается в том, что нейтрино, производимые β + – и β – -распад – это разные частицы – это частица и античастица.

Второе поколение элементарных частиц (мюон, π-мезон, странные частицы)

Год открытия – 1937. искал носителя ядерных взаимодействий, анализируя состав космических лучей. C. Андерсон обнаружил частицы, которые при движении в магнитном поле отклоняются меньше, чем электроны, но сильнее, чем протоны. Предполагалось, что их электрический заряд равен заряду электрона, и чтобы объяснить разницу в отклонении, было необходимо, чтобы эти частицы имели промежуточную массу (лежащую где-то между массой электрона и массой протона). Однако оказалось, что мюон не вступает в сильные взаимодействия, и некоторое время (до открытия пион-мезона) такое поведение мюона оставалось загадкой. Масса мюона m_μ

270m_eаналог электрона по всем свойствам, кроме массы. Мюон – нестабильная частица с временем жизни 2,2-10-6 секунд.

Отрицательно заряженные и положительно заряженные мюоны являются частицами и античастицами.

Поиск частиц, ответственных за ядерные взаимодействия, продолжается. Больших ускорителей для производства частиц в то время не существовало, единственным источником были космические лучи. В 1947 году следы частиц были обнаружены в ядерных фотоэмульсиях, облученных космическими лучами на больших высотах над поверхностью Земли, что указывало на распад новой частицы – пиона

В 1950 году С.Ф. Пауэлл получает Нобелевскую премию за метод фотоядерной эмульсии и открытие π-мезонов в космических лучах.

C ECIL F RANK P OWELL за разработку фотографического метода изучения ядерных процессов и открытия, касающиеся мезонов, сделанные этим методом

В лабораторных условиях заряженные пионы впервые были получены год спустя на ускорителе в Беркли (США).

Пион – это группа из трех нестабильных элементарных частиц – двух заряженных (π + и π – ) и одной нейтральной (π 0 ). Заряженные частицы распадаются на мюон того же заряда и нейтрино или мюонное антинейтрино, а нейтральные частицы, благодаря электромагнитному взаимодействию, на две γ-квант.

Массы заряженных пионов равны m_π = 264-m_eа масса нейтрального немного больше. 273-m_e. Срок службы заряда

10 -6 с и нейтральный

10 -16 с. Пионы участвуют во всех известных типах взаимодействий элементарных частиц: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном. Силы, действующие между нуклонами (протонами и нейтронами) в ядре, обусловлены обменом пионами.

После открытия пионов и схемы их распада возник вопрос – электронное нейтрино ν_e и мюона ν_μ это одна и та же частица или разные? В экспериментах Ледермана и др. в 1962 году было показано, что мюонное нейтрино отличается от электронного нейтрино. Было показано, что при взаимодействии нейтрино, возникающих при распаде пионов с ядрами-мишенями, образуются мюоны:

и нет электроны не образуются.

Странные частицы

В течение 10 лет после открытия пиона, благодаря исследованиям космических лучей и экспериментам на ускорителях, таблица частиц начала быстро пополняться новыми частицами. Новые частицы имели две особенности – они рождались парами и имели длительное время жизни (

10 -10 с вместо 10 -22 – 10 -23 с, характерных для ядерных взаимодействий). Например, когда два протона сталкиваются друг с другом, происходит реакция

реакция, в результате которой возникли две странные частицы, Λ-частица и K+-мезон, которые затем распались

Чтобы объяснить это странное поведение частиц, М. Гелл-Манн и К. Нишиджима предположил, что странные частицы являются носителями еще одного нового свойства, которое было названо странностью. Странность сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых взаимодействиях. Эта закономерность позволила сразу объяснить и рождение пар странных частиц в реакции сильного взаимодействия (см. выше реакцию p + p) и большое время жизни частицы в распадах, происходящих в результате слабых взаимодействий.

Среди вновь открытых странных частиц были частицы с массой, превышающей массу покоя нуклона. Эти частицы были названы гиперонами. К ним относятся Λ, Σ 0 , Σ + , Σ – , Ξ 0 , Ξ – , Ω – .

Третье поколение элементарных частиц (J/Ψ-частицы, Υ-бозон )

В 1974 году две группы физиков одновременно объявили о наблюдении новой частицы – J/Ψ.

Группа С. Тинга на ускорителе электрон-позитронных пучков в Стэнфорде (США) наблюдала частицу J/Ψ как резонанс в сечении реакции e + + e – ⇒ адроны при энергии E

B. Группа Рихтера на протонном ускорителе в Брукхейвене (США) измерила энергетический спектр e + + e – пары, созданные при бомбардировке бериллиевой мишени высокоэнергетическими протонами p + Be ⇒ e + + e – . В масс-спектре e + + e – узкий пик с шириной 87 кэВ при энергии E

3,1 ГэВ. Поэтому обнаруженная частица получила двойное имя J/Ψ. Его масса составляет 3,096 ГэВ. Необычной особенностью недавно обнаруженной частицы является ее относительно длительное время жизни. Время жизни частицы J/Ψ почти в 1000 раз больше, чем у известных частиц той же массы. Этот факт, как и в случае со странными частицами, указывает на запрет нового квантового числа. В результате было введено новое квантовое число – сназывается шармом. Это соответствует новому кварку с. Частицы с очарованием, отличным от нуля, называются очарованными. Шармоподобная странность сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых взаимодействиях. J/Ψ-частица является связанным состоянием с кварк и антикварк. Эта частица принадлежит мезоны (см. ниже).

В 1976 году Б. Рихтер и С. Тинг были удостоены Нобелевской премии за открытие нового типа тяжелых элементарных частиц.

Б УРТОН Р ИХТЕР и С АМУЭЛЬ Т ИНГ за новаторскую работу по открытию тяжелой элементарной частицы нового типа.

Аналогичная экспериментальная процедура (поэтому уже не удостоенная Нобелевской премии) привела к открытию нового кварка b. Новый мезон, обозначенный как Υ был обнаружен в 1977 году в Батавии (США). Он был получен путем бомбардировки медно-свинцового диска пучком протонов с энергией 400 ГэВ. Этот сверхтяжелый мезон с массой 9460 ГэВ характеризуется относительно небольшой шириной (около 0,04 МэВ). Свойства новой частицы не вписывались в схему четырехкварковой модели, и пришлось ввести пятый кварк bкоторый был назван очарованием (или красотой), и новое квантовое число красота. Эта красота сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях и может быть нарушена в слабых взаимодействиях. b-кварк является тяжелым аналогом d и s кварки. b-кварк дает начало новому семейству адронов, содержащих этот кварк или антикварк

Классификация элементарных частиц

Время шло, и число обнаруженных частиц быстро росло. Возник вопрос об их классификации.

Прежде всего, все частицы делятся на бозоны…которые имеют целую ротацию, и… фермионы с полуцелыми спинами. Бозоны не ограничены принципом исключения Паули. Распределение энергии этих частиц может быть описано статистикой Бозе-Эйнштейна. Важно отметить, что не существует предела для числа бозонов, которые занимают одно и то же квантовое состояние. Волновая функция, описывающая набор бозонов, должна быть симметричной относительно обмена одинаковыми частицами. В отличие от бозонов, два фермионы не могут занимать одно и то же квантовое состояние в одно и то же время. Более того, волновая функция, описывающая набор фермионов, должна быть антисимметричной относительно обмена одинаковыми частицами.

Далее делим на тип взаимодействия:

• ЛЕПТОНЫ (назван от слова “легкий”, хотя открытый позднее лептон τ оказался тяжелее протона). Заряженные лептоны испытывают электромагнитное взаимодействие и все слабые взаимодействия. Лептоны содержат электроны e – мюон μ – , τ – -лептоны и соответствующие им нейтрино ν_e, ν_μ, ν_τ. Каждому из них соответствует своя античастица. Все эти частицы теперь лишены структуры. Электрон, например, меньше по крайней мере 10-18 м – это точечная частица (и имеет такой же собственный угловой момент, как и протон!).
• АДРЕС (от слов большой, сильный) испытывают четыре типа взаимодействия, включая сильное. Когда наряду с протоном и нейтроном были открыты десятки “элементарных” частиц, стало ясно, что эти “элементарные” частицы состоят из более фундаментальных частиц. В 1964 году, независимо друг от друга, М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложил составную кварковую модель адронов, которая была подтверждена в более поздних исследованиях. Все известные нам адроны состоят из шести типов кварков, обозначаемых как u(вверх), d (вниз),s (странно),c (очарование),b (внизу),t (вверху). Кварки – бесструктурные частицы, имеющие дробно-кратный электрический заряд e/3 и не наблюдаемые в свободном состоянии. Спин кварка равен 1/2 (фермион).

В 1969 году М. Гелл-Манн получает Нобелевскую премию за вклад в теорию кварков и субатомных взаимодействий.

МУРРАЙ Г ЭЛЛ-МАНН за его вклад и открытия, касающиеся классификации элементарных частиц и их взаимодействий.

БАРИОНЫ полагаться на три кварки. Например, протон – это а нейтрон – . . Гиперон омега-минус Ω – – . . Чтобы не нарушать принцип Паули (три частицы со спином 1/2), кварки должны отличаться каким-то свойством. Это называется цвет .. Есть три цвета – красный, синий и зеленый. Конечно, кварки не имеют цвета в традиционном смысле, но название возникло исторически для обозначения их определенного свойства. Оказывается, если взять красный, зеленый и синий цвета, то получится белый, что означает нейтральный. Все наблюдаемые адроны бесцветны. Античастицы кварков – это антикварки. Кварки в адронах связаны друг с другом путем обмена глюоны (от англ. клей). Глеоны являются носителями сильных взаимодействий. Специфика глюон-кварковых взаимодействий заключается в том, что величина (константа) сильного взаимодействия растет с увеличением расстояния между кварками (принято считать, что z увеличить энергия взаимодействия уменьшается). Когда глюон испускается или поглощается, кварки меняют цвет. Всем барионам присваивается квантовое число – заряд бариона B(для античастиц соответственно) равна 1 B = -1). Это назначение имеет смысл, поскольку заряд бариона сохраняется при всех возможных преобразованиях.

Характеристики кварков

К мезонам относятся π-мезоны (пионы), каоны и другие. Все мезоны являются нестабильными частицами. Как упоминалось выше, обмен π-мезонами – это взаимодействие протонов и нейтронов в ядрах.

Из закона сохранения заряда следует, что кварки должны быть стабильными. Вскоре после гипотезы Гелл-Манна экспериментаторы начали активную охоту за бесплатно кварков, и это продолжалось в течение нескольких лет. Они вели поиск в земных породах, в космических лучах, в метеоритах, в лунном грунте и в экспериментах на ускорителях. Но все поиски были отрицательными.

Первые доказательства существования кварков в протоне были получены в 1968-1969 годах в серии экспериментов на трехкилометровом линейном ускорителе электронов SLC (Стэнфорд, Калифорния, США). Энергия электронного пучка в этом ускорителе составляла 20 ГэВ. Электроны бомбардируют протоны. Электроны не участвуют в сильных взаимодействиях. Они легко проникают в протон. Рассеяние происходит под действием электромагнитных сил. Углы рассеяния электронов чувствительны к распределению

электрический заряд внутри протона. Подобно тому, как Резерфорду в свое время удалось продемонстрировать существование ядра в атоме путем рассеяния α-частиц, в этих экспериментах рассеяние электронов на большие углы, чем ожидалось для непрерывного распределения заряда внутри нуклона, говорило о наличии заряженных объектов внутри нуклона, несущих значительную часть массы нуклона и имеющих размеры, намного меньшие, чем размеры нуклона.

Дальнейшим доказательством существования кварков стало предсказанное образование адронных струй в лобовых столкновениях высокоэнергетических электронов и позитронов (7-22 ГэВ). На рисунке слева γ-квант, произведенный сталкивающейся парой, образует два мезонных джета.

Сегодня физики считают, что в свободном состоянии нет кварков.. Считается, что кварки заперты (ограничены) в адронах. Если вы попытаетесь отделить один кварк от другого, то потенциальная энергия взаимодействия между кварками увеличивается по мере их удаления друг от друга: V(r)

В таблицу включены только относительно долгоживущие частицы. Сотни недолговечных, так называемых резонансы, отсутствуют в таблице. Последние в основном распадаются в результате сильных взаимодействий за время 10 -22 – 10 -24 с.

Таблица свойств элементарных частиц (с сайта physics.ru)

Группа		Название частицы	Символ		Масса (масса электрона)	Электрический заряд	Спин	Время жизни (с)
			Частицы	Античастицы
Фотоны		Фотон	γ		0	0	1	Стабильный
Лептоны		Электронное нейтрино	νe	0	0	1/2	Стабильный
		Мюонное нейтрино	νμ	0	0	1/2	Стабильный
		Электрон	e –	e +	1	–1 1	1/2	Стабильный
		Мюон	μ –	μ +	206,8	–1 1	1/2	2,2·10 –6
Адроны	Мезоны	Пи-мезоны	π 0		264,1	0	0	0,87·10 –16
			π +	π –	273,1	1 –1	0	2,6·10 –8
		K-мезоны	K +	K –	966,4	1 –1	0	1,24·10 –8
			K 0	974,1	0	0	≈ 10 –10 –10 –8
		этан – нулевой мезон	η 0		1074	0	0	≈ 10 –18
	Барионы	Протон	p	1836,1	1 –1	1/2	Стабильный
		Нейтрон	n	1838,6	0	1/2	898
		Лямбда-гиперон	Λ 0	2183,1	0	1/2	2,63·10 –10
		Сигма-гипероны	Σ +	2327,6	1 –1	1/2	0,8?10 –10
			Σ 0	2333,6	0	1/2	7,4·10 –20
			Σ –	2343,1	–1 1	1/2	1,48·10 –10
		Xi-hyperons	Ξ 0	2572,8	0	1/2	2,9·10 –10
			Ξ –	2585,6	–1 1	1/2	1,64·10 –10
		Омега минус гипероны	Ω –	3273	–1 1	1/2	0,82·10 –11

Отдельной группой в таблице является ФОТОН – квантование электромагнитных взаимодействий. В квантовой теории каждое взаимодействие описывается в терминах обмена специфическими квантами (бозонами), соответствующими данному типу взаимодействия. Для сильных взаимодействий между кварками это GLUONв случае слабого – три частицы W + , W – и Z 0 – бозоны. Последние были впервые обнаружены в 1983 году на Коллайдере (ЦЕРН) командой под руководством Карла Руббиа.

В 1984 году С. Руббиа и С. Меер получили Нобелевскую премию за вклад в проект, приведший к открытию квантов слабого взаимодействия.

C ARLO R UBBIA и S IMON van der M EER за их решающий вклад в крупный проект, который привел к открытию частиц поля W и Z, передатчиков слабого взаимодействия.

Этому предшествовала гипотеза S. Вайнберг, А. Салам, С. Глэшоу (лауреаты Нобелевской премии, 1979), что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в единая электромагнитная слабая теория.

Наконец, гравитационное взаимодействие передается через ГРАВИТОН – частица с нулевой массой и спином, равным 2.

Давайте посчитаем: 6 кварков трех цветов с антикварками – это 36, плюс 12 лептонов и антилептонов, итого 48. Давайте подумаем о бозонах, носителях взаимодействий: 8 глюонов с различными комбинациями цветов плюс 4 дают 12. Это 60! Не так уж много для всей известной вселенной.

К этим частицам нам еще предстоит добавить новую скалярную частицу – бозон Хиггса.

На семинаре в ЦЕРНе в 2012 году осторожно отмечалось: обнаружена новая частица, свойства которой согласуются с предсказанными свойствами бозона Хиггса. Бозон Хиггса – тяжелая частица. Его масса составляет 125 ГэВ/c 2 (у протона, например, чуть меньше 1 ГэВ/c 2 ). Вращение равно нулю. Бозон Хиггса распадается в среднем за 10-22 секунды. Он обнаруживается по продуктам распада. Распад бозона Хиггса на два γ-кванта наблюдался на Большом адронном коллайдере, и после получения достаточной статистики (что случается крайне редко) была найдена масса этой частицы. Результат показан на диаграмме

Наблюдался также распад на четыре лептона. Бозон Хиггса может помочь объяснить, как фундаментальные частицы приобретают массу.

В 2013 году Р. Higgs and F. Энглер был удостоен Нобелевской премии за открытие, которое привело к пониманию происхождения массы у субатомных частиц.

P ETER H IGGS за теоретическое открытие механизма, который вносит вклад в наше понимание происхождения массы субатомных частиц и который недавно был подтвержден открытием предсказанной фундаментальной частицы экспериментами ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе.

Примечание примечание по числу Нобелевских премий, присужденных за открытия в области физики частиц. Это многое говорит о важности этой области знаний для человечества.

В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и окончательно доказано, что атомы имеют сложную структуру. В 1919 году. Резерфорд обнаружил протоны в продуктах деления атомов многих элементов. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложную структуру. Появилась протонно-нейтронная теория строения ядра (Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг). В 1932 году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон – это положительно заряженная частица с той же массой и тем же (по модулю) зарядом, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. В эти годы были открыты и изучены взаимные превращения протонов и нейтронов, и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменным элементарным “строительным блоком” природы. В 1937 году. частицы с массой 207 масс электрона, названные мюонами (μ-мезонами), были обнаружены в космических лучах. За этим в 1947-1950 годах последовало открытие пионов (или π-мезонов), которые, согласно современным представлениям, реализуют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открытых частиц быстро росло. Изучение космического излучения, развитие техники ускорителей и изучение ядерных реакций способствовали этому росту.

Что представляет собой частица, называемая протоном?

Ученые открыли существование элементарных частиц при изучении ядерных процессов, поэтому до середины 20-го века физика частиц была ветвью ядерной физики. Сегодня эти отрасли физики являются близкими, но независимыми, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и используемых методов исследования. Основной задачей физики частиц является изучение природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Мнение о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Идея о существовании мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие нас предметы, была впервые высказана за 400 лет до нашей эры греческим философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, или неделимыми частицами. Наука начала использовать концепцию атома только в начале 19 века, когда ряд химических явлений можно было объяснить на этой основе. В 1930-х годах в теории электролиза, разработанной М. Фарадеем, появилось понятие иона, и был измерен элементарный заряд. В конце 19 века была открыта радиоактивность (1896, А. Беккерель), открыты электроны (1897, Дж. Томсон) и -частицы (1899, Э. Резерфорд). В 1905 году в физике появилось понятие квантов электромагнитного поля – фотонов (А. Эйнштейн).

В 1911 году было открыто атомное ядро (E. Резерфорд) и было окончательно доказано, что атомы имеют сложную структуру. В 1919 году. Резерфорд обнаружил протоны в продуктах деления атомов многих элементов. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложную структуру. Появилась протонно-нейтронная теория строения ядра (Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг). В 1932 году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон – это положительно заряженная частица с той же массой и тем же (по модулю) зарядом, что и электрон. Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 году. В эти годы были открыты и изучены взаимные превращения протонов и нейтронов, и стало ясно, что эти частицы также не являются неизменным элементарным “строительным блоком” природы. В 1937 году в космических лучах были обнаружены частицы с массой 207 масс электрона, названные мюонами (μ-мезонами). За этим последовало открытие пионов (т.е. В последующие годы число вновь открытых частиц стало быстро расти. В последующие годы число вновь открытых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие технологии ускорителей и изучение ядерных реакций.

На сегодняшний день известно около 400 субъядерных частиц, которые обычно называют элементарными частицами. Подавляющее большинство этих частиц нестабильны. Исключение составляют фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные частицы спонтанно превращаются в другие частицы через регулярные промежутки времени. Нестабильные элементарные частицы имеют очень разное время жизни. Самой долгоживущей частицей является нейтрон. Время жизни нейтрона составляет порядка . Другие частицы “живут” гораздо меньшее время. Например, среднее время жизни μ-мезона составляет , нейтрального мезона составляет . Многие массивные частицы – гипероны – имеют среднее время жизни порядка .

Существуют десятки частиц, время жизни которых превышает . В масштабах микромира это значительный период времени. Мы называем такие частицы относительно стабильными. Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют время жизни порядка .

Способность преобразовывать друг друга – важнейшее свойство всех элементарных частиц. Они способны рождаться и аннигилировать (излучаться и поглощаться). Это относится и к стабильным частицам, с той лишь разницей, что превращения стабильных частиц происходят не спонтанно, а в результате взаимодействия с другими частицами. Примером является аннигиляция (т.е. исчезновение) электрона и позитрона, которая сопровождается производством фотонов высокой энергии. Может происходить и обратный процесс – рождение электрон-позитронной пары, например, в случае столкновения фотона достаточно высокой энергии с ядром. У протона тоже есть такой опасный близнец, которым для электрона является позитрон. Он называется антипротон. Электрический заряд антипротона отрицательный. Итак, античастицы присутствуют во всех частицах. Античастицы противоположны частицам, потому что когда частица встречает свою античастицу, они аннигилируют, то есть обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

В нейтроне была обнаружена даже античастица. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаком магнитного момента и так называемым барионным зарядом. Возможно существование атомов антиматерии, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов. Когда антиматерия аннигилирует с материей, энергия покоя преобразуется в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, намного превышающая энергию, выделяемую при ядерных и термоядерных реакциях.

Многообразие известных к настоящему времени элементарных частиц выявляет более или менее последовательную систему их классификации. В таблице 6.9.1 представлены некоторые сведения о свойствах элементарных частиц с временем жизни больше . Среди многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в таблице только масса частицы (в массах электрона), электрический заряд (в единицах элементарного заряда) и угловой момент (называемый спином ) в единицах постоянной Планка ħ . Среднее время жизни частицы также приведено в таблице.

Группа Название частицы Символ Масса (в массах электронов) Электрический заряд Спин Время жизни (с) Частицы Античастицы Фотоны Фотон γ 0 0 1 Стабильный Лептоны Электронное нейтрино e 0 0 1 / 2 Стабильный Мюонное нейтрино νμ 0 0 1 / 2 Стабильный Электрон e – e + 1 –1 1 1 / 2 Стабильный Мю-мезон 206,8 –1 1 1 / 2 2,2∙10 –6 Адроны Мезоны Пи-мезоны π 0 264,1 0 0 0,87∙10 –16 π + π – 273,1 1 –1 0 2,6∙10 –8 K-мезоны K + K – 966,4 1 –1 0 1,24∙10 –8 974,1 0 0 Эта-нулевой мезон η 0 1074 0 0 ≈ 10 –18 Барионы Протон p 1836,1 1 –1 1 / 2 Стабильный Нейтрон n 1838,6 0 1 / 2 898 Лямбда-гиперон Λ 0 2183,1 0 1 / 2 2,63∙10 –10 Сигма-гипероны Σ + 2327,6 1 –1 1 / 2 0,8∙10 –10 Σ 0 2333,6 0 1 / 2 7,4∙10 –20 Σ – 2343,1 –1 1 1 / 2 1,48∙10 –10 Xi-hyperons Ξ 0 2572,8 0 1 / 2 2,9∙10 –10 Ξ – 2585,6 –1 1 1 / 2 1,64∙10 –10 Омега минус гипероны Ω – 3273 –1 1 1 / 2 0,82∙10 –11

Таблица 6.9.1. Элементарные частицы делятся на три группы: фотоны, лептоны и адроны. Группа фотонов включает единственную частицу – фотон, который является носителем электромагнитных взаимодействий. Следующая группа состоит из легких частиц – лептонов. В эту группу входят два типа нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон. Лептоны включают в себя несколько других частиц, которые не перечислены в таблице. Все лептоны имеют спин. Третья большая группа состоит из тяжелых частиц, называемых адронами. Эта группа делится на две части. Более легкие частицы являются подгруппой мезонов. Самые легкие из них – положительно и отрицательно заряженные и нейтральные – мезоны с массами около 250 масс электрона (табл. 6.9.1). Пионы являются квантами ядерного поля, так же как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В этой подгруппе есть также четыре K-мезона и один -мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю. Вторая подгруппа, барионы, включает более тяжелые частицы. Он является самым обширным. Самыми легкими из барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. После них идут так называемые гипероны. В конце таблицы находится омега-минус гиперон, открытый в 1964 году, который представляет собой тяжелую частицу с массой 3273 электрон-масс. Все барионы имеют спин Обилие вновь открытых и недавно обнаруженных адронов привело ученых к мысли, что все они состоят из какой-то другой, более фундаментальной частицы. В 1964 году американский физик М. Гелл-Манн выдвинул гипотезу, подтвержденную последующими исследованиями, о том, что все тяжелые частицы – адроны – состоят из более фундаментальных частиц, называемых кварками. На основе кварковой гипотезы была не только понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых адронов. Теория Гелл-Манна предполагала существование трех кварков и трех антикварков, объединенных в различные комбинации. Таким образом, каждый барион состоит из трех кварков, а антибарион – из трех антикварков. Мезоны состоят из кварк-антикварковых пар. С принятием гипотезы кварков стало возможным создать целостную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались весьма неожиданными. Электрический заряд кварков должен быть выражен дробными числами, равными и элементарному заряду. Многочисленные поиски свободных кварков в ускорителях высоких энергий и космических лучах оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков, вероятно, является их очень большая масса. Это препятствует образованию кварков при энергиях, достигаемых в современных ускорителях. Тем не менее, большинство экспертов сейчас считают, что кварки существуют внутри тяжелых частиц – адронов. Фундаментальные взаимодействия. Процессы, в которых участвуют отдельные элементарные частицы, существенно различаются по своим энергиям и характерным временам их протекания. Согласно современным представлениям, в природе существует четыре типа взаимодействий, которые нельзя свести к другим, более простым типам: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти типы взаимодействий называются фундаментальными взаимодействиями. Сильное (или ядерное) взаимодействие является самым интенсивным. Он вызывает чрезвычайно сильную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. Только тяжелые частицы – адроны (мезоны и барионы) – могут участвовать в сильном взаимодействии. Сильное взаимодействие происходит на расстояниях порядка величины или меньше. Именно поэтому он называется ближним. Электромагнитное взаимодействие. В нем могут участвовать любые электрически заряженные частицы, а также фотоны – кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие отвечает, в частности, за существование атомов и молекул. Она определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к нестабильности ядер с большим массовым числом. Электромагнитные взаимодействия определяют процессы поглощения и испускания фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы микро- и макрокосмической физики. Слабые взаимодействия определяют ход самых медленных процессов, происходящих в микромире. Это может относиться к любым элементарным частицам, кроме фотонов. Слабое взаимодействие отвечает за процессы с участием нейтрино или антинейтрино, такие как распад нейтрона и процессы нейтринного распада частиц с большим временем жизни. Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, но из-за малой массы элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и их роль в процессах, происходящих в микромире, незначительна. Гравитационные силы играют ключевую роль во взаимодействии космических объектов (звезд, планет и т.д.) с их огромными массами. В 1930-х годах была разработана гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия происходят посредством обмена квантами поля. Эта гипотеза была первоначально предложена нашими соотечественниками И. E. Tamm and D. D. Иваненко. Они предположили, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате обмена частицами, подобно тому, как ковалентные химические связи атомов возникают в результате обмена валентными электронами, которые объединяются на пустых электронных оболочках. Взаимодействие, вызванное обменом частицами, в физике называется обменным взаимодействием. Электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, например, возникает в результате обмена фотонами, квантами электромагнитного поля. Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 году японский физик Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в атомных ядрах можно объяснить, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, называемыми мезонами. Юкава рассчитал массу этих частиц, которая оказалась равной примерно 300 массам электронов. Частицы с такой массой были обнаружены позже. Эти частицы были названы -мезонами (пионами). В настоящее время известны три типа пионов: и (см. табл. 6.9.1). В 1957 году существование тяжелых частиц, так называемых векторных бозонов W + , W – и Z 0 , было теоретически предсказано в обменном механизме слабого взаимодействия. Эти частицы были открыты в 1983 году в экспериментах на ускорителях с высокоэнергетическими пучками, сталкивающими протоны и антипротоны. Открытие векторных бозонов стало очень важным достижением в физике частиц. Это открытие ознаменовало успех теории, которая объединила электромагнитное и слабое взаимодействие в одно так называемое электромагнитное взаимодействие. Эта новая теория рассматривает электромагнитное поле и поле слабых взаимодействий как различные компоненты единого поля, в котором наряду с квантами участвуют векторные бозоны. После этого открытия в современной физике быстро выросла уверенность в том, что все типы взаимодействий тесно связаны и на самом деле являются различными проявлениями единого поля. Однако объединение всех взаимодействий пока остается лишь привлекательной научной гипотезой. Физики-теоретики прилагают все усилия, чтобы рассмотреть не только электромагнитные и слабые взаимодействия, но и сильные взаимодействия в едином ключе. Эта теория называется Великим объединением. Ученые предполагают, что гравитационное взаимодействие также должно иметь свой носитель – гипотетическую частицу под названием гравитон. Однако эта частица еще не обнаружена. Сейчас считается доказанным, что единое поле, объединяющее все типы взаимодействий, может существовать только при чрезвычайно высоких энергиях частиц, недостижимых в современных ускорителях. Такими высокими энергиями могли обладать только частицы на самых ранних стадиях развития Вселенной, которые были созданы в результате так называемого Большого взрыва. Космология, наука об эволюции Вселенной, предполагает, что Большой взрыв произошел 18 миллиардов лет назад. В стандартной модели эволюции Вселенной предполагается, что в первый период после взрыва температура могла достичь , а энергия частиц – значений . В этот период материя существовала в виде кварков и нейтрино, со всеми видами взаимодействий, объединенных в единое силовое поле. Постепенно, с расширением Вселенной, энергия частиц уменьшалась, и из единого поля взаимодействий сначала возникло гравитационное взаимодействие (при энергиях частиц ), а затем сильное взаимодействие отделилось от слабого электронного взаимодействия (при энергиях порядка .). Параллельно с этими процессами создавались более сложные формы материи – нуклоны, легкие ядра, ионы, атомы и т.д. Космология в своей модели пытается проследить эволюцию Вселенной на различных этапах от Большого взрыва до наших дней, основываясь на законах физики частиц, ядерной и атомной физики.

Читайте далее:

• Свойства атомов и их периодичность – ЗФТШ, МФТИ.
• Атомная структура.
• Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряда.
• Определение количества нейтронов, протонов и электронов в атоме.
• Заряд атомного ядра, теория и примеры.
• Строение атома водорода (H), схема и примеры.
• Как работают атомы.