Файл: Fizika - V. F. Dmitriyeva.pdf

ге-мезон, його маса дорівнює 264,2

 т

е

, час життя - менше 2,1-10

 16

 с. 

Піони інтенсивно взаємодіють з нуклонами, тобто є

 ядерно-активними 

частинками. 

Існування цих частинок передбачив X, Юкава для пояснення природи 

ядерних сил. Маючи малий час житгя, вони розпадаються за схемою 

7Г —> + V, 

7І~ —

>

 |і~ + V, 

породжуючи частинки жорсткого космічного компонента. На відміну від 
піонів мюони не беруть участі в ядерних взаємодіях і витрачають свою 
енергію тільки на іонізацію, породжуючи в атмосфері каскадні зливи, 
тобто м'який компонент космічного випромінювання. 

Радіаційні пояси Землі 

Перші відомості про розподіл заряджених частинок поблизу 

Землі було добуто за допомогою другого радянського штучного супутника 
Землі. У навколоземному просторі існують області, в яких густина заряд-
жених частинок, захоплених магнітним полем Землі, перевищує густину 
частинок первинного космічного випромінювання в міжпланетному прос-
торі в сотні мільйонів разів. Ці області називають

 радіаційними поясами. 

Раніше вважали, що Земля оточена двома чи трьома радіаційними по-

ясами. Нині встановлено, що радіаційний пояс Землі - це єдине утворен-
ня. Внутрішня межа радіаційного поясу в площині екватора лежить на 
відстані 600 км від поверхні Землі в західній півкулі і близько 1600 км 
у східній. Зовнішня межа поясу в площині екватора лежить на відстані 8 -

10 радіусів Землі. Несиметричні розміщення радіаційного поясу Землі 

пояснюється тим, що рух заряджених частинок визначається структурою 
магнітного поля Землі. Вивчення радіаційних поясів і космічного випро-
мінювання - джерело одержання інформації із світового простору. Косміч-
не випрохмінювання має певний вплив на організм людини, що необхідно 
враховувати під час космічних польотів. 

§ 252. Елементарні частинки 

За змістом термін "елементарна" частинка означає "найпрос-

тіша", "далі неподільна" частинка. Проте частинки, які називають елеімен-
тарними, не зовсім відповідають такому визначенню. Дати тепер точне 
визначення елементарної частинки не можна. Це поняття дуже складне, і 

590 

ряд експериментальних фактів свідчить про те, що існує структура еле-
ментарних частинок (наприклад, нуклонів). 

Історично першою експериментально виявленою елементарною час-

тинкою є електрон. Дж. Дж. Томсон, досліджуючи властивості катодних 

променів, установив, що вони є потоком негативно заряджених частинок -
електронів. Дата відкриття першої елементарної частинки - 29 квітня 1897 р, 

У 1900 р. М. Планк показав, що світло ~ це потік частинок, названих 

фотонами

. Фотон не має електричного заряду, і його маса спокою дорівнює 

нулю, тобто фотон може існувати тільки в процесі руху зі швидкістю світла. 

У результаті досліджень Резерфорда з розсіювання а -частинок у процесі 

•проходження крізь речовину в 1911 р, було відкрито

 протон - ядро

 атома 

водню. Протон має позитивний електричний заряд, який за модулем дорів-
нює заряду електрона, його маса в 1836 разів більша від маси електрона, 

У 1928 р. II, Дірак передбачив, а К. Андерсон виявив у складі косміч-

ного проміння частинки, які назвали

 позитронами

. Маса спокою позит-

рона збігається з масою спокою електрона, а заряд - із зарядом протона. 
Дж, Чедвік у 1932 р. відкрив

 нейтрон

, його маса близька до маси прото-

на:

 т

п

 = 1838

 т

е

 . Електричний заряд нейтрона дорівнює нулю. 

У 1931-1935 рр. П. Паулі, пояснюючи закономірності Р -розпаду, 

припустив, що існує ще одна нейтральна елементарна частинка з масою 
спокою, яка дорівнює нулю, -

 нейтрино

. Експериментально цю частинку 

виявив у 1956 р, К, Коуен в ядерному реакторі. Як було зазначено в попе-
редньому параграфі, К. Андерсон і С. Ніддермейєр, відкрили

 мюони, 

С. ІТауедл -

 к-мезони.

 З 1950 р. кількість відкритих елементарних части-

нок почала швидко зростати. Були відкриті

 К -мезони,

 їх маси лежать у 

межах 966 - 974

 т

є

 ; К

 -мезони можуть мати позитивний, негативний і 

такий, що дорівнює нулю, заряди. Наступною великою групою є

 гіперони 

з масами від 2180 до 3278

 т

е

Останніми роками було відкрито частинки 

дуже малим часом життя -

 резонанси

, їх безпосередньо не спостерігали, 

але про їх існування роблять висновок з аналізу поводження продуктів їх 
розпаду. Тепер налічується понад 200 елементарних частинок. Більшість із 
них нестабільна і поступово перетворюється в легші елементарні частинки. 

§ 253, Частинки й античастинки 

Античастинки 

Після відкриття першої античастинки - позитрона - постало 

питання

 про

 існування античастинок і в інших частинках. Перші антипро-

тони було добуто експериментально в 1955 р. при бомбардуванні мідної 

591 

мішені протонами з енергією порядку 6 ГеВ. У 1956 р. було відкрито ан-
тинейтрон. Нині встановлено, що 

кожній елементарній частинці відповідає своя античастинка з то-

чно

 такою самою масою, спіном, але із зарядом протилежного знака. 

Так, електрону з негативним зарядом відповідає позитрон з позитив-

ним зарядом. Протону з позитивним зарядом відповідає антипротон з 
негативним зарядом. Антинейтрон відрізняється від нейтрона знаком 
власного магнітного моменту. Частинка і античастинка в таких незаряд-
жених частинках, як фотон і к° -мезон, за фізичними властивостями не-
розрізненні. 

Взаємне перетворення речовини і поля 

Електрон і позитрон, стикаючись, перетворюються в квант 

електромагнітного випромінювання з вивільненням енергії: 

е" + е

+

 -> 2у. 

Це явище назвали

 анігіляцією.

 Анігілюють не тільки електрони і пози-

трони, а й будь-яка частинка від зіткнення із своєю античастинкою. 

Якщо існує процес анігіляції, тобто перетворення речовини в ква-

нти електромагнітного поля, то має існувати і зворотний процес -
перетворення квантів поля в речовину. 

У 1932 р. Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі встановили, що у -квант з енер-

гією, більшою від сумарної енергії спокою електрона і позитрона 

Е

у

 > 2т

0

с

2

 = 1,02 МеВ, при проходженні поблизу ядра атома може пере-

творитися в пару електрон-позитрон: 

у -~»е~ + е

+

. 

Явища народження електрон-позитронних пар і анігіляція показують, 

що 

дві форми матерії (речовина і поле) можуть взаємно перетворюва-

тись. 

Процес анігіляції супроводиться величезним виділенням енергії. Так, 

якщо під час ядерних реакцій виділення енергії на одиницю маси в мі-
льйони разів перевищує виділення енергії в звичайних хімічних реакці-
ях, то в процесі анігіляції виділення енергії в мільйони разів перевищує 
енергію, виділену під час ядерних реакцій. Оскільки при анігіляціях вся 
енергія частинок, які взаємодіють, повністю перетворюється в інші фор-
ми енергії, то анігіляція є максимально інтенсивним з усіх можливих 
джерел енергії. 

592 

§ 254. Основні властивості 

елементарних частинок і їх класифікація 

Типи взаємодії частинок 

Елементарні частинки взаємодіють одна з одною. Залежно 

від типу частинки і виду процесу реалізуються чотири типи взаємодії, 
кожній з яких відповідає своє поле. 

Сильна

, або

 ядерна

, взаємодія забезпечує зв'язок нуклонів (протонів, 

нейтронів) у ядрі. Найбільша відстань, на якій проявляється сильна взає-
модія, збігається з радіусом ядра атома ~ І(Г

І5

 м. Сильна взаємодія в ядрі 

зумовлена к -мезонним обміном між нуклонами. 

Електромагнітна взаємодія

 буває між електрично зарядженими час-

тинками. Вона в 137 раз слабша від сильної взаємодії. Радіус її дії не об-

межений. Електромагнітна взаємодія здійснюється через електромагнітне 
поле. Це найбільш вивчений клас взаємодій. 

Слабка взаємодія

 проявляється переважно під час розпаду елементар-

них частинок. Вона в 10

14

 разів слабша від ядерної. Прикладом прояву 

слабкої взаємодії є р -розпад. Слабка взаємодія, як і сильна, короткодіюча. 

Елементарні частинки взаємодіють між собою також і гравітаційно. 

Гравітаційна взаємодія

 в 10

39

 разів слабша від сильної, тому її, як пра-

вило, до уваги не беруть. 

Характеристика елементарних частинок 

До найважливіших характеристик, які визначають властивості 

елементарних частинок, належать їх маса, електричний заряд, спін і час життя. 

Як видно з таблиці, залежно від спільності деяких властивостей подані 

тут частинки ділять на чотири основні групи:

 лептони

 (легкі частинки), 

мезони

 (середні),

 баріони

 (важкі); особливу групу становлять

 фотони

, в 

яких маса спокою і електричний заряд дорівнюють нулю, а спін - одиниці. 

Залежно від значення спіну всі частинки ділять на

 ферміони

 (частинки з 

пі вцілим спіном 5 = 1 / 2 ) і

 бозони

 (частинки, які мають нульовий  ( 5 - 0 ) або 

цілий (з =1) спін). Залежно від часу життя частинки є стабільні і нестабільні. 

Кварки 

У 1964 р. М. Гелл-Манн і Дж. Цвейг висловили гіпотезу, за 

якою всі мезони і баріони побудовані з найпростіших частинок, їх назва-
ли

 кварками.

 За цією гіпотезою, баріони складаються з трьох кварків:

 и, й,

 5, 

593 

Найважливіші

 характеристики 

Назва частинки 

Символ частинки 

Символ античастинки 

Маса сімкою 

(в електронних масах) 

Фотон 

Електронне нейтрино 

Мюонне нейтрино 

Електрон 

Мю-мезон 

Пі-гшюс 

Пі-нуль 

Ка-плюс 

Ка-нуль 

Протон 

Нейтрон 

Ламбда-нуль 

Сигма-плюс 

Сигма

-нуль 

Сигма-мінус 

Ксі-нуль 

Ксі-мінус 

Омега-мінус 

п 

К

+ 

Р 

п 

л° 

І * 

Фотон 

Лептони 

Мезони 

Баріони 

а 

к 

К' 

р 

п 

л° 

£

+ 

Х ° 

ІТ 

0 
0 

1 

206,8 

273,2 

264,2 

966,6 

974,8 

1836.1 

1838,,6 

2182,8 

2327.7 

2331.8 

2340,6 

2566,0 

2580.2 

3298,0 

а антибаріони -

 з

 трьох антикварків. Ці кварки повинні мати півцілий 

спін, їх

 електричний заряд

 має дорівнювати

 1/3

 або 2/3 заряду електрона. 

Потім було висловлено припущення про існування ще двох кварків - "за-
чарованого" і

 "красивого"

 - з відповідними антикварками. Комбінації 

кварків і антикварків дали всі відомі мезони. За сучасними уявленнями, 

594