Реферат: Элементарные частицы
Элементарными называют частицы, у которых на данный момент не обнаруженовнутренней структуры. Еще в прошлом веке элементарными частицами считалисьатомы. Их внутренняя структура — ядра и электроны — была обнаружена в начале XX в. в опытах Э. Резерфорда.Размер атомов — около 10 -8 см, ядер — в десятки тысяч раз меньше,а размер электронов совсем мал. Он меньше чем 10 -16 см, как этоследует из современных теорий и экспериментов.
Таким образом, сейчас электрон — элементарная частица.Что касается ядер, то их внутренняя структура обнаружилась вскоре после ихоткрытия. Они состоят из нуклонов — протонов и нейтронов. Ядра довольноплотные: среднее расстояние между нуклонами всего в несколько раз больше ихсобственного размера. Для того чтобы выяснить, из чего состоят нуклоны,понадобилось около полувека, правда, при этом заодно появились и былиразрешены и другие загадки природы.
Нуклоны состоят из трех кварков, которые элементарны с той же точностью, что иэлектрон, т. е. их радиус меньше 10-16 см. Радиус нуклонов — размеробласти, занимаемой кварками, — около 10-13см. Нуклоны принадлежатк большому семейству частиц — барионов, составленных из трех различных (илиодинаковых) кварков. Кварки могут по-разному связываться в тройки, и этоопределяет различия в свойствах бариона, например, он может иметь различныйспин.
Кроме того, кварки могут соединяться в пары — мезоны, состоящие из кварка иантикварка. Спин мезонов принимает целые значения, в то время как для барионовон принимает полуцелые значения. Вместе барионы и мезоны называются адронами.
В свободном виде кварки не найдены, и согласно принятым в настоящее времяпредставлениям они могут существовать только в виде адронов. До открытиякварков некоторое время адроны считались элементарными частицами (и такое ихназвание еще довольно часто встречается в литературе).
Первымэкспериментальным указанием на составную структуру адронов были опыты порассеянию электронов на протонах на линейном ускорителе в Станфорде (США),которые можно было объяснить, лишь предположив наличие внутри протона каких-тоточечных объектов.
Вскоре стало ясно, что это — кварки, существование которых предполагалось ещеранее теоретиками.
Здесьпредставлена таблица современных элементарных частиц. Кроме шести видов кварков(в опытах пока проявляются только пять, но теоретики предполагают, что есть ишестой) в этой таблице приведены лептоны — частицы, к семье которых принадлежити электрон. Еще в этой семье обнаружены мюон и (совсем недавно) t-лептон. У каждого из них есть свое нейтрино, так что лептоны естественнымобразом разбиваются на три пары е, nе; m, nm;t, nt.
Каждаяиз этих пар объединяется с соответствующей парой кварков в четверку, котораяназывается поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение,как это видно из таблицы. Отличаются лишь массы. Второе поколение тяжелеепервого, а третье поколение тяжелее второго.
Вприроде встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные создаютсяискусственно на ускорителях заряженных частиц или при взаимодействиикосмических лучей в атмосфере.
Кромеимеющих спин 1/2 кварков и лептонов, вместе называемых частицами вещества, втаблице приведены частицы со спином 1. Это кванты полей, создаваемых частицамивещества. Из них наиболее известная частица — фотон, квант электромагнитногополя.
Такназываемые промежуточные бозоны W+ и W —, обладающие очень большими массами, были недавнообнаружены в экспериментах на встречных р-пучках приэнергиях в несколько сотен ГэВ. Это переносчики слабых взаимодействий междукварками и лептонами. И наконец, глюоны — переносчики сильных взаимодействиймежду кварками. Как и сами кварки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но проявляются на промежуточных стадиях реакций рождения и уничтожения адронов. Недавно были зарегистрированы струи адронов, порожденныеглюонами. Поскольку все предсказания теории кварков и глюонов — квантовойхромодинамики — сходятся с опытом, почти нет сомнений в существовании глюонов.
Частицасо спином 2 — это гравитон. Его существование вытекает из теории тяготенияЭйнштейна, принципов квантовой механики и теории относительности. Обнаружитьгравитон экспериментально будет чрезвычайно трудно, поскольку он очень слабовзаимодействует с веществом.
Наконец,в таблице со знаком вопроса приведены частицы со спином 0 (Н-мезоны) и 3/2 (гравитино); они не обнаружены на опыте, но их существование предполагается вомногих современных теоретических моделях.
Элементарные частицы
спин 0? 1/2 1 3/2 2? названиеЧастицы
Хиггса
Частицы вещества Кванты полей кварки лептоны фотон векторные бозоны глюон гравитино гравитон символH
u
d
ne
e
gZ
W
g (масса) (?) (?) (0,5) (0) (~95Гэв) (~80Гэв) (?) (?) символс
s
nm
m (масса) (0?) (106) символt
b
nt
t (масса) (0?) (1784)Барионный
заряд
1/3 1/3Электрический
заряд
0, ±1 2/3 1/3 -1 ±1 цвет - 3 3 - - - - - 8 - -Адроны — общее название для частиц, участвующихв сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова,означающего «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы —мезоны и барионы.
Барионы (от греческого слова, означающего«тяжелый») — это адроны с полуцелым спином . Самые известные барионы —протони нейтрон. К барионам принадлежит также ряд частиц с квантовым числом, названным когда-то странностью.Единицей странности обладают барион лямбда (L°) и семейство барионовсигма (S-, S+ и S°). Индексы +, — ,0 указывают на знак электрическогозаряда или нейтральность частицы. Двумя единицами странности обладают барионыкси (X- и X°). Барион W- имеетстранность, равную трем. Массы перечисленных барионов примерно в полтора разабольше массы протона, а их характерное время жизни составляет около 10-10с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин.Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микромираэто не так. Такая частица, даже двигаясь относительно медленно, со скоростью,скажем, равной 10% от световой скорости, успевает пройти путь в несколькомиллиметров и оставить свой след в детекторе элементарных частиц. Одним изсвойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие уних сохраняющегося барионного заряда. Эта величина введена для описанияопытного факта постоянства во всех известных процессах разности между числомбарионов и антибарионов.
Протон — стабильная частица из классаадронов, ядро атома водорода. Трудно сказать, какое событие следует считатьоткрытием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытиипротона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911),и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906—1919), и наблюдениеядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений)первые фотографии следов протона, подтвердивоткрытие искусственного превращения элементов. В этих опытах a-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон ипревращалось в изотоп кислорода.
Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов,причем число протонов в ядре определяет атомный номер данного элемента. Протонимеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е.абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностьюдо 10-21. Масса протона mp = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ~ 1,6-10-24г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зренияпротон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u-кварковс электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кваркас электрическим зарядом -1/3. Кварки связаны между собой обменом другимигипотетическими частицами — глюонами, квантами поля, переносящего сильныевзаимодействия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессырассеяния электронов на протонах, действительно свидетельствуют о наличиивнутри протонов точечных рассеивающих центров. Эти опыты в определенном смыслеочень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучисоставной частицей, протон имеет конечные размеры~ 10-13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердыйшарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее изрождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.
Протон, каки все адроны, участвует в каждом из фундаментальных взаимодействий. Так.сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах,электромагнитные взаимодействия — протоны и электроны в атомах.Примерами слабых взаимодействий могут служить бета-распад нейтрона или внутриядерное превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино(для свободного протона такой процесс невозможен в силу закона сохранения и превращения энергии, так как нейтрон имеет несколько большую массу).Спин протона равен 1/2. Адроны с полуцелым спином называются барионами( от греческого слова, означающего «тяжелый»). К барионам относятся протон,нейтрон, различные гипероны (L, S, X, W) и ряд частиц с новыми квантовыми числами,большинство из которых еще не открыто. Для характеристики барионов введеноособое число — барионный заряд, равный 1 для барионов, — 1 — для антибарионов и О — для всех прочих частиц. Барионный заряд неявляется источником барионного поля, он введен лишь для описаниязакономерностей, наблюдавшихся в реакциях с частицами. Эти закономерности выражаются в виде закона сохранения барионного заряда: разность между числом барионов и антибарионов в системесохраняется в любых реакциях. Сохранение барионного заряда делает невозможным распад протона, ибо он легчайший из барионов. Этот закон носитэмпирический характер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте.Точность закона сохранения барионного заряда характеризуется стабильностью протона, экспериментальная оценка для времени жизни которого дает значениене меньше 1032 лет.
Вто же время в теориях, объединяющих все виды фундаментальных взаимодействий,предсказываются процессы, приводящие к нарушению барионного заряда и к распадупротона. Время жизни протона в таких теориях указывается не очень точно:примерно 1032±2 лет. Это время огромно, оно во много раз больше временисуществования Вселенной ( ~ 2·1010 лет). Поэтомупротон практически стабилен, что сделало возможным образование химическихэлементов и в конечном итоге появление разумной жизни. Однако поиски распадапротона представляют сейчас одну из важнейших задач экспериментальной физики.При времени жизни протона ~ 1032 лет в объеме воды в 100 м3 (1 м3 содержит ~ 1030 протонов) следует ожидать распада одного протона в год. Остается всеголишь зарегистрировать этот распад. Открытие распада протона станет важным шагомк правильному пониманию единства сил природы.
Нейтрон— нейтральная частица, относящаяся к классу адронов. Открыт в 1932 г.английским физиком Дж. Чедвиком. Вместе с протонами нейтроны входят в составатомных ядер. Электрический заряд нейтрона qnравен нулю. Это подтверждается прямыми измерениями заряда по отклонению пучканейтронов в сильных электрических полях, показавшими, что |qn| <10-20e (здесь е — элементарный электрический заряд,т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |qn|<2*10-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адронс полуцелым спином, он относится к группе барионов. У каждого бариона естьантичастица; антинейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеяниюантипротонов на ядрах. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком барионногозаряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.
Каки протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: онсостоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварковс зарядом - 1/3, связанных между собой глюонным полем.
Нейтроныустойчивы лишь в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон —нестабильная частица, распадающаяся на протон (р), электрон (е-) иэлектронное антинейтрино. Время жизни нейтрона составляет (917 ±14) с, т. е. около 15 мин. В веществе в свободном виде нейтронысуществуют еще меньше вследствие сильного поглощения их ядрами. Поэтому онивозникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерныхреакций.
По энергетическому балансу различных ядерных реакций определена величина разностимасс нейтрона и протона: mn-mp(1,29344 ±0,00007) МэВ. Из сопоставления ее с массой протона получиммассу нейтрона: mn = 939,5731 ± 0,0027 МэВ; это соответствуетmn ~ 1,6-10-24.
Нейтронучаствует во всех видах фундаментальных взаимодействий. Сильныевзаимодействия связывают нейтроны и протоны в атомных ядрах. Пример слабого взаимодействия — бета-распад нейтрона.
Участвует лиэта нейтральная частица в электромагнитных взаимодействиях? Нейтрон обладает внутренней структурой, и в нем при общей нейтральности существуютэлектрические токи, приводящие, в частности, к появлению у нейтрона магнитного момента. Иными словами, в магнитном поле нейтрон ведет себяподобно стрелке компаса. Это лишь один из примеров егоэлектромагнитного взаимодействия. Большой интерес приобрели поиски дипольного электрического момента нейтрона, для которого была получена верхняя граница. Здесь самые эффективные опыты удалось поставить ученымЛенинградского института ядерной физики АН СССР; поиски дипольногомомента нейтронов важны для понимания механизмов нарушения инвариантностиотносительно обращения времени в микропроцессах.
Гравитационные взаимодействия нейтронов наблюдались непосредственно по их падению в поле тяготения Земли.
Сейчас принята условная классификация нейтроновпо их кинетической энергии:
медленные нейтроны (<105эВ, есть много их разновидностей),быстрые нейтроны (105¸108эВ), высокоэнергичные (> 108эВ). Весьма интересными свойствами обладают очень медленные нейтроны
(10-7эВ), которые получили название ультрахолодных. Оказалось, что ультрахолодныенейтроны можно накапливать в «магнитных ловушках» и даже ориентировать там их спины в определенном направлении. С помощью магнитных полей специальной конфигурации ультрахолодные нейтроны изолируются от поглощающих стенок и могут «жить» в ловушке, пока не распадутся. Этопозволяет проводить многие тонкие эксперименты по изучению свойствнейтронов. Другой метод хранения ультрахолодных нейтронов основан наих волновых свойствах. Такие нейтроны можно просто хранить в замкнутой «банке».Эта идея была высказана советским физиком Я. Б. Зельдовичем в конце 1950-х гг., и первые результаты были получены в Дубнев институте ядерных исследований спустя почти десятилетие.
Недавно ученым удалось построить сосуд, в котором ультрахолодные нейтроны живутдо своего естественного распада.
Свободныенейтроны способны активно взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерныереакции. В результате взаимодействия медленных нейтронов с веществом можно наблюдать резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т. п.Благодаря этим своим особенностям нейтроны широко используются в ядерной физикеи физике твердого тела. Они играют важную роль в ядерной энергетике, впроизводстве трансурановых элементов и радиоактивных изотопов, находятпрактическое применение в химическом анализе и в геологической разведке.
Мезоны — адроны с целым спином Название произошло от греческого слова, означающего«средний, промежуточный», поскольку массы первых открытых мезонов имелипромежуточные значения между массами протона и электрона. Барионный зарядмезонов равен нулю. Легчайшие из мезонов — пионы, или пи-мезоны p-,p+ и p°. Их массы примерно в 6—7 раз меньше массы протона.. Более массивныстранные мезоны — каоны K+, К-и К°. Их массы почти в два раза меньше массы протона. Характерное время жизниэтих мезонов — 10-8 с.
Почти все адроны имеют античастицы. Так, барион сигма—минус S- имеетантичастицу антисигма—плюс S`+, котораяотлична от S+. То жесамое можно сказать и о других барионах. С мезонами дело обстоит несколькоиначе: отрицательный пион — античастица положительного пиона, а нейтральный пионантичастицы вообще не имеет, поскольку является античастицей сам себе. В тоже время нейтральный каон K° имеет античастицу К`°. Эти фактыполучают объяснение в кварковой модели адронов.
Мирадронов огромен — он включает более 350 частиц. Большинство их очень нестабильны:они распадаются на более легкие адроны за время порядка 10–23c. Это —характерное время сильных взаимодействий; за столь короткий интервал даже светуспевает пройти расстояние, равное всего лишь радиусу протона (10-13 см). Ясно,что столь короткоживущие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычноих рождение обнаруживают то косвенным признакам. Например, изучают реакциюаннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяяэнергию столкновения электронов и позитронов, обнаруживают, что при каком-тозначении энергии выход адронов вдруг резко увеличивается. Данный факт можнообъяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица, масса которойравна соответствующей энергии (с точностью до множителя с2). Этачастица мгновенно распадется на другие адроны, и единственным следом еепоявления остается пик на графике зависимости вероятности рождения адронов отэнергии столкновения.
Такиекороткоживущие частицы называют резонансами. Большинство барионов и мезонов —резонансы. Они не оставляют «автографов» в камерах и на фотографиях, и все жефизикам удается изучать их свойства: определять массу, время жизни, спин,четность, способы распада и т. п.
Посовременным представлениям адроны не являются истинно элементарными частицами.Они имеют конечные размеры и сложную структуру. Барионы состоят из трехкварков. Соответственно антибарион состоит из трех антикварков и всегда отличенот бариона. Мезоны построены из кварка и антикварка. Ясно, что мезоны, в составкоторых входят пары из кварков и антикварков одного сорта, не будут иметьантичастиц. Кварки удерживаются внутри адронов глюонным полем. В принципетеория допускает существование других адронов, построенных из большего числакварков или, наоборот, из одного глюонного поля. В последнее время появилисьнекоторые экспериментальные данные о возможном существовании такихгипотетических частиц. Динамическая теория кварков, описывающая ихвзаимодействия, стала развиваться относительно недавно. Первоначально кварковаямодель была предложена для «наведения порядка» в слишком многочисленномсемействе адронов. Эта модель включала кварки трех видов, или, как принятоговорить, ароматов. С помощью кварков удалось навести порядок в многочисленномсемействе адронов, распределив их в группы частиц, называемые мультиплетами.Частицы одного мультиплета имеют близкие массы, но не только это послужилоосновой их классификации; кроме опытных данных в этом случае использовалиспециальный математический аппарат теории групп.
В дальнейшем оказалось, что трех кварковых ароматов недостаточно для описаниявсех адронов. В 1974 г. были открыты так называемые пси-мезоны, состоящие изкварка и антикварка нового вида (сс¢). Этот ароматбыл назван очарованием. Новый очарованный кварк с оказался гораздо тяжелеесвоих «собратьев»: легчайшая из пси-частиц — мезон J/y — имеет массу 3097 МэВ, т. е. в3 раза тяжелее протона. Время ее жизни около 10 -20с. Было открыто целое семейство пси-мезонов с тем же кварковым составом cc¢, но находящихсяв возбужденных состояниях и вследствие этого имеющих большие массы.
Лептоны — группа частиц, не участвующих в 1 сильномвзаимодействии (название происходит от греческого слова «лептос» — «легкий»).
Все лептоны имеют спин 1/2. Различают заряженные лептоны — электрон е -,мюон m -, тяжелый лептон t — и соответствующие античастицы е +, m+ и t + и нейтральные – различного рода нейтрино.
Первым иззаряженных лептонов был открыт электрон — в 1897 г. английским ученым Дж. Дж.Томсоном. Его античастица— позитрон — была найдена в 1932 г. вкосмических лучах американским физиком К. Андерсоном. В 1936 г. также при излучении космических лучей были обнаружены мюоны (К. Андерсон и С.Неддермейер). Сначала произошла маленькая путаница: мюоны попыталисьотождествить с частицей, которая, согласно теории японского физика X. Юкавы,переносила сильные взаимодействия. Вскоре, впрочем, выяснилось, что к сильнымвзаимодействиям мюон отношения не имеет (частицами, предсказанными Юкавой, оказались открытые в 1947 г. л-мезоны). Итогда возникла загадка мюона. Дело в том, что мюонудивительно похож на электрон: у них одинаковый электрический заряд, спин, оба
ониучаствуют лишь в слабых и электромагнитных взаимодействиях, причем аналогичнымобразом. Единственное видимое их отличие заключается в массе: мюон в 206,8 разатяжелее электрона (современное значение его массыm = 105,65943 МэВ/с2 @ 1,88- 10 –25 г).
Из-за большей величины массы мюон утерял стабильность, время его жизни @2,2 • 10 -6 с.
Электронстабилен, так как ему просто не на что распадаться. Действительно, из-за сохраненияэлектрического заряда распад электрона был бы возможен только с испусканиемболее легких заряженных частиц, но о существовании таких частиц до сих порничего не известно. Если бы закон сохранения заряда не являлся вполне точнымзаконом природы, то электрон мог бы распасться, например, на нейтрино и фотон.Поиски таких распадов, однако, не увенчались успехом и показали, что времяжизни электрона, по крайней мере, больше чем 1022 лет (для сравнения: нашаВселенная существует «всего» около 2 • 10 -10 лет). Поэтому всовременных теориях электрон считается стабильной частицей. Заметим все же, чтоэкспериментальные пределы для времени жизни протона выглядят еще внушительнее(не менее 1032 лет), но теории, в которых он может распадаться, в последнеевремя стали очень популярны.
С распадом мюона дело обстоит проще, он может распадаться и в действительностираспадается на электрон и пару нейтрино разных сортов: m -® е — + nе`+ nm. За этот распад ответственны слабые взаимодействия.Экспериментальное значение времени жизни мюона хорошо согласуется стеоретическими расчетами. Разумеется, аналогичным образом происходит и распадположительно заряженного мюона:
m+<sup/>® е +<sup/>+ nе +nm`.
Неуспев еще разобраться в загадке мюона, физики открыли третий заряженный лептонt (тау — лептон). Он был обнаружен в 1975 г. в опытахна встречных электрон-позитронных пучках в Станфорде (США) группой физиков воглаве с М. Перлом при аннигиляции электрона и позитрона очень больших энергий.Тяжелый тау-лептон имеет массу почти в 3500 раз большую, чем масса электрона (me~1784МэВ/с2). Он даже почти в 2 раза тяжелее протона. Время жизниt-лептона с достаточной точностью было измерено лишь в1981 г.— 3,4 • 10 -13 с.Такое время жизни показывает, что слабые взаимодействия t-лептонов очень похожи на слабые взаимодействия электронов и мюонов(следует иметь в виду, что чем тяжелее частица, тем быстрее, при прочих одинаковыхусловиях, она распадается на более легкие. Имеющиеся данные позволяютутверждать, что и в остальном t-лептон подобен электрону имюону.
Заряженныелептоны объединены еще одним свойством: в современных теориях все онипредставляются точечными объектами, не имеющими, в отличие от адронов, внутреннейструктуры. Эксперименты на самых мощных ускорителях при максимально достижимыхв настоящее время энергиях показывают, что это справедливо, по крайней мере,вплоть до расстояний @10 -16 см.
Наблюдаяза реакциями с участием лептонов, ученые обнаружили, что всегда остаетсяпостоянной разность числа лептонов и антилептонов. Для описания этого свойстваввели особое квантовое число — лептонный заряд L, условно приписав значение L = 1 отрицательнозаряженным лептонам и сопутствующим им нейтрино, а значение L.=-1 - их античастицам. Тогда указанное явление сводится к закону сохранениялептонного заряда. Позднее установили, что электронное и мюонное нейтрино нетождественны друг другу, и пришлось ввести различные, сохраняющиесянезависимо лептонные заряды. По-видимому, существует и третий тип лептонногозаряда, связанный с тяжелым лептоном и его нейтрино.
Покане наблюдалось случаев нарушения закона сохранения лептонного заряда. Скажем,этот закон запрещает безнейтринные распады мюона. Отношение вероятностейзапрещенного и обычного распадов мюона оценивалось в экспериментах и оказалосьменьшим 10 -9—10 –10. Поиск запрещенных распадовпредставляет большой интерес, так как не исключена возможность обнаружения несохранениялептонного заряда. Следует подчеркнуть, что лептонный заряд не являетсяисточником какого-то «лептонного» поля, а введен исключительно для объяснениянаблюдаемых на опыте закономерностей реакций с участием лептонов.
Появившиесяв последнее время теории, основанные на представлениях о единстве сил природы,предсказывают неустойчивость протона и одновременно нарушение сохранениялептонного заряда. В чем же заключается причина существования разных типовлептонов с близкими свойствами и сильно различающимися массами? Какова природалептонных зарядов? И нет ли еще других, пока что неизвестных нам лептонов?Сейчас на эти вопросы еще нет ответа. Решение их связано не только с лептонами,но и с другими истинно элементарными частицами—кварками, представляющими собойосновные структурные элементы мира сильновзаимодействующих частиц. Кварки сильно различаются по массам и обладают своими специфическим «зарядами». Парыкварков объединяются вместе с парами лептонов (заряженным лептоном исоответствующим нейтрино) в так называемые поколения элементарных частиц.Многие свойства частиц повторяются из поколения в поколение, а массыпоколений сильно различаются между собой: второе поколение ( в неговходят мюоны) тяжелее первого (с электронами), а третье поколение (включающее t-лептоны) тяжелее второго. Исследования многихзагадок этих поколений еще только начинаются.
Электрон –отрицательно заряженная элементарная частица,носитель наименьшей известной массы и наименьшего электрического заряда вприроде. Открыт в 1897 г. английским ученым ДЖ. Дж. Томсоном.
Электрон– составная часть атома, число электронов в нейтральном атоме равно атомномуномеру, т.е. числу протонов в ядре.
Первые точные измерения заряда электрона провел в1909-1913 гг. американский физик Р. Милликен. Современное значение абсолютнойвеличины элементарного заряда составляет
е=(4,803242±0, 000014)*10-10 или примерно 1,6*10-19 Кл.считается, что этот заряд действительно «элементарен», т. е. он не может бытьразделен на части, а заряды любых объектов являются его целыми кратными. Вместес постоянной Планка Н и скоростью света с элементарный заряд образуетбезразмерную постоянную a= е2/ hc ~ 1/ 137.Постоянная тонкой структуры a— один из важнейших параметровквантовой электродинамики, она определяет интенсивность электромагнитныхвзаимодействий. Масса электрона mе = (9,109534 ± 0,000047)*10-28г (в энергетических единицах ~0,5МэВ/с2). Если справедливы законысохранения энергии и электрического заряда, то запрещены любые распадыэлектрона. Поэтому электрон стабилен; экспериментально получено,что время его жизни не менее 1022 лет.
В 1925 г.американские физики С. Гаудсмит и Дж. Уленбек для объяснения особенностейатомных спектров ввели внутренний момент количества движения электрона — спин(s). Спин электрона равен половине постоянной Планка (Н — 1,055*10-34 Дж/с), но физики обычно говорят просто, что спинэлектрона равен 1/2:5 = 1/2. Со спином электрона связан его собственныймагнитный момент. Магнитный момент электрона должен был равняться вточности одному магнетону Бора.
Однако в 1947г. в опытах было обнаружено, что магнитный момент примерно на 0,1% большемагнетона Бора. Объяснение этого факта было дано с учетом поляризации вакуума вквантовой электродинамике. Весьма трудоемкие вычисления дали теоретическоезначение gе = 2*(1,001159652460 ± 0,000000000148), которое можно сравнить сэкспериментальными данными: для электрона gе = 2-(1,001159652200 ± 0,000000000040) и позитрона gе = 2• (1,(Ю 1159652222 ±0,000000000050). Величины вычислены и измерены с точностью до двенадцати знаковпосле запятой, причем точность экспериментальных работ выше
'точноститеоретических расчетов. Это самые точные измерения в физике элементарныхчастиц.
Особенностямидвижения электронов в атомах, подчиняющегося уравнениям квантовой механики,определяются оптические, электрические, магнитные, химические и механическиесвойства веществ.
Электроныучаствуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях.
Слабыевзаимодействия электронов проявляются, например, в процессах с несохранениемв атомных спектрах или в реакциях между электронами и нейтрино.
Неимеется никаких данных о внутренней структуре электрона. Современные теорииисходят из представлений о лептонах, как о точечных частицах. В настоящее времяэто проверено экспериментально до расстояний 10-16 см. Новые данныемогут появиться лишь с повышением энергии столкновения частиц в будущихускорителях.