История открытия элементарных частиц

История открытия элементарных частиц

Сумский государственный университет

Реферат

по физике

на тему:

История открытия элементарных частиц

Преподаватель

Нефедченко В.Ф.

г.Сумы

2003г.

Оглавление

От электрона до нейтрино 5

Электрон 5

Фотон 6

Протон 7

Нейтрон 8

Позитрон 10

Пионы и Мюоны. Открытие мезона 12

Нейтрино 17

От странности до очарования 19

Открытие странных частиц 19

Резонансы. 21

«Очарованные» частицы 22

Заключение 23

Литература 26

Введение.

В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые

заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине

удивительные результаты. Прежде всего, это проявилось в открытии целого

множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными

частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них

в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Открытие элементарных частиц явилось закономерным результатом общих

успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно

было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов,

изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием

фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности,

свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и

нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер

электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе

практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет

мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени

они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих

частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен.

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью,

разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им

не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли

эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или,

возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие

физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой

структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать,

каково значение каждой из элементарных частиц.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В

основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

Элементарные частицы в точном значении этого термина — первичные,

далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся

материя. В понятии “Элементарные частицы” в современной физике находит

выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные

свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах

становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие “Элементарные частицы” сформировалось в тесной связи с

установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом

уровне. Обнаружение на рубеже 19—20 вв. мельчайших носителей свойств

вещества — молекул и атомов — и установление того факта, что молекулы

построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как

комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих —

атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов —

электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся

построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно

уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и

дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи

завершается дискретными бесструктурными образованиями — элементарными

частицами. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией

известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с

уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого

определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время

считавшиеся элементарными частицами, как выяснилось, имеют сложное

строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных

составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что

утверждение “состоит из...” на какой-то ступени изучения материи окажется

лишённым содержания. От данного выше определения “элементарности” в этом

случае придется отказаться. Существование элементарных частиц — это своего

рода постулат, и проверка его справедливости — одна из важнейших задач

физики.

От электрона до нейтрино

Электрон

Исторически первой открытой элементарной частицей был электрон —

носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах.

Это самая «старая» элементарная частица. В идейном плане он вошел в

физику в 1881 г., когда Гельмгольц в речи в честь Фарадея указал, что

атомная структура вещества вместе с законами электролиза Фарадея неизбежно

приводит к мысли, что электрический заряд всегда должен быть кратен

некоторому элементарному заряду, - т. е. к выводу о квантовании

электрического заряда. Носителем отрицательного элементарного заряда, как

мы теперь знаем, и является электрон.

Максвелл же, создавший фундаментальную теорию электрических и

магнитных явлений и использовавший существенным образом экспериментальные

результаты Фарадея, не принимал гипотезы атомного электричества.

Между тем «временная» теория о существовании электрона была

подтверждена в 1897 г. в экспериментах Дж. Дж. Томсона, в которых он

отождествил так называемые катодные лучи с электронами и измерил заряд и

массу электрона. Частицы катодных лучей Томсон называл «корпускулами» или

изначальными атомами. Слово «электрон» первоначально использовалось для

обозначения величины заряда «корпускулы». И только со временем электроном

стали называть саму частицу.

Однако идея об электроне не сразу получила признание. Когда на лекции

в Королевском обществе Дж. Дж. Томсон – первооткрыватель электрона –

высказал предположение, что частицы катодных лучей следует рассматривать

как возможные компоненты атома, некоторые его коллеги искренне считали, что

он мистифицирует их. Сам Планк признавался в 1925 г., что не верил тогда, в

1900г., до конца в гипотезу об электроне.

Можно сказать, что после опытов Милликена, измерившего в 1911г. заряды

индивидуальных электронов, эта первая элементарная частица получила право

на существование.

Фотон

Прямое экспериментальное доказательство существования фотона было дано

Р. Милликеном в 1912—1915 гг. в его исследованиях фотоэффекта, а также А.

Комптоном в 1922 г., обнаружившим рассеяние рентгеновских лучей с

изменением их частоты.

Фотон – в некотором смысле особая частица. Дело в том, что масса его

покоя в отличие от других частиц (кроме нейтрино) равна нулю. Поэтому его

стали считать частицей не сразу: вначале полагали, что наличие конечной и

отличной от нуля массы покоя – обязательная черта элементарной частицы.

Фотон – это «оживленный» планковский квант света, т. е. квант света,

несущий импульс.

Кванты света ввел Планк в 1901 г. для того, чтобы объяснить законы

излучения абсолютно черного тела. Но он был не частицами , а только

минимально возможными «порциями» энергии света той или иной частоты.

Хотя предположение Планка о квантовании энергии света абсолютно

противоречило всей классической теории, сам Планк понял это не сразу.

Ученый писал, что он «… пытался как-то ввести величину h в рамки

классической теории. Однако вопреки всем таким попыткам эта величина

оказалась весьма строптивой». Впоследствии эта величина получила название

постоянной Планка (h=6*10-27эрг.с).

После введения постоянной Планка ситуация не стала более ясной.

«Живыми» фотоны или кванты сделала теория относительности Эйнштейна,

который в 1905 г. показал, что кванты должны иметь не только энергию, но и

импульс, и что они являются в полном смысле частицами, только особенными,

так как масса покоя их равна нулю, и двигаются они со скоростью света.

Итак вывод о существовании частицы электромагнитного поля — фотона —

берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергия

электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантована, Планк

получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А.

Эйнштейн (1905) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в

действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой

основе объяснил закономерности фотоэффекта.

Протон

Протон был открыт Э. Резерфордом в 1919 г. в исследованиях

взаимодействия альфа-частиц с атомными ядрами.

Точнее открытие протона связано с открытием атомного ядра. Оно было

сделано Резерфордом в результате бомбардировки атомов азота высоко

энергетическими ?-частицами. Резерфорд заключил, что «ядро атома азота

распадается вследствие громадных сил, развивающихся при столкновении с

быстрой ?-частицей, и что освобождающийся водородный атом образует

составную часть ядра азота». В 1920 г. ядра атома водорода были названы

Резерфордом протонами (протон по-гречески означает простейший, первичный).

Были и другие предложения по поводу названия. Так, например, предлагалось

название «барон» (барос по-гречески означает тяжесть). Однако оно

подчеркивало только одну особенность ядра водорода – его массу. Термин

«протон» был существенно глубже и содержательнее, отражая фундаментальность

протона, ибо протон – это простейшее ядро – ядро самого легкого изотопа

водорода. Это, несомненно, один из наиболее удачных терминов в физике

элементарных частиц. Таким образом, протоны — это частицы с единичным

положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона.

Нейтрон

Другая частица, входящая в состав ядра, — нейтрон — была открыта в

1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия ?-частиц с бериллием.

Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим

зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц — структурных

элементов атомов и их ядер.

Открытие изотопов не прояснило вопрос о строении ядра. К этому времени

были известны лишь протоны – ядра водорода, и электроны, а потому

естественной была попытка объяснить существование изотопов различными

комбинациями этих положительно и отрицательно заряженных частиц. Можно было

бы думать, что ядра содержат А протонов, где А – массовое число, и А-Z

электронов. При этом полный положительный заряд совпадает с атомным

номером Z.

Такая простая картина однородного ядра поначалу не противоречила

выводу о малых размерах ядра, вытекавшему из опытов Резерфорда.

“Естественный радиус” электрона r0 = e2/mc2 (который получается, если

приравнять электростатическую энергию e2/r0 заряда, распределенного по

сферической оболочке, собственной энергии электрона mc2) составляет r0 =

2,82*10–15 м. Такой электрон достаточно мал, чтобы находиться внутри ядра

радиусом 10–14 м, хотя поместить туда большое число частиц было бы

затруднительно. В 1920г. Резерфорд и другие ученые рассматривали

возможность существования устойчивой комбинации из протона и электрона,

воспроизводящей нейтральную частицу с массой, приблизительно равной массе

протона. Однако из-за отсутствия электрического заряда такие частицы с

трудом поддавались бы обнаружению. Вряд ли они могли бы и выбивать

электроны из металлических поверхностей, как электромагнитные волны при

фотоэффекте.

Лишь спустя десятилетие, после того как естественная радиоактивность

была глубоко исследована, а радиоактивное излучение стали широко применять,

чтобы вызывать искусственное превращение атомов, было надежно установлено

существование новой составной части ядра. В 1930 В.Боте и Г.Беккер из

Гисенского университета проводили облучение лития и бериллия альфа-

частицами и с помощью счетчика Гейгера регистрировали возникающее при этом

проникающее излучение. Поскольку на это излучение не оказывали влияния

электрические и магнитные поля, и оно обладало большой проникающей

способностью, авторы пришли к выводу, что испускается жесткое гамма-

излучение. В 1932 Ф.Жолио и И.Кюри повторили опыты с бериллием, пропуская

такое проникающее излучение через парафиновый блок. Они обнаружили, что из

парафина выходят протоны с необычно высокой энергией, и заключили, что,

проходя через парафин, гамма-излучение в результате рассеяния порождает

протоны. (В 1923 было установлено, что рентгеновские лучи рассеиваются на

электронах, давая комптоновский эффект.)

Дж.Чедвик повторил эксперимент. Он также использовал парафин и с

помощью ионизационной камеры, в которой собирался заряд, возникающий при

выбивании электронов из атомов, измерял пробег протонов отдачи.

Чедвик использовал также газообразный азот (в камере Вильсона, где

вдоль следа заряженной частицы происходит конденсация водяных капелек) для

поглощения излучения и измерения пробега атомов отдачи азота. Применив к

результатам обоих экспериментов законы сохранения энергии и импульса, он

пришел к выводу, что обнаруженное нейтральное излучение – это не гамма-

излучение, а поток частиц с массой, близкой к массе протона. Чедвик показал

также, что известные источники гамма-излучения не выбивают протонов.

Тем самым было подтверждено существование новой частицы, которую

теперь называют нейтроном.

Расщепление металлического бериллия происходило следующим образом:

Альфа-частицы 42He (заряд 2, массовое число 4) сталкивались с ядрами

бериллия (заряд 4, массовое число 9), в результате чего возникали углерод и

нейтрон.

Открытие нейтрона явилось важным шагом вперед. Наблюдаемые

характеристики ядер теперь можно было интерпретировать, рассматривая

нейтроны и протоны как составные части ядер.

Нейтрон, как теперь известно, на 0,1% тяжелее протона. Свободные

нейтроны (вне ядра) претерпевают радиоактивный распад, превращаясь в протон

и электрон. Это напоминает о первоначальной гипотезе составной нейтральной

частицы. Однако внутри стабильного ядра нейтроны связаны с протонами и

самопроизвольно не распадаются.

Позитрон

Начиная с 30-х годов и вплоть до 50-х годов новые частицы открывались

главным образом в космических лучах. В 1932 г. в их составе А. Андерсоном

была обнаружена первая античастица — позитрон (е+) — частица с массой

электрона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был первой

открытой античастицей. Существование е+ непосредственно вытекало из

релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928—31) незадолго до

обнаружения позитрона. В 1936г. американские физики К. Андерсон и С.

Неддермейер обнаружили при исследовании космических лучей мюоны (обоих

знаков электрического заряда) — частицы с массой примерно в 200 масс

электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е-, е+.

Позитроны (положительные электроны) в веществе не могут существовать,

потому что при замедлении они аннигилируют, соединяясь с отрицательными

электронами. В этом процессе, который можно рассматривать как обратный

процесс рождения пар, положительный и отрицательный электроны исчезают, при

этом образуются фотоны, которым передается их энергия. При аннигиляции

электрона и позитрона в большинстве случаев образуются два фотона,

значительно реже - один фотон. Однофотонная аннигиляция может произойти

только в том случае, когда электрон сильно связан с ядром; участие ядра в

этом случае необходимо для сохранения импульса. Двухфотонная аннигиляция,

напротив, может происходить и со свободным электроном. Часто процесс

аннигиляции происходит после практически полной остановки позитрона. В этом

случае испускаются в противоположных направлениях два фотона с равными

энергиями.

[pic]

Позитрон был открыт Андерсоном при изучении космических лучей методом

камеры Вильсона. На рисунке, который является репродукцией с полученной

Андерсоном фотографии в камере Вильсона, видна положительная частица,

входящая в свинцовую пластину толщиной 0,6 см с импульсом 6,3•107 эВ/с и

выходящая из нее с импульсом 2,3•107 эВ/с. Можно установить верхний предел

для массы этой частицы, допустив, что она теряет энергию только на

столкновения. Этот предел составляет 20 me. На основании этой и других

сходных фотографий Андерсон выдвинул гипотезу о существовании положительной

частицы с массой, примерно равной массе обычного электрона. Это заключение

скоро было подтверждено наблюдениями Блэккета и Оккиалини в камере

Вильсона. Вскоре после этого Кюри и Жолио открыли, что позитроны образуются

при конверсии гамма-лучей радиоактивных источников, а также испускаются

искусственными радиоактивными изотопами. Так как фотон, будучи нейтральным,

образует пару (позитрон и электрон), то из принципа сохранения

электрического заряда следует, что по абсолютной величине заряд позитрона

равен заряду электрона.

Первое количественное определение массы позитрона было проделано Тибо,

который измерял отношение e/m методом трохоид и пришел к выводу, что массы

позитрона и электрона отличаются не больше чем на 15 %. Более поздние

эксперименты Шписа и Цана, которые использовали масс-спектрографическую

установку, показали, что массы электрона и позитрона совпадают с точностью

до 2 %. Еще позже Дюмонд и сотрудники измерили с большой точностью длину

волны аннигиляционного излучения. С точностью до ошибок эксперимента (0,2

%) они получили такое значение длины волны, которого следовало ожидать в

предположении, что позитрон и электрон имеют равные массы.

Закон сохранения момента количества движения в применении к процессу

рождения пар показывает, что позитроны обладают полуцелым спином и,

следовательно, подчиняются статистике Ферми. Разумно предположить, что спин

позитрона равен 1/2, как и спин электрона.

Пионы и Мюоны. Открытие мезона

Открытие мезона, в отличие от открытия позитрона явилось не

результатом единичного наблюдения, а скорее выводом из целой серии

экспериментальных и теоретических исследований.

В 1932 году Росси, используя метод совпадений, предложенный Боте и

Кольхерстером, показал, что известную часть наблюдаемого на уровне моря

космического излучения составляют частицы, способные проникать через

свинцовые пластины толщиной до 1 м. Вскоре после этого он также обратил

внимание на существование в космических лучах двух различных компонент.

Частицы одной компоненты (проникающая компонента) способны проходить через

большие толщи вещества, причем степень поглощения их различными веществами

приблизительно пропорциональна массе этих веществ. Частицы другой

компоненты (ливнеобразующая компонента) быстро поглощаются, в особенности

тяжелыми элементами; при этом образуется большое число вторичных частиц

(ливни). Эксперименты по изучению прохождения частиц космических лучей

через свинцовые пластины, проведенные с камерой Вильсона Андерсоном и

Неддемейером, также показали, что существуют две различные компоненты

космических лучей. Эти эксперименты показали, что, в то время как в среднем

потеря энергии частиц космических лучей в свинце совпадала по порядку

величин с теоретически вычисленной потерей на столкновения, некоторые из

этих частиц испытывали гораздо большие потери.

В 1934 году Бете и Гайтлер опубликовали теорию радиационных потерь

электронов и рождения пар фотонами. Свойства менее проникающей компоненты,

наблюдавшейся Андерсоном и Неддемейером, находились в согласии со

свойствами электронов, предсказанными теорией Бете и Гайтлера; при этом

большие потери объяснялись радиационными процессами. Свойства

ливнеобразующего излучения, обнаруженного Росси, также могли быть объяснены

в предположении, что это излучение состоит из электронов и фотонов больших

энергий. С другой стороны, признавая справедливость теории Бете и Гайтлера,

приходилось делать вывод, что "проникающие" частицы в экспериментах Росси и

менее поглощающиеся частицы в экспериментах Андерсона и Неддемейера

отличаются от электронов. Пришлось предположить, что проникающие частицы

тяжелее электронов, так как согласно теории потери энергии на излучение

обратно пропорциональны квадрату массы.

В связи с этим обсуждалась возможность краха теории излучения при

больших энергиях. В качестве альтернативы Вильямс в 1934 году высказал

предположение, что проникающие частицы космических лучей, возможно,

обладают массой протона. Одна из трудностей, связанных с этой гипотезой,

заключалась в необходимости существования не только положительных, но и

отрицательных протонов, потому что эксперименты с камерой Вильсона

показали, что проникающие частицы космических лучей имеют заряды обоих

Страницы: 1, 2