Техника - молодёжи 1955-05, страница 12

Член-корреспондент Академии наук СССР А. И. АЛИХАНЯН и кандидат физико-математических наук А. О. ВАЯСЕНБЕРГ

Рис. Н. СМОЛЬЯНИНОВА

элементарны ли элементарные частицы?

Ответить на вопрос, что собой представляют элементарные частицы, нелегко. Представление об элементарных частицах сильно менялось по мере развития науки. Еще сравнительно недавно считалось, что мельчайшими частицами вещества являются атомы. Менделеев обнаружил порядок и систему в свойствах известных атомов, и периодическая система элементов стала основой для дальнейшего изучения их строения. К концу XIX века были открыты «еще более элементарные» электроны и протоны. Можно было думать, что найдены, наконец, элементарные частицы, из которых построены атомы. Однако в 1932 году число элементарных частиц сразу увеличилось в два раза. В космическом излучении были обнаружены позитроны — частицы со свойствами электрона, но заряженные положительно. В том же году, при исследовании излучения, испускаемого легкими элементами, бомбардируемыми альфа-частицами, была открыта элементарная частица, не имеющая заряда, — нейтрон. Масса нейтрона оказалась близка к массе протона. Открытие нейтрона сыграло решающую роль для всего дальнейшего развития ядерной физики, так как оказалось, что ядра атомов состоят из нейтронов и протонов, причем нейтронов в них даже больше, чем протонов.

В 1936 году в космическом излучении были открыты новые частицы •—ц (мю)-мезоны, масса которых почти в девять раз меньше массы протона. Начиная с 1947 года число «элементарных частиц» стало быстро увеличиваться: оказалось, что, кроме ц-мезонов, существуют и другие, более тяжелые мезоны. В настоящее время известно не меньше десяти различных типов мезонов. Из этого неполного перечня видно, что элементарных частиц много. Этого достаточно, чтобы усомниться в их элементарности. Действительно, открытые за последние два десятилетия элементарные частицы обнаружили сложные взаимные превращения. Например, мезоны оказались нестабильными, то-есть самопроизвольно распадающимися частицами. При распаде тяжелых мезонов образуются более легкие мезоны. Последние, в свою очередь, распадаются на электроны и другие легкие частицы. Нестабильны даже нейтроны, составляющие больше половины всего вещества. Свободный нейтрон распадается на две частицы: протон, электрон, и на частицу в тысячи раз более легкую, чем электрон, получившую название нейтрино. В ядре атома происходят взаимные превращения протонов и нейтронов, о которых мы узнаем по электронам или позитронам, испускаемым ядром в момент превращений.

Элементарные частицы обнаруживают далеко не элементарное строение и сложную взаимную связь, и термин «элементарные», по остроумному замечанию известного итальянского физика Ферми, характеризует скорее уровень наших знаний об этих частицах, чем их свойства.

важнейшая задача физики

Исследование свойств элементарных частиц является важнейшей проблемой физики. Действительно, если вещество построено из нескольких типов элементарных частиц, то знать их природу, силы, действующие между ними, и законы, по которым частицы объединяются в

ядра атомов и в атомы, значит решить проблему строения вещества. Несмотря на общеизвестные успехи ядерной физики, которые привели в конце концов к овладению внутриядерной энергией, основные свойства элементарных частиц все еще остаются непонятными. Почему, например, заряд электрона и всех остальных заряженных элементарных частиц, какова бы ни была их масса, равен 4,8-10" ¹⁰ абсолютных единиц заряда? Каково происхождение массы элементарных частиц? Почему протон в 1 840, а Н-мезон в 207 раз тяжелее электрона? Эти и подобные «.простые» вопросы, касающиеся строения элементарных частиц, еще не имеют ответа.

Несмотря на это, экспериментальное и теоретическое изучение свойств элементарных частиц и действующих между ними сил достигло за последние годы больших успехов. К счастью, оказалось, что необычайно сложная проблема строения вещества из нескольких элементарных частиц естественным образом разбивается на две, в первом приближении не зависящие друг от друга проблемы. Эти основные проблемы выражаются вопросами, как устроен атом и как устроено ядро атома. Такое разделение проблемы возможно потому, что атом сам разделен на две резко разграниченные части с совершенно разными физическими свойствами: разреженное электронное облако, занимающее весь объем атома, и очень малое ядро, в котором сосредоточено около 99,95% массы атома и весь его положительный заряд. На одном из рисунков приведена фотография модели, дающей представление о строении атома урана. Вокруг плотного и тяжелого ядра, состоящего из 235 протонов и нейтронов (92 протона и 143 нейтрона), расположено электронное «облако» из 92 электронов и показаны орбиты, по которым электроны обращаются вокруг ядра. Из всех свойств ядра для проблемы строения атома важен только его заряд и в меньшей степени его масса. Силы, действующие между положительно заряженным ядром и электронной оболочкой, хорошо известны: это силы притяжения между разноименными электрическими зарядами. Поэтому легко понять, что исходным пунктом для решения проблемы атома является вопрос о взаимодействии между электрическими зарядами.

электроны, позитроны, фотоны.

электрические силы

Нулон еще в 1784 году показал, что сила, действующая между двумя электрическими зарядами, зависит от расстояния между ними: она убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между зарядами, то-есть довольно медленно. Это первый опытный факт, являющийся основой теории, описывающей взаимодействие между зарядами. Второй, не менее важный факт, на котором основана вся классическая электродинамика Фа-радея и Максвелла, заключается в том, что если изменить расстояние между зарядами, сдвинув один из них, то другой заряд почувствует изменение силы не в тот же момент, а спустя время, которое нужно свету, чтобы пройти расстояние между зарядами. Этот факт связал между собой электрические и световые явления, показав, что электромагнитное поле, окружающее движущиеся заряды, распространяется со скоростью света. И, наконец, великие открытия, совершенные в начале столетия Планком и Эйнштейном, дали указания на структуру, внутреннее строение электромагнитного поля. Оказалось, что электромагнитное поле не является непрерывным, а подобно веществу или самому электрическому заряду имеет дискретное, прерывистое строение. Минимальное количество электромагнитной энергии называется ее квантом, или фотоном. Эти кванты электромагнитной энергии — фотоны — и образуют электромагнитное поле. Они распространяются со скоростью света, то-есть с той же скоростью, с которой воздействие одного заряда передается другому. Основная идея современной физической теории, изучающей взаимодействие между зарядами (квантовая электродинамика), заключается в том, что носителями сил, действующих между зарядами, являются испускаемые и поглощаемые ими фотоны. Заряды окружены электромагнитным полем. с точки зрения современной теории, «окружить себя электромагнитным полем» — значит испускать и поглощать фотоны. В результате такого обмена фотонами между двумя зарядами

10