Химическая энциклопедия - элементарные частицы

в узком смысле частицы, к-рые нельзя считать Состоящими из других частиц. В совр. физике термин "Э. ч." используют в более широком смысле: так наз. мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами (исключение составляет протон); иногда по этой причине Э. ч. называют субъядерными частицами. Большая часть таких частиц (а их известно более 350) являются составными системами.

Э. ч. участвуют в электромагнитном, слабом, сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс Э. ч. их гравитационное взаимод. обычно не учитывается. Все Э. ч. разделяют на три осн. группы. Первую составляют т. наз. бозоныпереносчики электрослабого взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения. Масса покоя фотона равна нулю, поэтому скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (в т. ч. световых волн) представляет собой предельную скорость распространения физ. воздействия и является одной из фундам. физ. постоянных; принято, что с = (299792458 1,2) м/с.

Вторая группа Э. ч.лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тяжелый -лептон и соответствующее нейтрино. Электрон (символ е) считается материальным носителем наименьшей массы в природе m с, равной 9,1 x 10^-28 г (в энергетич. единицах 0,511 МэВ) и наименьшего отрицат. электрич. заряда е =1,6 x 10^-19 Кл. Мюоны (символ ) частицы с массой ок. 207 масс электрона (105,7 МэВ) и электрич. зарядом, равным заряду электрона; тяжелый -лептон имеет массу ок. 1,8 ГэВ. Соответствующие этим частицам три типа нейтрино электронное (символ vc), мюонное (символ ) и -нейтрино (символ ) легкие (возможно, безмассовые) электрически нейтральные частицы.

Все лептоны имеют спин ( постоянная Планка), т. е. по статистич. св-вам являются фермионами (см. Статистическая термодинамика).

Каждому из лептонов соответствует античастица, имеющая те же значения массы, спина и др. характеристик, но отличающаяся знаком электрич. заряда. Существуют позитрон (символ е ⁺) античастица по отношению к электрону, положительно заряженный мюон (символ ) и три типа антинейтрино (символ ), к-рым приписывают противоположный знак особого квантового числа, наз. лептонным зарядом (см. ниже).

Третья группа Э. ч,адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны представляют собой "тяжелые" частицы с массой, значительно превышающей массу электрона. Это наиб. многочисленная группа Э. ч. Адроны делятся на барионы частицы со спином мезоны частицы с целочисленным спином (О или 1); а также т. наз. резонансы короткоживущие возбужденные состояния адронов. К барионам относят протон (символ р) ядро атома водорода с массой, в ~ 1836 раз превышающей m с и равной 1,672648 x 10^-24 г (938,3 МэВ), и положит. электрич. зарядом, равным заряду электрона, а также нейтрон (символ n) электрически нейтральная частица, масса к-рой немного превышает массу протона. Из протонов и нейтронов построены все ядра атомные, именно сильное взаимод. обусловливает связь этих частиц между собой. В сильном взаимодействии протон и нейтрон имеют одинаковые св-ва и рассматриваются как два квантовых состояния одной частицы нуклона с изотопич. спином (см. ниже). Барионы включают и гипероны Э. ч. с массой больше нуклонной: -гиперон имеет массу 1116 МэВ, -гиперон1190 МэВ, -гиперон -1320 МэВ, -гиперон1670 МэВ. Мезоны имеют массы, промежуточные между массами протона и электрона ( -мезон, K-мезон). Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положит. и отрицат. элементарным электрич. зарядом). Все мезоны по своим сгатистич. св-вам относятся к бозонам.

Основные свойства Э. ч. Каждая Э. ч. описывается набором дискретных значений физ. величин (квантовых чисел). Общие характеристики всех Э. ч. масса, время жизни, спин, электрич. заряд.

В зависимости от времени жизни Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными (в пределах точности совр. измерений) являются: электрон (время жизни более 5 -10²¹ лет), протон (более 10³¹ лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимод., их времена жизни более 10^-20 с. Резонансы распадаются за счет сильного взаимод., их характерные времена жизни 10^-22-10^-24 с.

Внутренними характеристиками (квантовыми числами) Э. ч. являются лептонный (символ L) и барионный (символ В)заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундам. взаимод. Для лептонных нейтрино и их античастиц L имеют противоположные знаки; для барионов В= 1, для соответствующих античастиц В =-1.

Для адронов характерно наличие особых квантовых чисел: "странности", "очарования", "красоты". Обычные (нестранные) адроны протон, нейтрон, -мезоны. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе и со сходными св-вами по отношению к сильному взаимод., но с разл. значениями электрич. заряда; простейший пример -протон и нейтрон. Общее квантовое число для таких Э. ч.-т. наз. изотопич. спин, принимающий, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится и внутренняя четность, принимающая значения 1.

Важное св-во Э. ч.их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или др. взаимодействий. Один из видов взаимопревращений т. наз. рождение пары, или образование одновременно частицы и античастицы (в общем случае образование пары Э. ч. с противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных пар е ^- е ⁺, мюонных пар новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc и bb -состояний (см. ниже). Другой вид взаимопревращений Э. ч.аннигиляция пары при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (квантов). Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном спине сталкивающихся частиц и 3 фотона при суммарном спине, равном 1 (проявление закона сохранения зарядовой четности).

При определенных условиях, в частности при невысокой скорости сталкивающихся частиц, возможно образование связанной системы позитрония е ^- е ⁺ и мюония Эти нестабильные системы, часто наз. водородоподобными атомами, их время жизни в в-ве в большой степени зависит от св-в в-ва, что позволяет использовать водородоподобные атомы для изучения структуры конденсир. в-ва и кинетики быстрых хим. р-ций (см. Мезонная химия, Ядерная химия).

Кварковая модель адронов. Детальное рассмотрение квантовых чисел адронов с целью их классификации позволило сделать вывод о том, что странные адроны и обычные адроны в совокупности образуют объединения частиц с близкими св-вами, названные унитарными мультиплетами. Числа входящих в них частиц равны 8 (октет) и 10 (декуплет). Частицы, входящие в состав унитарного мультиплета, имеют одинаковые спин и внутр. четность, но различаются значениями электрич. заряда (частицы изотопич. мультиплета) и странности. С унитарными группами связаны св-ва симметрии, их обнаружение явилось основой для вывода о существовании особых структурных единиц, из к-рых построены адроны,-кварков. Считают, что адроны представляют собой комбинации 3 фундам. частиц со спином ¹/2: и-кварков, d-кварков и s-кварков. Так, мезоны составлены из кварка и антикварка, барионы из 3 кварков.

Допущение, что адроны составлены из 3 кварков, было сделано в 1964 (Дж. Цвейг и независимо от него М. Гелл-Ман). В дальнейшем в модель строения адронов (в частности, для того чтобы не возникало противоречия с принципом Паули) были включены еще 2 кварка "очарованный" (с) и "красивый" (b), а также введены особые характеристики кварков "аромат" и "цвет". Кварки, выступающие как составные части адронов, в свободном состоянии не наблюдались. Все многообразие адронов обусловлено разл. сочетаниями и-, d-, s-, с- и b-кварков, образующих связные состояния. Обычным адронам (протону, нейтрону, -мезонам) соответствуют связные состояния, построенные из и- и d-кварков. Наличие в адроне наряду с ии d-кварками одного s-, с или b-кварка означает, что соответствующий адрон "странный", "очарованный" или "красивый".

Кварковая модель строения адронов подтвердилась в результате экспериментов, проведенных в кон. 60-х нач.

70-х гг. 20 в. Кварки фактически стали рассматриваться как новые Э. ч.истинно Э. ч. для адронной формы материи. Ненаблюдаемость свободных кварков, по-видимому, носит принципиальный характер и дает основания предполагать, что они являются теми Э. ч., к-рые замыкают цепь структурных составляющих в-ва. Существуют теоретич. и эксперим. доводы в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием, т. е. для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия или, иначе говоря, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Это делает их совершенно новым типом структурных единиц в-ва. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень дробления материи.

Краткие исторические сведения. Первой открытой Э. ч. был электрон носитель отрицат. электрич. заряда в атомах (Дж. Дж. Томсон, 1897). В 1919 Э. Резерфорд обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны. Нейтроны открыты в 1932 Дж. Чедвиком. В 1905 А. Эйнштейн постулировал, что электромагнитное излучение является потоком отд. квантов (фотонов) и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Существование нейтрино как особой Э. ч. впервые предложил В. Паули (1930); экспериментально электронное нейтрино открыто в 1953 (Ф. Райнес, К. Коуэн).

При исследовании космич. лучей были обнаружены: позитрон (К. Андерсон, 1932), мюоны обоих знаков электрич. заряда (К. Андерсон и С. Неддермейер, 1936), и К-мезоны (группа С. Пауэлла, 1947; существование подобных частиц было предположено X. Юкавой в 1935). В кон. 40-х нач. 50-х гг. были обнаружены "странные" частицы. Первые частицы этой группы К ⁺-> и К ^- -мезоны, Л-гипероны были зафиксированы также в космич. лучах.

С нач. 50-х гг. ускорители превратились в осн. инструмент исследования Э. ч. Были открыты антипротон (1955), антинейтрон (1956), анти-гиперон (1960), а в 1964 самый тяжелый W-гиперон. В 1960-х гг. на ускорителях обнаружили большое число крайне неустойчивых резонансов. В 1962 выяснилось, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1974 обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые (по сравнению с обычными резонансами) частицы, к-рые оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч."очарованных", их первые представители открыты в 1976. В 1975 обнаружен тяжелый аналог электрона и мюона -лептон, в 1977 частицы с массой порядка десяти протонных масс, в 1981 "красивые" частицы. В 1983 открыты самые тяжелые из известных Э. ч.бозоны (масса 80 ГэВ) и Z

Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия

Под ред. И. Л. Кнунянца

1988