Модели объяснения сил физического взаимодействия в атоме

В первой половине прошлого века не было известно, что протон инейтрон имеют сложные строения. Первоначально речь шла опопытках объяснить устойчивость и целостность атома на основе силы тяготения и электромагнитной силы. Физик Э. Ферми (1901—1954) сформулировал гипотезу, по которой устойчивость ядер обеспечивается обменом между протонами и нейтронами двумя частицами: электроном и нейтрино. Вычисления энергии массы этих частиц показали, что электрон при этом взаимодействии должен иметь массу, в

200—300 раз превышающую массу обычного электрона. При такой массе электрона размер ядра атома также должен увеличиться в 200—300 раз в сравнении с действительным. Длина дебройлевской волны такого электрона превышает в 200—300 раз длину соответствующей волны обычного электрона.

Другая модель предлагала рассматривать протон и нейтрон как состояние одной и той же частицы, различающиеся направлением их спинов. Но энергия- масса этих частиц различается, хотя и несущественно, следовательно, возникает вопрос о том, куда она девается внутри ядра атома. В 1935 г. японский физик X. Юкава предложил неожиданное решение этой проблемы: протоны и

Нейтроны удерживаются в ядре в результате обмена некоей средней

частицей.Впоследствии эту частицу назвали мезоном(греч. mesoc — средний).

Вычисления этой частицы показали, что она должна быть по массе в 200 раз больше электрона и иметь три разновидности: положительный, отрицательный и нейтральный мезон. Кроме того, длина его дебройлевской волны не должна выходить за пределы размеров ядра атома.

Из предложения X. Юкава следовало, что сильное взаимодействие внутри ядра обеспечивает обмен частиц, имеющих среднюю величину между массами протона

и нейтрона, а не гравитационные, электромагнитные и слабые силы взаимодействия. Необычность этой гипотезы состоит в том, что, например, протон, отдавая часть своей энергии-массы в форме массы соответствующего мезона, образует частицу с большей массой, нейтрон. X. Юкава высказал мнение, что мезон не является стабильной частицей, а может распадаться на другие частицы.

Гипотеза X. Юкава оказалась прозорливой: в 1937 г. были открыты частицы,

совпадающие по своим физическим свойствам с гипотетическим мезоном X. Юкава. Когда были открыты другие разновидности мезонов (средних частиц), частицу X. Юкава назвали мюоном, тяжелый эквивалент электрона: заряд его отрицательный, как у электрона, масса в 200 раз больше, чем у электрона. В 1940

г. было доказано, что мезоны не являются стабильными частицами. Со второй половины ХХ в. физики открыли более 300 частиц различных видов. Часть из них была обнаружена в космических лучах, другая — в экспериментах. Например, в

1964 г. были обнаружены так называемые странные частицы,имеющие три странности, отличающие их от других известных частиц:

— обнаружены в космических лучах, и время их жизни является достаточно продолжительным (время, за которое они распадаются, составляет 10-8-10-10 с);

— возникают в сильных ядерных взаимодействиях, но не играют в них значительной роли;

— рождаются тройками и парами.

Частицы, которые могут распадаться за счет сильного взаимодействия, называются резонансными частицами.Время их жизни порядка 10-23 с. Резонансы (лат. resonans — дающий отклик) относятся к адронам. Виртуальнымичастицами называются частицы, возникающие в промежуточных состояниях, время их существования связано с их энергией соотношением неопределенностей. Иначе говоря, они обеспечивают взаимодействие между частицами внутри ядра и атома.

Большое количество частиц потребовало создания системы критериев и принципов их классификации. На основе протонно-нейтронной модели атома все известные частицыи соответствующие им античастицы разделили на

Три группы.

Первая группа называется фотонной.Она представлена фотонами-квантами электромагнитного взаимодействия. К этой группе относят и гипотетическую частицу гравитон, обеспечивающую гравитационные взаимодействия.

Вторая группа— лептоны(греч. leptoc — легкий). Эти частицы участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях. К лептонам относятся электрон, мюон, тау-частица и нейтрино (электронное, мюонное и таонное). Термин

«лептон» употребляется по принятой традиции. Например, таон не является легким, поскольку его масса в 3500 раз больше массы электрона.

Третья группа включает адроны(греч. hadroc — сильный, крупный). Эта

группа является основной группой всех известных частиц. Частицы, которые включаются в эту группу, участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. К третьей группе относят также мезоны (пионы, каоны, эта- мезоны) и барионы (гипероны, нуклоны). Барионы(греч. barus — тяжелый) — это частицы с полуцелым спином и массой не меньше протона. К ним относятся нуклоны, гипероны и многие частицы-резонансы. Заряд бариона равен +1, заряд

антибариона равен -1. Алгебраическая сумма зарядов барионов при их

взаимодействиях сохраняется. Существуют барионы, масса которых в несколько раз превышает массу протона. Они открыты в космических лучах и на ускорителях.

Появление в 1963 г. теории кварков открыло еще один уровень в понимании процессов и событий, происходящих в микромире.

Два американских физика М. Гелл-Ман и Д. Цвейг выдвинули независимо друг

от друга гипотезу о существовании сверхэлементарных частиц, из которых состоят протоны, нейтроны и другие адроны, а также, возможно, и лептоны.

Для обозначения этих частиц Гелл-Ман придумал название «кварк»,которое

он заимствовал из фразы «три кварка для мистера Марка» из романа Дж. Джойса

«Поминки по Финнегану». Д. Цвейг использовал другой термин, но термин

«кварк» оказался более удачным, с ним стали сочетаться и другие необычные для языка физики термины, придуманные авторами этой теории: аромат кварка и другие. Эти необычные термины обозначают физические свойства кварков, которые можно было обозначить традиционными способами.

Развитие этой теории опиралось на косвенные эмпирические доказательства существования кварков. Электрон приблизительно в 1870 раз по своему размеру меньше протона, физические параметры этих частиц хорошо изучены (заряд, спин

и другие), если направить луч-поток электронов с энергией, достаточной для того, чтобы они отскакивали от протона, то по величине скорости отскакивания от протона электронов можно говорить о строении протона. Оказалось, что протон состоит из частей, радиус которых в 10 раз меньше радиуса протона.Поскольку протон и нейтрон участвуют в сильном взаимодействии, то предположили, что все частицы, участвующие в сильном взаимодействии, имеют составную структуру. Расчеты показывали, что кварки должны иметь полуце-

лый спин. Это означает, что на их расположение в соответствующих частицах

распространяется принцип Паули: в частице из кварков не может быть тождественных по физическим параметрам кварков.

Расширение числа кварков было обусловлено открытием большого количества частиц, участвующих в сильном взаимодействии. Первоначально была выдвинута идея о существовании трех кварков, затем советские физики ввели цвета для кварков (синий, зеленый, красный).

Принцип зарядовой симметрии(каждой частице соответствует античастица) потребовал введения антикварков для каждого кварка. Цвет кварков— это физический параметр, позволяющий различать кварки, совпадающие по остальным физическим параметрам. Иначе говоря, этого требует принцип Паули, поскольку кварки имеют полуцелый изотопический спин.Слово

«изотопический» заимствовано из греческого языка: «изо» означает равный,

«топос» — место. Изотопический спин означает спин, относящийся к одной и той же группе частиц.

Аромат кварка— это тип или вид кварка и все его параметры, не зависящие

от его цвета. Например, в 1974 г. был открыт мезон, получивший название джи- пси. Оказалось, что структура его подобна строению атома водорода (протон — вращающийся электрон), только для объяснения этой структуры пришлось ввести новый кварк, названный кварком очарования: строение мезона джи-пси объясняется наличием в нем кварка-очарования, вокруг которого вращается его антикварк. Антикварки обозначаются теми же символами кварков с черточкой наверху.

В конце ХХ в. возникла идея о существовании шести кварков(верхнего, нижнего, странного, очарованного, истинного, прелестного). Каждый имеет три цвета: красный, синий, зеленый.

Кварки обозначаются первыми буквами английских слов, например: и (от англ.

up — верхний), d(down — нижний) и т. д. Каждый кварк имеет три цвета

(например, верхний красный, верхний синий, верхний зеленый).

Согласно теории кварков протон, например, состоит из двух верхних кварков

(и) и одного нижнего (d), а нейтрон— из двух нижних и одного верхнего: p = uud, n — ddu. При этом частица из кварков должна удовлетворять законам, действующим в микромире. Вокруг гипотезы о существовании кварков возникла острая дискуссия: 1) какие силы удерживали кварки в адронах (мезоны, ну-

клоны и некоторые другие)? 2) не являются ли они уже известными силами? 3)

не существуют ли еще более глубокие частицы, которые обеспечивают взаимодействие между кварками? 4) не являются лептоны, претендующие на самые элементарные частицы, производными от каких-то еще более глубоких частиц, на уровне вакуума? 5) какое из энергетических состояний вакуума представляют кварки? На роль частиц, связывающих кварки внутри адронов, были предложены глюоны. По мнению ряда физиков, глюоны, подобно фотонам в электромагнитном поле атома, связывают кварки внутри адронов, но сила глюонного взаимодействияпринципиально отличается от известных сил взаимодействия: глюонные силы увеличиваются к границам адронов и ослабляют свое действие к центру адронов. В связи с этим часто говорят о кварковой тюрьме: чем ближе к центру энергии-массы адрона, тем ярче проявляются физические черты и индивидуальности, присутствующих в адроне кварков, и наоборот, чем ближе к границам адрона, тем расплывчатее становится индивидуальность кварков, они становятся неразличимыми. Этим обстоятельством многие физики объясняют невозможность выделить кварки непосредственным образом как электроны, фотоны и другие обнаруженные частицы. Для их обнаружения необходима огромная энергия, которая позволила

бы разрушить глюонные силы. Если глюоны, как переносчики связи между кварками, существуют, то в соответствии с принципом зарядовой симметрии должны быть антиглюоны и нейтральные глюоны.

В конце ХХ в. пакистанский физик А. Салам и английский физик Д. Пативыдвинули «крамольную» идею о том, что и лептоны, которых шесть, не являются в буквальном смысле истинно-элементарными, а являются всего лишь четвертым цветным состоянием кварков. Главная идея этой теории выглядит достаточно правдоподобной. Любую частицу (как корпускулу или волну) нельзя отделить от энергетической, структурной среды, в которой она возникает. Поэтому каждая частица возникает как своеобразный центр концентрации энергии на общем фоне среды своего существования. Теория Салама — Пати предполагает, что каждый лептон является концентрацией частиц еще более глубокого уровня, передающего взаимодействие на уровне физического вакуума.

На роль этих частиц могут претендовать хиггсоны, названные в честь английского физика П. Хиггсона, который является одним из первых среди физиков, заинтересовавшихся состоянием самого

глубокого вакуума. В вакууме Хиггсона фундаментальными частицами самого

первого поколения являются хиггсоны.