Chembe nzito ya msingi. Uainishaji wa chembe za msingi

Ili kuelezea mali na tabia ya chembe za msingi, zinapaswa kuwa na majaliwa, pamoja na wingi, malipo ya umeme na aina, na idadi ya ziada ya tabia yao (nambari za quantum), ambazo tutajadili hapa chini.

Chembe za msingi kawaida hugawanywa katika madarasa manne . Kwa kuongezea madarasa haya, uwepo wa darasa lingine la chembe hufikiriwa - gravitons (gravitational field quanta). Chembe hizi bado hazijagunduliwa kwa majaribio.

Wacha tutoe maelezo mafupi ya madarasa manne ya chembe za msingi.

Chembe moja tu ni ya mmoja wao - pichani .

Picha (electromagnetic field quanta) hushiriki katika mwingiliano wa sumakuumeme, lakini usiwe na mwingiliano wenye nguvu na dhaifu.

Darasa la pili linaundwa leptoni , cha tatu - hadrons na hatimaye ya nne - vifungo vya kupima (Jedwali 2)

meza 2

Chembe za msingi
Leptoni	Urekebishaji vifua	Hadroni
		n, uk, hyperons Baryoniki resonances	Mesonic resonances

Leptoni (Kigiriki" leptos"- rahisi) - chembe chembe,kushiriki katika mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu. Hizi ni pamoja na chembe ambazo hazina mwingiliano mkali: elektroni (), muons (), taons (), pamoja na neutrinos elektroni (), muon neutrinos () na tau neutrinos (). Leptoni zote zina mizunguko sawa na 1/2 na kwa hivyo ziko chachu . Leptoni zote zina mwingiliano dhaifu. Wale ambao wana chaji ya umeme (yaani muons na elektroni) pia wana mwingiliano wa sumakuumeme. Neutrinos hushiriki tu katika mwingiliano dhaifu.

Hadroni (Kigiriki" adros"- kubwa, kubwa) - chembe chembe,kushiriki kwa nguvu,mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu. Leo, zaidi ya hadron mia moja inajulikana na imegawanywa katika baryons Na mesons .

Baryoni - hadrons,yenye quarks tatu (qqq) na kuwa na nambari B = 1.

Darasa la baryons linachanganya nucleons ( uk, n) na chembe zisizo imara zenye uzito mkubwa kuliko wingi wa nukleoni, zinazoitwa hyperons (). Hyperons zote zina mwingiliano mkali, na kwa hivyo huingiliana kikamilifu na viini vya atomiki. Mzunguko wa baryons zote ni 1/2, hivyo baryons ni chachu . Isipokuwa protoni, baryons zote hazina msimamo. Wakati baryoni inaharibika, pamoja na chembe nyingine, baryon ni lazima kuundwa. Mchoro huu ni mojawapo udhihirisho wa sheria ya uhifadhi wa malipo ya baryon.

Mesons - hadrons,inayojumuisha quark na antiquark () na kuwa na nambari ya baryon B = 0.

Mesons ni kuingiliana kwa nguvu chembe zisizo imara ambazo hazibeba kinachojulikana malipo ya baryoni. Hizi ni pamoja na -mesons au pions (), K-mesons, au kaons ( ), na -masoni. Misa na mesoni ni sawa na sawa na 273.1, 264.1 maisha, kwa mtiririko huo, na s. Uzito wa K-mesons ni 970. Muda wa maisha wa K-mesons ni wa mpangilio wa s. Wingi wa eta mesons ni 1074, maisha ni kwa mpangilio wa s. Tofauti na leptoni, mesons hawana tu mwingiliano dhaifu (na ikiwa ni chaji, sumakuumeme), lakini pia mwingiliano mkali, ambao unajidhihirisha wakati wanaingiliana na kila mmoja, na vile vile wakati wa mwingiliano kati ya mesons na baryons. Mzunguko wa mesons wote ni sifuri, kwa hivyo wako vifua.

Mifupa ya kupima - chembe chembe,kuingiliana kati ya fermions msingi(quarks na leptons). Hizi ni chembe W + , W – , Z 0 na aina nane za gluons g. Hii pia ni pamoja na photon γ.

Tabia za chembe za msingi

Kila chembe inaelezwa na seti ya kiasi cha kimwili - nambari za quantum ambazo huamua mali zake. Sifa za chembe zinazotumika zaidi ni kama zifuatazo.

Misa ya chembe , m. Misa ya chembe hutofautiana sana kutoka 0 (photon) hadi 90 GeV ( Z- mfupa). Z-boson ni chembe nzito inayojulikana. Hata hivyo, chembe nzito zaidi zinaweza pia kuwepo. Misa ya hadrons hutegemea aina za quarks zilizomo, na pia juu ya majimbo yao ya spin.

Maisha yote , τ. Kulingana na maisha yao, chembe zinagawanywa katika chembe imara, kuwa na maisha marefu kiasi, na isiyo imara.

KWA chembe imara ni pamoja na chembe zinazooza kupitia mwingiliano dhaifu au wa sumakuumeme. Mgawanyiko wa chembe kuwa thabiti na usio thabiti ni wa kiholela. Kwa hivyo, chembe thabiti ni pamoja na chembe kama vile elektroni, protoni, ambayo uozo haujagunduliwa kwa sasa, na π 0 meson, ambayo ina maisha yote τ = 0.8×10 - 16 s.

KWA chembe zisizo imara ni pamoja na chembe zinazooza kutokana na mwingiliano mkali. Kwa kawaida huitwa resonances . Maisha ya tabia ya resonances ni 10 - 23 -10 - 24 s.

Spin J. Thamani ya mzunguko hupimwa kwa vitengo ħ na inaweza kuchukua 0, nusu-jumla na nambari kamili. Kwa mfano, spin ya π- na K-mesons ni sawa na 0. Mzunguko wa elektroni na muon ni sawa na 1/2. Mzunguko wa fotoni ni 1. Kuna chembechembe zilizo na thamani kubwa ya mzunguko. Chembe zilizo na msokoto wa nusu-jumla hutii takwimu za Fermi-Dirac, na chembe zilizo na mzunguuko kamili hutii takwimu za Bose-Einstein.

Chaji ya umeme q. Chaji ya umeme ni kizidishio kamili cha e= 1.6 × 10 - 19 C, inayoitwa malipo ya msingi ya umeme. Chembe zinaweza kuwa na malipo 0, ±1, ±2.

Usawa wa ndani R. Nambari ya Quantum R inaashiria mali ya ulinganifu wa kazi ya wimbi kwa heshima na tafakari za anga. Nambari ya Quantum R ina thamani +1, -1.

Pamoja na sifa za kawaida kwa chembe zote, pia hutumia nambari za quantum ambazo zimepewa vikundi vya chembe pekee.

Nambari za Quantum : nambari ya baryon KATIKA, ajabu s, Haiba (haiba) Na, uzuri (chini au uzuri) b, juu (juu) t, isotopiki spin I inahusishwa tu na chembe zinazoingiliana kwa nguvu - hadrons.

Nambari za Lepton L e, L μ , Lτ. Nambari za Leptoni hupewa chembe zinazounda kundi la leptoni. Leptoni e, μ na τ hushiriki tu katika mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu. Leptoni ν e, n μ na n τ hushiriki tu katika mwingiliano dhaifu. Nambari za Lepton zina maana L e, L μ , Lτ = 0, +1, -1. Kwa mfano, e - , elektroni neutrino n e kuwa na L e= +l; , kuwa na L e= -l. Hadrons zote zina .

Nambari ya Baryon KATIKA. Nambari ya Baryon ni muhimu KATIKA= 0, +1, -1. Baryons, kwa mfano, n, R, Λ, Σ, miale ya nukleoni ina nambari ya barioni KATIKA= +1. Mesons, meson resonances wana KATIKA= 0, antibaryons zina KATIKA = -1.

Uajabu s. Nambari ya Quantum s inaweza kuchukua maadili -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 na imedhamiriwa na muundo wa quark wa hadrons. Kwa mfano, hyperons Λ, Σ zina s= -l; K + - , K- - mesons wana s= + l.

Haiba Na. Nambari ya Quantum Na Na= 0, +1 na -1. Kwa mfano, Λ+ baryon ina Na = +1.

Unyogovu b. Nambari ya Quantum b inaweza kuchukua maadili -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Hivi sasa, chembe zimegunduliwa ambazo zina b= 0, +1, -1. Kwa mfano, KATIKA+ -meson ina b = +1.

Juu t. Nambari ya Quantum t inaweza kuchukua maadili -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Hivi sasa, hali moja tu imegunduliwa nayo t = +1.

Isospin I. Chembe zinazoingiliana kwa nguvu zinaweza kugawanywa katika vikundi vya chembe ambazo zina mali sawa (thamani sawa ya spin, usawa, nambari ya baryon, ugeni, na nambari zingine za quantum ambazo zimehifadhiwa katika mwingiliano mkali) - mawimbi ya isotopiki. thamani ya Isospin I huamua idadi ya chembe zilizojumuishwa katika safu moja ya isotopiki, n Na R hufanya uwili wa isotopiki I= 1/2; Σ + , Σ - , Σ 0 zimejumuishwa isotopic triplet I= 1, Λ - singlet ya isotopiki I= 0, idadi ya chembe zilizojumuishwa katika moja anuwai ya isotopiki, 2I + 1.

G - usawa ni nambari ya quantum inayolingana na ulinganifu kwa heshima na utendakazi wa wakati mmoja wa unganisho la chaji. Na na mabadiliko katika ishara ya sehemu ya tatu I isospini. G- usawa huhifadhiwa tu katika mwingiliano mkali.

Kuwepo chembe za msingi wanasayansi waligundua wakati wa utafiti wa michakato ya nyuklia, kwa hiyo, hadi katikati ya karne ya 20, fizikia ya chembe ilikuwa tawi la fizikia ya nyuklia. Hivi sasa, matawi haya ya fizikia ni karibu, lakini huru, yameunganishwa na kawaida ya matatizo mengi yanayozingatiwa na mbinu za utafiti zinazotumiwa. Kazi kuu ya fizikia ya chembe ya msingi ni kusoma kwa maumbile, mali na mabadiliko ya pande zote za chembe za msingi.

Wazo ambalo ulimwengu umeundwa nalo chembe za msingi , ina historia ndefu. Kwa mara ya kwanza, wazo la uwepo wa chembe ndogo zaidi zisizoonekana ambazo huunda vitu vyote vilivyo karibu lilionyeshwa miaka 400 KK na mwanafalsafa wa Uigiriki Democritus. Aliziita chembe hizo atomu, yaani, chembe zisizogawanyika. Sayansi ilianza kutumia wazo la atomi tu mwanzoni mwa karne ya 19, wakati kwa msingi huu iliwezekana kuelezea idadi ya matukio ya kemikali. Katika miaka ya 30 ya karne ya 19, katika nadharia ya electrolysis iliyoandaliwa na M. Faraday, dhana ya ion ilionekana na malipo ya msingi yalipimwa. Mwisho wa karne ya 19 ulibainishwa na ugunduzi wa jambo la radioactivity (A. Becquerel, 1896), pamoja na uvumbuzi wa elektroni (J. Thomson 1876) na chembe za alpha (E. Rutherford, 1899). Mnamo 1905, wazo la quanta ya uwanja wa umeme - picha (A. Einstein) liliibuka katika fizikia.

Mnamo 1911, kiini cha atomiki kiligunduliwa (E. Rutherford) na hatimaye ilithibitishwa kwamba atomi zina muundo changamano. Mnamo 1919, Rutherford aligundua protoni katika bidhaa za fission za nuclei ya atomiki ya idadi ya vipengele. Mnamo 1932, J. Chadwick aligundua nyutroni. Ilibainika kuwa nuclei za atomi, kama atomi zenyewe, zina muundo changamano. Nadharia ya protoni-neutroni ya muundo wa nuclei iliibuka (D.D. Ivanenko na V. Heisenberg). Mnamo 1932 sawa, positron iligunduliwa katika mionzi ya cosmic (K. Anderson). Positroni ni chembe yenye chaji chanya ambayo ina wingi sawa na chaji sawa (modulo) kama elektroni. Kuwepo kwa positron kulitabiriwa na P. Dirac mnamo 1928. Katika miaka hii, mabadiliko ya kuheshimiana ya protoni na neutroni yaligunduliwa na kusomwa, na ikawa wazi kuwa chembe hizi pia sio "vizuizi vya ujenzi" vya asili visivyobadilika. Mnamo 1937, chembe zenye wingi wa molekuli 207 za elektroni ziligunduliwa katika miale ya ulimwengu, inayoitwa. muons (μ-masoni) Kisha mnamo 1947-1950 walifungua peonies (yaani. π masoni), ambayo, kwa mujibu wa dhana za kisasa, hufanya mwingiliano kati ya nucleons katika kiini. Katika miaka iliyofuata, idadi ya chembe mpya zilizogunduliwa zilianza kukua haraka. Hii iliwezeshwa na utafiti katika miale ya cosmic, maendeleo ya teknolojia ya kuongeza kasi na utafiti wa athari za nyuklia.

Hivi sasa, takriban chembe ndogo za nyuklia 400 zinajulikana, ambazo kwa kawaida huitwa msingi. Idadi kubwa ya chembe hizi hazina msimamo. Mbali pekee ni photon, elektroni, protoni na neutrino. Chembe nyingine zote uzoefu kwa hiari mabadiliko katika chembe nyingine. Chembe za msingi zisizo imara hutofautiana sana katika maisha yao. Chembe iliyoishi kwa muda mrefu zaidi ni neutroni. Muda wa maisha ya nyutroni ni kama dakika 15. Chembe nyingine "huishi" kwa muda mfupi zaidi. Kwa mfano, maisha ya wastani ya μ meson ni 2.2 · 10 -6 s, yale ya π meson ya upande wowote ni 0.87 · 10 -16 s. Chembe nyingi kubwa - hyperons - zina maisha ya wastani ya mpangilio wa 10 -10 s.

Kuna chembe kadhaa na maisha zaidi ya 10 -17 s. Kwa kiwango cha microcosm, huu ni wakati muhimu. Chembe kama hizo huitwa imara kiasi . Wengi ya muda mfupi chembe za msingi zina maisha ya mpangilio wa 10 -22 -10 -23 s.

Uwezo wa mabadiliko ya pande zote ni mali muhimu zaidi ya chembe zote za msingi. Wana uwezo wa kuzaliwa na kuharibiwa (kutolewa na kufyonzwa). Hii inatumika pia kwa chembe thabiti, tofauti pekee ni kwamba mabadiliko ya chembe thabiti hayatokei yenyewe, lakini kupitia mwingiliano na chembe zingine. Mfano itakuwa maangamizi (yaani. kutoweka) elektroni na positron, ikifuatana na kuzaliwa kwa picha za juu za nishati. Mchakato wa kurudi nyuma pia unaweza kutokea - kuzaliwa jozi ya elektroni-positron, kwa mfano, wakati fotoni ya nishati ya juu ya kutosha inapogongana na kiini. Protoni pia ina pacha hatari kama positron ya elektroni. Inaitwa antiprotoni . Malipo ya umeme ya antiproton ni hasi. Kwa sasa antiparticles hupatikana katika chembe zote. Antiparticles ni kinyume na chembe kwa sababu wakati chembe yoyote inapokutana na antiparticle yake, uharibifu wao hutokea, yaani, chembe zote mbili hupotea, na kugeuka kuwa quanta ya mionzi au chembe nyingine.

Antiparticle imepatikana hata kwenye neutroni. Neutron na antineutron hutofautiana tu katika ishara za wakati wa sumaku na kinachojulikana kama malipo ya baryon. Uwezekano wa kuwepo kwa atomi antimatter, nuclei ambayo inajumuisha antinucleons, na shell ya positrons. Wakati antimatter inapoangamiza na mata, nishati iliyobaki inabadilishwa kuwa nishati ya quanta ya mionzi. Hii ni nishati kubwa, inazidi kwa kiasi kikubwa ile iliyotolewa wakati wa athari za nyuklia na nyuklia.

Katika anuwai ya chembe za msingi zinazojulikana hadi sasa, mfumo wa uainishaji zaidi au chini wa usawa hupatikana. Katika meza 6.9.1 hutoa habari fulani kuhusu sifa za chembe za msingi na maisha ya zaidi ya 10 -20 s. Kati ya mali nyingi zinazoonyesha chembe ya msingi, jedwali linaonyesha tu wingi wa chembe (katika misa ya elektroni), malipo ya umeme (katika vitengo vya malipo ya msingi) na kasi ya angular (kinachojulikana kama misa ya elektroni). spin ) katika vitengo vya Planck ya mara kwa mara h = h/ 2p. Jedwali pia linaonyesha wastani wa maisha ya chembe.

Kikundi Jina la chembe Alama Misa (katika misa ya elektroniki) Chaji ya umeme Spin Wakati wa maisha (s) Chembe Antiparticle Picha Pichani Imara Leptoni Neutrino elektroni e 1 / 2 Imara Neutrino muon ν μ 1 / 2 Imara Elektroni 1 / 2 Imara Mumeson μ - μ + 206,8 1 / 2 2,2 10 -6 Hadroni Mesons Pi mesoni π 0 264,1 0,87 10 -16 π + π - 273,1 1 -1 2,6 10 -8 K-masoni 966,4 1 -1 1,24 10 -8 K 0 974,1 ≈ 10 -10 -10 -8 Eta-null-meson η 0 1074 ≈ 10 -18 Baryoni Protoni 1836,1 1 -1 1 / 2 Imara Neutroni 1838,6 1 / 2 Lambda hyperon Λ 0 2183,1 1 / 2 2,63 10 -10 Sigma hyperons Σ + 2327,6 1 -1 1 / 2 0,8 10 -10 Σ 0 2333,6 1 / 2 7,4 10 -20 Σ - 2343,1 1 / 2 1,48 10 -10 Xi-hyperons Ξ 0 2572,8 1 / 2 2,9 10 -10 Ξ - 2585,6 1 / 2 1,64 10 -10 Omega-minus-hyperon Ω - 3273 1 / 2 0,82 10 -11

Jedwali 6.9.1

Chembe za msingi zimeunganishwa katika vikundi vitatu: fotoni , leptoni Na hadrons .

Kwa kikundi fotoni inahusu chembe moja - photon, ambayo ni carrier wa mwingiliano wa umeme.

Kundi linalofuata lina chembe za mwanga - leptoni. Kundi hili linajumuisha aina mbili za neutrinos (elektroni na muon), elektroni na μ-meson. Leptoni pia inajumuisha idadi ya chembe ambazo hazijaorodheshwa kwenye jedwali. Leptoni zote zina spin 1/2.

Kundi kubwa la tatu linajumuisha chembe nzito zinazoitwa hadrons. Kundi hili limegawanywa katika sehemu mbili. Chembe nyepesi huunda kikundi kidogo mesons . Nyepesi zaidi kati yao ni chaji chanya na hasi, pamoja na π-mesons zisizo na upande na wingi wa utaratibu wa molekuli 250 za elektroni (Jedwali 6.9.1). Pions ni quanta ya uwanja wa nyuklia, kama vile fotoni ni quanta ya uwanja wa sumakuumeme. Kikundi hiki kidogo pia kinajumuisha masoni wanne wa K na mmoja η 0 meson. Mesons zote zina spin sawa na sifuri.

Kikundi kidogo cha pili - baryons - inajumuisha chembe nzito zaidi. Ni pana zaidi. Baroni nyepesi zaidi ni nucleons - protoni na neutroni. Wanafuatwa na kinachojulikana kama hyperons. Omega-minus hyperon, iliyogunduliwa mwaka wa 1964, inafunga meza Ni chembe nzito yenye wingi wa molekuli 3273 za elektroni. Baryons zote zina spin 1/2.

Wingi wa hadron zilizogunduliwa na mpya ziliwafanya wanasayansi kuamini kwamba zote zilijengwa kutoka kwa chembe zingine za kimsingi zaidi. Mnamo mwaka wa 1964, mwanafizikia wa Marekani M. Gell-Mann aliweka dhana, iliyothibitishwa na utafiti uliofuata, kwamba chembe zote nzito - hadrons - zimejengwa kutoka kwa chembe za msingi zaidi zinazoitwa. quarks . Kulingana na nadharia ya quark, sio tu muundo wa hadrons zilizojulikana tayari kueleweka, lakini kuwepo kwa mpya pia kulitabiriwa. Nadharia ya Gell-Mann ilidhani kuwepo kwa quarks tatu na antiquarks tatu, kuunganisha na kila mmoja katika mchanganyiko mbalimbali. Kwa hivyo, kila baryon ina quarks tatu, na kila antibaryon ina antiquarks tatu. Mesons inajumuisha jozi za quark-antiquark.

Kwa kukubalika kwa nadharia ya quark, iliwezekana kuunda mfumo wa usawa wa chembe za msingi. Walakini, mali iliyotabiriwa ya chembe hizi za dhahania iligeuka kuwa isiyotarajiwa kabisa. Ada ya umeme ya quarks lazima ionyeshwe kwa nambari za sehemu sawa na 2/3 na 1/3 ya malipo ya msingi.

Utafutaji mwingi wa quarks katika hali ya bure, uliofanywa kwa kasi ya juu ya nishati na katika mionzi ya cosmic, haujafanikiwa. Wanasayansi wanaamini kwamba moja ya sababu za kutoonekana kwa quarks za bure ni labda wingi wao mkubwa sana. Hii inazuia kuzaliwa kwa quarks kwenye nishati ambayo hupatikana katika accelerators za kisasa. Walakini, wataalam wengi sasa wana hakika kuwa quarks zipo ndani ya chembe nzito - hadrons.

Maingiliano ya Msingi . Michakato ambayo chembe mbalimbali za msingi hushiriki hutofautiana sana katika nyakati za nishati na tabia ya kutokea kwao. Kulingana na dhana za kisasa, kuna aina nne za mwingiliano katika maumbile ambazo haziwezi kupunguzwa kwa aina zingine rahisi: nguvu , sumakuumeme , dhaifu Na ya mvuto . Aina hizi za mwingiliano huitwa msingi.

Nguvu(au nyuklia) mwingiliano- kali zaidi. Husababisha uhusiano wenye nguvu sana kati ya protoni na neutroni kwenye viini vya atomi. Chembe nzito tu - hadrons (mesons na baryons) - zinaweza kushiriki katika mwingiliano mkali. Kuingiliana kwa nguvu kunajidhihirisha kwa umbali wa utaratibu wa 10 -15 m au chini. Ndio maana inaitwa uigizaji mfupi.

Mwingiliano wa sumakuumeme. Chembe yoyote ya kushtakiwa kwa umeme, pamoja na photons - quanta ya uwanja wa umeme, inaweza kushiriki ndani yake. Mwingiliano wa sumakuumeme huwajibika, haswa, kwa uwepo wa atomi na molekuli. Huamua mali nyingi za vitu katika hali ngumu, kioevu na gesi. Coulomb repulsion ya protoni husababisha kutokuwa na utulivu wa nuclei na idadi kubwa ya molekuli. Mwingiliano wa sumakuumeme huamua michakato ya kunyonya na utoaji wa fotoni kwa atomi na molekuli za maada na michakato mingine mingi katika fizikia ya ulimwengu mdogo na mkubwa.

Mwingiliano dhaifu- huamua mwendo wa taratibu za polepole zaidi zinazotokea katika microcosm. Chembe zozote za kimsingi isipokuwa fotoni zinaweza kushiriki katika hilo. Mwingiliano dhaifu unawajibika kwa michakato inayohusisha neutrinos au antineutrinos, kwa mfano, kuoza kwa beta ya neutroni.

pamoja na michakato ya kuoza kwa chembe zisizo na neutrino kwa muda mrefu wa maisha (τ ≥ 10 -10 s).

Mwingiliano wa mvuto ni asili katika chembe zote bila ubaguzi, hata hivyo, kutokana na wingi mdogo wa chembe za msingi, nguvu za mwingiliano wa mvuto kati yao hazizingatiwi na jukumu lao katika michakato ya microworld ni ndogo. Nguvu za mvuto zina jukumu la kuamua katika mwingiliano wa vitu vya cosmic (nyota, sayari, nk) na wingi wao mkubwa.

Katika miaka ya 30 ya karne ya 20, nadharia iliibuka kwamba katika ulimwengu wa chembe za msingi, mwingiliano hufanywa kupitia ubadilishanaji wa quanta ya uwanja fulani. Dhana hii hapo awali ilitolewa na wenzetu I.E. Tamm na D.D Ivanenko. Walipendekeza kwamba mwingiliano wa kimsingi unatokana na ubadilishanaji wa chembe, kama vile dhamana ya kemikali ya atomi inatokana na ubadilishanaji wa elektroni za valence ambazo huchanganyika kwenye makombora ya elektroni ambayo hayajajazwa.

Mwingiliano unaofanywa na ubadilishaji wa chembe huitwa katika fizikia mwingiliano wa kubadilishana . Kwa mfano, mwingiliano wa sumakuumeme kati ya chembe za kushtakiwa hutokea kama matokeo ya kubadilishana kwa fotoni - quanta ya uwanja wa sumakuumeme.

Nadharia ya mwingiliano wa mabadilishano ilipata kutambuliwa baada ya mwanafizikia wa Kijapani H. Yukawa kinadharia mwaka wa 1935 kwamba mwingiliano mkubwa kati ya nukleoni katika nuclei za atomi unaweza kuelezewa ikiwa tutadhani kwamba nyukleni hubadilishana chembe dhahania zinazoitwa mesoni. Yukawa alihesabu wingi wa chembe hizi, ambazo ziligeuka kuwa takriban sawa na molekuli 300 za elektroni. Chembe zilizo na misa kama hiyo baadaye ziligunduliwa. Chembe hizi huitwa π-mesons (pions). Hivi sasa, aina tatu za pions zinajulikana: π +, π - na π 0 (tazama Jedwali 6.9.1).

Mnamo 1957, kuwepo kwa chembe nzito, kinachojulikana V vifuko vya vekta W +, W - na Z 0, ambayo huamua utaratibu wa kubadilishana wa mwingiliano dhaifu. Chembe hizi ziligunduliwa mwaka wa 1983 katika majaribio ya kuongeza kasi kwa kutumia mihimili inayogongana ya protoni zenye nguvu nyingi na antiprotoni. Ugunduzi wa bosoni za vekta ulikuwa mafanikio muhimu sana katika fizikia ya chembe. Ugunduzi huu uliashiria mafanikio ya nadharia iliyounganisha mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu kuwa moja inayoitwa. mwingiliano wa umeme . Nadharia hii mpya inazingatia uga wa sumakuumeme na uwanja dhaifu wa mwingiliano kama vipengee tofauti vya uwanja huo huo, ambamo bosoni za vekta hushiriki pamoja na quantum.

Baada ya ugunduzi huu katika fizikia ya kisasa, ujasiri kwamba aina zote za mwingiliano zinahusiana kwa karibu na, kwa asili, ni udhihirisho tofauti wa uwanja fulani umeongezeka kwa kiasi kikubwa. Walakini, muunganisho wa mwingiliano wote unabaki kuwa nadharia ya kisayansi ya kuvutia tu (Nadharia ya Sehemu Iliyounganishwa).

Wanafizikia wa kinadharia wanafanya juhudi kubwa kuzingatia kwa msingi wa umoja sio tu mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu, lakini pia mwingiliano mkali. Nadharia hii iliitwa Umoja Kubwa . Wanasayansi wanapendekeza kwamba mwingiliano wa mvuto unapaswa pia kuwa na mtoaji wake - chembe ya dhahania inayoitwa graviton . Walakini, chembe hii bado haijagunduliwa.

Sasa inachukuliwa kuwa imethibitishwa kuwa uwanja mmoja unaounganisha aina zote za mwingiliano unaweza kuwepo tu kwa nishati ya juu sana ya chembe, isiyoweza kufikiwa na accelerators za kisasa. Chembe zinaweza kuwa na nguvu za juu kama hizo tu katika hatua za mwanzo za uwepo wa Ulimwengu, ambao uliibuka kama matokeo ya kile kinachoitwa. kishindo kikubwa (Big Bang). Kosmolojia - utafiti wa mageuzi ya Ulimwengu - unapendekeza kwamba Big Bang ilitokea karibu miaka bilioni 13.7 iliyopita. Katika mfano wa kawaida wa mageuzi ya Ulimwengu, inadhaniwa kuwa katika kipindi cha kwanza baada ya mlipuko joto linaweza kufikia 10 32 K, na nishati ya chembe. E = kT kufikia maadili ya 10 19 GeV. Katika kipindi hiki, jambo lilikuwepo kwa namna ya quarks na neutrinos, na aina zote za mwingiliano ziliunganishwa kwenye uwanja mmoja wa nguvu. Hatua kwa hatua, Ulimwengu ulipopanuka, nishati ya chembe ilipungua, na kutoka kwa uwanja mmoja wa mwingiliano, mwingiliano wa mvuto uliibuka kwanza (kwenye nguvu za chembe ≤ 10 19 GeV), na kisha mwingiliano mkali ulitenganishwa na mwingiliano dhaifu wa kielektroniki (kwa nguvu za agizo la 10 14 GeV). Kwa nishati ya mpangilio wa 10 3 GeV, aina zote nne za mwingiliano wa kimsingi ziligeuka kuwa tofauti. Sambamba na taratibu hizi, uundaji wa aina ngumu zaidi za maada ulifanyika - nucleoni, nuclei za mwanga, ayoni, atomi, nk. Kosmolojia katika mfano wake inajaribu kufuatilia mageuzi ya Ulimwengu katika hatua tofauti za maendeleo yake kutoka kwa Big Bang hadi. siku ya leo, kwa kutegemea sheria za fizikia ya chembe za msingi, na vile vile fizikia ya nyuklia na atomiki.

ELEMENTARY SEHEMU, kwa maana finyu, ni chembe ambazo haziwezi kuchukuliwa kuwa na chembe nyingine. Katika kisasa Katika fizikia, neno "chembe za msingi" hutumiwa kwa maana pana: kinachojulikana. chembe ndogo zaidi za suala, chini ya hali ya kuwa sio na (isipokuwa ni); Wakati mwingine kwa sababu hii chembe za msingi huitwa chembe za nyuklia. Wengi wa chembe hizi (zaidi ya 350 kati yao zinajulikana) ni mifumo ya mchanganyiko.
E chembe za msingi hushiriki katika mwingiliano wa sumakuumeme, dhaifu, nguvu na mvuto. Kwa sababu ya wingi mdogo wa chembe za msingi, mwingiliano wao wa mvuto. kawaida hazizingatiwi. Chembe zote za msingi zimegawanywa katika kuu tatu. vikundi. Ya kwanza inajumuisha kinachojulikana. Bosons ni wabebaji wa mwingiliano wa electroweak. Hii ni pamoja na fotoni, au kiasi cha mionzi ya sumakuumeme. Misa iliyobaki ya fotoni ni sifuri, kwa hivyo kasi ya uenezi wa mawimbi ya sumakuumeme (pamoja na mawimbi ya mwanga) inawakilisha kasi ya juu ya uenezi wa mwili. athari na ni moja ya fedha. kimwili kudumu; inakubalika kuwa c = (299792458 1.2) m/s.
Kundi la pili la chembe za msingi ni leptoni, zinazoshiriki katika mwingiliano wa umeme na dhaifu. Kuna leptoni 6 zinazojulikana: , elektroni, muon, lepton nzito na inayolingana. (ishara e) inachukuliwa kuwa nyenzo ya molekuli ndogo zaidi katika asili m c, sawa na 9.1 x 10 -28 g (katika vitengo vya nishati 0.511 MeV) na hasi ndogo zaidi. umeme malipo e = 1.6 x 10 -19 C. (alama) - chembe zilizo na wingi wa takriban. Misa 207 (105.7 MeV) na umeme. malipo sawa na malipo; Lepton nzito ina wingi wa takriban. 1.8 GeV. Aina tatu zinazolingana na chembe hizi ni elektroni (ishara v c), muon (ishara) na neutrino (ishara) - chembe nyepesi (ikiwezekana isiyo na misa) ya kielektroniki.
Leptoni zote zina (-), yaani, kitakwimu. St. wewe ni fermions (tazama).
Kila moja ya leptoni inalingana na , ambayo ina maadili ya molekuli sawa na sifa nyingine, lakini hutofautiana katika ishara ya umeme. malipo. Kuna (ishara e +) - kuhusiana na, chaji chanya (ishara) na aina tatu za antineutrinos (ishara), ambazo zinahusishwa na ishara kinyume cha nambari maalum ya quantum, inayoitwa. malipo ya lepton (tazama hapa chini).
Kundi la tatu la chembe za msingi ni hadrons, zinashiriki katika mwingiliano wenye nguvu, dhaifu na wa umeme. Hadroni ni chembe “nzito” zenye misa kubwa zaidi ya ile ya . Hii ndiyo zaidi kundi kubwa la chembe za msingi. Hadroni imegawanywa katika baryons - chembe na mesons - chembe na integer (O au 1); pamoja na kinachojulikana resonances ni hadrons za muda mfupi. Baryoni ni pamoja na (ishara p) - kiini chenye misa ~ 1836 mara kubwa kuliko m s na sawa na 1.672648 x 10 -24 g (938.3 MeV), na kuweka. umeme malipo sawa na malipo, na pia (ishara n) - chembe ya neutral ya umeme, ambayo wingi wake huzidi kidogo. Kutoka na kila kitu kinajengwa, yaani mwingiliano mkali. huamua uunganisho wa chembe hizi kwa kila mmoja. Katika mwingiliano wa nguvu na kuwa na mali sawa na ni kuchukuliwa kama mbili ya chembe moja - nucleons na isotopic. (tazama hapa chini). Baryoni pia ni pamoja na hyperons - chembe za msingi zilizo na misa kubwa kuliko nucleon: hyperon ina misa ya 1116 MeV, hyperon ina misa ya 1190 MeV, hyperon ina misa ya 1320 MeV, na hyperon ina misa ya 1670. MeV. Mesons wana wingi wa kati kati ya wingi na (-meson, K-meson). Kuna mesoni ya upande wowote na ya kushtakiwa (yenye chaji chanya na hasi ya msingi ya umeme). Mesons wote wana sifa zao wenyewe. St. wewe ni wa bosons.

Tabia za msingi za chembe za msingi. Kila chembe ya msingi inaelezewa na seti ya maadili tofauti ya kimwili. kiasi (nambari za quantum). Tabia za jumla za chembe zote za msingi - wingi, maisha, umeme. malipo.
Kulingana na maisha yao, chembe za msingi zimegawanywa kuwa thabiti, quasi-imara na isiyo na utulivu (resonances). Imara (ndani ya usahihi wa vipimo vya kisasa) ni: (maisha zaidi ya 5 -10 miaka 21), (zaidi ya miaka 10 31), photon na. Chembe zenye uthabiti ni pamoja na chembe zinazooza kwa sababu ya mwingiliano wa sumakuumeme na dhaifu maisha yao ni zaidi ya sekunde 10-20. Kuoza kwa resonances kwa sababu ya mwingiliano mkali, maisha yao ya tabia ni 10 -22 -10 -24 s.
Sifa za ndani (nambari za quantum) za chembe za msingi ni lepton (ishara L) na baryon (ishara B) malipo; nambari hizi zinachukuliwa kuwa kiasi kilichohifadhiwa kwa kila aina ya fedha. mwingiliano Kwa maana leptonics na L zao zina ishara kinyume; kwa baryons B = 1, kwa zinazofanana B = -1.
Hadrons ni sifa ya kuwepo kwa namba maalum za quantum: "ajabu", "charm", "uzuri". Hadroni za kawaida (zisizo za ajabu) ni ,-mesons. Ndani ya makundi mbalimbali ya hadrons kuna familia za chembe zinazofanana kwa wingi na kwa mali zinazofanana kuhusiana na mwingiliano mkali, lakini kwa sifa tofauti. maadili ya umeme malipo; mfano rahisi ni protoni na . Nambari ya jumla ya quantum kwa chembe za msingi kama hizo ni kinachojulikana. isotopiki , ambayo, kama kawaida , inakubali maadili kamili na nusu-jumla. Tabia maalum za hadrons pia ni pamoja na usawa wa ndani, ambayo inachukua maadili 1.
Sifa muhimu ya chembe za msingi ni uwezo wao wa kupitia mabadiliko ya kuheshimiana kama matokeo ya mwingiliano wa kielektroniki au mwingine. Moja ya aina ya mabadiliko ya kuheshimiana ni kinachojulikana. kuzaliwa, au malezi kwa wakati mmoja wa chembe na (katika kesi ya jumla - malezi ya chembe za msingi na mashtaka kinyume leptonic au baryon). Michakato inayowezekana ni pamoja na kuzaliwa kwa elektroni-positron e - e +, muon chembe nzito nzito katika migongano ya leptoni, na uundaji wa cc- na bb-states kutoka kwa quarks (tazama hapa chini). Aina nyingine ya ubadilishaji wa chembe za msingi ni maangamizi wakati wa migongano ya chembe na uundaji wa idadi ndogo ya fotoni (quanta). Kwa kawaida, fotoni 2 hutolewa wakati jumla ya chembe zinazogongana ni sifuri na fotoni 3 zinatolewa wakati jumla ni sawa na 1 (udhihirisho wa sheria ya uhifadhi wa usawa wa malipo).
Chini ya hali fulani, hasa kwa kasi ya chini ya chembe za kugongana, uundaji wa mfumo wa pamoja - e - e + na Mifumo hii isiyo imara mara nyingi huitwa. , maisha yao katika dutu kwa kiasi kikubwa inategemea mali ya dutu, ambayo inafanya uwezekano wa kutumia condenser kujifunza muundo. dutu na kinetics ya kemikali ya haraka. wilaya (tazama,).

Mfano wa Quark wa hadrons. Uchunguzi wa kina wa idadi ya quantum ya hadroni kwa lengo lao ulituwezesha kuhitimisha kwamba hadrons za ajabu na hadrons za kawaida kwa pamoja huunda ushirikiano wa chembe na sifa za karibu, zinazoitwa unitary multiplets. Nambari za chembe zilizojumuishwa ndani yao ni 8 (octet) na 10 (decuplet). Chembe ambazo ni sehemu ya mseto wa umoja zina ndani sawa usawa, lakini hutofautiana katika maadili ya umeme. malipo (chembe za multiplet isotopic) na ajabu. Sifa zinazohusiana na vikundi vya umoja, ugunduzi wao ulikuwa msingi wa hitimisho juu ya uwepo wa vitengo maalum vya kimuundo ambavyo hadrons na quarks hujengwa. Inaaminika kuwa hadrons ni mchanganyiko wa misingi 3. chembe zenye 1/2: up-quarks, d-quarks na s-quarks. Kwa hivyo, mesons huundwa na quark na antiquark, baryons huundwa na quarks 3.
Dhana ya kwamba hadrons inaundwa na quarks 3 ilifanywa mwaka wa 1964 (J. Zweig na, kwa kujitegemea, M. Gell-Mann). Baadaye, quarks mbili zaidi zilijumuishwa katika mfano wa muundo wa hadrons (haswa, ili kuzuia mabishano na ) - "iliyovutia" (c) na "nzuri" (b), na pia sifa maalum za quarks zilianzishwa - "ladha" na "rangi". Quarks, zinazofanya kazi kama vipengele vya hadrons, hazijazingatiwa katika hali ya bure. Tofauti zote za hadron ni kwa sababu ya sababu tofauti. michanganyiko ya na-, d-, s-, c- na b-quarks kutengeneza majimbo yaliyounganishwa. Hadroni za kawaida ( , -mesons) zinalingana na hali zilizounganishwa zilizojengwa kutoka kwa up- na d-quarks. Uwepo katika hadron, pamoja na up na d quarks, ya s-, c- au b-quark ina maana kwamba hadron sambamba ni "ya ajabu", "iliyovutia" au "nzuri".
Mfano wa quark wa muundo wa hadrons ulithibitishwa kama matokeo ya majaribio yaliyofanywa mwishoni. 60s - mapema
miaka ya 70 Karne ya 20 Quarks kwa kweli ilianza kuzingatiwa kama chembe mpya za msingi - chembe za kimsingi za aina ya maada. Kutoonekana kwa quarks za bure, inaonekana, ni ya asili ya msingi na inapendekeza kuwa ni chembe hizo za msingi ambazo hufunga mlolongo wa vipengele vya miundo ya mwili. Kuna kinadharia na majaribio. hoja zinazounga mkono ukweli kwamba nguvu zinazofanya kazi kati ya quarks hazipunguki na umbali, i.e., kutenganisha quarks kutoka kwa kila mmoja kiasi kikubwa cha nishati inahitajika au, kwa maneno mengine, kuibuka kwa quarks katika hali ya bure haiwezekani. . Hii inawafanya kuwa aina mpya kabisa ya vitengo vya kimuundo katika kisiwa hicho. Inawezekana kwamba quarks hufanya kama hatua ya mwisho ya jambo.

Maelezo mafupi ya kihistoria. Chembe ya kwanza ya msingi iliyogunduliwa ilikuwa - neg. umeme malipo katika ishara zote mbili za umeme. malipo (K. Anderson na S. Neddermeyer, 1936), na K-mesons (kundi la S. Powell, 1947; kuwepo kwa chembe hizo kulipendekezwa na H. Yukawa mwaka wa 1935). Katika con. 40s - mapema 50s chembe za "ajabu" ziligunduliwa. Chembe za kwanza za kundi hili - K + - na K - -mesons, A-hyperons - pia zilirekodi katika nafasi. miale
Tangu mwanzo 50s accelerators zimekuwa kuu zana ya msingi ya utafiti wa chembe. Antiprotoni (1955), antineutron (1956), anti-hyperon (1960), na mnamo 1964 ile nzito zaidi iligunduliwa. W -hyperon. Katika miaka ya 1960 Idadi kubwa ya milio isiyo imara sana iligunduliwa kwenye viongeza kasi. Mnamo 1962 iliibuka kuwa kuna mbili tofauti: elektroni na muon. Mnamo 1974, chembe kubwa (3-4 za protoni) na wakati huo huo chembe zenye utulivu (ikilinganishwa na resonances za kawaida) ziligunduliwa, ambazo zilihusishwa kwa karibu na familia mpya ya chembe za msingi - "iliyovutia", wawakilishi wao wa kwanza. ziligunduliwa mnamo 1976 Mnamo 1975, analog nzito na lepton iligunduliwa, mnamo 1977 - chembe zilizo na wingi wa molekuli kumi za protoni, mnamo 1981 - chembe "nzuri". Mnamo 1983, chembe nzito zaidi za msingi zilizojulikana ziligunduliwa - bosons (molekuli 80 GeV) na Z ° (91 GeV).
Kwa hivyo, kwa miaka mingi tangu ugunduzi huo, idadi kubwa ya chembe ndogo tofauti zimetambuliwa. Ulimwengu wa chembe za msingi uligeuka kuwa ngumu, na mali zao hazikutarajiwa katika mambo mengi.

Lit.: Kokkede Ya., Nadharia ya quarks, [trans. kutoka kwa Kiingereza], M., 1971; Markov M. A., Juu ya asili ya jambo, M., 1976; Okun L.B., Leptons na quarks, toleo la 2, M., 1990.

ELEMENTARY SEHEMU- chembe za msingi, zisizoweza kuharibika zaidi, ambazo maada zote zinaaminika kujumuisha. Katika fizikia ya kisasa, neno "chembe za msingi" kwa kawaida hutumiwa kutaja kundi kubwa la chembe ndogo za maada ambazo si atomi (tazama Atomu) au viini vya atomiki (tazama kiini cha Atomiki); Isipokuwa ni kiini cha atomi ya hidrojeni - protoni.

Kufikia miaka ya 80 ya karne ya 20, sayansi ilijua zaidi ya chembe 500 za msingi, ambazo nyingi hazikuwa thabiti. Chembe za msingi ni pamoja na protoni (p), neutroni (n), elektroni (e), fotoni (γ), pi-mesoni (π), muons (μ), leptoni nzito (τ +, τ -), neutrino za aina tatu - elektroniki (V e), muonic (V μ) na inayohusishwa na kinachojulikana kama depton nzito (V τ), na vile vile chembe "za ajabu" (K-mesons na hyperons), resonances mbalimbali, mesons na charm iliyofichwa, "iliyovutia." ” chembe, chembe za upsilon (Υ), chembe "nzuri", bosons za vector za kati, nk Tawi la kujitegemea la fizikia limeibuka - fizikia ya chembe za msingi.

Historia ya fizikia ya chembe ilianza 1897, wakati J. J. Thomson aligundua elektroni (tazama mionzi ya Electron); mnamo 1911, R. Millikan alipima ukubwa wa malipo yake ya umeme. Wazo la "photon" - quantum ya mwanga - ilianzishwa na M. Planck mnamo 1900. Ushahidi wa moja kwa moja wa majaribio ya kuwepo kwa photon ulipatikana na Millikan (1912-1915) na Compton (A. N. Compton, 1922). Katika mchakato wa kusoma kiini cha atomiki, E. Rutherford aligundua protoni (tazama mionzi ya Protoni), na mwaka wa 1932, J. Chadwick aligundua nyutroni (tazama mionzi ya Neutroni). Mnamo 1953, kuwepo kwa neutrinos, ambayo W. Pauli alikuwa ametabiri nyuma mwaka wa 1930, ilithibitishwa kwa majaribio.

Chembe za msingi zimegawanywa katika vikundi vitatu. Ya kwanza inawakilishwa na chembe moja ya msingi - photon, γ-quantum, au quantum ya mionzi ya umeme. Kundi la pili ni leptoni (leptos ndogo za Kigiriki, nyepesi), zinazoshiriki, pamoja na zile za umeme, pia katika mwingiliano dhaifu. Kuna leptoni 6 zinazojulikana: neutrino elektroni na elektroni, muon na muon neutrino, τ-lepton nzito na neutrino inayolingana. Kundi la tatu - kuu la chembe za msingi ni hadrons (Hadros ya Kigiriki kubwa, yenye nguvu), ambayo inashiriki katika aina zote za mwingiliano, ikiwa ni pamoja na mwingiliano mkali (tazama hapa chini). Hadroni ni pamoja na chembe za aina mbili: barioni (bari za Kigiriki nzito) - chembe zilizo na msokoto wa nusu-jumla na misa isiyopungua uzito wa protoni, na mesons (Mesos ya kati ya Kigiriki) - chembe zilizo na sifuri au msokoto kamili (tazama paramagnetic ya Electron resonance). Baryoni ni pamoja na protoni na neutroni, hyperons, resonances kadhaa na chembe "zinazovutia" na chembe zingine za msingi. Barioni pekee iliyo imara ni protoni, barioni zilizobaki hazina msimamo (neutroni katika hali huru ni chembe isiyo imara, lakini katika hali iliyounganishwa ndani ya viini vya atomiki imara ni imara. Mesons walipata jina lao kwa sababu ya wingi wa kwanza. Iligunduliwa mesons - pi-meson na K-meson - ilikuwa na maadili ya kati kati ya wingi wa protoni na elektroni Baadaye, mesons yaligunduliwa, ambayo wingi wake unazidi wingi wa protoni ugeni (S) - nambari ya sifuri, chanya au hasi ya quantum yenye sifuri isiyo ya kawaida huitwa kawaida, na kwa S ≠ 0 - ya ajabu Mnamo 1964, G. Zweig na M. Gell-Mann walipendekeza kwa kujitegemea muundo wa quark wa hadrons. ya idadi ya majaribio zinaonyesha kwamba quarks ni halisi nyenzo formations ndani hadrons.Quarks na idadi ya mali ya kawaida, kwa mfano, fractional malipo ya umeme, nk Quarks si kuzingatiwa katika hali ya bure. Inaaminika kuwa hadrons zote huundwa kwa sababu ya mchanganyiko anuwai wa quarks.

Hapo awali, chembe za msingi zilisomwa katika utafiti wa kuoza kwa mionzi (tazama Mionzi ya Mionzi) na mionzi ya cosmic (tazama). Walakini, tangu miaka ya 50 ya karne ya 20, tafiti za chembe za msingi zimefanywa kwa viongeza kasi vya chembe zilizochajiwa (tazama), ambamo chembe zenye kasi hushambulia shabaha au kugongana na chembe zinazoruka kuelekea kwao. Katika kesi hii, chembe huingiliana na kila mmoja, na kusababisha ubadilishaji wao. Hivi ndivyo chembe nyingi za msingi ziligunduliwa.

Kila chembe ya msingi, pamoja na maelezo ya mwingiliano wake wa asili, inaelezewa na seti ya maadili tofauti ya kiasi fulani cha kimwili, kilichoonyeshwa kwa nambari kamili au za sehemu (nambari za quantum). Sifa za kawaida za chembe zote za msingi ni wingi (m), maisha yote (t), spin (J) - kasi ya asili ya angular ya chembe za msingi, ambayo ina asili ya quantum na haihusiani na harakati ya chembe kwa ujumla. malipo ya umeme (Ω) na wakati wa sumaku (μ). Chaji za umeme za chembe za msingi zilizosomwa katika thamani kamili ni zidishi kamili za chaji ya elektroni (e≈1.6*10 -10 k). Chembe za msingi zinazojulikana zina chaji za umeme sawa na 0, ±1 na ±2.

Chembe zote za msingi zina antiparticles zinazolingana, wingi na spin ambayo ni sawa na wingi na spin ya chembe, na malipo ya umeme, wakati wa magnetic na sifa nyingine ni sawa kwa thamani kamili na kinyume katika ishara. Kwa mfano, antiparticle ya elektroni ni positron - elektroni yenye malipo mazuri ya umeme. Chembe ya msingi ambayo ni sawa na antiparticle yake inaitwa kweli neutral, kwa mfano, neutroni na antineutroni, neutrino na antineutrino, nk Wakati antiparticles kuingiliana na kila mmoja, maangamizi yao hutokea (tazama).

Wakati chembe ya msingi inapoingia katika mazingira ya nyenzo, inaingiliana nayo. Kuna mwingiliano wenye nguvu, wa kielektroniki, dhaifu na wa mvuto. Mwingiliano mkali (nguvu kuliko mwingiliano wa sumakuumeme) hutokea kati ya chembe za msingi ziko umbali wa chini ya 10 -15 m (1 Fermi). Kwa umbali mkubwa zaidi ya 1.5 Fermi, nguvu ya mwingiliano kati ya chembe ni karibu na sifuri. Ni mwingiliano mkali kati ya chembe za msingi ambazo hutoa nguvu ya kipekee ya nuclei za atomiki, ambayo huweka uthabiti wa maada chini ya hali ya nchi kavu. Kipengele cha tabia ya mwingiliano mkali ni uhuru wake wa malipo ya umeme. Hadroni zina uwezo wa kuingiliana kwa nguvu. Uingiliano wenye nguvu husababisha kuoza kwa chembe za muda mfupi (maisha ya utaratibu wa 10 -23 - 10 -24 sec.), ambayo huitwa resonances.

Chembe za msingi zote zilizochajiwa, fotoni na chembe zisizoegemea upande wowote zenye muda wa sumaku (kwa mfano, neutroni) zinakabiliwa na mwingiliano wa sumakuumeme. Msingi wa mwingiliano wa sumakuumeme ni uhusiano na uwanja wa sumakuumeme. Nguvu za mwingiliano wa sumakuumeme ni takriban mara 100 dhaifu kuliko nguvu za mwingiliano mkali. Upeo mkuu wa mwingiliano wa sumakuumeme ni atomi na molekuli (tazama Molekuli). Mwingiliano huu huamua muundo wa yabisi na asili ya kemikali. taratibu. Haizuiliwi na umbali kati ya chembe za msingi, kwa hivyo saizi ya atomi ni takriban mara 10 4 ya ukubwa wa kiini cha atomiki.

Mwingiliano dhaifu husababisha michakato ya polepole sana inayohusisha chembe za msingi. Kwa mfano, neutrinos, ambazo zina mwingiliano dhaifu, zinaweza kupenya kwa urahisi unene wa Dunia na Jua. Mwingiliano dhaifu pia husababisha kuoza polepole kwa kile kinachojulikana kama chembe za msingi, ambazo maisha yake ni kati ya 10 8 - 10 -10 sec. Chembe za msingi zilizozaliwa wakati wa mwingiliano mkali (katika wakati wa 10 -23 -10 -24 sec.), lakini kuoza polepole (sekunde 10 -10), huitwa ajabu.

Mwingiliano wa mvuto kati ya chembe za msingi hutoa athari ndogo sana kwa sababu ya kutokuwa na maana kwa wingi wa chembe. Aina hii ya mwingiliano imesomwa vizuri kwenye vitu vya macro na raia kubwa.

Utofauti wa chembe za kimsingi zilizo na sifa tofauti za kimaumbile huelezea ugumu wa uwekaji utaratibu wao. Kati ya chembe zote za msingi, fotoni tu, elektroni, neutrino, protoni na antiparticles zao ni thabiti, kwani wana maisha marefu. Chembe hizi ni bidhaa za mwisho za mabadiliko ya hiari ya chembe nyingine za msingi. Kuzaliwa kwa chembe za msingi kunaweza kutokea kama matokeo ya aina tatu za mwingiliano. Kwa chembe zinazoingiliana kwa nguvu, chanzo cha uumbaji ni athari za mwingiliano mkali. Leptoni, uwezekano mkubwa, hutoka kutokana na kuoza kwa chembe nyingine za msingi au huzaliwa kwa jozi (chembe + antiparticle) chini ya ushawishi wa photons.

Mtiririko wa chembe za msingi huunda mionzi ya ionizing (tazama), na kusababisha ionization ya molekuli zisizo na upande wa kati. Athari ya kibaiolojia ya chembe za msingi inahusishwa na uundaji wa vitu na shughuli za juu za kemikali katika tishu zilizo na mionzi na maji ya mwili. Dutu hizi ni pamoja na itikadi kali za bure (tazama Viini huru), peroksidi (tazama) na vingine. Chembe za msingi zinaweza pia kuwa na athari ya moja kwa moja kwenye biomolecules na miundo ya supramolecular, kusababisha kupasuka kwa vifungo vya intramolecular, depolymerization ya misombo ya juu ya Masi, nk Michakato ya uhamiaji wa nishati na uundaji wa misombo ya metali inayotokana na uhifadhi wa muda mrefu wa serikali. ya msisimko katika sehemu ndogo za macromolecular. Katika seli, shughuli za mifumo ya enzyme hukandamizwa au kupotoshwa, muundo wa membrane ya seli na vipokezi vya seli za uso hubadilika, ambayo husababisha kuongezeka kwa upenyezaji wa membrane na mabadiliko ya michakato ya uenezaji, ikifuatana na matukio ya upungufu wa protini, upungufu wa maji mwilini wa tishu; na usumbufu wa mazingira ya ndani ya seli. Unyeti wa seli kwa kiasi kikubwa inategemea ukubwa wa mgawanyiko wao wa mitotiki (tazama Mitosis) na kimetaboliki: kwa kuongezeka kwa kiwango hiki, unyeti wa tishu huongezeka (tazama Radiosensitivity). Matumizi yao kwa tiba ya mionzi (tazama), hasa katika matibabu ya neoplasms mbaya, inategemea mali hii ya mtiririko wa chembe za msingi - mionzi ya ionizing. Uwezo wa kupenya wa chembe za msingi zilizoshtakiwa hutegemea kwa kiasi kikubwa juu ya uhamisho wa mstari wa nishati (tazama), yaani, kwa wastani wa nishati inayoingizwa na kati katika hatua ya kifungu cha chembe iliyoshtakiwa, kwa kila kitengo cha njia yake.

Athari ya uharibifu ya mtiririko wa chembe za msingi huathiri hasa seli za shina za tishu za damu, epithelium ya korodani, utumbo mwembamba na ngozi (tazama ugonjwa wa mionzi, uharibifu wa mionzi). Awali ya yote, mifumo ambayo iko katika hali ya oganogenesis hai na utofautishaji wakati wa mionzi huathiriwa (angalia chombo muhimu).

Athari ya kibaolojia na ya matibabu ya chembe za msingi hutegemea aina na kipimo cha mionzi (tazama Vipimo vya mionzi ya ionizing). Kwa mfano, inapofunuliwa na mionzi ya X-ray (angalia tiba ya X-ray), mionzi ya gamma (tazama tiba ya Gamma) na mionzi ya protoni (angalia tiba ya protoni) kwenye mwili mzima wa binadamu kwa kipimo cha takriban rad 100, mabadiliko ya muda hematopoiesis inazingatiwa; ushawishi wa nje wa mionzi ya nyutroni (tazama mionzi ya nyutroni) husababisha kuundwa katika mwili wa vitu mbalimbali vya mionzi, kwa mfano, radionuclides ya sodiamu, fosforasi, nk Wakati radionuclides ambazo ni vyanzo vya chembe za beta (elektroni au positroni) au gamma quanta huingia. mwili, hii hutokea inayoitwa mnururisho wa ndani wa mwili (tazama Ushirikishwaji wa vitu vyenye mionzi). Hasa hatari katika suala hili ni resorbing radionuclides kwa kasi na usambazaji sare katika mwili, kwa mfano. tritium (3H) na polonium-210.

Radionuclides, ambayo ni vyanzo vya chembe za msingi na kushiriki katika kimetaboliki, hutumiwa katika uchunguzi wa radioisotopu (tazama).

Bibliografia: Akhiezer A.I. na Rekalo M.P. Wasifu wa chembe za msingi, Kyiv, 1983, bibliogr.; Bogolyubov N. N. na Shirokov D. V. Mashamba ya Quantum, M., 1980; Alizaliwa M. Fizikia ya Atomiki, trans. kutoka kwa Kiingereza, M., 1965; Jones X. Fizikia ya Radiolojia, trans. kutoka kwa Kiingereza M., 1965; Krongauz A. N., Lyapidevsky V. K. na Frolova A. V. Misingi ya kimwili ya dosimetry ya kliniki, M., 1969; Tiba ya mionzi kwa kutumia mionzi ya juu ya nishati, ed. I. Becker na G. Schubert, trans. kutoka Kijerumani, M., 1964; Tyubiana M. et al. Misingi ya kimwili ya tiba ya mionzi na radiobiolojia, trans. kutoka Kifaransa, M., 1969; Shpolsky E.V. Fizikia ya Atomiki, juzuu ya 1, M., 1984; Vijana Ch. Chembe za Msingi, trans. kutoka kwa Kiingereza M., 1963.

R. V. Stavntsky.

Katika fizikia, chembe za msingi zilikuwa vitu vya kimwili kwenye kiwango cha nucleus ya atomiki ambayo haiwezi kugawanywa katika sehemu zao za sehemu. Walakini, leo, wanasayansi wameweza kugawanya baadhi yao. Muundo na mali ya vitu hivi vidogo vinasomwa na fizikia ya chembe.

Chembe ndogo zaidi zinazounda maada zote zimejulikana tangu nyakati za zamani. Walakini, waanzilishi wa kile kinachoitwa "atomi" wanachukuliwa kuwa mwanafalsafa wa Uigiriki wa Kale Leucippus na mwanafunzi wake maarufu zaidi, Democritus. Inafikiriwa kuwa mwisho huo uliunda neno "atomu". Kutoka kwa Kigiriki cha kale "atomos" hutafsiriwa kama "isiyoonekana", ambayo huamua maoni ya wanafalsafa wa kale.

Baadaye ilijulikana kuwa atomi bado inaweza kugawanywa katika vitu viwili vya kimwili - kiini na elektroni. Mwisho huo ukawa chembe ya kwanza ya msingi, wakati mnamo 1897 Mwingereza Joseph Thomson alifanya majaribio na miale ya cathode na kugundua kuwa walikuwa mkondo wa chembe zinazofanana na misa sawa na chaji.

Sambamba na kazi ya Thomson, Henri Becquerel, ambaye anachunguza eksirei, hufanya majaribio ya urani na kugundua aina mpya ya mionzi. Mnamo 1898, jozi ya Kifaransa ya wanafizikia, Marie na Pierre Curie, walisoma vitu mbalimbali vya mionzi, kugundua mionzi sawa ya mionzi. Baadaye ingepatikana kuwa na chembe za alpha (protoni 2 na nyutroni 2) na chembe za beta (elektroni), na Becquerel na Curie wangepokea Tuzo la Nobel. Alipokuwa akifanya utafiti wake na vipengele kama vile uranium, radiamu na polonium, Marie Sklodowska-Curie hakuchukua hatua zozote za usalama, ikiwa ni pamoja na kutotumia glavu. Kwa hiyo, mwaka wa 1934 alipatwa na leukemia. Kwa kumbukumbu ya mafanikio ya mwanasayansi mkuu, kitu kilichogunduliwa na wanandoa wa Curie, polonium, kilipewa jina kwa heshima ya nchi ya Mary - Polonia, kutoka Kilatini - Poland.

Picha kutoka kwa V Solvay Congress 1927. Jaribu kupata wanasayansi wote kutoka kwa nakala hii kwenye picha hii.

Tangu 1905, Albert Einstein amejitolea machapisho yake kwa kutokamilika kwa nadharia ya wimbi la mwanga, machapisho ambayo yalikuwa kinyume na matokeo ya majaribio. Ambayo baadaye iliongoza mwanafizikia bora kwa wazo la "quantum nyepesi" - sehemu ya mwanga. Baadaye, mwaka wa 1926, iliitwa "photon", iliyotafsiriwa kutoka kwa Kigiriki "phos" ("mwanga"), na mwanakemia wa kimwili wa Marekani Gilbert N. Lewis.

Mnamo 1913, Ernest Rutherford, mwanafizikia wa Uingereza, kulingana na matokeo ya majaribio yaliyofanywa tayari wakati huo, alibainisha kuwa wingi wa nuclei ya vipengele vingi vya kemikali ni mafungu ya wingi wa kiini cha hidrojeni. Kwa hiyo, alidhani kwamba kiini cha hidrojeni ni sehemu ya nuclei ya vipengele vingine. Katika jaribio lake, Rutherford aliwasha atomi ya nitrojeni na chembe za alpha, ambayo matokeo yake ilitoa chembe fulani, iliyoitwa na Ernest kama "protoni", kutoka kwa "protos" nyingine ya Kigiriki (kwanza, kuu). Baadaye ilithibitishwa kwa majaribio kwamba protoni ni kiini cha hidrojeni.

Kwa wazi, protoni sio sehemu pekee ya viini vya vipengele vya kemikali. Wazo hili linaongozwa na ukweli kwamba protoni mbili kwenye kiini zingeweza kurudishana, na atomi ingetengana papo hapo. Kwa hivyo, Rutherford alidhania uwepo wa chembe nyingine, ambayo ina misa sawa na wingi wa protoni, lakini haijachajiwa. Baadhi ya majaribio ya wanasayansi juu ya mwingiliano wa mambo ya mionzi na nyepesi yaliwaongoza kwenye ugunduzi wa mionzi nyingine mpya. Mnamo 1932, James Chadwick aliamua kwamba inajumuisha chembe zisizo na upande wowote ambazo aliziita neutroni.

Kwa hivyo, chembe maarufu zaidi ziligunduliwa: photon, elektroni, protoni na neutron.

Zaidi ya hayo, ugunduzi wa vitu vipya vya nyuklia ukawa tukio la mara kwa mara, na kwa sasa kuhusu chembe 350 zinajulikana, ambazo kwa ujumla huchukuliwa kuwa "msingi". Zile ambazo bado hazijagawanywa zinachukuliwa kuwa hazina muundo na zinaitwa "msingi."

spin ni nini?

Kabla ya kusonga mbele na uvumbuzi zaidi katika uwanja wa fizikia, sifa za chembe zote lazima ziamuliwe. Inajulikana zaidi, mbali na malipo ya molekuli na umeme, pia inajumuisha spin. Kiasi hiki huitwa vinginevyo "kasi ya asili ya angular" na haihusiani kwa njia yoyote na harakati ya kitu cha nyuklia kwa ujumla. Wanasayansi waliweza kugundua chembe zenye spin 0, ½, 1, 3/2 na 2. Ili kuibua, ingawa imerahisishwa, inazunguka kama sifa ya kitu, fikiria mfano ufuatao.

Ruhusu kitu kiwe na mzunguuko sawa na 1. Kisha kitu kama hicho, kinapozungushwa digrii 360, kitarudi kwenye nafasi yake ya asili. Kwenye ndege, kitu hiki kinaweza kuwa penseli, ambayo, baada ya kugeuka kwa digrii 360, itaisha katika nafasi yake ya awali. Katika kesi ya sifuri spin, bila kujali jinsi kitu kinachozunguka, itakuwa daima kuangalia sawa, kwa mfano, mpira wa rangi moja.

Kwa spin ½, utahitaji kitu ambacho huhifadhi muonekano wake wakati wa kuzungushwa kwa digrii 180. Inaweza kuwa penseli sawa, iliyoimarishwa tu kwa ulinganifu kwa pande zote mbili. Mzunguko wa 2 utahitaji umbo kudumishwa unapozungushwa digrii 720, na spin ya 3/2 itahitaji 540.

Tabia hii ni muhimu sana kwa fizikia ya chembe.

Mfano Wastani wa Chembe na Mwingiliano

Kuwa na seti ya kuvutia ya vitu vidogo vinavyounda ulimwengu unaotuzunguka, wanasayansi waliamua kuwaunda, na hivi ndivyo muundo wa kinadharia unaojulikana unaoitwa "Standard Model" ulivyoundwa. Anaelezea mwingiliano watatu na chembe 61 akitumia zile 17 za kimsingi, ambazo baadhi yake alitabiri muda mrefu kabla ya ugunduzi.

Maingiliano matatu ni:

• Usumakuumeme. Inatokea kati ya chembe za kushtakiwa kwa umeme. Katika kesi rahisi, inayojulikana kutoka shuleni, vitu vilivyoshtakiwa kinyume vinavutia, na vitu vilivyoshtakiwa vile vile hufukuza. Hii hutokea kwa njia ya kinachojulikana carrier wa mwingiliano wa sumakuumeme - photon.
• Nguvu, inayojulikana vinginevyo kama mwingiliano wa nyuklia. Kama jina linamaanisha, hatua yake inaenea kwa vitu vya mpangilio wa nucleus ya atomiki; Kuingiliana kwa nguvu kunafanywa na gluons.
• Dhaifu. Ufanisi katika umbali elfu ndogo kuliko ukubwa wa msingi. Leptoni na quarks, pamoja na antiparticles zao, hushiriki katika mwingiliano huu. Aidha, katika kesi ya mwingiliano dhaifu, wanaweza kubadilisha ndani ya kila mmoja. Vibebaji ni vifuko vya W+, W- na Z0.

Kwa hivyo Modeli ya Kawaida iliundwa kama ifuatavyo. Inajumuisha quarks sita, ambazo hadrons zote (chembe zilizo chini ya mwingiliano mkali) zinaundwa:

• Juu (u);
• Kurogwa (c);
• kweli (t);
• Chini (d);
• Ajabu;
• Inapendeza (b).

Ni wazi kwamba wanafizikia wana epithets nyingi. Chembe nyingine 6 ni leptoni. Hizi ni chembe msingi zilizo na ½ ya spin ambazo hazishiriki katika mwingiliano mkali.

• Elektroni;
• Neutrino ya elektroni;
• Muon;
• Muon neutrino;
• Tau lepton;
• Tau neutrino.

Na kundi la tatu la Modeli ya Kawaida ni vifungo vya kupima, ambavyo vina spin sawa na 1 na vinawakilishwa kama wabebaji wa mwingiliano:

• Gluon - nguvu;
• Photon - umeme;
• Z-boson - dhaifu;
• Kibofu cha W ni dhaifu.

Hizi pia ni pamoja na chembe ya spin-0 iliyogunduliwa hivi karibuni, ambayo, kwa maneno rahisi, hutoa wingi wa ajizi kwa vitu vingine vyote vya nyuklia.

Matokeo yake, kwa mujibu wa Standard Model, dunia yetu inaonekana kama hii: kila jambo lina quarks 6, kutengeneza hadrons, na leptoni 6; chembe hizi zote zinaweza kushiriki katika mwingiliano tatu, flygbolag ambayo ni bosons kupima.

Hasara za Mfano wa Kawaida

Hata hivyo, hata kabla ya ugunduzi wa kifua cha Higgs, chembe ya mwisho iliyotabiriwa na Standard Model, wanasayansi walikuwa wamekwenda nje ya mipaka yake. Mfano wa kushangaza wa hii ni kinachojulikana. "maingiliano ya mvuto", ambayo ni sawa na wengine leo. Labda, mtoaji wake ni chembe iliyo na spin 2, ambayo haina misa, na ambayo wanafizikia bado hawajaweza kugundua - "graviton".

Zaidi ya hayo, Mfano wa Kawaida unaelezea chembe 61, na leo zaidi ya chembe 350 tayari zinajulikana kwa ubinadamu. Hii ina maana kwamba kazi ya wanafizikia ya kinadharia haijaisha.

Uainishaji wa chembe

Ili kurahisisha maisha yao, wanafizikia wamepanga chembe zote kulingana na sifa zao za kimuundo na sifa zingine. Uainishaji unategemea vigezo vifuatavyo:

• Maisha yote.
  1. Imara. Hizi ni pamoja na protoni na antiprotoni, elektroni na positron, photon, na graviton. Kuwepo kwa chembe za utulivu hazipunguki na wakati, kwa muda mrefu wakiwa katika hali ya bure, i.e. usiingiliane na chochote.
  2. Isiyo thabiti. Chembe nyingine zote baada ya muda fulani hutengana katika sehemu zao za sehemu, ndiyo sababu zinaitwa zisizo imara. Kwa mfano, muon huishi microseconds 2.2 tu, na proton - 2.9 10 * 29 miaka, baada ya hapo inaweza kuoza katika positron na pion neutral.
• Uzito.
  1. Chembe nyingi za msingi, ambazo kuna tatu tu: photon, gluon na graviton.
  2. Chembe kubwa ni zingine zote.
• Spin maana.
  1. Mzunguko mzima, pamoja na. sifuri, kuwa na chembe zinazoitwa bosons.
  2. Chembe zilizo na nusu-integer spin ni fermions.
• Kushiriki katika mwingiliano.
  1. Hadroni (chembe za muundo) ni vitu vya nyuklia ambavyo vinashiriki katika aina zote nne za mwingiliano. Ilitajwa hapo awali kuwa zinaundwa na quarks. Hadroni imegawanywa katika aina mbili ndogo: mesons (integer spin, bosons) na baryons (nusu-integer spin, fermions).
  2. Msingi (chembe zisizo na muundo). Hizi ni pamoja na leptoni, quarks na bosons za kupima (soma mapema - "Standard Model..").

Baada ya kujitambulisha na uainishaji wa chembe zote, unaweza, kwa mfano, kuamua kwa usahihi baadhi yao. Kwa hivyo neutron ni fermion, hadron, au tuseme baryoni, na nucleon, ambayo ni, ina nusu-integer spin, inajumuisha quarks na inashiriki katika mwingiliano 4. Nucleon ni jina la kawaida la protoni na neutroni.

• Inashangaza kwamba wapinzani wa atomi ya Democritus, ambaye alitabiri kuwepo kwa atomi, alisema kuwa dutu yoyote duniani imegawanywa kwa muda usiojulikana. Kwa kiasi fulani, wanaweza kugeuka kuwa sawa, kwa kuwa wanasayansi tayari wameweza kugawanya atomi ndani ya kiini na elektroni, kiini ndani ya protoni na neutroni, na hizi, kwa upande wake, katika quarks.
• Democritus alidhani kuwa atomi zina umbo la kijiometri wazi, na kwa hivyo atomi "kali" za moto huwaka, atomi mbaya za vitu vikali hushikwa pamoja na protrusions zao, na atomi laini za maji huteleza wakati wa mwingiliano, vinginevyo hutiririka.
• Joseph Thomson alitunga kielelezo chake cha atomi, ambacho aliona kama mwili ulio na chaji chanya ambamo elektroni zilionekana kuwa "zimekwama." Mfano wake uliitwa "Plum pudding model".
• Quarks walipata jina lao shukrani kwa mwanafizikia wa Marekani Murray Gell-Mann. Mwanasayansi alitaka kutumia neno sawa na sauti ya bata bata (kwork). Lakini katika riwaya ya James Joyce ya Finnegans Wake alikumbana na neno “quark” katika mstari “Three quarks for Mr. Mark!”, maana yake haijafafanuliwa kwa usahihi na inawezekana kwamba Joyce alilitumia kwa wimbo tu. Murray aliamua kuita chembe neno hili, kwani wakati huo ni quarks tatu tu zilizojulikana.
• Ingawa fotoni, chembe chembe za nuru, hazina wingi, karibu na shimo jeusi zinaonekana kubadili mwelekeo wao kwani zinavutwa kwayo na nguvu za uvutano. Kwa kweli, mwili mkubwa zaidi hupinda wakati wa nafasi, ndiyo sababu chembe zozote, pamoja na zile zisizo na misa, hubadilisha mwelekeo wao kuelekea shimo nyeusi (tazama).
• Hadron Collider Kubwa ni "hadronic" haswa kwa sababu inagongana mihimili miwili iliyoelekezwa ya hadroni, chembe zenye vipimo kwa mpangilio wa kiini cha atomiki ambacho hushiriki katika mwingiliano wote.