Вход

История открытия основных элементарных частиц

Реферат по физике
Дата добавления: 24 апреля 2002
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 438 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
План : 1. Введение _______________________________________________стр 2. 2. Развитие идеи о планетарной модели атома __________________стр .3 3. Краткие истор ические сведения _____________________________стр .5 4. Электроны и позитроны ____________________________________стр .8 5. Открытие нейт рона ________________________________________стр .10 6. Окрытие мезон а __________________________________________стр .12 7. Вывод __________________________________________________стр .15 8. Спиок использ ованной литературы __________________________стр .16 Введение . Элементарные частицы в то чном значении этого термина — пер вичные , далее неразложимые частицы , из которых , по предположению , состоит вся материя . В поняти и “Э . ч.” в современной физике находит выражение идея о первообразных сущ ностях , определяющих все из вестные свойства материа льного мира , идея , зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда иг равшая важную роль в его развитии. Понятие “Э . ч.” сформировалось в т есной связи с установлением дискретного х арактера строения вещества на микроскопич еском уровне . Обнаружение на рубеже 19 — 20 вв . мельчайших носителей свойств ве щества — молекул и атомов — и установление тог о факта , что моле кулы построены из атомов , впервые позволило описать все известные вещест в а как комбинации конечного , хотя и большого , числа структур ных составл яющих — атомов . Выявление в дальнейшем на личия со ставных слагающих атомов — электрон ов и ядер , установление сложной природы яд ер , оказавшихся построенными всего из двух типов частиц ( п ротонов и нейтроно в ) , существенно ум еньшило количество дискрет ных элементов , формирую щих свойства вещества , и дало основание пр едполагать , что цепочка составных частей мате рии завершается дис кретными бесструктурными обра зованиями — Э . ч . Такое предположе ние , вообще говоря , является экстраполяцией извес тных фактов и сколько-нибудь строго обоснован о быть не может . Нельзя с уверенно стью утверждать , что частицы , элементарные в смыс ле приведённого определения , существуют . Протоны и нейтроны , например, дли тельное время считавшиеся Э . ч ., как выяснилось , имеют сложное строение . Не исключена возможность того , что последовательность структурных составля ющих материи принципиально бесконечна . Может оказаться также , что утверждение “состоит из...” на какой- т о ступени изучения материи окажется лишённым содержания . От данн ого выше определения “элементарности” в этом случае придется отказаться . Существование Э . ч . — это своего рода постулат , и проверка его спра ведливости — одна из в ажнейших задач физики. Развитие идеи о планетарной модели атома . Не сразу ученые пришли к п равильным представлениям о строе нии атома . Один из первых экспериментальных фактов , свид етельствующих о сложности атомов , о существовании у них внутренней структуры элек триче ской природы , был установлен Фараде ем . На основании опытов по электролизу различных солей и других соединений мож но было с у ве ренностью утверждать , что электрические заряды имеются в атомах всех элементов . Однако надо было выяснить , что представляет собой электричество , являет ся ли оно непрерывной субстанц ией или в п ри роде существуют нед елимые “ атомы электричества” . Так как при электролизе одинаковое количеств о атомов любого одновалентного элеме нта всегда переносит одно и то же количество электричества , можно было предположить , что в п рироде существует “ атом количества эле ктричества” , одинаковый в атомах всех элемен тов . Этот заряд получил название элементарного заряда . В 1891 году ирла ндский физик Дж . Стоней предложил для него название электрон Решающие эксперименты , доказавшие реа льность существования элек тронов , были выполнены английским физиком Дж . Томсоном в 1899 году . Модель атома по Томсону представляла собой положительно за ряженную жидкость , в которой плавают отрицательные электр оны . На протяжении 12 лет эта модель представлялась весьма правдоподобно й . Но в 1911 году из опытов Резерфорда , сыг равшего большую роль в по нимании строения атома , непосредственно вытекает п л а н е т а р н а я модель атома . Основные положения теории атома сформулировал Нильс Бор . Этот велича йший переворот в физике произошел на рубеже ХХ века . Именно в это время великие принципы классической физики обна ружили свою несостоятельность пе ред лицом новых фактов . Физики пе решли границы новой неведомой о бласти , имя которой - микромир . Удар по представлениям , ставшим привычными , ока зался тем бо лее чувствительным , что в конце Х I Х века даже выдающиеся физики были убеждены в том , что основные законы природы раскрыты , и оста ется использовать их для объяснения различных явлений и процессов . Ведь до этого фундаментальные принципы классическо й механики Ньютона , электродинамики Макс велла и др . разделов физики получали все новые и новые подтверждения сво ей справедливости . Никому не приходило в г олову , что с у меньшением , к примеру , массы тел или увеличением их скорости законы Ньютона , давно счи тавшиеся чуть ли не самоочевидн ыми , могут оказаться несостоятель ными . И вот выяснилось , что атомы подвержены разрушению . Странные свойства обнаружи л электрон . Его масса выростала со скоростью . Ос новная характеристика тела - масса , считавшаяся со времен Ньютона неизменной , оказалась зависящ ей от скорости . А ведь массу было при нято рассматривать как меру количества вещества , содержащ егося в теле . Но эти трудности оказались трамплином для новых теорий ХХ века - теории относительности и квантовой механики . Классическая физика оказалась частным , или , точнее , предельным случаем тео рии относительности при скоростях , знач ительно меньших скорости света . Термин “Э . ч.” часто употребляется в сов ременной физике не в своём точном значении , а менее строго — для наименования большой группы мельчайших части ц материи , подчинённых условию , что они не являются атомами или атомными ядрами (иск лючение составляет про стейшее ядро атома вод орода — протон ). К ак показали ис следования , эта группа частиц необычайно обши рна . К ней относятся : протон (р ), нейтрон (n) и эле ктрон (e - ) , фотон (g), пи-мезоны (p), мюоны (m), ней трино трёх типов (электронное v e , мюонное v m и связанное с т . н . тяжё лым лептоном v t ), т . н . ст ранные частицы (К-мезоны и гипероны ) , разно образные резонансы , открытые в 1974 — 77 y-частицы , “очарованные” част ицы , ипсилон-частицы ( Ў ) и тяжёлые лептоны (t + , t — ) — всего более 350 частиц , в основном нестабильных . Число частиц , включаемых в эту группу , продолжает расти и , скорее всего , неограниченно велико ; при это м большинство перечисленных частиц не удовлет воряет строгому определению элементарности , поско льку , по современным представле ниям , они являю тся составными системами (см . ниже ). Использован и е названия “Э . ч.” ко всем э тим частицам имеет исторические причины и связано с тем периодом исследований (начало 30-х гг . 20 в .), когда единственно известными представителями данной группы были протон , нейтрон , электрон и частица электромагнитного поля — ф отон . Эти че тыре части цы тогда естественно было считать элементарны ми , т . к . они служили основой для постр оения окружающего нас вещества и взаимо дейст вующего с ним электромагнитного поля , а сл ожная структура про тона и нейтрона не бы ла известна. О ткрытие новых микроскопических ч астиц материи постепенно раз рушило эту прост ую картину . Вновь обнаруженные частицы , однако , во многих отношениях были близки к п ервым четырём известным части цам . Объединяющее их свойство заключается в том , что все они явл я ются специфическими фор мами существования материи , не ассоцииро ванной в ядра и атомы (иногда по этой прич ине их называют “субъядер ными частицами” ). Пок а количество таких частиц было не очень велико , сохранялось убеждение , что они играю т фундаментальную роль в строении материи , и их относили к категории Э . ч . Нарастание числа субъядерных частиц , выявлен ие у многих из них сложного строения по казало , что они , как правило , не обладают свойствами элементарности , но традиционное н азвание “Э . ч.” за ними сохр а ни лось Краткие ист орические сведения. Открытие Э . ч . явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества , дости гнутых физикой в конце 19 в . Оно было по дготовлено всесторонними исследованиями оптических спек тров атомов , изучением электрических явлений в жидкостях и газах , от крытием фо тоэлектричества , рентгеновских лучей , естественной радио активности , свидетельствовавших о существован ии сложной структуры материи. Исторически первой открытой Э . ч . б ыл электрон — носи тель отрица тельного элементарного электрического заряда в атомах . В 1897 Дж . Дж . Томсон установил , что т . н . катодные лучи образованы потоком мель чайших частиц , которые были названы электронами . В 1911 Э . Резер форд , пропуская альфа-частицы от естествен н ого радиоактивного ис точник а через тонкие фольги различных веществ , в ыяснил , что положи тельный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях — ядр ах , а в 1919 обнаружил среди частиц , выбитых из атомных ядер , про тоны — частицы с единичным положи т ельным зарядом и массой , в 1840 раз превышающей массу электр она . Другая частица , входящая в состав ядр а , — нейтрон — была открыта в 1932 Дж . Чедвиком при исследова ниях взаимодействия a-час тиц с бериллием . Нейтрон имеет массу , близ кую к массе протона , но н е о бладает электрическим зарядом . От крытием нейтрона завершилось выявление частиц — структурных эле ментов атомов и их ядер. Вывод о существовании частицы электро магнитного поля — фотона — берёт своё начало с работы М . Планка (1900). Предположив , что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела кванто ванна , Планк пол учил правильную формулу для спектра излучения . Развивая идею Планка , А . Эйнштейн (1905) посту лировал , что электро магнитное излучение (свет ) в действительности является пот о ком от дельных квантов (фотонов ), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта . Пря мые экспериментальные доказательства существо вания фотона были даны Р . Милликеном (1912 — 1915) и А . Комптоном (1922). Открытие нейтрино — частицы , почти не взаимодействующей с ве ществом , ведёт своё начало от теоретической догадки В . Паули (1930), позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устра нить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер . Экспериме н тально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 (Ф . Райнес и К Коуэн , США ). С 30-х и до начала 50-х гг . из учение Э . ч . было тесно связано с ис сл едованием космических лучей . В 1932 в составе космических лучей К . Андерсоном был обнаружен позитрон (е + ) — частица с массой элек трона , но с положительным электрическим зарядом . П озитрон был пер вой открытой античастицей . Сущ ествование е + непосредственно выте кало из релятивистской те ории электрона , развитой П . Дираком (1928 — 31) н езадолго до об наружения позитрона . В 1936 американские физики К . Андерсон и С . Недд ермейер обнаружили при исследовании осмических лучей мюоны (обоих знаков электрического за ряда ) — частицы с массой примерно в 200 масс электрона , а в остальном удивительно близкие по сво й ствам к е - , е + . В 1947 также в космических лучах груп пой С . Пауэлла были открыты p + и p - -мезоны с массой в 274 электронные массы , играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах . Существова ние подобных частиц было предположено Х . Юкавой в 1935. Конец 40-х — начало 50-х гг . озна меновались открытием большой группы частиц с необычными свойствами , получивших название “ стран ных” . Первые частицы этой группы К + - и К - -мезоны , L-, S + -, S - -, X - -гипе роны были открыты в космиче с ких лучах , последующие открытия стран ных част иц были сделаны на ускорителях — установ ках , создающих ин тенсивные потоки быстрых про тонов и электронов . При столкновении с вещ еством ускоренные протоны и электроны рождают новые Э . ч ., кото рые и становятся предметом изучения. С начала 50-х гг . ускорители преврат ились в основной инструмент для исследования Э . ч . В 70-х гг . энергии частиц , разог нанных на уско рителях , составили десятки и сотни млрд . электронвольт ( Гэ в ) . Стрем ление к увеличению энергий частиц обусловлено тем , что высокие энер гии открывают возможность изучения строения матери и на тем меньших расстояниях , чем выше энергия сталкивающихся частиц . Ускорители сущес твенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и об о гатили наше знание свойств микро мира . Применение ускорителей для изучения стр анных частиц позволило более детально изучить их свойства , в частности особенности их распада , и вскоре при вело к важному открытию : выяснению возможности изменения характе ристи к некоторых микропроцессов при операции зеркального отраже ния — т . н . нарушению пр остранств . четности (1956). Ввод в строй про тонных ускорителей с энергиями в миллиарды эв позволил от крыть тя жёлые античастицы : антипротон (1955), антинейтр он (1956), антиси гма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W - (с мас сой около двух масс про тона ). В 1960-х гг . на ускорителях было отк рыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др . нестабиль ными Э . ч .) част иц , получивших название “резонансо в” . Масс ы боль шинства резонансов превышают массу про тона . Первый из них D 1 (1232) был известен с 1953. Оказалось , ч то резонансы составляют основная часть Э . ч. В 1962 было выяснено , что существуют два разных нейтрино : элек тронное и мюонное . В 196 4 в распадах нейтральных К-мезонов . было обнаружено несохранение т , н . комбинир ованной чётности (введённой Ли-Цзун дао и Ян Чжэнь-нином и независимо Л . Д . Ландау в 1956) , озна чающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических проце ссов при о перации отражения времени . В 1974 были обнаружены массивные (в 3 — 4 протонные массы ) и в то же время относительно устойчивые y-частицы , с временем жизни , не обычно большим для резонансов . Они оказались тесно связанными с новым семей ством Э . ч . — “очарованных” , первые п редставители кото рого (D 0 , D + , L с ) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжё лого лептона t). В 1977 были открыты Ў -частицы с массой порядка де сятка протонных масс . Таким образом , за годы , прошедшие после открытия электрона , было выявлено огром ное число разнообразных микрочастиц материи . Мир Э . ч . оказался достаточно сложно устро енным . Неожиданными во многих отношениях оказ ались свойства обна руженных Э . ч . Для их опи сания , помимо характеристик , заимствова нных из классической физики , таких , как эл ектрический заряд , масса , момент количества дв ижения , потребовалось ввести много новых спец иальных характеристик , в част ности для описан ия странных Э . ч . — странность (К . Нишиджима , М . Гелл-Ман , 1953), “очарованных” Э . ч . — “очарование” (американские физики Дж . Бьёркен , Ш . Глэшоу , 1964); уже названия приведённых ха рактеристик от ражают необычность описываемых ими свойств Э . ч. Эле ктрон ы и позитроны В состав всех окружающих нас веществ входят электроны . Их элек трический заряд точно известен (например , из экспериме нтов с масля ными капельками ) и равен e =4,802• 10 -10 электростатических единиц . Масса электрона тоже точно известна (напри мер , из экспериментов по отклон ению в электрическом и магнитном полях , да ющих величину от ношения электрического заряда к массе ) и имеет величину m e =9,105• 10 -28 г . Соотв етствующее значение энергии покоя m e c 2 =0,51079 Мэв . Ана лиз атомных спектров показывает , что спин электрона s =1/2, а его маг нитный момент равен одному магнетону Бора . Электроны подчиняются статистике Ферми , так как они обладают полуцелым спином . Это согла суется с экспер иментальными данными о структуре атомов и о поведе нии электронов в ме таллах. Позитроны (положительные электроны ) в в еществе не могут сущест вовать , потому что при замедлении они аннигилируют , соединяясь с от рицательными электронами . В этом проце ссе , который можно рассмат ривать как обратный процесс рождения пар , положит ельный и отрица тельный электроны исчезают , при этом образуются фотоны , которым передается их эн ергия . При аннигиляции электрона и позитрона в боль шинстве случаев образуются два фо тона , значительно реже - один фо тон . Однофотонн ая аннигиляция может произ о йти то лько в том случае , когда электрон сильно связан с ядром ; участие ядра в этом случае не обходимо для сохранения импульса . Двухфотонная аннигиляция , напро тив , может происхо дить и со свободным электроном . Часто проц есс ан нигиляции происходит после пр а ктически полной остановки позитрона . В этом случае испускаются в противоположных наравлениях два фотона с равными энергиями. Позитрон был открыт Андерсон ом при изучении космиче ских лучей мет одом камеры Вильсона . На рисунке , который является репродукцией с полученной Андерсоном фотографии в камере Вильсона , видна поло жи тельная частица , входящая в свинцовую пластин у толщиной 0,6 см с импульсом 6,3• 10 7 эв /с и вы ходящая из нее с им пульсом 2,3• 10 7 эв /с . Можно установить верхний предел для массы этой частицы , допустив , что она теряет энергию только на столкновения . Этот предел составл яет 20 m e . На основании этой и други х сходных фотографий Андерсон вы двинул гипот езу о существовании п оложительной частицы с массой , примерно равной массе обычного электрона . Это заключение скоро было подт верждено наблюдениями Блэккета и Оккиалини в камере Вильсона . Вскоре после этого Кюри и Жолио открыли , что позитроны образуются при конверсии гамма-луче й радиоакти вных источников , а также испускаются искусств енными радиоактивными изотопами . Так как фото н , будучи нейтральным образует пару (позитрон и электрон ), то из принципа сохранения электрического заряда следует , что по абсол ют ной величине заряд позит р она р авен заряду электрона. Первое количественное определение массы п озитрона было проде лано Тибо , который измерял отношение e/m методом трохоид и пришел к выводу , что массы позитрона и электрона отличают ся не больше чем на 15 %. Более поздние эк сперимент ы Шписа и Цана , которые испол ь зовали масс-спектрографическую установку , показали , что массы элек трона и позитрона совпадают с точностью до 2 %. Еще позже Дюмонд и сотрудники измерили с большой точностью дл ину волны аннигиляцион ного излучения . С точно ст ь ю до ошибок эксперимента (0,2 %) они полу чили такое значение длины волны , кот орого следовало ожидать в пред положении , что позитрон и электрон имеют равные массы. Закон сохранения момента количества движе ния в применении к про цессу рождения пар показывае т , что позитроны обладают по луцелым спином и , следовательно , подчиняются с татистике Ферми . Разумно предположть , что спин позитрона равен 1/2, как и спин электрона. Открытие не йтрона. Открытие из отопов не прояснило вопрос о строении я дра . К этому времени были известны лишь протоны – ядра водорода и электр оны , а потому естественной была попытка об ъяснить существование изотопов различными комбин ациями этих положительно и отрицательно заря женных частиц . Можно было бы думать , что ядра со д ержат А протонов , где А – массовое число , и А я Z электронов . При этом полный положитель ный заряд совпадает с атомным номером Z . Такая простая картина однородного яд ра поначалу не противоре чила выводу о ма лых размерах ядра , вытекавшему из опытов Р езер форда . “Естественный радиус” электрона r 0 = e 2 / mc 2 (который получа ется , если пр иравнять электростатическую энергию e 2 / r 0 заря да , распре деленного по сферической оболочке , с обственной энергии электрона mc 2 ) составляет r 0 = 2,82 я 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 1920 Резерфорд и др угие уче ные рассматривали возможность существова ния устойчивой комбина ции из протона и э лектрона , воспро изводящей нейтральную частицу с массой , приблизительно равной массе про тона . Однако из-за отсутствия электрического з аряда такие частицы с трудом поддавались бы обнару жению . Вряд ли они могли бы и выбивать электроны из металлических поверхн остей , как эле к тромагнитные волны при фотоэффекте . Лишь спустя десятилетие , после того как естественная радиоактив ность была глубоко исследована , а радиоактивное излучение стали ши роко применять , чтобы вызывать искусственн ое превращение атомов , было надежно устан овлено существование новой составной част и ядра . В 1930 В.Боте и Г.Беккер из Гисенск ого университета проводили облу чение лития и бериллия альфа-частицами и с помощью счет чика Гей гера регистрировали возникающее при этом проникающее излучение . Поскольку н а это излучение не оказывали влияния электрические и маг нитные поля и оно обл адало большой проникающей способностью , ав торы пришли к выводу , что испускается жесткое гамма-излучение . В 1932 Ф.Жолио и И.Кюри повторил и опыты с бериллием , пропуская такое про н икающее излучение через парафиновый блок . Они обнаружили , что из парафина выходят протоны с необычно высокой энергией , и заклю чили , что , проходя через парафин , гамма-излучение в результате рас сеяния порож дает протоны . (В 1923 было установлено , что рен тг е нов ские лучи рассеиваются на электронах , давая комптоновский эффект .) Дж.Чедвик повторил эксперимент . Он так же использовал парафин и с помощью иониза ционной камеры (рис . 1), в которой собирался заряд , возникающий при выбивании электронов и з атомов , измерял пробег протонов отдачи . Рис .1 Чедвик и спользовал также газообразный азот (в камере Вильсона , где вдоль следа заряженной част ицы происходит конденсация водяных капелек ) д ля поглощения излучения и измерения пробега атомов отдачи азота . Применив к рез ультатам обоих экспериментов законы сохранения энергии и импульса , он пришел к выводу , что обнаруженное нейтраль ное излучение – это не гамм а-излучение , а поток частиц с массой , близ к ой к массе протона . Чедвик показал также , что известные ис точники гамма-излучения не выбивают протонов . Тем самым было подтверждено существов ание новой частицы , кото рую теперь называют нейтроном . Расщепление металлического берил лия происходило следующим образом : Альфа-частицы 4 2 He (заряд 2, массовое число 4) сталкивались с яд рами бериллия (заря д 4, массовое число 9), в результате чего возн икали углерод и нейтрон . Открытие нейтрона явилось важным шагом вперед . Наблюдаемые характеристики ядер теперь можно было интерпретировать , рассматр и вая нейтроны и протоны как составные ча сти ядер . На рис . 2 схематиче ски показана с труктура нескольких легких ядер . Рис .2 Нейтрон , как теперь извест но , на 0,1% тяжелее протона . Свободные нейтроны (вне ядра ) претерпевают радиоактивный распад , превращаясь в протон и электрон . Это на поминает о первоначальной гипотезе со ста вной нейтральной частицы . Однако внутри стаби льного ядра ней троны связаны с протонами и самопроизвольно не распадаются . Отк рытие мезона Открытие мезона , в отличие о т открытия позитрона явилось не ре зультатом единичного наблюдения , а скорее выво д ом из целой серии экспериментальных и тео ретических исследований. В 1932 году Росси , используя мето д совпадений , предложенный Боте и Кольхерстер ом , показал , что известную часть наблюдаемого на уровне моря космического излучения со ставляют частицы , способ ные прони кать чер ез свинцовые пластины толщиной до 1 м . Вско ре после этого он также обратил внимание на существование в космических лучах дву х различных компонент . Частицы одной компонен ты (проникающая компо нента ) способны проходить через большие толщи в ещества , при чем степень поглощения их различными вещества ми приблизительно про порциональна массе этих веществ . Частицы другой компоненты (ливне образу ющая компонента ) быстро поглощаются , в особенн ости тяжелыми элементами ; при этом образуется большое числ о вторичных частиц (ливни ). Эксперименты по изучению прохождения ч астиц космических лучей через свинцовые пласт ины , проведенные с камерой Вильсона Ан дерсоно м и Неддемейером , также показали , что суще ствуют две раз личные компоненты космических лучей . Эти э к сперименты показали , что , в то время как в среднем потеря энергии частиц космических лучей в свинце совпадала по порядку величин с теоретиче ски вычисленной потерей на столкновения , неко торые из этих частиц испытывали гораздо б ольшие потери. В 1934 году Бете и Гайтлер опубл иковали теорию радиационных по терь электронов и рождения пар фотонами . Свойства менее проникаю щей компоненты , наблюдавшейся Андерсоном и Неддемейером , нахо дились в согласии со свойствами электронов , предсказанными теорией Б ете и Га й тлера ; при этом больш ие потери объяснялись радиацион ными процессами . Свойства ливнеобразующего излучения , обнаружен ного Росси , также могли быть объяснены в п редположении , что это из лучение состоит из электронов и фотонов больших энергий . С другой сторо н ы , признавая справедли вость теории Бете и Гайтлера , приходи лось делать вывод , что "проникающие " частицы в экспериментах Росси и менее поглощающиеся частицы в экспериментах Андерсона и Недде мей ера отличаются от электронов . Пришлось предпо ложить , что прон и кающие частицы т яжелее электронов , так как согласно теории потери энергии на излучение обратно пропор циональны квадрату массы. В связи с этим обсуждалась возможн ость краха теории излучения при больших э нергиях . В качестве альтернативы Вильямс в 1934 го ду высказал предположение , что прони кающие частицы космических лучей , возможно , об ладают массой протона . Одна из трудностей , связанных с этой гипотезой , заключалась в необходимости существования не только положите льных , но и отрицательных протонов , потому что экспери менты с камерой Вильс она показали , что проникающие частицы косми че ских лучей имеют заряды обоих знаков . Боле е того , на некоторых фо тографиях , полученных Андерсоном и Неддемейером в камере Виль сона , можно было видеть частицы , которые н е излу ч али подобно элек тронам , но , однако , были не такими тяжелыми , как протоны . Таким обра зом , к концу 1936 года стал о почти очевидным , что в космических лучах имеются , кроме электронов , еще и частицы до тех пор неизвестного типа , предположит ельно частицы с м а ссой , промежуточ ной между мас сой электрона и массой прот она . Следует отметить также , что в 1935 году Юкава из чисто теоретических соображений п редсказал существо вание подобных частиц. Существование частиц с промежуточной м ассой было непосредст венно д оказано в 1937 году экспериментами Неддемейера и Андерсона и Стрита и Стивенсона. Эксперименты Неддемейера и Анд ерсона явились продолжением (с улучшенной мет одикой ) упоминавшихся выше исследований по по терям энергии частиц космических лучей . Они были п роведены в камере Виль сона , п омещенной в магнитное поле и разделенной на две половины платиновой пластиной толщиной 1 см . Потери импульса для отдельных частиц космических лучей определялись путем измерен ия кривизны следа до и после пластины. Поглощающ иеся частицы легко могут быть интерпретированы как электроны . Такая интерпретация подкрепляется тем , что поглощаю щиеся частицы в отличие от проникающ их часто вызывают в платино вом поглотителе вторичные процессы и по большей части встречаются группами (п о две и б ольше ). Именно этого и следовало ожидать , т ак как многие из электронов , наблюдаемых п ри такой же геометрии экспери мента , что у Неддемейера и Андерсона , входят в состав ливней , обра зующихся в окружающем веществе . Что касается природы проникающих ч астиц , то здесь многое пояснили два следующих результата , получен ных Неддемейером и Андерсоном. 1). Несмотря на то , что поглощающиеся частицы относительно чаще встречаются при ма лых значениях импульсов , а проникающие частиц ы наоборот (более часты при больших значениях импульсов ), имеется ин тервал импульсов , в котором представлены и поглощающиеся и прони кающие частицы . Таким образом , различие в поведении этих двух сор тов частиц не может быть приписано различию в энерги ях . Этот резуль тат исключает в о зм ожность считать проникающие частицы электронами , объясняя их поведение несправедливостью тео рии излучения при больших энергиях. 2). Имеется некоторое число проникающих ч астиц с импульсами меньше 200 Мэв /с , которые производят не большую ионизацию , чем од нозарядная частица вблизи минимума кри вой ионизации . Это означает , что проникающие частицы космических лучей значительно легче , чем протоны , поскольку протон с импульсом меньше 200 Мэв /с производит удельную иониза цию , примерно в 10 раз превышающую мини м альную. Стрит и Стивенсон попытались непосредственно оценить массу час т иц космических лучей путем одновременного изм ерения импульса и удельной ионизации . Они использовали каме ру Вильсона , которая упр авлялась системой счетчиков Гейгера-Мюллера , включ енной на ан тисовпадения . Этим достигался отбо р частиц , близких к концу своего пробега . Камера помещалась в магнитное поле напря женностью 3500 гс ; камера срабатывала с задержкой око л о 1 сек , что позволяло про изво дить счет капелек . Среди большого числа фотографий Стрит и Стивенсон нашли одну , представлявшую чрезвычайный интерес. На этой фотографии виден след частицы с импульсом 29 Мэв /с , ионизация которой примерно в шесть раз превышае т минимальную . Эта частица обладает от рицательным зарядом , поскольку она движется в низ . Судя по импульсу и удельной ионизации , ее масса оказывается равной примерно 175 ма ссам электрона ; вероятная ошибка , составляющая 25 %, обусловлена неточностью измерени я у дельной ионизации . Заметим , что электрон , облад ающий импульсом 29 Мэв /с , имеет практически минимальную ионизацию . С другой стороны , части цы с таким импульсом и массой протона (либо движущийся вверх обычный протон , либо отрицательный протон , движущийся в н из ) обладают удельной ионизацией , которая примерно в 200 раз превышает минимальную ; кр оме того , пробег такого протона в газе камеры должен быть меньше 1 см . В то же время след , о котором идет речь , ясн о виден на протяжении 7 см , после чего он выходит из о с вещенного объема. Описанные выше эксперименты безус ловно доказали , что проникающие частицы дейст вительно являются более тяжелыми , чем электро ны , но более легкими , чем протоны . Кроме того , эксперимент Стрита и Стивенсона дал первую примерную оценку массы эт ой новой частицы , которую мы можем теперь на звать ее общепринятым именем - мезон. Вывод. Изучение внутреннего строения материи и свойств Э . ч . с первых с воих шагов сопровождалось радикальным пересмотро м многих устоявшихся понятий и представлен ий . Закономерности , управляющие поведением материи в малом , оказались настолько отличн ыми от закономерностей классической механики и электродинамики , что потребовали для своего описания совершенно новых теоретических пост роений . Такими новыми фундаменталь н ым и построениями в теории явились частная (с пециальная ) и общая теория относительности (А . Эйнштейн , 1905 и 1916; Относительности теория , Тяготе ние ) и квантовая механика (1924 — 27; Н.Бор , Л . де Бройль , В . Гейзенберг , Э . Шредингер , М . Борн ). Теория относит е льности и квантовая механика знаменовали собой подлинную революцию в науке о природе и заложили основы для описания явлений микромира . Од нако для описания процессов , происходящих с Э . ч ., квантовой механики оказалось недостат очно . Понадобился следующий ша г — квантование классических полей (т . н . кванто вание вторичное ) и разработка квантовой теори и поля . Важнейшими этапами на пути её развития были : формулировка квантовой электродина мики (П . Дирак , 1929), квантовой теории b-распада ( Э . Ферми , 1934), положивш е й начало совре менной теории слабых взаимодействий , квантовой мезодинамики (Юкава , 1935). Непосредственной предшествен ницей последней была т . н . b-теория ядерных сил (И . Е . Тамм , Д . Д . Иваненко , 1934; Сил ьные взаимодействия ). Этот период завершился с оздани е м последовательного вычислительно го аппарата квантовой электродинамики (С . Томо нага , Р . Фейнман , Ю . Швингер ; 1944 — 49), основанног о на использовании техники перенормировки (Кв антовая теория поля ). Эта техника была обо бщена впоследствии применительно к друг и м вариантам квантовой теории поля. Квантовая теория поля продолжает раз виваться и совершенст воваться и является осн овой для описания взаимодействий Э . ч . У этой теории имеется ряд существенных успех ов , и всё же она ещё очень далека от завершённос ти и не может претендов ать на роль всеобъемлющей теории Э . ч . Происхождение многих свойств Э . ч . и приро да присущих им взаимодействий в значительной мере остаются неясными . Возможно , понадобится ещё не одна перестройка всех представлен ий и гораздо более г л убокое п онимание взаимосвязи свойств микрочастиц и ге ометрических свойств пространства-вре мени , прежде чем теория Э . ч . будет построена. 1 Мякишев Г.Я . “ Элем ентарные частицы ” М.,Просвещение , 1977г. 2 Савельев И.В. “ Курс физики ” , М , Наука , 1989г. 3 Кр ейчи “Мир глазами современной физики” М , Мир , 1974 4 Комар А.А . “ Элементарные частицы ” c татья 5 Зисман Г.А ., Тодес О.М . “ Курс общей физики ” Киев , изд . Эделвейс 1994 г. 6 Федоров Ф . “ Цепная реакция идеи ” М ., изд . Знание , 1975 г.
© Рефератбанк, 2002 - 2017