Элементар бөлшектер. Бөлшектер мен электромагниттiк сәулелердiң өзара түрленуi

Физиканың даму барысында элементар бөлшектер ұғымы бiраз өзгерiске ұшырады. Алғашқы кезде элементар деп iшкi құрылымы жоқ, басқа құрамдас бөлiктерге ыдырамайтын бөлшектердi түсiндi. Бүгiнгi күннiң түсiнiгi бойынша элементар бөлшектерден олардың iшкi құрылымының болмауы талап етiлмейдi. Элементар бөлшектер деп, физика ғылымының қазiргi даму дәрежесiнде бос күйiнде кездесетiн қарапайым бөлшектерден тұрады деп есептеуге болмайтын бөлшектердi айтады. Элементар бөлшектердi кейде субъядролық бөлшектер деп те атайды.

Қазiргi заманның элементар бөлшектер физикасы осы бөлшектердiң қасиеттерiн анықтайды, оларды классификациялайды, iргелi әсерлесудiң қасиеттерiн зерттейдi және осы әсердiң салдарынан олардың бiр бiрiне ауысуларын зерттейдi. Соңғы кездерi элементар бөлшектердiң iшкi құрылымдары да кеңiнен зерттелуде.Бұл бөлшектердiң көптеген ерекшелiктерi, соның iшiнде iшкi құрылымы тек жеткiлiктi жоғарғы энергияда ғана көрiнiс табады. Сондықтан элементар бөлшектер физикасын жоғарғы энергия физикасы деп те атайды.

Кейбiр элементар бөлшектер табиғатта бос немесе босаң байланысқан күйде кездеседi. Бiздi қоршаған дүние негiзiнен осы бөлшектерден құралған. Мұндай бөлшектердiң қатарына ядро құрамына кiретiн протондар және нейтрондар, атомның қабыршығын құрайтын электрондар, электромагниттiк өрiстiң кванттары болып табылатын фотондар (γ-кванттар) жатады. Сәл кейiнiрек ядроның β-ыдырауы кезiнде туатын ν_e нейтрино және антинейтрино, ядролық әсерлесудiң тасымалдаушылары болып табылатын пи-мезондар ( π⁺ , π⁰ , π^-) ашылды. Бұдан әрi осы бөлшектердiң антибөлшектерi ашылды

Уақыт өте келе элементар бөлшектердiң саны күрт өстi. Бүгiнгi күнде олардың жалпы саны антибөлшектерiн қоса есептегенде 350 ден асып түседi. Бiрақ олардың аса көп бөлiгi орнықсыз бөлшектер. Олар табиғатта бос күйiнде кездеспейдi. Оларды тек арнайы зертханаларда үлкен жылдамдықтағы орнықты бөлшектердi соқтығыстыру арқылы алады. Осылай туындылаған орнықсыз бөлшектер тез арада ыдырап кетедi де ақырында орнықты бөлшектер пайда болады.

Бөлшек пен антибөлшек кездесетiн болса жойылып, екi кейде үш фотонға айналады. Бұл құбылысты аннигиляция деп атайды. Мысалы электрон мен оның антибөлшегi позитрон кездескен кезде мынадай түрлену болады

Бұл үрдiс кезiнде электр зарядының, энергияның, импульстiң және импульс моментiнiң сақталу заңы орындалады. 1933 жылы Ф. и И.Жолио-Кюри керi процесс – атом ядросының маңындағы гамма кванттан электрон-позитронның тууын

байқады. Энергияның сақталу заңы бойынша мұндай гамма-кванттың энергиясы электрон мен позитронның тыныштық энергияларының қосындысынан артық болуы керек.

Антибөлшектерден атом құралуы мүмкiн. Мысалы антисутегiнiң атомында терiс зарядталған антипротонның маңында оң зардталған позитрон қозғалып жүредi.

Элементар бөлшектердiң кестесiнде өмiр сүру 10^-20с-тан артық болатын элементар бөлшектер жөнiнде деректер келтiрiлген. Ол жердегi бөлшектер олардың массаларының өсу ретiмен келтiрiлген. Мұндағы жеңiл бөлшектер лептондар, ал одан ауырырақтары мезондар, ал ең ауырлары бариондар деп аталады. Мезондар мен бариондар адрондар деп аталатын топқа кiредi. Бұл кестедегi топтардың еш қайсысына кiрмейтiн фотон ерекше тұр.

Табиғаттағы барлық заттар, бөлшектер бiр-бiрiмен әсерлеседi. Бiр қарағанда осындай сан-алуан болып келетiн әсерлесулер негiзiнен iргелi әсерлесу теп аталатын төрт түрлi әсерлесудiң нақтылы жағдайда көрiнiс табуы болып табылады. Iргелi әсерлесуге гравитациялық, электромагниттiк, күштi және әлсiз әсерлесулер жатады.

Гравитациялық әсерлесу 1687 жылы И.Ньютон ашқан бүкiл әлемдiк тартылыс заңымен анықталады. Гравитацилық күштер кез-келген денелердiң арасында әсер етедi. Бiрақ массалары өте аз болғандықтан элементар бөлшектердiң арасында бұл күш ешқандай роль атқармайды. Бұл күш аспан механикасында, астрофизикада шешушi роль атқарады.

Кез-келген зарядталған дене немесе бөлшек электромагниттiк әсерлесуге қатысады. Атомдардың, молекулалардың кристаллдардың болуы газ, сұйық және қатты денелердiң қасиеттерi осы күштiң негiзiнде анықталады.

Күштi әсерлесу мезондар мен бариондарға, яғни адрондарға тән. Лептондар мен фотон күштi әсерлесуге қатыспайды. Ол қысқа аралықта ғана, шамамен 10^-15м, әсер етедi. Бұл аралықтағы оның мәнi гравитациялық және электромагниттiк күштермен салыстырғанда өте үлкен.

Әлсiз әсерлесуге фотоннан басқа кез-келген бөлшек қатысады. Бұл күштердiң әсер ету аймағы 10^-18м. Әлсiз әсерлесудiң мысалдары нейтронның, мюонның және зарядталған пиондардың төмендегi ыдыраулары

Қазiргi заман физикасының ең күштi теориялары кванттық механикада, кванттық электродинамика мен кванттық хромодинамикада бөлшектердiң өзара әсерлесуi олардың арасында болатын бөлшек алмасу арқылы түсiндiрiледi. Осы тұрғыдан алғанда электромагниттiк әсерлесу ол бөлшектер арасында фотонның алмасуы арқылы, ядролық күштер нуклонның арасында пи-мезондардың, ал жалпы күштi әсерлесу бұл өрiстiң кванттары глюондардың алмасуы, әлсiз әсерлесу өте ауыр бөлшектер W⁺, W^- және Z⁰ векторлық мезондардың алмасуы арқылы түсiндiрiледi.

Ендi элементар бөлшектерге қысқаша шолу жасай кетелiк. Лептондар – жоғарыда айтқанымыздай, күштi әсерлесуге қатыспайтын бөлшектер. Олардың қатарына жататындар : электрон e^-, электрон нейтриносы ν_e, мюон μ^-, мюон нейтриносы ν_μ, таон τ^- және таон нейтриносы ν_τ. Әрине барлық лептондардың антибөлшектерi бар. Нейтринолардың массасының неге тең екендiгi жөнiндегi мәселе бүгiнгi күнге дейiн шешiмiн тапқан жоқ.

Элементар бөлшектердiң ең көп тараған тобы адрондар. Адрондар барлық iргелi әсерлесулерге қатысады. Адронның протоннан басқасы орнықсыз. Олар белгiлi бiр уақыттан кейiн басқа бөлшектерге ыдырап кетедi. Олардың жартылай ыдыру периоды 10^-20 – 10^-24 с аралығында болады. Бұл бөлшектердi резонанстар деп атайды. Спинiнiң мәнiне байланысты адрондар спинi нөлге тең болатын мезондар және спинi 1/2 болатын бариондар болып бөлiнедi.

Энергиясы ондаған гигаэлектронвольт болатын электрондардың протоннан және нейтроннан шашырауын зерттеу бұл бөлшектердiң iшкi құрылымы бар екенiне нұсқайды. Жалпы адрондардың қандай да бiр iргелi бөлшектен құралғаны жөнiнде бiрнеше теория ұсынылған болатын. Соның ең жемiстiсi кварктар теориясы болды.

Кварктар деп нағыз элементар бөлшектердi айтады. Барлық адрондар, яғни мезондар, бариондар және резонанстар осы кварктардан тұрады. Бүгiнгi күнде алты кварк бар деп есептелiнедi. Олады сәйкес латынның u, d, s, c, b, t әрiптерiмен белгiлейдi. Бұл кварктардың қасиеттерi және олардан адрондардың қалай құралатыны төмендегi кестелерде келтiрiлген.