Элементар бөлшектер туралы мағлұмат

Элементар бөлшектер физикасының даму жолының үш кезеңі.

1 кезең: Электроннан позитронға дейін 1897-1932 ж.ж грек философы Демокрит одан әрі бөлінбейтін қарапайым бөлшектерді атом (атом бөлінбейді) деп атағанда бұл принципінде мұншалықты күрделі болады деп ойламаған болар. Әр түрлі нәсілдер, өсімдіктер, жануарлар өзгермейтін бөлінбейтін бөлшектерден тұрады. Дүниедегі кездесетін түрленулер бұлар атомдардың жай ғана орын ауыстыруы. Дүниедегі мәнісі бұлжымай қалатын атомның өзінен басқаның бәрі де өтеді, бәрі де өзгереді. Демокрит атомдарға қалай қараса алғашқы кезде бұл бөлшектерде дәл осындай көзқарас болды. Олар әлемнің одан әрі бөлінбейтін әлемнің негізгі кірпіштері деп есептеді.

2 кезең: Позитроннан кварктарға дейін 1932-1970 ж (барлық элементар бөлшектер бір-біріне түрленеді). Элементар деген сөздің өзінде екі мағына бар. Бір жағынан элементар өзінен өзі түсінікті қарапайым дегенді білдіреді. Екінші жағынан элементар деп заттарға негіз етіп алынады (субатомдық бөлшектер – ол атомды құрайтын бөлшектер). Бөлшектердің бірде бірі мәңгілік емес. Қазіргі кезде элементар деп аталып жүрген бөлшектердің көпшілігі ешбір сыртқы әсерсіз-ақ секундтың 2 мин-дық үлесінен артық уақыт өмір сүре алмайды. Еркін нейтрон (атом ядросынан тыс нейтрон) орта есеппен алғанда 15 мин өмір сүреді. Тек бүкіл әлемде жеке дара кездесетін болса ғана өздерінің өзгермейтіндігін сақтаған болар еді. Бірақ электрондар мен протондардың қауіпті туыстары позитрондар мен антипротондар бар. Бұл бөлшектер бір бірімен соқтығысқан да өзара жойылып жаңа бөлшектер пайда болады. Осы күнгі үдеткіштер зарядталған бөлшектерге жарық жылдамдығына жуық жылдамдық бере алады. Соқтығысатын бөлшектің энергиясы неғұрлым жоғары болса, солғұрлым көп те, анағұрлым ауыр да бөлшектер туады. Бұған себеп жылдамдық өскен кезде бөлшектердің массасы артады. Бөлшектердің осінің бір қосағының массасын арта отырып күні бүгінгі белгілі бөлшектердің бәрін де алуға болады. 60 млрд электрон энергиясы бар көміртегі ядросының фотоэмулсиядағы күміс ядросымен соқтығысу нәтижесін қарастырсақ, ядро түрлі бағытта шашырап ұшатын жарықшақтарға бөлінеді, қоса қабаттаса көптеген элементар бөлшектер – пиондар пайда болады. Үдеткіште алынған релятивистік бөлшектердің соқтығысуынан пайда болған осындай реакциялар дүние жүзінде бірінші рет 1976 ж. Дубна қаласындағы ядролық зерттеудің біріккен институтының жоғары энергиялы лабороториясында Балдиннің басқаруымен жүзеге асырылады. Электрон қабықшаларынан айырылған ядролар көміртегі атомын лазер сәулесімен иондау жолымен алынған.

3-кезең: кварктар туралы 1964 ж. қазіргі күнге дейін 60 жылдары қазіргі элементар жүргізілген барлық бөлшектер осы атауға лайық. Оның туу себебі қарапайым. Ондай бөлшектер тым көбейіп кетті. Жаңа бөлшектердің ашылуы ғылым үшін аса зор маңызды. Бұдан көп бұрынырақ әр жыл табыс көзі ашылған сайын аздап мазасыздық араласа бастады. Бір топ «оғаш» деп аталатын бөлшектер табылды: К-мезондар және массалары нуклондар массасынан ауыр гиперондар 70 жылдары бұларға массасы олардікінен де ауыр ғажап бөлшектердің үлкен бір тобы келіп қосылды. Мұнымен қоса өмір сүру уақыты 10^-22 – 10^-23 секунд шамасында ғана болатын қысқа өмірлік бөлшектер табылды. Бұл бөлшектер резонанстар деп аталады. Олардың саны 200-ден астам. 1964 ж. Гейл-Манн және Цвейг ұсынған модель өзара күшті әсерлесетін барлық бөлшектерден іргелі бөлшектерден (кварктардан) құрастырылатындығын көрсеткен еді. Қазіргі кезде кварктардың нақты бар екендігіне ешкім де күмәнданбайды, дегенмен олар бос күйінде әлі де бөлінген жоқ. өзара күшті әсерлесетін бөлшектерді адрондар деп атайды (гректің үлкен күшті деген сөзді білдіреді).

Позитрон. Ағылшын физигі Дирак 1931 ж. электронның негізі позитронның бар екендігі жөнінде теориялық болжам жасаған болатын. Сондай-ақ Дирак позитрон электронмен кездескенде бөлшектердің екеуі бірдей жоғалып, жоғары энергиялы фотондар пайда болуы тиіс екенін айтты. Электрон - позитрон жұбы туатын кері процесінің болуы да мүмкін. Мәселен едәуір жоғары энергиялы фотон ядромен соқтығысқан кезде осы процесс байқалады. Арада 2 жыл өткен соң позитрон магнит өрісінде орналасқан Вильсон камерасының көмегімен табылды. Элементар бөлшектер арасындағы реакциялар кезінде бір бөлшектердің жоғалып (аннигиляция) екіншілерінің пайда болуы ескі бөлшектердің құрамды бөліктерінің жаңа комбинациялардың пайда болуы емес. Бұл түрлену болып табылады. Тыныштық күйде электрон позитрон бөлшектердің белгілі массалары және электр зарядтары болады. Осы кезде туатын фотонның заряды да тыныштық массасы да жоқ. өйткені ол тыныштық күйде бола алмайды. Көп бөлшектердің антибөлшектері табылады. Антибөлшектердің бөлшектерге қарсы қойылатын себебі егер бөлшек сәйкес антибөлшекпен кездескенде олардың аннигилациясы байқалады. Екі бөлшектер жарық квантына немесе басқа бөлшектерге айналып жойылады. Ядролары антинуклондардан тұратын атомдар антизат түзеді. 1969 ж. яғни кеңес дәуірінде бірінші рет антигелий алынды. Антизат пен заттың аннигилациясы кезінде заттың тыныштық энергиясы гамма кванттар түзетін кинетикалық энергияға айналады.

Нейтронның ыдырауы. Нейтронның ашылуы.Бета ыдырау кезінде ядродан электрон ұшып шығады. Ядродан электрон ұшып шыққаннан кейін ядроның заряды бірге артады. Ендеше протондар саны да бірге артады. Ядронның массалық саны өзгермейді. Бұл нейтрондардың саны бірге кемиді деген сөз. Бета радиоактивті ядролардың ішіндегі нейтронның протон мен электронға бөлінетін болғаны. Протон ядрода қалады. Ал электрон сыртқа ұшып шығып, тек тұрақты ядроларда ғана нейтрон орнықты болады. Теңбе тең ядролар энергиясы түрліше электрон шығарады.. Алайда шығарылған электронның энергиясы қандай екендігіне қарамастан жаңадан пайда болған ядролар 0-1 дей болады. Бастапқы ядроның энергиясы жаңа ядромен электрон энергиясының қосындысына тең болмайтын болып шықты. Швецария физигі Паули нейтронның ыдырауы кезінде протонмен және электронмен бірге жетіспейтін энергияны көзге көрінбейтін қайсы бір бөлшек әкетеді деп болжам айтады. Ол электр зарядтарын тасымалдамайды. Сондықтан оны физикалық приболар тіркей алмайды. Яғни бөлшектердің бар жоғын білдіретіндей із қалдырмайды. Сондықтан Паули өзінің гипотезалық бөлшегінде ол затпен өте әлсіз әрекеттеседі. Сондықтан заттың қалың қабатынан із түзсіз еркін өте алады-деп болжаған еді. Бұл бөлшекті ферми нейтроны деп атайды. Ол кішкентай нейтрон деген сөз. Паули алдын ала болжағандай нейтрон 0-ге тең екен. Бұл сөзді тыныштықта тұрған нейтроны жоқ деп түсіну керек. Жарық дүниеге келген бетте олар бірден 300 км/с жылдамдықпен қозғалады. Нейтронның қорғасын ішінде жарықтың вакуумда бірнеше жыл бойы жүретін қашықтығына тең аралықта басып өтетін қабілеті бар. Нейтонның ролі тек бетаның ыдырауын түсіндірумен ғана тынбайды. Көптеген элементар бөлшектер еркін күйінде нейтроны басқа нуклондармен әрекеттесуінің арқасында тұрақты күйге түседі. Еркін электрон орташа есеппен 15 мин. өмір сүреді. Басқаша бөлшектер сияқты нейтронның да анти бөлшегі бар. Ол антинейтроны деп аталады. Нейтрон протон мен электронға ыдырағанда дәл осы антинейтронға шығарылады. . Нейтронның энергиясы әрқашанда протон мен электрон энергияларының қосындысыан артық болады. Артық энергияны антинейтроны алып кетеді. Протонға антинейтроны келіп тигенде позитрон мен нейтрон пайда болатынын теория алдын ала болжаған еді. Антинейтронның өтімділік қабілетінің ғажап күштілігінен мұндай процестің болу ықтималдығы тіптен аз. Бірақ антинейторны өте көп болса, оны байқауға болатындығына үміттенуге болады. Ал уран ядролары бөлініп шыққан кезде өмір сүру уақыты өте аз бета радиоактивті жарықшалар көптен пайда болады. Міне осындай реактордың жанына (тәжірибе 1956ж америкада өткізілген) жерге қорғасын, парафинен жәшік көмілді. Жәшікте сұйық сцентиллятор (300л жуық) қабатымен қоршалған 200 л су болған. Сцинтиллятор өзі арқылы гамма кванты өткенде жыпылықтайды .Су молекулаларының біреуіне анти нейтроны тигенде пайда болатын позитрон кешікпей электрондардың біреуімен аннигиляцияланып, 2 гамма квантты береді. Гамма кванттар арнаулы приборлар тіркеп отыратын сцинтиллятордың жыпылықтауынан туғызады. Реакция кезінде туған нейтрон біраз кезіп жүріп суға әдейі араластырылған колидің ядросына түседі. Одан кейін кодидің гамма квантар шығарып нейтронның келгенін хабарлайды. Әуелі әр жаққа ұшып шыққан гамма квантардың содан соң аздаған уақыт өткенде тағы да бірнеше гамма квантардың пайда болғанына қарап антинейтронның бар екендігі дәлелденді.Нейтонның ыдырау жағдайында бәрі айқын. Жарық жылдамдығымен ғана түзу сызықты қозғалып жүретін антинейтроның ішінде болуы мүмкін емес . Нейтрон ыдыраған бөлініп шығатын протон мен электрон орнықты жүйе құрай алады. Бірақ бұл нейтрон емес, өзімізге жақсы таныс сутек атомы. Өмір сүру мерзімі белгілі басқа бөлшектер үшін де жағдай осылай. Бөлшектің ыдырауы оның элементар болуы-болмауының белгісі емес нейтрон өзінің тұрақсыздығына қарамастан элементар бөлшек болып саналады. Ал ауыр сутегі атомның ядросы дейтрон тұрақты болғанымен, ол нейтрон мен протоннан тұрады.

Элементар бөлшектер физиканың дамуы, ғарыштық сәулелердің ашылуымен байланысты. Олардың пайда болуын 1910ж бірінші рет Гесс және Кольгерстер айтқан болатын. Сонымен ғарыштан жер бетіне келіп жатқан сәулелерді ғарыштық сәулелер деп атайды. Ғарыштық сәулелер өздерінің өту қасиеттері жөнінен сәулелердің барлық түрінен ерекше. Олар 1-ші және 2-ші ғарыштық сәулелер болып бөлінеді. Жер атмосфераның жоғарғы қабатына (50 км биіктікке дейін) келіп жеткен сәулелерді 1-ші ғарыштық сәулелер деп атайды. Бұл сәулелердің энергиясы өте жоғары 10¹⁰-10¹⁹ эВ. Ал бірінші ғарыштық сәулелер ауданы құрайтын газдардың ядроларымен соқтығысып (20 км биіктікте ) 2-ші ғарыштық сәулелер түзіледі. 1-ші ғарыштық сәулелер құрамында 92,9 % протондар және 6,3 % альфа бөлшектер болатын болса, 2-ші ғарыштық сәулелерде барлық элементар бөлшектер кездеседі деуге болады. Қазіргі ғылым жетістіктерінің нәтиежелері ғарыштық сәулелердің пайда болу тегі галактикалық деп түсіндіріледі. Элементар бөлшектерді массаларына қарай мынадай 4 топқа бөлуге болады. Фотондар, лептондар (жеңіл бөлшектер), мезондар (орташа бөлшектер), және бариондар (ауыр бөлшектер). Элементар бөлшектер негізінен орнықты және орнықсыз болып бөлінеді. Орнықты бөлшектердің саны 40-қа жуық болады да, орнықсыздарды қосқанда барлығы 200 бөлшектер.Сонымен қатар спиндік санына байланысты

1.Егер S = ⁺_- ½ болса, мұндай бөлшектер Паули принципіне негізделіп фермиондор деп аталады.

2. Егер S = ⁺_- ½ , ⁺_- 2 болса, онда олар бозондар деп аталады.

1. Фотонның жалғыз өзі бірінші топты құрайды. Фотон жарық кванты. Бұл XIX ғ басында жарық ағыны түрінде табылды, яғни ол энергия түрінде таралады. Фотонның белгілі бір көлем ішінде қаншалықты шамасының барлығын білу қиын. Фотонның тыныштықтағы массасы және заряды жоқ, 0-ге тең, S =1 болғандықтан бозондар тобына жатады.

2. Жеңіл бөлшектер лептондар тобынан ерекше позитронға 1928ж ағылшын физигі Дирак электрондық теория жасады. Бұл теория табылған бөлшектердің қарама-қарсы бөлшектері яғни антибөлшектері болатынын түсіндірді. Бөлшектер мен антибөлшектердің массасы, спині және магнит моменті әруақытта бірдей болып сақталады. Тек зарядтары қарама-қарсы болады.

3. Мезондар. Мезондардың ашылуы өте кездейсоқ Мұндағы пи-мезондарды 1947 ж ағылшын физигі Пауэлл ғарыш сәулелерінен тапқан болатын, ал К-мезон 1949ж ғарыш сәулелерін зерттеудің нәтиежесінде табылды.