История открытия элементарных частиц

Сумский государственный университет

Реферат

по физике

на тему:

История открытия элементарных частиц

Преподаватель

Нефедченко В.Ф.

г.Сумы

2003г.

Оглавление

От электрона до нейтрино 5

Электрон 5

Фотон 6

Протон 7

Нейтрон 8

Позитрон 10

Пионы и Мюоны. Открытие мезона 12

Нейтрино 17

От странности до очарования 19

Открытие странных частиц 19

Резонансы. 21

«Очарованные» частицы 22

Заключение 23

Литература 26

Введение.

В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поис-тине удивительные результаты. Прежде всего, это проявилось в открытии цело-го множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Открытие элементарных частиц явилось закономерным результатом об-щих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием фо-тоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свиде-тельствовавших о существовании сложной структуры материи.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся прото-ны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен.

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленно-стью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Ка-залось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Яв-ляются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселен-ной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существова-нии такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия.

Элементарные частицы в точном значении этого термина — первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся ма-терия. В понятии “Элементарные частицы” в современной физике находит вы-ражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свой-ства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления ес-тествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие “Элементарные частицы” сформировалось в тесной связи с уста-новлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19—20 вв. мельчайших носителей свойств ве-щества — молекул и атомов — и установление того факта, что молекулы по-строены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих — атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов — электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся постро-енными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещест-ва, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи за-вершается дискретными бесструктурными образованиями — элементарными частицами. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией из-вестных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся элементарными частицами, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структур-ных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться так-же, что утверждение “состоит из...” на какой-то ступени изучения материи ока-жется лишённым содержания. От данного выше определения “элементарности” в этом случае придется отказаться. Существование элементарных частиц — это своего рода постулат, и проверка его справедливости — одна из важнейших за-дач физики.

От электрона до нейтрино

Электрон

Исторически первой открытой элементарной частицей был электрон — носитель отрицательного элементарного электрического заряда в атомах.

Это самая «старая» элементарная частица. В идейном плане он вошел в физику в 1881 г., когда Гельмгольц в речи в честь Фарадея указал, что атомная структура вещества вместе с законами электролиза Фарадея неизбежно приво-дит к мысли, что электрический заряд всегда должен быть кратен некоторому элементарному заряду, - т. е. к выводу о квантовании электрического заряда. Носителем отрицательного элементарного заряда, как мы теперь знаем, и явля-ется электрон.

Максвелл же, создавший фундаментальную теорию электрических и маг-нитных явлений и использовавший существенным образом экспериментальные результаты Фарадея, не принимал гипотезы атомного электричества.

Между тем «временная» теория о существовании электрона была под-тверждена в 1897 г. в экспериментах Дж. Дж. Томсона, в которых он отождест-вил так называемые катодные лучи с электронами и измерил заряд и массу электрона. Частицы катодных лучей Томсон называл «корпускулами» или изна-чальными атомами. Слово «электрон» первоначально использовалось для обо-значения величины заряда «корпускулы». И только со временем электроном стали называть саму частицу.

Однако идея об электроне не сразу получила признание. Когда на лекции в Королевском обществе Дж. Дж. Томсон – первооткрыватель электрона – вы-сказал предположение, что частицы катодных лучей следует рассматривать как возможные компоненты атома, некоторые его коллеги искренне считали, что он мистифицирует их. Сам Планк признавался в 1925 г., что не верил тогда, в 1900г., до конца в гипотезу об электроне.

Можно сказать, что после опытов Милликена, измерившего в 1911г. заря-ды индивидуальных электронов, эта первая элементарная частица получила право на существование.

Фотон

Прямое экспериментальное доказательство существования фотона было дано Р. Милликеном в 1912—1915 гг. в его исследованиях фотоэффекта, а также А. Комптоном в 1922 г., обнаружившим рассеяние рентгеновских лучей с изме-нением их частоты.

Фотон – в некотором смысле особая частица. Дело в том, что масса его покоя в отличие от других частиц (кроме нейтрино) равна нулю. Поэтому его стали считать частицей не сразу: вначале полагали, что наличие конечной и от-личной от нуля массы покоя – обязательная черта элементарной частицы.

Фотон – это «оживленный» планковский квант света, т. е. квант света, не-сущий импульс.

Кванты света ввел Планк в 1901 г. для того, чтобы объяснить законы из-лучения абсолютно черного тела. Но он был не частицами , а только минималь-но возможными «порциями» энергии света той или иной частоты.

Хотя предположение Планка о квантовании энергии света абсолютно противоречило всей классической теории, сам Планк понял это не сразу. Уче-ный писал, что он «… пытался как-то ввести величину h в рамки классической теории. Однако вопреки всем таким попыткам эта величина оказалась весьма строптивой». Впоследствии эта величина получила название постоянной Планка (h=6*10-27эрг.с).

После введения постоянной Планка ситуация не стала более ясной.

«Живыми» фотоны или кванты сделала теория относительности Эйн-штейна, который в 1905 г. показал, что кванты должны иметь не только энер-гию, но и импульс, и что они являются в полном смысле частицами, только осо-бенными, так как масса покоя их равна нулю, и двигаются они со скоростью света.

Итак вывод о существовании частицы электромагнитного поля — фотона — берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантована, Планк полу-чил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в дейст-вительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта.

Протон

Протон был открыт Э. Резерфордом в 1919 г. в исследованиях взаимодей-ствия альфа-частиц с атомными ядрами.

Точнее открытие протона связано с открытием атомного ядра. Оно было сделано Резерфордом в результате бомбардировки атомов азота высоко энерге-тическими α-частицами. Резерфорд заключил, что «ядро атома азота распадает-ся вследствие громадных сил, развивающихся при столкновении с быстрой α-частицей, и что освобождающийся водородный атом образует составную часть ядра азота». В 1920 г. ядра атома водорода были названы Резерфордом прото-нами (протон по-гречески означает простейший, первичный). Были