Из истории открытия элементарных частиц

Определения и обозначения

Электрон — частица с отрицательным электрическим зарядом, открытая при исследовании катодных лучей. Это один из компонентов атома, поэтому его открытие показало, что атом не является неделимым. Знак заряда электрона помогает объяснить, как атомы взаимодействуют с электрическими полями и образуют связи.

Протон — положительно заряженная частица; он составляет ядро обычного атома водорода. В ядрах других атомов протоны также присутствуют, а их число определяет заряд ядра и химический элемент. Понятие протона нужно, чтобы описывать состав атомного ядра и изменения, происходящие в ядерных реакциях.

Нейтрон — электрически нейтральная частица, обнаруженная Джеймсом Чедвиком в 1932 году. Отсутствие заряда не означает отсутствия массы: нейтрон по массе близок к протону. Он входит в состав большинства атомных ядер и влияет на их устойчивость.

Позитрон — античастица электрона с такой же массой и положительным электрическим зарядом, обнаруженная Карлом Андерсоном в космических лучах. Античастицей называют частицу, связанную с другой частицей и имеющую противоположный заряд. Позитрон важно отличать от протона: одинаковый знак заряда не означает одинаковые массу и природу частицы.

Как это устроено

В опытах с катодными лучами исследователи проверяли, как луч ведёт себя в электрическом и магнитном полях. Отклонение означало, что луч переносит заряд: направление движения менялось так, как ожидалось для отрицательно заряженных частиц. Измерив отношение заряда к массе, Джозеф Томсон в 1897 году получил основание заключить, что луч состоит из частиц, входящих в атомы. Так эксперимент выявил часть атома, которую нельзя было увидеть непосредственно.

Эрнест Резерфорд облучал азот альфа-частицами и наблюдал появление ядер водорода. Альфа-частица — ядро атома гелия, способное участвовать в ядерных превращениях. Поскольку ядро водорода имеет положительный заряд, Резерфорд связал его с отдельной положительно заряженной частицей — протоном. Это был вывод о продукте превращения ядер, а не просто повторное открытие самого атомного ядра.

При облучении бериллия альфа-частицами возникало излучение, которое проходило через вещество и не отклонялось как поток заряженных частиц. Однако оно выбивало протоны из парафина: значит, излучение передавало веществу значительную энергию и импульс. Чедвик объяснил результат столкновениями протонов с нейтральными частицами, масса которых близка к протонной. Так он установил существование нейтронов: отсутствие электрического заряда не мешает частице участвовать в столкновениях и передавать импульс.

Теория Поля Дирака предсказывала возможность существования античастиц, но предсказание требовало экспериментальной проверки. В 1932 году Карл Андерсон изучал космические лучи — частицы, приходящие из космоса, — и обнаружил в камере след, искривлённый в поле не так, как след электрона. По кривизне следа он определил, что масса частицы близка к электронной, а заряд положителен. Сочетание этих свойств указало на позитрон, а не на протон.

Свойства частиц устанавливают по их взаимодействию с веществом и поведению в детекторах. Например, заряженная частица оставляет след и отклоняется в магнитном поле, а незаряженную выявляют по тому, как она передаёт энергию другим частицам при столкновении. Измеряя направление и кривизну следа, а также результаты столкновений, физики делают выводы о заряде, массе и движении. Поэтому открытие частицы обычно складывается из наблюдений и проверки того, согласуются ли они с законами физики.

Открытие первых частиц и их экспериментальное обнаружение

Сначала сравни свойства частиц: знак заряда помогает отличить нейтральную частицу от заряженной, а массу — позитрон от протона. Затем сопоставь опыт с выводом: одна и та же частица могла быть обнаружена по отклонению луча, следу или результатам столкновений. Даты и фамилии в таблице помогают связать открытие с экспериментальным основанием.

Разбор задач

Задача 1. В электронном пучке измерено отношение модуля заряда частицы к её массе. Объясните, почему отклонение пучка в электрическом и магнитном полях позволило установить существование электрона.

1. Отклонение в электрическом поле показывает, что частицы пучка имеют электрический заряд: на нейтральные частицы электрическая сила не действует.
2. Направление отклонения сравнивают с направлением поля и определяют знак заряда. В опытах с катодными лучами он оказался отрицательным.
3. Измеренное отношение модуля заряда к массе характеризует частицы пучка. Повторяемость результата при изменении условий указывает, что лучи состоят из одинаковых частиц, а не являются просто светом.

Ответ. Отклонение выявляет заряд и его знак, а измерение отношения заряда к массе позволяет охарактеризовать частицы катодных лучей. Томсон заключил, что это отрицательно заряженные частицы, входящие в состав атомов.

Задача 2. Частица в магнитном поле движется по окружности радиуса r. Как по направлению изгиба её следа определить знак заряда, если направление магнитного поля и скорость частицы известны?

1. Сначала отметь направление скорости частицы и направление магнитного поля. Сила, меняющая направление движения и искривляющая траекторию, перпендикулярна обоим направлениям.
2. Примени правило левой руки или векторное правило для силы Лоренца: для положительного заряда сила направлена так, как задают скорость и поле.
3. Сравни найденное направление силы с направлением к центру окружности. Если они совпали, заряд положительный; если сила для положительного заряда направлена от центра, заряд отрицательный.

Ответ. Сопоставь направление силы Лоренца с направлением к центру изгиба: совпадение означает положительный заряд, противоположное направление — отрицательный. Радиус r сам по себе знак заряда не задаёт.

Задача 3. При столкновении частицы с ядром покоящегося атома наблюдаются продукты с известными суммарными зарядом и импульсом. Какие законы сохранения помогут проверить, мог ли в реакции родиться нейтрон?

1. Запиши суммарный электрический заряд до реакции и сравни его с суммарным зарядом всех продуктов. Заряд сохраняется, а нейтрон в это сложение вносит ноль.
2. Составь баланс импульса: начальный импульс частицы и покоящегося ядра должен равняться суммарному импульсу продуктов реакции.
3. Проверь, согласуются ли измеренные заряды и импульсы с обоими балансами. Если хотя бы один закон нарушается, предложенный набор продуктов не подходит; если оба выполняются, рождение нейтрона допустимо, но этим ещё не доказано.

Ответ. Используй закон сохранения электрического заряда и закон сохранения импульса. Нейтрон не изменяет электрический баланс, но его рождение должно быть согласовано с импульсом всех продуктов реакции.

Типичные ошибки

Катодные лучи иногда принимают за разновидность электромагнитного излучения, потому что они распространяются от катода и создают видимое свечение на экране. Но их отклонение электрическим полем указывает на перенос заряда, в отличие от нейтрального светового излучения. Проверь себя вопросом: должен ли нейтральный луч менять траекторию под действием электрического поля? Если наблюдается такое отклонение, нужно учитывать поток заряженных частиц.

Открытие протона путают с открытием атомного ядра, поскольку оба результата связаны с опытами Резерфорда и строением атома. Однако это разные выводы: обнаружение компактного ядра показало устройство атома, а появление ядер водорода при облучении азота позволило говорить о протоне. Для проверки раздели вопрос «где сосредоточена масса атома?» и вопрос «какая положительная частица входит в ядро?». Ответы относятся к разным этапам исследования.

Нейтральность нейтрона могут истолковать как отсутствие массы: слово «нейтральный» ошибочно связывают с отсутствием любых физических свойств. В действительности оно говорит только о нулевом электрическом заряде, а при столкновении нейтрон передаёт импульс. Сверь вывод с опытом: если частица выбивает протоны из парафина, она способна передавать энергию и импульс, значит, отсутствие заряда не означает отсутствия массы.

Позитрон иногда считают протоном, потому что оба имеют положительный заряд. Путаница возникает, если сравнивать частицы только по знаку заряда и не учитывать массу и связь с другими частицами. Проверь оба признака: масса позитрона равна массе электрона и намного меньше протонной, а сам позитрон является античастицей электрона. Значит, положительный заряд ещё не делает частицы одинаковыми.

Связь с другими темами

Чтобы понять эксперименты по открытию частиц, нужно знать строение атома, свойства электрического заряда и действие электрического и магнитного полей на заряженные частицы. Эти знания помогают объяснить, почему лучи отклоняются и как по направлению изгиба судят о заряде. История открытий ведёт к изучению моделей атомного ядра, радиоактивности и ядерных реакций. Те же принципы применяют при разборе работы детекторов, которые регистрируют частицы по следам и взаимодействию с веществом.

Что запомнить

• Томсон установил существование электрона при исследовании катодных лучей.
• Электрон имеет отрицательный заряд.
• Протон — положительно заряженная частица, связанная с ядром атома водорода.
• Чедвик открыл нейтрон в 1932 году.
• Нейтрон не имеет электрического заряда, но обладает массой.
• Позитрон — античастица электрона с положительным зарядом.
• О частицах судят по их взаимодействию с веществом и следам в детекторах.