65. Элементарные частицы

Определения и обозначения

Элементарная частица — объект микромира, который рассматривают при изучении строения вещества и взаимодействий. Слово «элементарная» не доказывает, что у объекта нет внутреннего строения: представления о частицах уточняются по мере развития экспериментов. Например, протон состоит из кварков. Поэтому термин помогает назвать частицу, но сам по себе не отвечает на вопрос о её составе.

Античастица — частица, соответствующая частице данного вида и отличающаяся противоположными значениями некоторых характеристик. Массы у частицы и античастицы одинаковы, а электрические заряды, если они ненулевые, противоположны. У нейтральных частиц различие может выражаться в иных характеристиках. Это понятие нужно, чтобы описывать превращения пар частиц и их взаимодействие.

Лептоны — семейство частиц, к которому относятся электрон и нейтрино. Они не входят в состав адронов и не участвуют в сильном взаимодействии. Принадлежность к лептонам определяют не по малой массе или наличию заряда, а по свойствам частицы. Такая классификация помогает предсказать, в каких взаимодействиях частица может участвовать.

Адроны — частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К ним относятся протоны и нейтроны, которые входят в состав атомных ядер. В отличие от лептонов, известные адроны имеют составную структуру: их строение описывают с помощью кварков. Термин нужен, чтобы отделять эти частицы от тех, которые сильному взаимодействию не подвержены.

Как это устроено

Одного названия частицы недостаточно, чтобы понять её поведение в опыте. Поэтому физики сравнивают массу, электрический заряд и участие во взаимодействиях: эти характеристики помогают установить, какие силы действуют на частицу и какие превращения возможны. Например, заряд определяет взаимодействие с электрическим полем, а участие в сильном взаимодействии отличает адроны от лептонов. Совместный учёт свойств даёт более точную картину, чем классификация по одному признаку.

Деление на лептоны и адроны связано прежде всего с сильным взаимодействием. Оно действует между адронами и их составляющими, но не действует на лептоны. Поэтому электрон и нейтрино относят к лептонам, даже если у конкретной частицы мала масса или нулевой заряд. Такое деление объясняет различия в поведении частиц, а не просто создаёт два списка названий.

Протоны и нейтроны называют адронами, поскольку они участвуют в сильном взаимодействии. Представление о кварках объясняет их состав: в протоне и нейтроне находятся кварки, связанные сильным взаимодействием. Значит, эти частицы — не неделимые объекты, хотя их изучают как отдельные частицы и включают в классификацию. Кварки также относятся к участникам сильного взаимодействия, но не наблюдаются в обычных условиях поодиночке.

При встрече частицы с соответствующей античастицей может произойти аннигиляция — превращение пары в другие частицы. Например, электрон и позитрон могут превратиться в фотоны. Это не означает, что энергия пропала: она переходит в энергию образовавшихся частиц, а их масса тоже учитывается в общем энергетическом балансе. Возможные продукты и их энергия зависят от условий реакции.

Не всякое превращение, которое можно представить, действительно возможно. До реакции и после неё должны совпадать суммарные значения сохраняющихся величин; в частности, проверяют электрический заряд и энергию. Если, например, общий заряд исходных частиц равен нулю, продукты также должны иметь суммарный заряд ноль. Такой баланс позволяет отсеять невозможные реакции ещё до подробного рассмотрения их механизма.

Основные группы элементарных частиц

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите частицу в столбце с примерами, а затем сверьте её группу и участие в сильном взаимодействии. Для античастиц отдельно учитывайте свойства соответствующей частицы: само слово «античастица» не означает, что она обязательно является адроном или лептоном другого типа. Кварки выделены отдельно, потому что это составляющие адронов, а не синонимы протонов и нейтронов.

Разбор задач

1. Определить группу частиц

Условие. Определите, к какой группе относятся электрон, нейтрино, протон и нейтрон. Здесь важно не судить о частице по её массе или заряду, а использовать признак сильного взаимодействия. Нужно распределить каждую частицу между лептонами и адронами.

1. Вспомним критерий: лептоны не участвуют в сильном взаимодействии, а адроны участвуют.
2. Электрон и нейтрино — лептоны. Протон и нейтрон взаимодействуют сильным образом, поэтому относятся к адронам.

Ответ: электрон и нейтрино — лептоны; протон и нейтрон — адроны.

2. Найти античастицу и сравнить заряды

Условие. Для электрона укажите соответствующую античастицу и сравните электрические заряды. При решении нельзя менять знак массы: сравниваются именно характеристики частицы и античастицы. Электрон имеет заряд −e, где e — модуль элементарного заряда.

1. Соответствующая электрону античастица называется позитроном.
2. Массы электрона и позитрона одинаковы, а заряды противоположны: у позитрона заряд +e.

Ответ: античастица электрона — позитрон; заряды равны по модулю и противоположны по знаку.

3. Проверить возможность реакции по заряду

Условие. Рассмотрим реакцию p + n → p + p, где p — протон, n — нейтрон. Заряд протона равен +e, нейтрона — 0. Нужно выяснить, может ли реакция произойти, если проверять только сохранение электрического заряда.

1. Слева суммарный заряд равен +e + 0 = +e.
2. Справа находятся два протона, поэтому суммарный заряд равен +e + +e = +2e.
3. Заряды до и после не совпали. Значит, реакция в указанном виде невозможна независимо от того, насколько правдоподобно выглядит превращение.

Ответ: реакция невозможна из-за нарушения закона сохранения электрического заряда. Для реакции, прошедшей проверку по заряду, дополнительно проверяют сохранение энергии.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любая элементарная частица обязательно не имеет внутреннего строения. Так думают, потому что слово «элементарная» воспринимается как «неделимая», однако протоны и нейтроны состоят из кварков. Проверьте себя вопросом о составе частицы: если она адрон, у неё могут быть составляющие. В современной физике термин не следует автоматически понимать как доказательство отсутствия структуры.

Ошибка: относить к лептонам все частицы с малой массой или зарядом. Такая классификация кажется удобной, но основана на неверном признаке: группу определяют по свойствам и взаимодействиям. Проверьте, участвует ли частица в сильном взаимодействии. Например, электрон — лептон, а протон — адрон, хотя оба имеют электрический заряд.

Ошибка: представлять античастицу как частицу с противоположной массой. Путаница возникает из-за приставки «анти-», но масса частицы и античастицы одинакова, а противоположными бывают некоторые характеристики, в том числе заряд. Для самопроверки сравните отдельно массу и заряд: масса не меняет знак, а заряд у заряженной пары меняет.

Ошибка: считать аннигиляцию исчезновением энергии. При превращении пары частиц в фотоны или другие частицы меняется форма энергии, а не нарушается её сохранение. Проверьте энергетический баланс исходных частиц и продуктов реакции. Если энергия как будто пропала, значит, в рассуждении не учтены новые частицы или их энергия.

Связь с другими темами

Для изучения частиц нужны закон сохранения электрического заряда и закон сохранения энергии, а также умение различать массу и заряд. Тема связана со строением атомного ядра: протоны и нейтроны — адроны, состав которых описывают с помощью кварков. Представления о частицах и античастицах помогают разбирать ядерные реакции и взаимодействие излучения с веществом. В таких задачах сведения о частицах дополняют уже знакомые законы сохранения.

Что запомнить

• Элементарные частицы различаются массой, зарядом и участием во взаимодействиях.
• Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.
• Адроны участвуют в сильном взаимодействии.
• Протоны и нейтроны относятся к адронам и состоят из кварков.
• У частицы может быть соответствующая античастица.
• При аннигиляции энергия сохраняется и переходит в другие формы.
• В реакциях с частицами необходимо проверять законы сохранения.