§ 57. Элементарные частицы

Определения и обозначения

Элементарная частица — частица, которую в рамках современной физики считают не имеющей внутренней структуры. Слово «элементарная» не значит, что её свойства просты: у частицы могут быть масса, заряд и другие характеристики. Это понятие помогает описывать самые маленькие известные составляющие материи.

Античастица — частица, соответствующая другой частице и имеющая такую же массу, но противоположный электрический заряд и некоторые другие противоположные характеристики. Например, у античастицы протона заряд отрицательный. Понятие античастицы нужно, чтобы описывать превращения частиц и процессы их рождения и исчезновения.

Позитрон — античастица электрона с такой же массой и положительным электрическим зарядом. Электрон заряжен отрицательно, поэтому эти две частицы можно различить по знаку заряда. Позитрон важен для понимания того, что у частиц могут быть соответствующие античастицы.

Нейтрино — электрически нейтральная частица очень малой массы, возникающая, в частности, при некоторых ядерных превращениях. Из-за слабого взаимодействия с веществом нейтрино трудно заметить. Его существование помогает объяснять процессы, в которых участвуют ядра атомов.

Как это устроено

Электрон считают элементарной частицей, потому что в современных опытах у него не обнаружено составных частей. Атом, напротив, состоит из ядра и электронов, а ядро — из протонов и нейтронов, поэтому эти объекты составные. Различие важно: составной объект можно объяснять через его части, а для электрона такой внутренний состав пока не установлен. При этом отсутствие обнаруженной структуры не означает, что все свойства электрона просты.

Открытие протона показало, что в ядре есть положительно заряженные частицы, но одной этой частицы не хватало, чтобы объяснить массу и свойства многих ядер. После открытия нейтрона стало понятно, что ядра состоят из протонов и нейтронов: нейтрон добавляет массу, не увеличивая положительный заряд ядра. Долгое время протон и нейтрон считали элементарными, потому что их внутреннее строение ещё не было известно. Позднее выяснилось, что они составные.

Открытие позитрона расширило представление о микромире: у электрона обнаружилась частица с той же массой, но противоположным зарядом. У многих других частиц тоже есть соответствующие античастицы. Это не означает, что античастицы обязательно находятся рядом с обычным веществом: они могут возникать при определённых превращениях. Их свойства помогают точнее описывать взаимодействия частиц.

Если частица встречается со своей античастицей, они могут аннигилировать — преобразоваться в другие частицы. Например, электрон и позитрон могут превратиться в фотоны, то есть кванты электромагнитного излучения. Исходные частицы исчезают, но их энергия не пропадает: она становится энергией возникшего излучения. Возможные продукты превращения определяются условиями встречи и законами сохранения.

При столкновении частиц их энергия может перейти в массу новых частиц, если энергии достаточно. Это возможно потому, что масса и энергия связаны: энергия покоя частицы равна E = mc². Однако одного большого запаса энергии недостаточно: должны сохраняться энергия, электрический заряд и другие физические величины. Поэтому не всякое столкновение приводит к появлению любых выбранных частиц.

Основные частицы и их характеристики

Сравнивая заряды, обращайте внимание на знак: он показывает, положительна частица или отрицательна, а не её массу. Масса указана относительно массы электрона, поэтому число 1836 означает, что протон примерно во столько раз тяжелее электрона. Нулевой заряд не означает нулевую массу: это хорошо видно на примере нейтрона.

Разбор задач

Задача 1. Сравните заряд и массу протона и электрона; определите, во сколько раз масса протона приблизительно больше массы электрона. Сначала сравним знаки зарядов, затем воспользуемся отношением масс из таблицы. Заряды по модулю равны, но знаки противоположны. Масса протона примерно в 1836 раз больше массы электрона.

1. Записываем заряды: у протона +e, у электрона −e. Их величины равны, направления зарядов противоположны.
2. Сравниваем массы: масса электрона принимается за единицу, масса протона составляет около 1836 таких масс.
3. Не связываем знак заряда с массой: это разные характеристики частицы.

Ответ: заряд протона положительный, заряд электрона отрицательный, их модули равны; протон приблизительно в 1836 раз тяжелее электрона.

Задача 2. В результате превращения возник позитрон. Укажите, чем он отличается от электрона и какие характеристики у них одинаковы. Чтобы ответить, сравним частицы по массе и заряду, а затем назовём их связь. Позитрон — не протон: совпадение положительного заряда не означает одинаковую массу или роль в веществе. Решение удобно проверять по двум характеристикам отдельно.

1. Устанавливаем одинаковую характеристику: масса позитрона равна массе электрона.
2. Сравниваем заряды: у позитрона заряд +e, у электрона −e.
3. Называем отношение между ними: позитрон является античастицей электрона.

Ответ: позитрон и электрон имеют одинаковую массу, но противоположные электрические заряды.

Задача 3. Электрон и позитрон встретились и аннигилировали. Объясните, во что может перейти их энергия и почему при этом не нарушается закон сохранения энергии. Важно проследить не только за исходными частицами, но и за продуктами превращения. Например, ими могут стать фотоны, уносящие энергию. Исчезновение электрона и позитрона не означает исчезновения энергии.

1. Определяем процесс: при аннигиляции электрон и позитрон преобразуются в другие частицы.
2. Указываем возможный результат: могут возникнуть фотоны, энергия которых связана с энергией исходных частиц.
3. Проверяем сохранение энергии: энергия исходных частиц переходит в энергию фотонов, поэтому общий энергетический баланс сохраняется.

Ответ: энергия может перейти в энергию фотонов; она не исчезает, а меняет форму.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любая частица, названная элементарной, заведомо не имеет внутреннего устройства. Так думают, потому что слово звучит как окончательное определение, хотя научные представления меняются с появлением новых данных. Проверяйте себя вопросом: известно ли современной физике, что частица не состоит из более мелких объектов? Например, протон и нейтрон сейчас считают составными.

Ошибка — принимать нейтрон за частицу без массы, потому что его заряд равен нулю. Электрический заряд и масса — разные характеристики, и нулевое значение одной из них ничего не говорит о другой. Сверьтесь с массой нейтрона: она близка к массе протона. Значит, нейтрон нейтрален электрически, но не невесом.

Ошибка — путать позитрон с протоном из-за одинакового положительного заряда. При этом забывают, что протон намного тяжелее и входит в состав ядра, а позитрон имеет массу электрона и является его античастицей. Проверяйте частицу не по одному признаку, а по набору характеристик. Совпадение знака заряда не делает частицы одинаковыми.

Ошибка — думать, что при аннигиляции энергия исчезает вместе с частицами. Такое представление возникает, если проследить только за исходными объектами и не учесть продукты превращения. Найдите, что возникло вместо них: например, фотоны. Затем сравните энергию до и после процесса — она сохраняется, переходя в другую форму.

Связь с другими темами

Для понимания частиц нужны знания о строении атома и ядра, а также о зарядах и массах электрона, протона и нейтрона. Законы сохранения энергии и электрического заряда помогают проверять, возможны ли рождение и превращения частиц. Эти представления пригодятся при изучении ядерных реакций и радиоактивности. Они также служат основой для дальнейшего знакомства с физикой микромира.

Что запомнить

• Электрон, протон и нейтрон относятся к частицам, из которых построено обычное вещество.
• Нейтрон электрически нейтрален, но обладает массой.
• У электрона есть античастица — позитрон.
• Частица и античастица имеют одинаковую массу и противоположные электрические заряды.
• При аннигиляции частицы и античастицы их энергия переходит в другие формы.
• Частицы могут рождаться при столкновениях, если хватает энергии и выполняются законы сохранения.