История открытие элементарных частиц

Элементарной частицей считают первичную или неразложимую частицу, из которой состоит вся материя. Однако, в современной физике, термин «элементарная частица» употребляют для наименования большой группы мельчайших частиц материи. В эту группу входят протоны, нейтроны, электроны, фотоны, пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны, нейтрино трех типов, странные частицы (К-мезоны, гипероны), разнообразные резонансы, «очарованные» частицы, ипсилон-частицы, «красивые» частицы, промежуточные бозоны (W^±, Z⁰). Всего более 500 частиц. Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, называют «истинно элементарными частицами».

В истории науки, первой открытой частицей был электрон – носитель отрицательного электрического заряда. Электрон впервые был обнаружен английским физиком Джозефом Томсоном, в 1897 г. В 1919 году английский физик Эрнест Резерфорд обнаружил протон – частицу, входящую в состав атомных ядер с положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающую массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра – нейтрон, была открыта в 1932 г. английским физиком Джеймсом Чедвиком. Представление о фотоне, как частицы, берет свое начало с работы немецкого физика Макса Планка, выдвинувшего в 1900 г. предположение о квантованности энергии электромагнитного излучения. В развитии идеи Планка, Эйнштейн в 1905 г. установил, что электромагнитное излучение является потоком отдельных квантов (фотонов) и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были осуществлены американскими физиками Робертом Милликеном (1912г.) и А. Комптоном (1922г.).

Существование нейтрино впервые предположено Вульфгангом Паули (1930), а экспериментально электронное нейтрино открыто лишь в 1962 г. американскими физиками Ф. Райнесом и К. Коуном. Первой открытой античастицей является позитрон с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Его обнаружил в составе космических лучей американский физик К. Андерсон в 1953 г. В 1946 г. Андерсон и Неддермейер (США) обнаружили в составе космических лучей мюоны с обоими знаками электрического заряда (µ^- и µ⁺). Мюоны обладают массой около 200 масс электрона, а остальные их свойства близки к электрону и позитрону. В 1947 г. в составе космических лучей американские физики под руководством С. Пауэлла открыли π^־ и π⁺ - мезоны. Существование подобных частиц было предположено японским физиком Х. Юкавой в 1935 г. В начале 50-х гг. была открыта большая группа частиц с необычными свойствами, получившими названия «странные». Первые частицы этой группы – К^־ и К⁺ - мезоны, Λ - гипероны были обнаружены в составе космических лучей. Последующие открытия «странных» частиц были сделаны с помощью ускорителей заряженных частиц. С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования ЭЧ. В 1955 г. был открыт антипротон, 1956 г. – антинейтрон, 1960 – антисигма гиперон, а в 1964 г. – самый тяжелый гиперон ^-. В 1960 г. на ускорителях были обнаружены резонансные частицы. Они являются нестабильными и очень многочисленными, поэтому составляют основную часть ЭЧ.

В 1962 г. ученые выяснили, что существует два разных видов нейтрино: электронное и мюонное. В 1974 г. были обнаружены массивные, и в то же время относительно устойчивые «очарованные» частицы (Д⁰, Д⁺, F⁺ и т.д.). В 1975 г. был открыт тяжелый аналог электрона и мюона (τ - лептон), в 1981 г. – «красивые» частицы, а в 1983 г. – промежуточные бозоны (W^± и Z⁰).

Таким образом, установили, что мир ЭЧ очень сложен и разнообразен. Среди элементарных частиц больше всего известен и используется электрон. Все началось с того, что, пропуская ток через электролит, Фарадей измерял количество выделяющихся на электродах веществ, и пришел к мысли о том, что в природе существует наименьший электрический заряд, равный заряду иона водорода.

Английский физик Дж. Стони, придумал специальное название для наименьшего электрического заряда – «электрон». С середины XIX века физики начали экспериментировать с электрическими разрядами в особых стеклянных трубках с впаянными в стенки электродами. Когда газ откачивали, при нагревании катодов ток в цепи не прекращался. Этот ток сопровождался красивым и загадочным свечением. Ясно, что ток не может идти через пустоту. Передача электричества от катода к аноду, назвали катодными лучами. Английский физик Джозеф Томсон установил природу катодных лучей, экспериментально показал, что катодные лучи – это поток мельчайших отрицательно заряженных частиц. Он, помещая стеклянную трубку в магнитное поле, исследовал отклонение катодных лучей от прямой линии и обнаружил, что отношение заряда к массе (е/m_e) у электронов в тысячу раз больше, чем у этого же отношения для ионов водорода (e/m_н) установленного ранее Фарадеем.

Томсон, смело, приняв гипотезу о том, что электроны и ионы водорода несут одинаковый по величине элементарный заряд, пришел к выводу, о том, что электроны обладают ничтожно малой массой по сравнению с атомами. Появилось сомнение в неделимости атома. Открытая Анри Беккерелем радиоактивность атомов в 1896 г. окончательно поколебала утверждения о неделимости атома. В начале XX века Эрнест Резерфорд доказал, что из трех видов лучей - , β и γ, испускаемых радием, β – лучи, это те же самые электроны, которые увидел Томсон.

Вопросы для самоконтроля

1. Что собой представляют элементарные частицы?

2. Сколько элементарных частиц установлено наукой?

3. Какие частицы называют «истинно элементарными частицами»

4. Какая частица является первая открытая частица, в истории науки?

5. Кто и когда обнаружил электрон?

6. Кто и когда обнаружил протон?

7. Кто и когда обнаружил нейтрон?

8. Кто и когда обнаружил фотон?

9. Кто и когда предположил существование нейтрино?

10. В каком году, экспериментально обнаружили нейтрино?

11. Кто и когда обнаружил первую античастицу позитрона?

12. Кто и когда предположил существование мезонов?

13. В каких годах, было обнаружено большая группа частиц, так называемых «странных»?

14. В каком году были обнаружены «очарованные» частицы?

15. В каком году были обнаружены «красивые» частицы?

16. В каком году были обнаружены частицы, так называемые «промежуточные бозоны»?

17. Кто и когда открыл радиоактивность атомов?