Odkritih je bilo več kot 350 osnovnih delcev. Od teh so stabilni fotonski, elektronski in mionski nevtrini, elektroni, protoni in njihovi antidelci. Preostali osnovni delci spontano razpadejo po eksponentnem zakonu s časovno konstanto od približno 1000 sekund (za prosti nevtron) do zanemarljivega delčka sekunde (od 10−24 do 10−22 s za resonance).
Zgradbo in obnašanje osnovnih delcev preučuje fizika osnovnih delcev.
Za vse osnovne delce veljata načelo istovetnosti (vsi elementarni delci iste vrste v vesolju so popolnoma enaki v vseh svojih lastnostih) in načelo dualnosti val-delec (vsakemu osnovnemu delcu ustreza de Brogliejev val).
Vsi osnovni delci imajo lastnost medsebojne pretvorljivosti, ki je posledica njihovih interakcij: močnih, elektromagnetnih, šibkih, gravitacijskih. Interakcije delcev povzročajo transformacije delcev in njihovih zbirk v druge delce in njihove zbirke, če takih transformacij ne prepovedujejo zakoni ohranitve energije, gibalne količine, vrtilne količine, električnega naboja, barionskega naboja itd.
Glavne značilnosti osnovnih delcev: masa, spin, električni naboj, življenjska doba, pariteta, G-parnost, magnetni moment, barionski naboj, leptonski naboj, nenavadnost, izotopski spin, CP pariteta, parnost naboja.
Enciklopedični YouTube
1 / 5
✪ Elementarni delci
✪ CERN: Standardni model fizike delcev
✪ Lekcija 473. Osnovni delci. Pozitron. Nevtrino
✪ Opeke vesolja: Osnovni delci, ki sestavljajo svet. Predavanje profesorja Davida Tonga.
✪ Svet osnovnih delcev (pripoveduje akademik Valerij Rubakov)
Podnapisi
Razvrstitev
Po življenjski dobi
- Stabilni elementarni delci so delci, ki imajo v prostem stanju neskončno dolgo življenjsko dobo (proton, elektron, nevtrino, foton, graviton in njihovi antidelci).
- Nestabilni osnovni delci so delci, ki v končnem času v prostem stanju razpadejo na druge delce (vsi ostali delci).
Po teži
Vse osnovne delce delimo v dva razreda:
- Brezmasni delci so delci z ničelno maso (foton, gluon, graviton in njihovi antidelci).
- Delci z maso, različno od nič (vsi ostali delci).
Po največjem hrbtu
Vse osnovne delce delimo v dva razreda:
Po vrsti interakcije
Elementarne delce delimo v naslednje skupine:
Sestavljeni delci
- Hadroni so delci, ki sodelujejo v vseh vrstah temeljnih interakcij. Sestavljeni so iz kvarkov in se delijo na:
- mezoni so hadroni s celim spinom, torej so bozoni;
- barioni so hadroni s polcelim spinom, torej fermioni. Sem sodijo zlasti delci, ki sestavljajo jedro atoma - proton in nevtron.
Osnovni (brezstrukturni) delci
- Leptoni so fermioni, ki imajo obliko točkastih delcev (to pomeni, da niso sestavljeni iz ničesar) do velikosti velikosti 10 −18 m. Ne sodelujejo v močnih interakcijah. Udeležbo v elektromagnetnih interakcijah smo eksperimentalno opazili le pri nabitih leptonih (elektroni, mioni, tau leptoni) in je nismo opazili pri nevtrinih. Poznamo 6 tipov leptonov.
- Kvarki so delno nabiti delci, ki so del hadronov. V prostem stanju jih niso opazili (predlagan je bil mehanizem zadrževanja, ki bi pojasnil odsotnost takih opazovanj). Tako kot leptoni so razdeljeni na 6 vrst in veljajo za brezstrukturne, vendar za razliko od leptonov sodelujejo v močnih interakcijah.
- Merilni bozoni so delci, skozi katere prihaja do interakcij:
- foton - delec, ki prenaša elektromagnetno interakcijo;
- osem gluonov - delcev, ki prenašajo močno interakcijo;
- trije vmesni vektorski bozoni W + , W− in Z 0, ki dopuščajo šibko interakcijo;
- graviton je hipotetični delec, ki prenaša gravitacijsko interakcijo. Obstoj gravitonov, čeprav še ni eksperimentalno dokazan zaradi šibkosti gravitacijske interakcije, velja za precej verjetnega; vendar pa graviton ni vključen v standardni model osnovnih delcev.
Velikosti elementarnih delcev
Kljub veliki raznolikosti elementarnih delcev se njihove velikosti uvrščajo v dve skupini. Velikosti hadronov (barionov in mezonov) so okoli 10 −15 m, kar je blizu povprečne razdalje med kvarki, ki so v njih. Velikosti osnovnih, brezstrukturnih delcev - merilnih bozonov, kvarkov in leptonov - znotraj eksperimentalne napake so skladne z njihovo točkovno naravo (zgornja meja premera je približno 10 −18 m) ( glej razlago). Če v nadaljnjih poskusih ne bodo odkrite končne velikosti teh delcev, lahko to pomeni, da so velikosti merilnih bozonov, kvarkov in leptonov blizu osnovne dolžine (ki se zelo verjetno lahko izkaže za Planckovo dolžino, ki je enaka 1,6). 10 −35 m).
Vedeti pa je treba, da je velikost osnovnega delca precej kompleksen koncept, ki ni vedno skladen s klasičnimi koncepti. Prvič, načelo negotovosti ne dovoljuje stroge lokalizacije fizičnega delca. Valovni paket, ki predstavlja delec kot superpozicijo natančno lokaliziranih kvantnih stanj, ima vedno končne dimenzije in določeno prostorsko strukturo, dimenzije paketa pa so lahko precej makroskopske - na primer elektron v eksperimentu z interferenco na dveh režah. »tipa« obe reži interferometra, ločeni z makroskopsko razdaljo. Drugič, fizični delec spremeni strukturo vakuuma okoli sebe in ustvari "plašč" kratkotrajnih virtualnih delcev - parov fermion-antifermion (glej Polarizacija vakuuma) in bozonov, ki prenašajo interakcije. Prostorske dimenzije tega območja so odvisne od merilnih nabojev, ki jih ima delec, in od mase vmesnih bozonov (polmer lupine masivnih virtualnih bozonov je blizu njihove Comptonove valovne dolžine, ta pa je obratno sorazmerna z njihovo maso ). Tako je polmer elektrona z vidika nevtrinov (med njimi je možna le šibka interakcija) približno enak Comptonovi valovni dolžini W-bozonov, ~3 × 10 −18 m, in dimenzije območja močno interakcijo hadrona določa Comptonova valovna dolžina najlažjega izmed hadronov, pi-mezona (~10 −15 m), ki tu deluje kot nosilec interakcije.
Zgodba
Sprva je izraz "elementarni delec" pomenil nekaj povsem elementarnega, prvo opeko snovi. Ko pa so v 50. in 60. letih prejšnjega stoletja odkrili na stotine hadronov s podobnimi lastnostmi, je postalo jasno, da imajo hadroni vsaj notranje prostostne stopnje, torej niso elementarni v strogem pomenu besede. Ta sum se je kasneje potrdil, ko se je izkazalo, da so hadroni sestavljeni iz kvarkov.
Tako so se fiziki nekoliko poglobili v strukturo snovi: leptoni in kvarki zdaj veljajo za najbolj elementarne, točkaste dele snovi. Za njih (skupaj z merilnimi bozoni) je izraz " temeljni delci".
V teoriji strun, ki se aktivno razvija približno od sredine osemdesetih let 20. stoletja, se predpostavlja, da so osnovni delci in njihove interakcije posledice različnih vrst nihanja posebej majhnih »strun«.
Standardni model
Standardni model osnovnih delcev vključuje 12 okusov fermionov, njihovih ustreznih antidelcev, kot tudi merilne bozone (fotone, gluone, W- In Z-bozoni), ki prenašajo interakcije med delci, in Higgsov bozon, odkrit leta 2012, ki je odgovoren za prisotnost vztrajnostne mase v delcih. Vendar se na standardni model v veliki meri gleda kot na začasno teorijo in ne na resnično temeljno, saj ne vključuje gravitacije in vsebuje več deset prostih parametrov (mase delcev itd.), katerih vrednosti ne sledijo neposredno iz teorija. Morda obstajajo osnovni delci, ki jih standardni model ne opisuje - na primer graviton (delec, ki prenaša gravitacijske sile) ali supersimetrični partnerji navadnih delcev. Skupaj model opisuje 61 delcev.
Fermioni
12 okusov fermionov je razdeljenih v 3 družine (generacije) po 4 delce. Šest od njih je kvarkov. Ostalih šest je leptonov, od katerih so trije nevtrini, preostali trije pa nosijo enoto negativnega naboja: elektron, mion in tau lepton.
| Prva generacija | Druga generacija | Tretja generacija |
|---|---|---|
ELEMENTARNI DELCI- primarni, nadalje nerazgradljivi delci, iz katerih se verjame, da je sestavljena vsa snov. V sodobni fiziki se izraz "elementarni delci" običajno uporablja za označevanje velike skupine drobnih delcev snovi, ki niso atomi (glej Atom) ali atomska jedra (glej Atomsko jedro); Izjema je jedro vodikovega atoma - proton.
Do 80. let 20. stoletja je znanost poznala več kot 500 osnovnih delcev, od katerih je bila večina nestabilnih. Osnovni delci vključujejo proton (p), nevtron (n), elektron (e), foton (γ), pi-mezone (π), mione (μ), težke leptone (τ +, τ -), nevtrine treh vrst - elektronske (V e), mionske (V μ) in povezane s tako imenovanim težkim deptonom (V τ), pa tudi »čudne« delce (K-mezoni in hiperoni), različne resonance, mezone s skritim šarmom, »začarane ” delci, ipsilonski delci (Υ), “lepi” delci, vmesni vektorski bozoni itd. Nastala je samostojna veja fizike - fizika osnovnih delcev.
Zgodovina fizike delcev sega v leto 1897, ko je J. J. Thomson odkril elektron (glej Elektronsko sevanje); leta 1911 je R. Millikan izmeril velikost njenega električnega naboja. Koncept "foton" - kvant svetlobe - je leta 1900 uvedel M. Planck. Neposredni eksperimentalni dokaz o obstoju fotona sta pridobila Millikan (1912-1915) in Compton (A. N. Compton, 1922). V procesu preučevanja atomskega jedra je E. Rutherford odkril proton (glej Protonsko sevanje), leta 1932 pa J. Chadwick odkril nevtron (glej Nevtronsko sevanje). Leta 1953 je bil eksperimentalno dokazan obstoj nevtrinov, ki jih je W. Pauli napovedal že leta 1930.
Elementarne delce delimo v tri skupine. Prvo predstavlja en sam elementarni delec - foton, γ-kvant ali kvant elektromagnetnega sevanja. Druga skupina so leptoni (grško leptos majhen, lahek), ki sodelujejo poleg elektromagnetnih tudi v šibkih interakcijah. Znanih je 6 leptonov: elektron in elektronski nevtrino, mion in mionski nevtrino, težak τ-lepton in ustrezen nevtrino. Tretja – glavna skupina osnovnih delcev so hadroni (grško hadros velik, močan), ki sodelujejo v vseh vrstah interakcij, tudi v močnih (glej spodaj). Hadroni vključujejo delce dveh vrst: barioni (grško barys težak) - delci s polcelim spinom in maso, ki ni manjša od mase protona, in mezoni (grško mesos srednja) - delci z ničelnim ali celim spinom (glej paramagnetni elektron resonanca). Barioni vključujejo proton in nevtron, hiperone, nekatere resonance in »začarane« delce ter nekatere druge osnovne delce. Edini stabilen barion je proton, ostali barioni so nestabilni (nevtron v prostem stanju je nestabilen delec, v vezanem stanju znotraj stabilnih atomskih jeder pa je stabilen. Mezoni so dobili ime, ker so mase prvih Odkriti mezoni - pi-mezon in K-mezon - so imeli vmesne vrednosti med maso protona in elektrona ) - ničelno, pozitivno ali negativno kvantno število Hadroni z ničelno nenavadnostjo se imenujejo navadni, s S ≠ 0 - čudni Številni poskusi kažejo, da so kvarki resnične materialne tvorbe znotraj kvarkov, ki imajo številne nenavadne lastnosti, na primer delni električni naboj itd. Kvarkov v prostem stanju niso opazili. Menijo, da vsi hadroni nastanejo zaradi različnih kombinacij kvarkov.
Sprva so osnovne delce proučevali pri študiju radioaktivnega razpada (glej Radioaktivnost) in kozmičnega sevanja (glej). Vendar pa so od 50. let 20. stoletja študije osnovnih delcev potekale na pospeševalnikih nabitih delcev (glej), v katerih pospešeni delci bombardirajo tarčo ali trčijo z delci, ki letijo proti njim. V tem primeru delci medsebojno delujejo, kar povzroči njihovo medsebojno pretvorbo. Tako so odkrili večino osnovnih delcev.
Vsak elementarni delec, skupaj s posebnostmi njegovih inherentnih interakcij, je opisan z nizom diskretnih vrednosti določenih fizikalnih količin, izraženih v celih ali delnih številih (kvantnih številih). Skupne značilnosti vseh osnovnih delcev so masa (m), življenjska doba (t), vrtenje (J) – intrinzični kotni moment elementarnih delcev, ki ima kvantno naravo in ni povezan z gibanjem delca kot celote, električni naboj (Ω) in magnetni moment ( μ). Električni naboji proučevanih osnovnih delcev v absolutni vrednosti so celoštevilčni večkratniki naboja elektronov (e≈1,6*10 -10 k). Znani osnovni delci imajo električne naboje enake 0, ±1 in ±2.
Vsi osnovni delci imajo ustrezne antidelce, katerih masa in spin sta enaki masi in spinu delca, električni naboj, magnetni moment in druge značilnosti pa so enake v absolutni vrednosti in nasprotnega predznaka. Na primer, antidelec elektrona je pozitron - elektron s pozitivnim električnim nabojem. Elementarni delec, ki je enak svojemu antidelcu, se imenuje resnično nevtralen, na primer nevtron in antinevtron, nevtrino in antinevtrino itd. Ko antidelci medsebojno delujejo, pride do njihove anihilacije (glej).
Ko elementarni delec vstopi v materialno okolje, z njim interagira. Obstajajo močne, elektromagnetne, šibke in gravitacijske interakcije. Močna interakcija (močnejša od elektromagnetne) se pojavi med osnovnimi delci, ki se nahajajo na razdalji manj kot 10 -15 m (1 Fermi). Na razdaljah, večjih od 1,5 Fermija, je interakcijska sila med delci blizu nič. Prav močne interakcije med osnovnimi delci zagotavljajo izjemno trdnost atomskih jeder, ki je osnova stabilnosti snovi v zemeljskih razmerah. Značilna lastnost močne interakcije je njena neodvisnost od električnega naboja. Hadroni so sposobni močnih interakcij. Močne interakcije povzročijo razpad kratkoživih delcev (življenjska doba reda velikosti 10 -23 - 10 -24 sek.), ki jih imenujemo resonance.
Vsi nabiti osnovni delci, fotoni in nevtralni delci z magnetnim momentom (na primer nevtroni) so podvrženi elektromagnetni interakciji. Osnova elektromagnetnih interakcij je povezava z elektromagnetnim poljem. Sile elektromagnetne interakcije so približno 100-krat šibkejše od sil močne interakcije. Glavni obseg elektromagnetne interakcije so atomi in molekule (glej Molekula). Ta interakcija določa strukturo trdnih snovi in naravo kemikalije. procesov. Ni omejena z razdaljo med osnovnimi delci, zato je velikost atoma približno 10 4-krat večja od velikosti atomskega jedra.
Šibke interakcije so osnova izjemno počasnih procesov, ki vključujejo osnovne delce. Na primer, nevtrini, ki imajo šibko interakcijo, zlahka prodrejo skozi debelino Zemlje in Sonca. Šibke interakcije povzročajo tudi počasne razpade tako imenovanih kvazistabilnih osnovnih delcev, katerih življenjska doba je v območju 10 8 - 10 -10 s. Elementarni delci, ki se rodijo med močno interakcijo (v času 10 -23 -10 -24 s), vendar počasi razpadajo (10 -10 s), se imenujejo čudni.
Gravitacijske interakcije med osnovnimi delci povzročajo izredno majhne učinke zaradi nepomembnosti mas delcev. Ta vrsta interakcije je bila dobro raziskana na makro objektih z velikimi masami.
Raznolikost osnovnih delcev z različnimi fizikalnimi lastnostmi pojasnjuje težavnost njihove sistematizacije. Od vseh osnovnih delcev so dejansko stabilni le fotoni, elektroni, nevtrini, protoni in njihovi antidelci, saj imajo dolgo življenjsko dobo. Ti delci so končni produkti spontane transformacije drugih osnovnih delcev. Rojstvo osnovnih delcev se lahko pojavi kot posledica prvih treh vrst interakcij. Za močno medsebojno delujoče delce so vir nastanka močne interakcijske reakcije. Leptoni najverjetneje nastanejo pri razpadu drugih osnovnih delcev ali pa se rodijo v parih (delec + antidelec) pod vplivom fotonov.
Tokovi osnovnih delcev tvorijo ionizirajoče sevanje (glej), ki povzroča ionizacijo nevtralnih molekul medija. Biološki učinek elementarnih delcev je povezan s tvorbo snovi z visoko kemično aktivnostjo v obsevanih tkivih in telesnih tekočinah. Te snovi vključujejo proste radikale (glej Prosti radikali), perokside (glej) in druge. Elementarni delci lahko neposredno vplivajo tudi na biomolekule in supramolekulske strukture, povzročajo pretrganje intramolekulskih vezi, depolimerizacijo visokomolekularnih spojin itd. Procesi migracije energije in nastanek metastabilnih spojin, ki so posledica dolgotrajnega ohranjanja stanja vzbujanja v nekaterih makromolekularnih substratih. V celicah je aktivnost encimskih sistemov potlačena ali izkrivljena, spremeni se struktura celičnih membran in površinskih celičnih receptorjev, kar povzroči povečanje prepustnosti membrane in spremembo difuzijskih procesov, ki jih spremljajo pojavi denaturacije beljakovin, dehidracije tkiva, in motnje notranjega okolja celice. Občutljivost celic je v veliki meri odvisna od intenzivnosti njihove mitotične delitve (glej Mitoza) in metabolizma: s povečanjem te intenzivnosti se radioobčutljivost tkiv poveča (glej Radioobčutljivost). Njihova uporaba za radioterapijo (glej), zlasti pri zdravljenju malignih novotvorb, temelji na tej lastnosti tokov elementarnih delcev - ionizirajočem sevanju. Prodorna sposobnost nabitih osnovnih delcev je v veliki meri odvisna od linearnega prenosa energije (glej), to je od povprečne energije, ki jo absorbira medij na točki prehoda nabitega delca na enoto njegove poti.
Škodljivi učinek toka osnovnih delcev vpliva predvsem na matične celice hematopoetskega tkiva, epitelij mod, tankega črevesa in kože (glej Radiacijska bolezen, Radiacijske poškodbe). Najprej so prizadeti sistemi, ki so med obsevanjem v stanju aktivne organogeneze in diferenciacije (glej Kritični organ).
Biološki in terapevtski učinek osnovnih delcev je odvisen od njihove vrste in doze sevanja (glej Doze ionizirajočega sevanja). Na primer, pri izpostavljenosti rentgenskemu sevanju (glejte rentgensko terapijo), sevanju gama (glejte gama terapijo) in protonskemu sevanju (glejte protonsko terapijo) na celotnem človeškem telesu v odmerku približno 100 rad, začasna sprememba opazimo hematopoezo; zunanji vpliv nevtronskega sevanja (glej Nevtronsko sevanje) povzroči nastanek različnih radioaktivnih snovi v telesu, na primer radionuklidov natrija, fosforja itd. Ko vstopijo radionuklidi, ki so viri beta delcev (elektronov ali pozitronov) ali gama kvantov telo, to se zgodi tako imenovano notranje obsevanje telesa (glej Vgradnjo radioaktivnih snovi). Pri tem so še posebej nevarni hitro resorbirajoči se radionuklidi z enakomerno porazdelitvijo v telesu, npr. tritij (3H) in polonij-210.
V radioizotopski diagnostiki se uporabljajo radionuklidi, ki so viri osnovnih delcev in sodelujejo pri presnovi (glej).
Bibliografija: Akhiezer A.I. in Rekalo M.P. Biografija elementarnih delcev, Kijev, 1983, bibliogr.; Bogolyubov N. N. in Shirokov D. V. Kvantna polja, M., 1980; Born M. Atomska fizika, prev. iz angleščine, M., 1965; Jones X. Fizika radiologije, trans. iz angl., M., 1965; Krongauz A. N., Lyapidevsky V. K. in Frolova A. V. Fizične osnove klinične dozimetrije, M., 1969; Radioterapija z uporabo visokoenergetskega sevanja, ed. I. Becker in G. Schubert, prev. iz nemščine, M., 1964; Tyubiana M. et al. Fizikalne osnove radioterapije in radiobiologije, trans. iz francoščine, M., 1969; Shpolsky E.V. Atomska fizika, letnik 1, M., 1984; Young Ch. Elementarni delci, trans. iz angleščine, M., 1963.
R. V. Stavntsky.
Beseda atom pomeni "nedeljiv". Uvedli so ga grški filozofi za označevanje najmanjših delcev, iz katerih je po njihovem razumevanju snov sestavljena.
Fiziki in kemiki devetnajstega stoletja so ta izraz sprejeli za najmanjše delce, ki so jim znani. Čeprav že dolgo lahko »razcepimo« atome in nedeljivo ni več nedeljivo, se je ta izraz vendarle ohranil. Po našem današnjem razumevanju je atom sestavljen iz drobnih delcev, ki jih imenujemo elementarni delci. Obstajajo tudi drugi osnovni delci, ki dejansko niso del atomov. Običajno se proizvajajo z uporabo visokozmogljivih ciklotronov, sinhrotronov in drugih pospeševalnikov delcev, posebej zasnovanih za preučevanje teh delcev. Pojavijo se tudi, ko kozmični žarki prehajajo skozi ozračje. Ti osnovni delci razpadejo v nekaj milijoninkah sekunde, pogosto pa v še krajšem času po svojem pojavu. Zaradi razpada se spremenijo v druge osnovne delce ali pa sproščajo energijo v obliki sevanja.
Preučevanje osnovnih delcev se osredotoča na vedno večje število kratkoživih osnovnih delcev. Čeprav je ta problem velikega pomena, zlasti zato, ker je povezan z najbolj temeljnimi zakoni fizike, kljub temu študija delcev trenutno poteka skoraj ločeno od drugih vej fizike. Zato se bomo omejili le na tiste delce, ki so trajne sestavine najpogostejših materialov, pa tudi na nekatere delce, ki so jim zelo blizu. Prvi izmed elementarnih delcev, odkritih konec devetnajstega stoletja, je bil elektron, ki je nato postal izjemno koristen služabnik. V radijskih ceveh se tok elektronov giblje v vakuumu; in s prilagajanjem tega pretoka se vhodni radijski signali ojačajo in pretvorijo v zvok ali šum. V televiziji služi elektronski žarek kot pero, ki takoj in natančno kopira na zaslon sprejemnika, kar vidi kamera oddajnika. V obeh primerih se elektroni gibljejo v vakuumu, tako da, če je le mogoče, nič ne ovira njihovega gibanja. Druga uporabna lastnost je njihova sposobnost, da ob prehodu skozi plin zažarijo. Tako s tem, da elektronom omogočimo prehod skozi stekleno cev, napolnjeno s plinom pod določenim pritiskom, uporabimo ta pojav za proizvodnjo neonske svetlobe, ki se ponoči uporablja za osvetlitev velikih mest. In tukaj je še eno srečanje z elektroni: utripala je strela in nešteto elektronov, ki se prebijajo skozi debelino zraka, ustvarjajo valoviti zvok groma.
Vendar pa je v zemeljskih razmerah razmeroma majhno število elektronov, ki se lahko prosto gibljejo, kot smo videli v prejšnjih primerih. Večina jih je varno vezanih v atome. Ker je jedro atoma pozitivno nabito, privlači negativno nabite elektrone in jih prisili, da ostanejo v orbitah relativno blizu jedra. Atom je običajno sestavljen iz jedra in določenega števila elektronov. Če elektron zapusti atom, ga običajno takoj nadomesti drug elektron, ki ga atomsko jedro z veliko silo pritegne iz svojega neposrednega okolja.
Kako izgleda ta čudoviti elektron? Nihče ga ni videl in nikoli ga ne bo; pa vendar poznamo njegove lastnosti tako dobro, da lahko zelo natančno predvidimo, kako se bo obnašal v najrazličnejših situacijah. Poznamo njegovo maso (njegovo "težo") in njegov električni naboj. Vemo, da se največkrat obnaša, kot da je oseba pred nami zelo majhna delec, v drugih primerih pa izkazuje lastnosti valovi. Izredno abstraktno, a hkrati zelo natančno teorijo elektrona je pred več desetletji v popolni obliki predlagal angleški fizik Dirac. Ta teorija nam daje možnost, da ugotovimo, v kakšnih okoliščinah bo elektron bolj podoben delcu in v kakšnih okoliščinah bo prevladoval njegov valovni značaj. Zaradi te dvojne narave – delca in valovanja – je težko podati jasno sliko elektrona; zato mora biti teorija, ki upošteva oba koncepta in kljub temu daje popoln opis elektrona, zelo abstraktna. Vendar bi bilo nespametno omejiti opis tako čudovitega pojava, kot je elektron, na takšne zemeljske podobe, kot so grah in valovi.
Ena od premis Diracove teorije elektrona je bila, da mora obstajati osnovni delec, ki ima enake lastnosti kot elektron, le da je pozitivno in ne negativno nabit. Res je bil takšen elektronski dvojček odkrit in imenovan pozitron. Je del kozmičnih žarkov, nastane pa tudi kot posledica razpada nekaterih radioaktivnih snovi. V zemeljskih razmerah je življenjska doba pozitrona kratka. Takoj ko se znajde v bližini elektrona, in to se zgodi v vseh snoveh, se elektron in pozitron »uničita«; Pozitivni električni naboj pozitrona nevtralizira negativni naboj elektrona. Ker je po relativnosti masa oblika energije in ker je energija "neuničljiva", je treba energijo, ki jo predstavljata združeni masi elektrona in pozitrona, nekako ohraniti. To nalogo opravlja foton (kvant svetlobe) ali navadno dva fotona, ki nastaneta zaradi tega usodnega trka; njihova energija je enaka skupni energiji elektrona in pozitrona.
Vemo tudi, da se zgodi tudi obraten proces; foton lahko pod določenimi pogoji, na primer, ko leti blizu jedra atoma, ustvari "iz nič" elektron in pozitron. Za takšno ustvarjanje mora imeti energijo, ki je vsaj enaka energiji, ki ustreza skupni masi elektrona in pozitrona.
Zato osnovni delci niso večni ali stalni. Tako elektroni kot pozitroni se lahko pojavijo in izginejo; vendar se energija in posledični električni naboji ohranijo.
Razen elektrona osnovni delec, ki smo ga poznali veliko prej kot katerikoli drug delec, ni pozitron, ki je relativno redek, ampak proton- jedro vodikovega atoma. Tako kot pozitron je pozitivno nabit, vendar je njegova masa približno dvatisočkrat večja od mase pozitrona ali elektrona. Tako kot ti delci ima tudi proton včasih valovne lastnosti, vendar le pod izjemno posebnimi pogoji. Dejstvo, da je njegova valovna narava manj izrazita, je pravzaprav neposredna posledica njegove veliko večje mase. Valovna narava, ki je značilna za vso snov, nam ne postane pomembna, dokler ne začnemo delati izključno z lahkimi delci, kot so elektroni.
Proton je zelo pogost delec. Atom vodika je sestavljen iz protona, ki je njegovo jedro, in elektrona, ki kroži okoli njega. Proton je tudi del vseh drugih atomskih jeder.
Teoretični fiziki so napovedali, da ima proton, tako kot elektron, antidelec. Otvoritev negativni proton oz antiproton, ki ima enake lastnosti kot proton, a je negativno nabit, je potrdil to napoved. Trk antiprotona s protonom oba »uniči« na enak način kot v primeru trka elektrona in pozitrona.
Še en elementarni delec nevtron, ima skoraj enako maso kot proton, vendar je električno nevtralen (brez električnega naboja). Njegovo odkritje v tridesetih letih našega stoletja - približno sočasno z odkritjem pozitrona - je bilo izjemno pomembno za jedrsko fiziko. Nevtron je del vseh atomskih jeder (seveda z izjemo navadnega jedra vodikovega atoma, ki je preprosto prosti proton); Ko se atomsko jedro zruši, sprosti enega (ali več) nevtronov. Atomska bomba eksplodira zaradi nevtronov, ki se sprostijo iz uranovih ali plutonijevih jeder.
Ker protoni in nevtroni skupaj tvorijo atomska jedra, se oba imenujemo nukleoni, prosti nevtron pa se čez nekaj časa spremeni v proton in elektron.
Poznamo še en delec, imenovan antinevtron, ki je tako kot nevtron električno nevtralen. Ima veliko lastnosti nevtrona, vendar je ena temeljnih razlik ta, da antinevtron razpade na antiproton in elektron. Pri trčenju se nevtron in antinevtron uničita,
Foton, ali svetlobni kvant, je izjemno zanimiv osnovni delec. V želji po branju knjige prižgemo žarnico. Prižgana žarnica torej ustvari ogromno fotonov, ki s svetlobno hitrostjo drvijo v knjigo, pa tudi v vse ostale kote prostora. Nekateri od njih, ko udarijo ob stene, umrejo takoj, drugi vedno znova udarijo in se odbijejo od sten drugih predmetov, vendar po manj kot eni milijoninki sekunde od trenutka, ko se pojavijo, vsi umrejo, z izjemo le nekaj, ki jim uspe pobegniti skozi okno in se izmuzniti v vesolje. Energijo, potrebno za ustvarjanje fotonov, dovajajo elektroni, ki tečejo skozi žarnico, ko je ta vklopljena; Ko umirajo, fotoni oddajo to energijo knjigi ali drugemu predmetu, ga segrejejo, ali očesu, kar povzroči stimulacijo optičnih živcev.
Energija fotona in s tem njegova masa ne ostane nespremenjena: poleg zelo težkih obstajajo zelo lahki fotoni. Fotoni, ki proizvajajo običajno svetlobo, so zelo lahki, njihova masa je le nekaj milijonink mase elektrona. Drugi fotoni imajo maso približno enako masi elektrona in celo veliko večjo. Primeri težkih fotonov so rentgenski žarki in gama žarki.
Tu velja splošno pravilo: lažji kot je osnovni delec, bolj izrazita je njegova valovna narava. Najtežji osnovni delci - protoni - kažejo razmeroma šibke valovne značilnosti; za elektrone so nekoliko močnejši; najmočnejši so fotoni. Pravzaprav je bila valovna narava svetlobe odkrita veliko prej kot njene korpuskularne značilnosti. Vemo, da svetloba ni nič drugega kot gibanje elektromagnetnih valov, odkar je Maxwell to dokazoval v drugi polovici prejšnjega stoletja, vendar sta Planck in Einstein na začetku dvajsetega stoletja odkrila, da ima svetloba tudi korpuskularne značilnosti , da se včasih oddaja v obliki posameznih »kvantov« ali z drugimi besedami v obliki toka fotonov. Ni mogoče zanikati, da je težko v naših glavah združiti in zliti ta dva na videz različna koncepta narave svetlobe; vendar lahko rečemo, da mora biti tako kot "dvojna narava" elektrona tudi naš koncept tako izmuzljivega pojava, kot je svetloba, zelo abstrakten. In samo ko želimo svojo idejo izraziti v grobih podobah, moramo svetlobo včasih primerjati s tokom delcev, fotonov ali valovnim gibanjem elektromagnetne narave.
Obstaja povezava med korpuskularno naravo pojava in njegovimi "valovnimi" lastnostmi. Težji kot je delec, krajša je njegova ustrezna valovna dolžina; daljša kot je valovna dolžina, lažji je ustrezni delec. Rentgenski žarki, sestavljeni iz zelo težkih fotonov, imajo ustrezno zelo kratko valovno dolžino. Rdeča svetloba, ki ima daljšo valovno dolžino od modre svetlobe, je sestavljena iz fotonov, ki so lažji od fotonov, ki prenašajo modro svetlobo. Najdaljše obstoječe elektromagnetne valove, radijske valove, sestavljajo drobni fotoni. Ti valovi niti malo ne kažejo lastnosti delcev; njihova valovna narava je v celoti prevladujoča značilnost.
In končno, najmanjši od vseh majhnih osnovnih delcev je nevtrino. Nima električnega naboja in če ima maso, je blizu nič. Z nekaj pretiravanja lahko rečemo, da je nevtrino preprosto brez lastnosti.
Naše znanje o osnovnih delcih je sodobna meja fizike. Atom so odkrili v devetnajstem stoletju in znanstveniki tistega časa so odkrivali vse več različnih vrst atomov; na podoben način danes najdemo vse več osnovnih delcev. In čeprav je dokazano, da so atomi sestavljeni iz elementarnih delcev, ne moremo pričakovati, da bi po analogiji ugotovili, da so osnovni delci sestavljeni iz še manjših delcev. Problem, s katerim se soočamo danes, je zelo drugačen in nič ne kaže, da bomo lahko razcepili osnovne delce. Namesto tega upamo, da se bo izkazalo, da so vsi osnovni delci manifestacije enega še bolj temeljnega pojava. In če bi bilo to mogoče ugotoviti, bi lahko razumeli vse lastnosti osnovnih delcev; bi lahko izračunali njihove mase in metode njihove interakcije. Veliko se je poskušalo približati rešitvi tega problema, ki je eden najpomembnejših problemov v fiziki.
Ni jasne definicije pojma "elementarni delec"; običajno je naveden le določen niz vrednosti fizikalnih količin, ki označujejo te delce in njihove nekatere zelo pomembne razlikovalne lastnosti. Elementarni delci imajo:
1) električni naboj
2) lastni kotni moment ali vrtenje
3) magnetni moment
4) lastna masa - "masa mirovanja"
V prihodnosti bodo morda odkrite še druge količine, ki označujejo delce, zato tega seznama glavnih lastnosti osnovnih delcev ne smemo šteti za popolnega.
Vendar pa nimajo vsi osnovni delci (njihov seznam je podan spodaj) celotnega nabora zgornjih lastnosti. Nekateri od njih imajo samo električni naboj in maso, ne pa tudi spina (nabiti pioni in kaoni); drugi delci imajo maso, spin in magnetni moment, nimajo pa električnega naboja (nevtron, lambda hiperon); spet drugi imajo samo maso (nevtralni pioni in kaoni) ali samo spin (fotoni, nevtrini). Za osnovne delce je obvezno, da imajo vsaj eno od zgoraj naštetih lastnosti. Upoštevajte, da je za najpomembnejše delce snovi - kroge in elektrone - značilen celoten niz teh lastnosti. Poudariti je treba: električni naboj in spin sta temeljni lastnosti delcev snovi, tj. njune numerične vrednosti ostajajo konstantne v vseh pogojih.
DELCI IN PROTIDELCI
Vsak elementarni delec ima svoje nasprotje - "antidelec". Masa, spin in magnetni moment delca in antidelca so enaki, če pa ima delec električni naboj, ima njegov antidelec naboj nasprotnega predznaka. Proton, pozitron in antinevtron imajo enake magnetne momente in vrtljaje, medtem ko imajo elektron, nevtron in antiproton nasprotno usmerjenost.
Interakcija delca z njegovim antidelcem se bistveno razlikuje od interakcije z drugimi delci. Ta razlika se izraža v tem, da sta delec in njegov antidelec sposobna anihilacije, to je procesa, zaradi katerega izginejo, namesto njih pa se pojavijo drugi delci. Tako se na primer kot posledica anihilacije elektrona in pozitrona pojavijo fotoni, protoni in antiprotoni-pioni itd.
ŽIVLJENSKA DOBA
Stabilnost ni obvezna lastnost osnovnih delcev. Stabilni so le elektron, proton, nevtrino in njihovi antidelci ter fotoni. Preostali delci se pretvorijo v stabilne neposredno, kot se na primer zgodi z nevtronom, ali z verigo zaporednih transformacij; na primer, nestabilen negativni pion se najprej spremeni v mion in nevtrino, nato pa se mion spremeni v elektron in še en nevtrino:
Simboli označujejo "mionske" nevtrine in antinevtrine, ki se razlikujejo od "elektronskih" nevtrinov in antinevtrinov.
Nestabilnost delcev se ocenjuje po dolžini njihovega obstoja od trenutka »rojstva« do trenutka razpada; oba ta trenutka v času označujejo sledi delcev v merilnih napravah. Če obstaja veliko število opazovanj delcev določenega »tipa«, se izračuna bodisi »povprečna življenjska doba« bodisi razpolovna doba razpada. Predpostavimo, da je v nekem trenutku število razpadajočih delcev enako. in v tem trenutku se to število izenači ob predpostavki, da se razpad delcev podreja verjetnostnemu zakonu
lahko izračunate povprečno življenjsko dobo (med katero se število delcev zmanjša za faktor) in razpolovno dobo
(pri čemer se to število prepolovi).
Zanimivo je omeniti, da:
1) vsi nenabiti delci, razen nevtrinov in fotonov, so nestabilni (nevtrini in fotoni izstopajo med drugimi osnovnimi delci po tem, da nimajo lastne mase mirovanja);
2) od nabitih delcev sta stabilna samo elektron in proton (ter njuna antidelca).
Tukaj je seznam najpomembnejših delcev (njihovo število še vedno narašča) z navedbo oznak in glavnih
lastnosti; električni naboj je običajno označen v elementarnih enotah masa - v enotah mase elektrona spin - v enotah
(glej skeniranje)
KLASIFIKACIJA DELCEV
Preučevanje osnovnih delcev je pokazalo, da je njihovo združevanje glede na vrednosti njihovih osnovnih lastnosti (naboj, masa, spin) nezadostno. Izkazalo se je, da je treba te delce razdeliti v bistveno različne »družine«:
1) fotoni, 2) leptoni, 3) mezoni, 4) barioni
in uvesti nove značilnosti delcev, ki bi pokazale, da dani delec pripada eni od teh družin. Te značilnosti se običajno imenujejo "naboji" ali "številke". Obstajajo tri vrste dajatev:
1) naboj lepton-elektron;
2) lepton-muonski naboj
3) barionski naboj
Ti naboji imajo številčne vrednosti: in -1 (delci imajo predznak plus, antidelci predznak minus; fotoni in mezoni imajo naboj nič).
Elementarni delci upoštevajo naslednji dve pravili:
vsak elementarni delec pripada le eni družini in je zanj značilen samo en od zgornjih nabojev (števil).
Na primer:
Vendar lahko ena družina osnovnih delcev vsebuje več različnih delcev; na primer skupina barionov vključuje proton, nevtron in veliko število hiperonov. Naj predstavimo delitev osnovnih delcev na družine:
leptoni "elektronski": Ti vključujejo elektron pozitron elektronski nevtrino in elektronski antinevtrino
leptoni "mionski": Ti vključujejo mione z negativnim in pozitivnim električnim nabojem ter mionske nevtrine in antinevtrine Sem spadajo proton, nevtron, hiperoni in vsi njihovi antidelci.
Obstoj ali odsotnost električnega naboja ni povezana s članstvom v nobeni od naštetih družin. Opaziti je, da imajo vsi delci, katerih spin je enak 1/2, nujno enega od zgoraj navedenih nabojev. Fotoni (katerih spin je enak enoti), mezoni - pioni in kaoni (katerih spin je enak nič) nimajo niti leptonskega niti barionskega naboja.
Pri vseh fizikalnih pojavih, v katerih sodelujejo osnovni delci – pri razpadnih procesih; rojstva, uničenja in medsebojnih transformacij, se upošteva drugo pravilo:
algebraične vsote števil za vsako vrsto naboja posebej so vedno konstantne.
To pravilo je enakovredno trem ohranitvenim zakonom:
Ti zakoni tudi pomenijo, da so medsebojne transformacije med delci, ki pripadajo različnim družinam, prepovedane.
Za nekatere delce - kaone in hiperone - se je izkazalo, da je treba dodatno uvesti še eno značilnost, imenovano nenavadnost in označeno z Kaoni imajo lambda in sigma hiperone - xi-hiperone - (zgornji znak za delce, spodnji znak za antidelce). Pri procesih, pri katerih opazimo pojav (rojstvo) delcev s tujkami, velja naslednje pravilo:
Zakon ohranitve nenavadnosti. To pomeni, da mora pojav enega čudnega delca nujno spremljati pojav enega ali več čudnih antidelcev, tako da je algebraična vsota števil pred in za
porodni proces je ostal konstanten. Opozoriti je treba tudi, da med razpadom nenavadnih delcev ni upoštevan zakon ohranitve nenavadnosti, to je, da ta zakon deluje le v procesih rojstva nenavadnih delcev. Tako sta za nenavadne delce procesi ustvarjanja in razpada nepovratni. Na primer, lambda hiperon (nenavadnost je enaka razpadom na proton in negativni pion:
Pri tej reakciji se ne upošteva zakon o ohranitvi nenavadnosti, saj imata proton in pion, dobljena po reakciji, nenavadnost enaka nič. Vendar pa se pri obratni reakciji, ko negativni pion trči s protonom, ne pojavi en sam lambda hiperon; reakcija poteka s tvorbo dveh delcev z nenavadnostmi nasprotnih predznakov:
Posledično se pri reakciji nastanka lambda hiperona upošteva zakon o ohranitvi nenavadnosti: pred in po reakciji je algebraična vsota "čudnih" števil enaka nič. Znana je samo ena reakcija razpada, pri kateri je opazna konstantnost vsote čudnih števil - to je razpad nevtralnega sigma hiperona v lambda hiperon in foton:
Druga značilnost nenavadnih delcev je velika razlika med trajanjem procesov rojstva (približno ) in povprečnim časom njihovega obstoja (približno ); za druge (nečudne) delce so ti časi istega reda.
Upoštevajte, da nas potreba po uvedbi leptonskih in barionskih števil ali nabojev ter obstoj zgornjih ohranitvenih zakonov prisilijo k domnevi, da ti naboji izražajo kvalitativno razliko med delci različnih tipov, pa tudi med delci in antidelci. Dejstvo, da je treba delcem in antidelcem pripisati naboje nasprotnih predznakov, kaže na nemožnost medsebojnih transformacij med njimi.
Nadaljnji prodor v globino mikrosveta je povezan s prehodom z ravni atomov na raven osnovnih delcev. Kot prvi osnovni delec konec 19. st. odkrili elektron, nato pa v prvih desetletjih 20. st. – foton, proton, pozitron in nevtron.
Po drugi svetovni vojni je bil zahvaljujoč uporabi sodobne eksperimentalne tehnologije, predvsem pa močnih pospeševalnikov, v katerih se ustvarjajo razmere visokih energij in ogromnih hitrosti, ugotovljen obstoj velikega števila osnovnih delcev – preko 300. Med njimi obstaja tako eksperimentalno odkrito kot teoretično izračunano, vključno z resonancami, kvarki in virtualnimi delci.
Izraz osnovni delec je prvotno pomenilo najpreprostejše, nadalje nerazgradljive delce, ki so osnova vseh materialnih tvorb. Kasneje so fiziki spoznali celotno konvencijo izraza "elementaren" v zvezi z mikroobjekti. Zdaj ni dvoma, da imajo delci takšno ali drugačno strukturo, vendar kljub temu zgodovinsko uveljavljeno ime še vedno obstaja.
Glavne značilnosti osnovnih delcev so masa, naboj, povprečna življenjska doba, spin in kvantna števila.
Masa v mirovanju osnovni delci so določeni glede na maso mirovanja elektrona Obstajajo osnovni delci, ki nimajo mase mirovanja -. fotoni. Preostale delce po tem kriteriju delimo na leptoni– lahki delci (elektroni in nevtrini); mezoni– srednje veliki delci z maso od ene do tisoč elektronov; barioni– težki delci, katerih masa presega tisoč elektronskih mas in ki vključuje protone, nevtrone, hiperone in številne resonance.
Električni naboj je še ena pomembna lastnost osnovnih delcev. Vsi znani delci imajo pozitiven, negativen ali ničelni naboj. Vsak delec, razen fotona in dveh mezonov, ustreza antidelcem z nasprotnimi naboji. Okoli 1963–1964 je bila postavljena hipoteza o obstoju kvarki– delci z delnim električnim nabojem. Ta hipoteza še ni eksperimentalno potrjena.
Po življenjski dobi delce delimo na stabilno in nestabilen . Obstaja pet stabilnih delcev: foton, dve vrsti nevtrinov, elektron in proton. Prav stabilni delci imajo najpomembnejšo vlogo v zgradbi makroteles. Vsi ostali delci so nestabilni, obstajajo približno 10 -10 -10 -24 s, nato pa razpadejo. Imenujemo osnovne delce s povprečno življenjsko dobo 10–23–10–22 s resonance. Zaradi kratke življenjske dobe razpadejo, še preden zapustijo atom ali atomsko jedro. Resonančna stanja so bila izračunana teoretično; v resničnih poskusih jih ni bilo mogoče zaznati.
Poleg naboja, mase in življenjske dobe osnovne delce opisujejo tudi koncepti, ki v klasični fiziki nimajo analogij: koncept nazaj . Spin je intrinzični kotni moment delca, ki ni povezan z njegovim gibanjem. Za spin je značilno spinsko kvantno število s, ki ima lahko celo (±1) ali polcelo (±1/2) vrednost. Delci s celoštevilskim spinom – bozoni, s pol celim številom – fermioni. Elektrone uvrščamo med fermione. V skladu s Paulijevim načelom atom ne more imeti več kot enega elektrona z enakim nizom kvantnih števil n,m,l,s. Elektroni, ki ustrezajo valovnih funkcij z enakim številom n, so si energijsko zelo blizu in tvorijo elektronsko ovojnico v atomu. Razlike v številu l določajo "podlupino", preostala kvantna števila določajo njeno polnjenje, kot je navedeno zgoraj.
V značilnostih osnovnih delcev obstaja še ena pomembna ideja interakcije. Kot smo že omenili, poznamo štiri vrste interakcij med osnovnimi delci: gravitacijski,šibka,elektromagnetni in močan(jedrsko).
Vsi delci z maso mirovanja ( m 0), sodelujejo v gravitacijski interakciji, nabiti pa tudi v elektromagnetni interakciji. Leptoni sodelujejo tudi pri šibkih interakcijah. Hadroni sodelujejo v vseh štirih temeljnih interakcijah.
Po kvantni teoriji polja se vse interakcije izvajajo zaradi izmenjave virtualni delci , torej delci, o katerih obstoju lahko sodimo le posredno, po nekaterih njihovih manifestacijah preko nekaterih sekundarnih učinkov ( pravih delcev lahko neposredno posnamete z instrumenti).
Izkazalo se je, da imajo vse štiri znane vrste interakcij - gravitacijska, elektromagnetna, močna in šibka - merilno naravo in jih opisujejo merilne simetrije. To pomeni, da so vse interakcije tako rekoč narejene "iz istega praznega." To nam daje upanje, da bo mogoče najti »edini ključ do vseh znanih ključavnic« in opisati razvoj vesolja iz stanja, ki ga predstavlja eno samo supersimetrično superpolje, iz stanja, v katerem so razlike med vrstami interakcij, med vsemi vrstami delcev snovi in kvanti polja se še niso pojavili.
Obstaja ogromno načinov za razvrščanje osnovnih delcev. Delce na primer delimo na fermione (Fermijevi delci) – delci snovi in bozone (Bosejevi delci) – kvanti polja.
Po drugem pristopu delimo delce v 4 razrede: fotone, leptone, mezone, barione.
Fotoni (kvanti elektromagnetnega polja) sodelujejo pri elektromagnetnih interakcijah, vendar nimajo močnih, šibkih ali gravitacijskih interakcij.
Leptoni so dobili ime po grški besedi leptos- enostavno. Sem sodijo delci, ki nimajo močne interakcije: mioni (μ – , μ +), elektroni (е – , у +), elektronski nevtrini (v e – ,v e +) in mionski nevtrini (v – m, v + m). Vsi leptoni imajo spin ½ in so zato fermioni. Vsi leptoni imajo šibko interakcijo. Tisti, ki imajo električni naboj (to so mioni in elektroni), imajo tudi elektromagnetno silo.
Mezoni – močno medsebojno delujoči nestabilni delci, ki ne nosijo tako imenovanega barionskega naboja. Med njimi je R-mezoni ali pioni (π + , π – , π 0), TO-mezoni ali kaoni (K +, K –, K 0) in to-mezoni (η) . Utež TO-mezonov je ~970me (494 MeV za nabite in 498 MeV za nevtralne TO-mezoni). Življenska doba TO-mezon ima velikost reda 10 –8 s. Razpadejo in nastanejo jaz-mezoni in leptoni ali samo leptoni. Utež to-mezonov je 549 MeV (1074me), življenjska doba je približno 10–19 s. to-mezoni razpadejo in tvorijo π-mezone in γ-fotone. Za razliko od leptonov imajo mezoni ne le šibko (in, če so nabiti, elektromagnetno) interakcijo, ampak tudi močno interakcijo, ki se kaže pri medsebojni interakciji, pa tudi med interakcijo med mezoni in barioni. Vsi mezoni imajo ničelni spin, torej so bozoni.
Razred barioni združuje nukleone (p,n) in nestabilne delce z maso večjo od mase nukleonov, imenovane hiperoni. Vsi barioni imajo močno interakcijo in zato aktivno sodelujejo z atomskimi jedri. Spin vseh barionov je ½, zato so barioni fermioni. Z izjemo protona so vsi barioni nestabilni. Pri razpadu barionov poleg drugih delcev nujno nastane tudi barion. Ta vzorec je ena od manifestacij zakon o ohranitvi barionskega naboja.
Poleg zgoraj naštetih delcev je bilo odkritih veliko število močno medsebojno delujočih kratkoživih delcev, ki jih imenujemo resonance . Ti delci so resonančna stanja, ki jih tvorita dva ali več osnovnih delcev. Življenjska doba resonance je samo ~ 10 –23 –10 –22 s.
Osnovne delce, pa tudi kompleksne mikrodelce, lahko opazujemo zaradi sledi, ki jih puščajo, ko prehajajo skozi snov. Narava sledi nam omogoča presojo predznaka naboja delca, njegove energije, gibalne količine itd. Nabiti delci povzročajo ionizacijo molekul na svoji poti. Nevtralni delci ne puščajo sledi, lahko pa se razkrijejo v trenutku razpada v nabite delce ali v trenutku trka s poljubnim jedrom. Posledično se nevtralni delci končno zaznajo tudi z ionizacijo, ki jo povzročijo nabiti delci, ki jih ustvarjajo.
Delci in antidelci. Angleškemu fiziku P. Diracu je leta 1928 uspelo najti relativistično kvantnomehansko enačbo za elektron, iz katere izhajajo številne izjemne posledice. Prvič, iz te enačbe se naravno, brez kakršnih koli dodatnih predpostavk, pridobi spin in numerična vrednost lastnega magnetnega momenta elektrona. Tako se je izkazalo, da je spin hkrati kvantna in relativistična količina. Vendar to ne izčrpa pomena Diracove enačbe. Omogočila je tudi napoved obstoja antidelca elektrona – pozitron. Iz Diracove enačbe dobimo ne samo pozitivne, ampak tudi negativne vrednosti za celotno energijo prostega elektrona. Študije enačbe kažejo, da za dano gibalno količino delcev obstajajo rešitve enačbe, ki ustrezajo energijam: .
Med največjo negativno energijo (– m e z 2) in najmanj pozitivne energije (+ m e c 2) obstaja interval energijskih vrednosti, ki jih ni mogoče uresničiti. Širina tega intervala je 2 m e z 2. Posledično dobimo dve regiji lastnih vrednosti energije: ena se začne z + m e z 2 in sega do +∞, drugi se začne od – m e z 2 in sega do –∞.
Delec z negativno energijo mora imeti zelo čudne lastnosti. S prehodom v stanja z vedno manj energije (to je z naraščajočo magnitudo negativne energije) bi lahko sprostil energijo, recimo, v obliki sevanja in, ker | E| brez omejitev bi lahko delec z negativno energijo oddajal neskončno veliko količino energije. Do podobnega sklepa lahko pridemo tudi na naslednji način: iz relacije E=m e z 2 sledi, da bo imel delec z negativno energijo tudi negativno maso. Pod vplivom zavorne sile se delec z negativno maso ne bi smel upočasniti, ampak pospešiti, pri čemer opravi neskončno veliko delo na izvoru zavorne sile. Glede na te težave se zdi, da bi bilo treba priznati, da je treba stanje z negativno energijo izključiti iz obravnave, saj vodi do absurdnih rezultatov. To pa bi bilo v nasprotju z nekaterimi splošnimi načeli kvantne mehanike. Zato je Dirac izbral drugo pot. Predlagal je, da prehodov elektronov v stanja z negativno energijo običajno ne opazimo, ker so vsi razpoložljivi nivoji z negativno energijo že zasedeni z elektroni. 
Po Diracu je vakuum stanje, v katerem so vsi nivoji negativne energije zasedeni z elektroni, nivoji s pozitivno energijo pa so prosti. Ker so vsi nivoji pod prepovedanim pasom brez izjeme zasedeni, se elektroni na teh nivojih nikakor ne razkrijejo. Če je enemu od elektronov, ki se nahajajo na negativnih ravneh, dana energija E≥ 2m e z 2, potem bo ta elektron prešel v stanje s pozitivno energijo in se bo obnašal na običajen način, kot delec s pozitivno maso in negativnim nabojem. Ta prvi teoretično predviden delec je bil imenovan pozitron. Ko se pozitron sreča z elektronom, le-ti anihilirajo (izginejo) – elektron se premakne s pozitivne ravni na prazno negativno. Energija, ki ustreza razliki med temi nivoji, se sprosti v obliki sevanja. Na sl. 4, puščica 1 prikazuje proces nastanka para elektron-pozitron, puščica 2 pa njihovo anihilacijo. Izraza "anihilacija" ne smemo razumeti dobesedno. V bistvu to, kar se zgodi, ni izginotje, temveč transformacija nekaterih delcev (elektronov in pozitronov) v druge (γ-fotone).
Obstajajo delci, ki so identični svojim antidelcem (to pomeni, da nimajo antidelcev). Takšni delci se imenujejo absolutno nevtralni. Sem spadajo foton, mezon π 0 in mezon η. Delci, ki so enaki svojim antidelcem, niso sposobni anihilacije. To pa ne pomeni, da se sploh ne morejo spremeniti v druge delce.
Če je barionom (to je nukleonom in hiperonom) dodeljen barionski naboj (ali barionsko število) IN= +1, antibarioni – barionski naboj IN= –1, vsi ostali delci pa imajo barionski naboj IN= 0, potem bo za vse procese, ki potekajo s sodelovanjem barionov in antibarionov, značilno ohranjanje naboja barionov, tako kot je za procese značilno ohranjanje električnega naboja. Zakon o ohranitvi barionskega naboja določa stabilnost najmehkejšega bariona, protona. Transformacija vseh količin, ki opisujejo fizikalni sistem, v kateri so vsi delci nadomeščeni z antidelci (npr. elektroni s protoni, protoni z elektroni itd.), se imenuje konjugacijski naboj.
Čudni delci.TO-mezoni in hiperoni so bili odkriti kot del kozmičnih žarkov v zgodnjih 50. letih 20. stoletja. Od leta 1953 jih izdelujejo v pospeševalnikih. Obnašanje teh delcev se je izkazalo za tako nenavadno, da so jih imenovali čudni. Nenavadno vedenje nenavadnih delcev je bilo, da so bili očitno rojeni zaradi močnih interakcij z značilnim časom reda 10–23 s, njihova življenjska doba pa je bila reda 10–8–10–10 s. Slednja okoliščina je pokazala, da se razpad delcev pojavi kot posledica šibkih interakcij. Povsem nejasno je bilo, zakaj so čudni delci živeli tako dolgo. Ker so isti delci (π-mezoni in protoni) vključeni tako v nastanek kot v razpad λ-hiperona, je bilo presenetljivo, da je bila hitrost (torej verjetnost) obeh procesov tako različna. Nadaljnje raziskave so pokazale, da se čudni delci rodijo v parih. To je privedlo do ideje, da močne interakcije ne morejo igrati vloge pri razpadu delcev zaradi dejstva, da je za njihovo manifestacijo potrebna prisotnost dveh čudnih delcev. Iz istega razloga se izkaže, da je samostojno ustvarjanje čudnih delcev nemogoče.
Za razlago prepovedi enkratne proizvodnje nenavadnih delcev sta M. Gell-Mann in K. Nishijima uvedla novo kvantno število, katerega skupna vrednost naj bi se po njuni predpostavki ob močnih interakcijah ohranila. To je kvantno število S je bil imenovan nenavadnost delca. Pri šibkih interakcijah se nenavadnost morda ne bo ohranila. Zato ga pripisujemo le močno medsebojno delujočim delcem - mezonom in barionom.
Nevtrino. Nevtrino je edini delec, ki ne sodeluje niti v močnih niti v elektromagnetnih interakcijah. Če izvzamemo gravitacijsko interakcijo, v kateri sodelujejo vsi delci, lahko nevtrini sodelujejo le v šibkih interakcijah.
Dolgo časa ni bilo jasno, kako se nevtrino razlikuje od antinevtrina. Odkritje zakona o ohranitvi kombinirane paritete je omogočilo odgovor na to vprašanje: razlikujejo se po spiralnosti. Spodaj spiralnost razume se določeno razmerje med smermi impulza R in nazaj S delci. Spiralnost velja za pozitivno, če sta vrtenje in zagon v isti smeri. V tem primeru je smer gibanja delcev ( R) in smer "vrtenja", ki ustreza vrtenju, tvorita desni vijak. Ko sta vrtenje in gibalna količina nasprotno usmerjena, bo spiralnost negativna (translacijsko gibanje in "rotacija" tvorita levosučni vijak). Po teoriji longitudinalnih nevtrinov, ki so jo razvili Yang, Lee, Landau in Salam, so vsi nevtrini, ki obstajajo v naravi, ne glede na način njihovega nastanka, vedno popolnoma longitudinalno polarizirani (to pomeni, da je njihov spin usmerjen vzporedno ali antiparalelno z gibalno količino). R). Nevtrino ima negativno(levo) spiralnost (ustreza razmerju smeri S in R, prikazano na sl. 5 (b), antinevtrino – pozitivna (desna) vijačnica (a). Helikost je torej tisto, po čemer se nevtrini razlikujejo od antinevtrinov.
riž. 5. Shema spiralnosti osnovnih delcev
Sistematika osnovnih delcev. Vzorce, opažene v svetu osnovnih delcev, lahko formuliramo v obliki ohranitvenih zakonov. Takih zakonov se je nabralo že kar nekaj. Nekatere se izkažejo za nenatančne, ampak le približne. Vsak ohranitveni zakon izraža določeno simetrijo sistema. Zakoni ohranitve gibalne količine R, kotni moment L in energijo E odražajo lastnosti simetrije prostora in časa: ohranjanje E je posledica homogenosti časa, ohranjenosti R zaradi homogenosti prostora, in ohranjenost L– njegova izotropnost. Zakon o ohranitvi paritete je povezan s simetrijo med desno in levo ( R-invariantnost). Simetrija glede na konjugacijo naboja (simetrija delcev in antidelcev) vodi do ohranitve paritete naboja ( Z-invariantnost). Zakoni ohranitve električnega, barionskega in leptonskega naboja izražajo posebno simetrijo Z-funkcije. Nazadnje, zakon o ohranitvi izotopskega spina odraža izotropnost izotopskega prostora. Neupoštevanje enega od ohranitvenih zakonov pomeni kršitev ustrezne vrste simetrije v tej interakciji.
V svetu osnovnih delcev velja pravilo: dovoljeno je vse, kar ni prepovedano z naravovarstvenimi zakoni. Slednji igrajo vlogo izključitvenih pravil, ki urejajo medsebojno pretvorbo delcev. Najprej opozorimo na zakone ohranitve energije, gibalne količine in električnega naboja. Ti trije zakoni pojasnjujejo stabilnost elektrona. Iz ohranitve energije in gibalne količine sledi, da mora biti skupna masa mirovanja razpadnih produktov manjša od mase mirovanja razpadajočega delca. To pomeni, da bi lahko elektron razpadel samo na nevtrine in fotone. Toda ti delci so električno nevtralni. Tako se izkaže, da elektron preprosto nima na koga prenesti električnega naboja, zato je stabilen.
Kvarki. Delcev, imenovanih elementarni, je postalo toliko, da so se pojavili resni dvomi o njihovi elementarni naravi. Vsakega od močno medsebojno delujočih delcev označujejo tri neodvisna aditivna kvantna števila: naboj Q, hipernaboj U in barionski naboj IN. V zvezi s tem se je pojavila hipoteza, da so vsi delci zgrajeni iz treh osnovnih delcev - nosilcev teh nabojev. Leta 1964 sta Gell-Mann in neodvisno od njega švicarski fizik Zweig postavila hipotezo, po kateri so vsi osnovni delci zgrajeni iz treh delcev, imenovanih kvarki. Tem delcem so dodeljena delna kvantna števila, zlasti električni naboj, ki je enak +⅔; –⅓; +⅓ za vsakega od treh kvarkov. Ti kvarki so običajno označeni s črkami U,D,S. Poleg kvarkov štejemo antikvarke ( u,d,s). Do danes je znanih 12 kvarkov - 6 kvarkov in 6 antikvarkov. Mezoni nastanejo iz para kvark-antikvark, barioni pa iz treh kvarkov. Na primer, proton in nevtron sta sestavljena iz treh kvarkov, zaradi česar sta proton ali nevtron brezbarvna. V skladu s tem se razlikujejo trije naboji močnih interakcij - rdeča ( R), rumena ( Y) in zelena ( G).
Vsakemu kvarku je pripisan enak magnetni moment (µV), katerega vrednost ni določena iz teorije. Izračuni, narejeni na podlagi te predpostavke, dajo vrednost magnetnega momenta μ p za proton = μ kv, za nevtron pa μ n = – ⅔μ kvadratnih metrov
Tako dobimo za razmerje magnetnih momentov vrednost μ p / μn = –⅔, kar se odlično ujema z eksperimentalno vrednostjo.
V bistvu je barva kvarka (kot predznak električnega naboja) začela izražati razliko v lastnosti, ki določa medsebojno privlačnost in odbojnost kvarkov. Po analogiji s kvanti polj različnih interakcij (fotonov v elektromagnetnih interakcijah, R-mezoni v močnih interakcijah itd.) so bili uvedeni delci, ki so prenašali interakcijo med kvarki. Ti delci so bili imenovani gluoni. Prenašajo barvo z enega kvarka na drugega, kar povzroči, da se kvarki držijo skupaj. V fiziki kvarkov je bila oblikovana hipoteza o zaprtju (iz angleščine. zaprtja– capture) kvarkov, po kateri je nemogoče odšteti kvark od celote. Obstaja lahko samo kot element celote. Obstoj kvarkov kot pravih delcev v fiziki je zanesljivo utemeljen.
Zamisel o kvarkih se je izkazala za zelo plodno. Omogočila je ne le sistematizacijo že znanih delcev, temveč tudi napovedovanje cele vrste novih. Stanje, ki se je razvilo v fiziki osnovnih delcev, spominja na stanje, ki je nastalo v atomski fiziki po odkritju periodičnega zakona leta 1869 D. I. Mendeleva. Čeprav je bilo bistvo tega zakona razjasnjeno šele približno 60 let po nastanku kvantne mehanike, je omogočil sistematizacijo do takrat znanih kemijskih elementov in poleg tega privedel do napovedi obstoja novih elementov in njihovih lastnosti . Na enak način so se fiziki naučili sistematizirati osnovne delce, razvita taksonomija pa je v redkih primerih omogočila predvidevanje obstoja novih delcev in predvidevanje njihovih lastnosti.
Tako lahko trenutno kvarke in leptone štejemo za resnično elementarne; Teh je 12 ali skupaj z anti-chatiti - 24. Poleg tega obstajajo delci, ki zagotavljajo štiri temeljne interakcije (interakcijski kvanti). Teh delcev je 13: graviton, foton, W± - in Z-delcev in 8 gluonov.
Obstoječe teorije osnovnih delcev ne morejo navesti, kaj je začetek niza: atomi, jedra, hadroni, kvarkiV tem nizu vsaka kompleksnejša snovna struktura vključuje enostavnejšo kot komponento. Očitno se to ne more nadaljevati v nedogled. Predpostavljeno je bilo, da opisana veriga materialnih struktur temelji na predmetih bistveno drugačne narave. Dokazano je, da takšni objekti morda niso koničasti, temveč razširjene, čeprav izjemno majhne (~10–33 cm) formacije, imenovane superstrune. Opisana ideja v našem štiridimenzionalnem prostoru ni uresničljiva. To področje fizike je na splošno izjemno abstraktno in zelo težko je najti vizualne modele, ki pomagajo poenostaviti zaznavanje idej, ki so del teorij osnovnih delcev. Kljub temu te teorije omogočajo fizikom, da izrazijo medsebojno transformacijo in soodvisnost »najelementarnejših« mikroobjektov, njihovo povezavo z lastnostmi štiridimenzionalnega prostora-časa. Najbolj obetavna je t.i M-teorija (M – od skrivnostnost- uganka, skrivnost). Ona operira dvanajstdimenzionalni prostor . Konec koncev se med prehodom v štiridimenzionalni svet, ki ga neposredno zaznavamo, vse "dodatne" dimenzije "zrušijo". M-teorija je doslej edina teorija, ki omogoča zreduciranje štirih temeljnih interakcij na eno – t.i. Velemoč. Pomembno je tudi, da M-teorija dopušča obstoj različnih svetov in vzpostavlja pogoje, ki zagotavljajo nastanek našega sveta. M-teorija še ni dovolj razvita. Domneva se, da finale "teorija vsega" na podlagi M-teorije bodo zgrajene v 21. stoletju.
