Глава XXV. Элементарные частицы

§ 230. Общие замечания

Изучая строение вещества, мы убеждаемся, что все многообразие известных нам тел построено в конечном счете из комбинаций трех типов мельчайших частиц — протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны, группируясь, дают атомные ядра. Атомные ядра совместно с электронами образуют атомы, атомы сочетаются в молекулы и т. д.

При современном состоянии науки неизвестно, являются ли электрон, протон и нейтрон простейшими, неразложимыми далее частицами, или же они, подобно атомам, построены из других (неизвестных еще) более фундаментальных частиц. Такие частицы, относительно которых нет доказательств, что они являются составными, принято называть элементарными частицами. Помимо электрона, протона и нейтрона известны и другие элементарные частицы.

К их числу прежде всего следует отнести электромагнитные кванты (фотоны). Фотоны не входят непосредственно в состав атомов, молекул и т. д., но играют в природе важную роль в качестве агентов, передающих энергию от одних частиц или тел к другим. В отношении свойств между электронами, протонами и нейтронами, с одной стороны, и фотонами, с другой, имеется различие, но, как мы видели в §§ 209, 223, 224, существует и глубокое единство. Это заставляет нас считать фотон одним из видов элементарных частиц.

Далее, к элементарным частицам относятся позитрон и нейтрино. Позитрон — двойник электрона, отличающийся от него только знаком электрического заряда. Мы сталкиваемся с позитронами в явлениях искусственной радиоактивности и взаимодействия жестких -квантов с веществом (образование пар электрон — позитрон, см. §223). Нейтрино — нейтральная частица, излучаемая одновременно с электронами или позитронами при -распаде атомных ядер. Свойства нейтрино будут рассмотрены далее.

Наконец, в ядерных реакциях, вызываемых частицами и -квантами очень больших энергий (сотни миллионов и миллиарды электронвольт), наблюдается образование так называемых мезонов и других частиц, причисляемых к элементарным, с которыми мы познакомимся в § 232—234.

При анализе свойств элементарных частиц прежде всего бросается в глаза, что элементарные частицы отнюдь не являются неизменяемыми: они испытывают взаимные превращения, переходя друг в друга. Так, -квант при определенных условиях превращается в пару электрон — позитрон согласно реакции

.                                                    (230.1)

Эту реакцию нельзя толковать в том смысле, что -квант состоит из электрона и позитрона. Если было бы так, то электрон и позитрон должны были бы объединяться в один -квант; в действительности же при аннигиляции электрона и позитрона испускаются два -кванта. Следовательно, реакция (230.1) не есть реакция разложения сложной частицы на составные части, э есть реакция превращения одной элементарной частицы (-кванта) в другие (электрон и позитрон).

Другим примером взаимного превращения элементарных частиц является -распад нейтрона (§221)

.                                                           (230.2)

Нейтрон самопроизвольно превращается в протон (), электрон () и нейтрино (). Во многих ядрах наблюдается обратный процесс — превращение  протона в нейтрон, позитрон и нейтрино:

.                                               (230.3)

Так как протон переходит в нейтрон, а нейтрон в протон, то это значит, что обе частицы одинаково простые. Как уже отмечалось в § 225 применительно к атомным ядрам, электроны и позитроны образуются в процессе -распада, а не содержатся заранее в составе нейтрона или протона.

Способность элементарных частиц к взаимным превращениям указывает на сложность их внутреннего строения. Этот вывод подтверждают и другие факты. В качестве примера рассмотрим вопрос о магнитном моменте нейтрона.

Опыты показывают, что электрон, протон, нейтрон, как и многие другие частицы, являются миниатюрными вращающимися волчками, или, как говорят, обладают спином. Хотя спин — это свойство, сходное с вращением вокруг оси, проходящей через центр масс частицы, полной аналогии здесь нет — спиновое вращение, например, нельзя ускорить или замедлить. Особенности свойств спина обусловлены волновой природой частиц.

Вращение электрически заряженной частицы приводит к появлению кругового тока, который придает частице свойства магнитика (см. том II). И действительно, известны многочисленные проявления магнетизма электронов и протонов. Так, например, столь широко используемая в технике способность железа намагничиваться является следствием спинового магнетизма электронов. Магнетизм протонов гораздо слабее, но также получил практические применения.

Более удивительно, что и нейтрон обнаруживает свойства магнитика. Это означает, что в нейтроне содержатся электрические заряды. Так как в целом нейтрон не заряжен, алгебраическая сумма положительного и отрицательного заряда равна нулю. Но если заряды двух знаков расположены на разных расстояниях от оси вращения, то магнитные поля, создаваемые их движением, компенсироваться не будут, и нейтрон будет намагничен.