Частинки елементарні, енциклопедія Навколосвіт

ЧАСТИНКИ ЕЛЕМЕНТАРНІ

ЧАСТИНКИ ЕЛЕМЕНТАРНІ. Склад матерії неймовірно простий. Вся видима матерія у Всесвіті - на Землі і в космосі - складається з фундаментальних частинок трьох різних видів: електронів і двох типів кварків.

Ці три частки (як і інші описувані нижче) взаємно притягуються і відштовхуються відповідно до своїх зарядів. яких всього чотири види за кількістю фундаментальних сил природи. Заряди можна розташувати в порядку зменшення відповідних сил наступним чином: колірної заряд (сили взаємодії між кварками); електричний заряд (електричні і магнітні сили); слабкий заряд (сили в деяких радіоактивних процесах); нарешті, маса (сили тяжіння, або гравітаційної взаємодії). Слово «колір» тут не має нічого спільного з кольором видимого світла; це просто характеристика сильного заряду і найбільших сил.

Заряди зберігаються. тобто заряд, що входить в систему, дорівнює заряду, з неї виходить. Якщо сумарний електричний заряд деякого числа частинок до їх взаємодії дорівнює, скажімо, 342 одиницям, то він і після взаємодії незалежно від його результату буде дорівнює 342 одиницям. Це відноситься і до інших зарядів: колірному (заряду сильного взаємодії), слабкому і масового (масі). Частинки розрізняються своїми зарядами: по суті, вони і «є» ці заряди. Заряди - це як би «довідка» про право відповідати на відповідну силу. Так, тільки на кольорові частинки діють колірні сили, тільки на електрично заряджені частинки діють електричні сили і т.д. Властивості частки визначаються найбільшою силою, що діє на неї. Тільки кварки є носіями всіх зарядів і, отже, схильні до дії всіх сил, серед яких домінуючою є колірна. Електрони мають всі заряди, крім колірного, а домінуючою для них є електромагнітна сила.

Найбільш стійкими в природі виявляються, як правило, нейтральні комбінації частинок, в яких заряд частинок одного знака компенсується сумарним зарядом частинок іншого знака. Це відповідає мінімуму енергії всієї системи. (Точно так само два стрижневих магніту розташовуються в лінію, причому північний полюс одного з них звернений до південного полюса іншого, що відповідає мінімуму енергії магнітного поля.) Гравітація ж є винятком з цього правила: негативною маси не існує. Ні тіл, які падали б вгору.

ВИДИ МАТЕРИИ

Звичайна матерія утворюється з електронів і кварків, що групуються в об'єкти, нейтральні за кольоровим, а потім і по електричному заряду. Колірна сила нейтралізується, про що докладніше буде сказано нижче, коли частинки об'єднуються в триплети. (Звідси і сам термін «колір», взятий з оптики: три основних кольори при змішуванні дають білий.) Таким чином, кварки, для яких колірна сила є головною, утворюють триплети. Але кварки, а вони поділяються на u кварка (від англ. Up - верхній) і d кварка (від англ. Down - нижній), мають ще й електричний заряд, рівний для u кварка і для d кварка. Два u кварка і один d кварка дають електричний заряд +1 і утворюють протон, а один u кварка і два d кварка дають нульовий електричний заряд і утворюють нейтрон.

Стабільні протони і нейтрони, притягує один до одного залишковими колірними силами взаємодії між складовими їх кварками, утворюють нейтральне за кольором ядро атома. Але ядра несуть позитивний електричний заряд і, притягаючи негативні електрони, що обертаються навколо ядра на зразок планет, які обертаються навколо Сонця, прагнуть утворити нейтральний атом. Електрони на своїх орбітах віддалені від ядра на відстані, в десятки тисяч разів перевищують радіус ядра, - свідоцтво того, що утримують їх електричні сили набагато слабкіше ядерних. Завдяки силі колірного взаємодії 99,945% маси атома укладено в його ядрі. Маса u - і d кварка приблизно в 600 разів більше маси електрона. Тому електрони набагато легше і більш рухливими ядер. Їх рухом в речовині обумовлені електричні явища.

Існує кілька сот природних різновидів атомів (включаючи ізотопи), що розрізняються числом нейтронів і протонів в ядрі і відповідно числом електронів на орбітах. Найпростіший - атом водню, що складається з ядра у вигляді протона і обертається навколо нього єдиного електрона. Вся «видима» матерія в природі складається з атомів і частково «розібраних» атомів, які називаються іонами. Іони - це атоми, які, втративши (або придбавши) кілька електронів, стали зарядженими частинками. Матерія, що складається майже з одних іонів, називається плазмою. Зірки, палаючі за рахунок йдуть в центрах термоядерних реакцій, складаються в основному з плазми, а оскільки зірки - найпоширеніша форма матерії у Всесвіті, можна сказати, що і весь Всесвіт складається в основному з плазми. Точніше, зірки - це переважно повністю іонізований газоподібний водень, тобто суміш окремих протонів і електронів, а отже, з неї і складається майже вся видима Всесвіт.

Це - видима матерія. Але у Всесвіті є ще невидима матерія. І є частинки, які виступають в ролі носіїв сил. Існують античастинки і збуджені стани деяких частинок. Все це призводить до явно надмірного достатку «елементарних» частинок. У цьому достатку можна знайти вказівку на дійсну, справжню природу елементарних частинок і сил, що діють між ними. Згідно найостаннішим теоріям, частки в своїй основі можуть являти собою протяжні геометричні об'єкти - «струни» в десятімерном просторі.

Невидимий світ.

У Всесвіті є не тільки видима матерія (а також чорні діри і «темна матерія», наприклад холодні планети, які стануть видимими, якщо їх освітити). Існує і справді невидима матерія, що пронизує всіх нас і весь Всесвіт щомиті. Вона являє собою швидко рухається газ з частинок одного сорту - електронних нейтрино.

Електронне нейтрино є партнером електрона, але не має електричного заряду. Нейтрино несуть лише так званий слабкий заряд. Їх маса спокою, цілком ймовірно, дорівнює нулю. Але з гравітаційним полем вони взаємодіють, оскільки володіють кінетичної енергією E. якої відповідає ефективна маса m. згідно з формулою Ейнштейна E = mc 2. де c - швидкість світла.

Таблиця 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНІ ЧАСТИНКИ