Свойства элементарных частиц

• 1. Все элементарные частицы отличаются крайне малыми размерами и массами. Большинство из них имеют размеры порядка 10−13 см, а массы, сравнимые с массой протона, т. е. 1,6×10−24 г. Масса электрона гораздо меньше, составляет 0,9×10−27 г. Этим объясняются те квантовые свойства и закономерности, которые им присущи.
• 2. Наиболее характерным свойством элементарных частиц является их способность взаимодействовать друг с другом, в процессе которого они превращаются в иные частицы. Такие процессы наиболее изучены в ядерных реакциях, когда одни атомы превращаются в другие. Подобные явления происходят как в естественных условиях, когда один радиоактивный элемент преобразуется в другой, так и в искусственных, когда ядро атома бомбардируется нейтронами.
• 3. Поскольку различные взаимодействия частиц проходят с разной интенсивностью, постольку в настоящее время выделяют 4 основных типа взаимодействия.

По интенсивности, с которой происходят взаимодействия элементарных частиц, выделяют сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия.

Сильное взаимодействие является наиболее интенсивным, и именно оно обусловливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах. Электромагнитное взаимодействие менее интенсивно по своему характеру и определяет специфику связи между электронами и ядрами в атоме, а также между атомами в молекуле. Слабое взаимодействие — наименее интенсивно, оно вызывает медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в частности распад так называемых квазичастиц. Гравитационное взаимодействие осуществляется на чрезвычайно коротких расстояниях и вследствие крайней малости масс частиц дает весьма малые эффекты. Сильное взаимодействие происходит между ядерными частицами — протоном и нейтроном, благодаря чему достигается такая прочная стабильность ядра. В свободном состоянии нейтрон, например, является нестабильной частицей и распадается с образованием протона, электрона и нейтрино. Но в связанном состоянии в рамках ядра он становится по своим свойствам сходным с протоном. Сильное взаимодействие является короткодействующим, его радиус составляет 10 -13 см. В стабильном веществе взаимодействие между протонами и нейтронами при не слишком высокой температуре способствует лишь усилению связи между ними. Однако если происходит столкновение ядер или их частей — нуклонов, обладающих достаточно высокой энергией, тогда могут произойти различные ядерные реакции. Наиболее примечательной является реакция термоядерного синтеза, сопровождающаяся выделением огромной энергии. Электромагнитное взаимодействие является менее интенсивным, чем сильное. С помощью такого взаимодействия осуществляется, во-первых, взаимосвязь и взаимодействие между положительно заряженным ядром и обращающимися вокруг него отрицательно заряженными электронами, во-вторых, взаимодействие между атомами в молекулах вещества. С электромагнитными взаимодействиями связано большинство сил, встречающихся в природе: силы упругости, поверхностного натяжения, изменения агрегатного состояния тел, химические превращения, магнитные и оптические явления и так далее. Можно, пожалуй, сказать, что большинство явлений, которые происходят в окружающем нас макромире, могут быть объяснены посредством механизма электромагнитного взаимодействия. Слабое взаимодействие значительно слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия. О силе взаимодействия судят по скорости процессов, которые оно вызывает. Очевидно, что при слабом взаимодействии процессы происходят гораздо медленнее, чем при сильном и даже электромагнитном взаимодействии. Несмотря на это, слабое взаимодействие играет важную роль в природе. Без него погасло бы наше Солнце, был бы невозможен распад радиоактивных атомных ядер, эволюция звезд и многое другое.

Гравитационное взаимодействие является самым слабым среди всех остальных. Сила такого взаимодействия, по закону Ньютона, прямо пропорциональна произведению масс двух элементарных частиц и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Если сравнить эту силу гравитационного взаимодействия между двумя протонами на расстоянии 10−13 см, то она будет в 1036 раз меньше электростатического взаимодействия между ними на таком же расстоянии (определяемого по закону Кулона). Приведенная классификация взаимодействий имеет относительный характер, так как существенно зависит от энергии частиц. Во всяком случае, классификация не является ни окончательной, ни универсальной.

4. Одна из характерных особенностей элементарных частиц состоит в способности рождаться и уничтожаться, т. е. испускать и поглощать частицы при ядерных реакциях. Типичным примером может служить реакция превращения пары электрон и позитрон в пару фотонов: е- + е+ > 2 г. Учитывая, что в этой и аналогичных реакциях происходит превращение частиц вещества в кванты излучения, или фотоны, часто ее называют аннигиляцией, или исчезновением, материи. Подобные же взаимопревращения происходят и с другими элементарными частицами, поэтому термин «аннигиляция» вряд ли подходит для характеристики таких превращений. Ведь фотоны являются такими же материальными объектами, как и электроны и позитроны.