Лайнус Полинг, Питер Полинг - Химия
В настоящее время 34 фундаментальные частицы удобно классифицировать следующим образом:
8 барионов (протон, нейтрон и шесть более тяжелых частиц)
8 антибарионов
8 мезонов и антимезонов
8 лептонов и антилептонов
фотон
гравитон
Большинство из перечисленных фундаментальных частиц можно описать либо как частицы, образующие вещество, либо как частицы, образующие антивещество. Существование этих двух видов материи было предсказано на основании релятивистской квантовой механики английским физиком-теоретиком П. А. М. Дираком (род. в 1902 г.), который первым развил теорию квантовой механики, совместимую с теорией относительности. Его предсказания полностью подтвердились экспериментальными данными. Каждой электрически заряженной частице соответствует античастица, идентичная по одним свойствам и противоположная по другим: массы и спины у таких частиц одинаковы, а электрические заряды противоположны. Так, электрон, являющийся составной частью обычного вещества, и позитрон, представляющий собой антиэлектрон, имеют противоположные электрические заряды: −e и +e соответственно, их массы одинаковы; каждая из этих частиц имеет спин, представленный спиновым квантовым числом 1/2, что допускает два способа ориентации частицы в магнитном поле. Некоторые нейтральные частицы имеют античастицы, другие же тождественны своим античастицам. Всякий раз при столкновении частицы с соответствующей античастицей происходит их аннигиляция. Массы таких частиц полностью превращаются в световые волны высокой энергии или в некоторых случаях в более легкие частицы, движущиеся с огромными скоростями. Уравнение Эйнштейна E = mc2 позволяет рассчитать количество энергии, высвобождающейся при аннигиляции частицы и ее античастицы, этот процесс сопровождается образованием лучистой энергии. Нейтральные частицы, тождественные своим античастицам, распадаются очень быстро.
Антивещество на Земле существует не иначе, как в процессах быстрых превращений. Частицы антивещества возникают при соударениях (как описано в следующем разделе), и затем эти античастицы быстро прекращают свое существование (аннигилируют) в результате реакции при соударениях с частицами обычного вещества.
Возможно, что некоторые области Вселенной (предположительно некоторые туманности) состоят из антивещества. Атом водорода в таких областях состоит из позитрона, движущегося вокруг антипротона. Столкновение между антивеществом такой туманности и туманности, состоящей из обычного вещества, должно приводить к высвобождению огромного количества лучистой энергии и может фиксироваться астрономами.
Фермионы и бозоны
Элементарные частицы по величине их спина можно разделить на два класса. Электрон может быть описан как частица, имеющая спин, равный 1/2. Он имеет момент количества движения, соответствующий спиновому квантовому числу 1/2; в магнитном поле он может ориентировать свой момент количества движения с компонентами как +1/2, так и −1/2 в направлении данного поля (момент количества движения измеряется в единицах h/2π). В гл. 5 упоминалось также, что два электрона не могут занимать одну и ту же орбиталь в атоме, если они не имеют противоположно ориентированных спинов; иными словами, они не могут быть полностью в одинаковом квантовом состоянии, т. е. занимать одну и ту же орбиталь и иметь одинаковую (например, положительную) ориентацию спина. К этому и сводится принцип запрета (принцип Паули).
Частицы, имеющие спин, равный 1/2, названы фермионами в честь физика Энрико Ферми. Согласно принципу Паули, два одинаковых фермиона не могут находиться в совершенно одинаковом квантовом состоянии.
Барионы, антибарионы, лептоны и антилептоны — все это фермионы. Частицы со спинами 3/2, 5/2,… также фермионы.
Частицы с целочисленным спином (0, 1, 2,…) называют бозонами, так они названы в честь индийского физика С. Н. Бозе; бозоны взаимодействуют между собой так, что допускается нахождение двух или более частиц в одинаковом квантовом состоянии. Фотон, гравитон и мезоны являются бозонами. Все мезоны имеют спин, равный 0. Фотон имеет спин, равный 1. Гравитон, представляющий собой квант гравитационного поля, должен иметь спин, равный 2.
Фотон, или квант света, в настоящее время считают одной из фундаментальных частиц. Ньютон рассматривал как корпускулярную, так и волновую теорию света. На протяжении XIX в. предпочтение неизменно отдавалось волновой теории света в связи с успешными экспериментами по дифракции света. В 1905 г. Эйнштейн обратил внимание на то, что значительную часть не поддававшихся ранее объяснению опытных данных можно довольно просто интерпретировать в предположении, что свет (видимый свет, ультрафиолетовое излучение, радиоволны, гамма-лучи и т. д.) обладает некоторыми свойствами частиц (разд. 3.10). Он назвал эти «частицы» света «световыми квантами», и с того же времени вошло в употребление название «фотон». Количество энергии, составляющее световой квант, определяется частотой данного излучения; энергия кванта E = hν.
Свойства света нельзя исчерпывающе описать на основании аналогии лишь с обычными волнами или лишь с обычными частицами. Установлено, что для понимания одних явлений более удобно считать свет волновым движением, тогда как при рассмотрении других явлений предпочтительнее считать свет состоящим из фотонов (разд. 3.11 и 3.12). Эта корпускулярно-волновая двойственность присуща также материи. Электроны, протоны, нейтроны и другие материальные частицы, как установлено, обладают некоторыми свойствами, которые ученые обычно связывают с волновым движением. Так, пучок электронов или пучок нейтронов может быть дифрагирован точно так же, как и пучок рентгеновских лучей. На дифракции электронов и нейтронов основаны важные методы изучения структуры кристаллов и молекул газов. Длина волны электрона, нейтрона или какой-либо другой частицы зависит от ее массы покоя и скорости, с которой она перемещается. Длина волны частицы определяется уравнением де Бройля: λ = h/mv, где λ — длина волны частицы, h — постоянная Планка, m — масса и v — скорость (разд. 3.11).
Основное различие между фотоном и материальными частицами с конечной массой покоя заключается в том, что в вакууме фотон движется всегда с постоянной скоростью — со скоростью света, тогда как частицы с конечной массой покоя способны перемещаться с различной по отношению к наблюдателю скоростью вплоть до максимальной, равной скорости света; при такой скорости эти частицы должны обладать бесконечно большой энергией.
Для обозначения фотона используется символ γ (греческая буква «гамма»). Ранее этим символом обозначали γ-лучи, представляющие собой фотоны высокой энергии, высвобождающиеся в процессе радиоактивного распада ядра.
Со спином фотона, равным единице, связана поляризация света, рассмотренная в гл. 6. Правая круговая поляризация света отвечает составляющей спина +1 в направлении распространения света, а левая круговая поляризация — составляющей спина −1.
Фотоны могут испускаться или поглощаться колеблющимся электрическим диполем, например отрицательно заряженным электроном, вращающимся вокруг положительно заряженного протона. Можно полагать, что система, состоящая из двух отдельных масс, таких как Земля и Луна, при вращении относительно их общего центра должна испускать гравитационные кванты. Такие гравитационные кванты называют гравитонами. В настоящее время выполнены некоторые работы по изучению свойств гравитационных волн, однако существование гравитона, квантованной гравитационной волны, опытными данными пока не подтверждено.