Здравствуйте, дорогой читатель!
Вы когда-нибудь задумывались о том, из чего состоит наш с вами окружающий мир?
Многие знают, что он состоит из атомов — мельчайших частиц, о которых догадывались ещё древние философы. Однако вплоть до начала XIX века люди имели неправильное представление о строении атома.
В середине же XX века было обнаружено, что сами атомы тоже состоят из частиц — кварков и лептонов, которые назвали элементарными частицами. Сегодня мы с вами разберём лептоны. Барионы и переносчики энергии (бозоны) и взаимодействия мы оставим для отдельных статей.
Радиоактивность и нейтрино
Ни для кого не секрет, что некоторые вещества в нашем мире нестабильны, т.е. радиоактивны. Самыми популярными из них является уран или плутоний, про них слышали все. Они имеют свойство активно распадаться, испуская при этом энергию. Читатель мог видеть примеры использования такого феномена в атомных электростанциях, атомном вооружении или даже в рентгене/компьютерной томографии. Давайте же поподробнее рассмотрим этот процесс.
Альфа- и бета-распад
Примечание 1. Т.к. технические возможности платформы не позволяют ставить нижние и верхние индексы, автор вводит следующую систему:
X (A, Z), где X — вещество по таблице Менделеева, A — атомная масса, Z — зарядовое число или же порядковый номер по таблице Менделеева.
В научных же работах буква А пишется верхним индексом, а буква Z — нижним индексом, после которых идёт сам символ вещества.
Всего существует три вида распада атомов (ещё и гамма-), но мы поговорим о двух из них.
Альфа-распад — это процесс, при котором атом распадается на дочернее ядро и альфа(α)-частицу — ядро атома He(4, 2). В качестве примера можно рассмотреть распад урана-238 в торий-234:
U (238, 92) → Th (234, 90) + He (4, 2)
Как мы видим, атом урана становится более лёгким, как бы «выбрасывая» из себя атом гелия-4 с порядковым номером 2, поэтому позиция смещается на 2 к началу таблицы Менделеева. Масса α-частицы равна 4 атомным единицам массы, поэтому число 238 изменяется на 234.
Бета-распад — это тип распада, при котором заряд ядра изменяется на единицу без изменения массового числа, т.е. суммы протонов и электронов в ядре. Его подразделяют на бета-минус- (β-) и бета-плюс-распад (β+).
Бета-минус-распад — это процесс, при котором внутри атома нейтрон распадается на протон и электрон. В качестве примера можно рассмотреть распад трития (изотопа водорода) в гелий-3:
H (3, 1) → He (3, 2) + e- (0, -1) + антинейтрино
Аналогично существует бета-плюс-распад (β+) при котором уже протон распадается на нейтрон, позитрон (е+) и нейтрино, например:
Na (22, 11) → Ne (22, 10) + e+ (0, 1) + нейтрино
Как можно заметить, появляется новая для читателя частица — нейтрино и антинейтрино.
Что такое нейтрино и зачем оно нужно?
Проводя эксперименты, учёные заметили несоответствие между начальными и конечными значениями энергии, импульса и углового момента (спина) элементов. По закону сохранения энергии такого быть не должно, поэтому в ходе экспериментов было предложено существование ещё одной частицы, которая уносит недостающую энергию с собой.
Она заряжена нейтрально и почти ни с чем не взаимодействует, чем можно объяснить тот факт, что её очень трудно обнаружить. На данный момент полагается, что эта частица двигается со скоростью, близкой к скорости света.
Если вернуться к таблице выше, то можно заметить, что её масса самая низкая из всех элементарных частиц и равна всего 0.8 электрон-вольт на c².
Давайте будем вести свою собственную таблицу элементарных частиц, которая поможет нам в понимании.
Забегая немного вперёд, существует класс элементарных частиц - лептоны, в которых находится электрон и новая для читателя частица - нейтрино. Она обозначается буквой V и принадлежит электрону, поэтому рядом записывается буква e (почему так, описано ниже). На данный момент таблица принимает следующий вид:
Поколения
С дальнейшим изучением ядерной физики, электрон, нейтрино, а также их античастицы было предложено объединить в группу, называемую лептонами (от греч. λεπτός — лёгкий).
Помимо электрона и нейтрино со временем были открыты ещё лептоны: мюон и тау-частица. Каждая из них может участвовать в распадах, а значит имеет свой собственный вариант нейтрино. Чтобы избежать путаницы, учёные решили дополнить нейтрино, назвав их электронным, мюонным и тау-нейтрино.
По своим свойствам электрон, мюон и тау-частица очень схожи. Они отличаются лишь своей массой. Поэтому было принято решение объединить их в поколения. Теперь мы впишем новые частицы и их соответствующие нейтрино в нашу таблицу:
Вот такие лептоны получаются в Стандартной модели элементарных частиц!
На следующей неделе мы разберём кварки. Следите за обновлениями!