Страницы истории науки и техники

Но главное, математический аппарат, адекватный физическим идеям, предохраняет от применения макроскопических аналогий там, где они уже теряют свой смысл, т. е. от ошибки наглядных представлений, о которых неоднократно шла речь выше. Очень существенно, что этот же аппарат автоматически дает количественную „оценку“ критерия применимости того или иного макроскопического понятия»[323]. Вот именно: Шрёдингеру удалось составить уравнение, которое оказалось адекватным идеям квантовой механики.

Один из основоположников квантовой механики — швейцарский физик-теоретик Паули установил в 1925 г. имеющий большое значение принцип (носящий теперь название принципа Паули), являющийся фундаментальным законом. Согласно этому принципу, ни в атоме, ни в молекуле не может быть двух электронов, находящихся в одинаковом состоянии. Например, в атоме на одной орбите (если пользоваться представлениями Резерфорда) могут находиться только два электрона; но тогда их спины должны быть направлены в разные стороны, и их состояния поэтому различны. Принцип Паули помог определить число различных электронных состояний в электронной оболочке атома (число орбит).

Термин элементарные частицы, к рассмотрению которых мы теперь переходим, первоначально означал простейшие частицы, из которых состоят атомы вещества.

Известный английский физик, ученик Резерфорда Джеймс Чедвик (1891–1974) открыл нейтрон — нейтральную частицу, входящую вместе с протонами в ядро атома и сыгравшую такую важную роль в создании способов использования ядерной энергии.

После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 г. нейтрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц — в общей сложности около 350. В том числе: позитрон, о котором мы уже упоминали как об античастице электрона; мезоны — нестабильные микрочастицы (к ним относятся ц — мезоны, π — мезоны и более тяжелые π° — мезоны); различного вида гипероны — нестабильные микрочастицы с массами больше массы нейтрона; частицы-резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10^–22 — 10^-24 с); нейтрино — стабильная, не имеющая электрического заряда частица, по-видимому, с нулевой массой покоя, обладающая почти невероятной проницаемостью; антинейтрино — античастица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком лептонного заряда, и др.

В этой книге нет возможности говорить о свойствах и особенностях отдельных элементарных частиц, да, пожалуй, это и не отвечало бы ее назначению. Но зато необходимо сказать о некоторых более общих понятиях, касающихся элементарных частиц. Вполне уместен, в частности, вопрос: какими свойствами элементарных частиц пользуются, различая их между собой? Некоторые из этих свойств вполне привычны: масса, электрический заряд, время жизни; другие — менее привычны: спин, т. е. собственный момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого, измеряется в единицах постоянной Планка h(h = h/2π) и может быть целым или полуцелым (1/2, 3/2…) числом; квантовые числа (также целые или полуцелые), характеризующие состояние элементарных частиц.

В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление — взаимодействие. Различают четыре вида взаимодействия. Сильное взаимодействие (короткодействующее, радиус действия приблизительно 10^–13 см), связывающее между собой нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре; именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие (дальнодействующее, радиус действия не ограничен, поскольку силы взаимодействия медленно убывают с расстоянием) определяет взаимодействие между электронами и ядрами атомов или молекул; взаимодействующие частицы имеют электрические заряды; этот вид взаимодействия проявляется в таких макроскопических явлениях, как химические связи, упругость, трение; переносчиком этого вида взаимодействия менаду частицами является электромагнитное поле.

Слабое взаимодействие (короткодействующее, радиус действия меньше 10–15 см), в котором участвуют все элементарные частицы, обусловливает взаимодействие нейтрино с веществом.

Гравитационное взаимодействие — самое слабое взаимодействие, не учитываемое в теории элементарных частиц; распространяется на все виды материи. Наоборот, когда речь идет об очень больших массах, гравитационное взаимодействие (тяготение) имеет решающее значение. Радиус действия не ограничен.

Элементарные частицы обычно разделяют на следующие классы:

1) фотоны — кванты электромагнитного поля, частицы, как уже говорилось, с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаимодействия, но участвуют в электромагнитном взаимодействии;

2) лептоны (от греч. leptos — легкий), к числу которых относятся электроны, нейтрино; все они не обладают сильным взаимодействием, но участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд — также и в электромагнитном взаимодействии;