На початок 30-х років XX століття було відомо всього 4 типи елементарних частинок – протони, нейтрони, електрони і фотони. Вченим удалося пояснити природу хімічних елементів, їх сполук, випромінювань, що випромінюються ними.
Усі об’єкти навколишнього світу складаються з певних частинок, що розглядаються у сучасній фізиці як первинні основні частинки ? елементарні частинки. Зараз їх більше 400.
Елементарні частинки і їхні античастинки поділяють на три групи: фотони, адрони та лептони.
Фотон ? це квант електромагнітної взаємодії з масою спокою, яка дорівнює нулю, фотон має швидкість у вакуумі 3?108 м/с.
Частинки двох інших груп пов’язані з речовиною. Це адрони і лептони. Адрони (беруть участь у сильній взаємодії) підрозділяються на два класи: мезони (піони, каони тощо) і баріони (нуклони, гіперони). До лептонів належать електрон, мюон, таон і відповідні їм нейтрино.
Елементарні частинки можуть бути нейтральними або мати позитивний або негативний електричний заряд, який дорівнює елементарному зарядові 1,6·10-19 Кл.
Нуклони (протони і нейтрони) є складовими частинами атомного ядра, а з електронів складається оболонка, що оточує ядро.
Поряд із частинками, що визначають структурні властивості матерії, існує величезна кількість нестабільних частинок, що з’являються в перетвореннях нуклонів під час їх зіткнень при більших енергіях.
Елементарні частинки мають ряд властивостей (електричний заряд, спін, тип розпаду), що дозволяють класифікувати їх за категоріями, групами і сімействами.
Для будь-якої елементарної частинки є своя античастинка.
Частинка та її античастинка мають у точності однакові маси, періоди напіврозпаду і типів розпаду, а також квантові числа спіну, і в той же час ? протилежні електромагнітні властивості. Наприклад, для електрона і позитрона електричні заряди мають різні знаки, а вектори спіну S і власного магнітного моменту p мають різну взаємну орієнтацію.
При зіткненні частинки та античастинки відбувається їхня анігіляція, і при цьому маси обох частинок перетворюються в електромагнітну енергію ?-випромінювання. Приклад: електрон і позитрон. При утворенні пари позитрон-електрон електромагнітна енергія перетворюється на масу. При проходженні через речовину позитрон може зіткнутися з електроном, і при цьому відбудеться анігіляція (знищення) обох частинок, і маса-енергія пари з'явиться у вигляді двох фотонів з повною енергією: 2mec2, де me ? маса електрона.
У нейтрино також є античастинка – антинейтрино.
Відповідно до сучасної кваркової моделі всі адрони розглядаються як комбінації фундаментальних частинок ? кварків і відповідних їм антикварків. Заряд кварка може дорівнювати 1/3 та 2/3 заряду електрона. В адронах кварки мають надзвичайно велику енергію зв’язку, тому вони не можуть спостерігатися як самостійні об’єкти.
Здатність елементарних частинок до взаємних перетворень із дотриманням законів збереження дозволяє припускати наявність єдиного загального поля, різними квантовими станами якого і є ці частинки. Фізики сподіваються, що об’єднана теорія пояснить сильну, слабку і гравітаційну взаємодії з позицій єдності світобудови.
Як виявити елементарну частинку? Зазвичай вивчають і аналізують сліди (траєкторії або треки), залишені частинками.
Усі частинки також поділяються на два класи:
Ферміони, які складають речовину.
Бозони, через які здійснюється взаємодія.
Ферміони підрозділяються на лептони і кварки.
Характеристики лептонів
ЛЕПТОНИ
Назва частинки
Спін
Маса спокою,
МеВ
Час життя, с
Ел. заряд
Електронне нейтрино
Електрон
1/2
1/2
Близько 0
0,511
Стабільне
Стабільний
0
-1
Мюонне нейтрино,
Мюон
1/2
1/2
Близько 0
106,6
Стабільно
2·10-6
0
-1
Тау-нейтрино,
Тау-лептон
1/2
1/2
< 164
1784
Стабільне
3?10-12
0
-1
Решта фундаментальних частинок має назву кварків.
Кварки беруть участь у сильних взаємодіях, а також у слабких і в електромагнітних.
Кварки
Назва частинки
(Аромат)
Позначення
Колір
(блакитний, зелений, червоний)
Маса спокою,
МеВ
Електричний заряд
Up
(Верхній)
Down
(Нижній)
u
d
uб uз uч
dб dз dч
310
310
+2/3
-1/3
Charm
(Зачарова-ний)
Strange
(Дивний)
c
s
cб cз cч
sб sз sч
1500
505
+2/3
-1/3
Top
Truth
(Істинний)
Bottom
Beauty
(Красивий)
t
b
tб tз tч
bб bз bч
(Гіпотетична частинка)
>22500
близько
5000
+2/3
-1/3
Заряди кварків дробні: від -1/3e до +2/3e (e ? заряд електрона).
Кварки в сьогоднішньому Всесвіті існують лише в зв'язаних станах ? лише у складі адронів. Наприклад, у складі протона ? кварки uud, нейтрона ? udd.