Сейчас известно большое количество элементарных частиц, имеющих различные свойства. Попытки классифицировать их по некоторым общим признакам способствовать установлению закономерностей, связанных со строением и поведением частиц, позволят предусмотреть еще неоткрытые частицы, как это сделал Д.И.Менделеев для химических элементов.
В табл. 18.2 приведены основные известные элементарные частицы и их характеристики. Если в основу классификации частиц положить спин, то их можно разделить на две группы - фермионы и бозоны. Если же в основу классификации частиц положить массу, то определятся четыре группы частиц: фотоны, лептоны, мезоны, барионы.
В табл. 18.2 приведены названия только для частиц. Название соответствующей античастицы для барионов, нейтральных каона и всех видов нейтрино образуют добавлением к названию частицы приставки «анти». Например, протон - антипротон, электронное нейтрино - электронное антинейтрино. Антиэлектрон называют также позитроном. К заряженным пионов и Каонте срок античастица, как правило, не применяют. Речь идет о положительных и отрицательных пионы (КАОН). Фотоны, т.е. у-кванты электромагнитного поля, масса которых равна нулю, а спин равен Л / (2ти), участвуют только в электромагнитных взаимодействиях.
Лептоны. Еще недавно было известно четыре лептоны: два заряженных (е ~, и два их нейтральные спутники (ve, ? €). Затем было установлен третий заряженный лептон, которому присвоили символ т. Допускается, что т-лептон также «собственное» нейтрино. Для лептонов присущи малые значения масс. Среди этих частиц наибольшую массу имеет т-лептон, наименьшую - электронное нейтрино. Лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Все лептоны имеют пивцилий спин и, следовательно, описываются статистике Ферми. Среди них есть электрически заряженные (электрон, позитрон, мюоны) и нейтральные (электронные и мюонные нейтрино и антинейтрино). Они имеют отличный от нуля лептонный заряд. барионного заряда для них равен нулю.
Электроны - это элементарные частицы, которые были обнаружены первыми при изучении атомной структуры вещества. Электрон является носителем наименьшей порции электрического заряда. Его заряд е = 1,60-10 ~ 19 Кл, масса покоя то = 9,11 • 10 ~ 31 кг. Знак минус означает, что магнитный и механический моменты электрона имеют противоположное направление. Электроны обозначаются символом е ~. Электрон является стабильной частицей, которая спонтанно не превращается в другие частицы. Наряду с негативными существуют положительные электроны - позитроны, относительно электронов является античастицами. Позитрон отличается от электрона только знаком электрического и электронного лептонного зарядов. Абсолютные значения этих зарядов и все остальные характеристики у позитронов и электронов совпадают. Позитрон является частью, стабильной в вакууме, однако в веществе долго не может существовать в силу того, что при столкновении с электроном они аннигилируют, превращаются в электромагнитное излучение (см. раздел 17.12).
Мюоны. Впервые мюоны обнаружили 1937 К. Андерсон и С. Недер-Мейер в составе космического излучения. Известно положительные (ц +) и отрицательные (ц ~) мюоны. Электрический заряд мюонов по абсолютному значению равен заряду электрона. Отрицательно и положительно заряженные мюоны выступают соответственно как частица и античастица. Мезоны - частицы с массой, промежуточной между массами лептонов и массами более массивных частиц - барионов, принадлежат к следующему классу. Они участвуют во всех трех видах взаимодействия, при этом сильное взаимодействие превалирует. От класса барионов они отличаются отсутствием барионного заряда, от класса лептонов - отсутствием лептонного заряда. Мезоны имеют нулевой спин. Они бывают электрически заряженными и нейтральными, странными и обычными, характеризуются целым и пивцилим изотопическими спинами. В группу мезонов принадлежат пионы (я-мезоны), Каонте (ИГ-мезоны), Этон (т]-мезон). Мезоны, как электроны или протоны, существуют в двух видах частиц и античастиц.
Существование и нестабильность мезонов были предусмотрены до их открытия квантово-механической теории внутриядерных сил, предложенной японским физиком X. Юкава (1935 г.). В теории Юкавы предполагалось, что: 1) мезоны могут иметь заряд электрона или позитрона, 2) их масса в 200-300 раз больше массы электрона, 3) мезоны нестабильны и имеют спонтанно распадаться на электрон (или позитрон) и нейтрино, 4) среднее время жизни мезона составляет миллионную долю секунды.
Некоторое время физики отождествляли мюоны с частицами, предусмотренными теорией X. Юкавы. Однако изучение их свойств показало, что в мюонов нет основной свойства частиц Юкавы: они, в отличие от частиц Юкавы, ядерно неактивны.
Аналогом частиц Юкавы оказались ^-мезоны (пионы), которые также имеют заряд электрона (я ~-мезоны) или позитрона (я +-мезоны). Спин их равна нулю. Масса я-мезонов примерно в 4/3 раза больше массы мюонов фонов ± = 273,2 то. Протон и антипротон, подобно электрона и позитрона, образуют систему частица - античастица. Если в системе электрон - позитрон положительно заряженная частица после прохождения через вещество быстро аннигилирует, то в паре частиц протон - антипротон стабильной является именно положительная частица - протон. Антипротон, хотя и стабилен в вакууме, однако в веществе быстро аннигилирует с протоном, образуя п-и К-мезоны и реже жесткие у-фотоны. Следовательно, наряду с электронно-позитронных вакуумом должен существовать протонно-антипро-тонный вакуум. Антипротон относительно протона является античастицей. Протон является одной из важнейших составных частиц сложных ядер и сам составляет ядро атома водорода. Вместе с электроном протон образует нейтральный атом водорода. Можно представить себе обратную систему, т.е. систему антипротон - позитрон, которая будет по всем свойствам (оптическими, химическими, магнитными и др.). Аналогичная атомам водорода. Это будет антиатом водорода.
Элементарная частица нейтрон имеет массу почти одинаковую с массой протона, но не имеет электрического заряда. Вследствие этого нейтрона свойственна большая проникающая способность, поскольку он при движении в веществе не тратит энергию на ионизацию, излучения и т.д.. Кроме того, из-за отсутствия кулоновского отталкивания нейтроны очень легко проникают в атомные ядра и поэтому очень эффективны частицами, которые вызывают ядерные реакции со всеми ядрами атомов. Итак, гипероны берут свое начало от нуклонов. Нуклоны также конечными продуктами их распада. Именно это позволяет рассматривать гипероны как возбужденные нуклоны. В пользу такого мнения говорит и тот факт, что гипероны способны заменять нуклоны в атомных ядрах, вследствие чего возникают нестабильные гиперядра.