Частицы и античастицы

Квантовая механика позволяет описывать поведение микрочастиц. Первым из них был открыт электрон. В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон обнаружил неизвестные ранее лучи, возникающие при электрических разрядах в сильно разреженных газах. Они были назвали катодными (катод ‒ отрицательно заряженный электрод в газоразрядной трубке). Исследования показали, что катодные лучи представляют собой поток мельчайших частиц, которые несут отрицательный электрический разряд и движутся со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Томсон измерил их массу и заряд. Оказалось, что они в две тысячи раз легче самого легкого атома – водорода. Частицы получили название электронов.

Эрнст Резерфорд предположил, что ядро атома водорода входит в состав ядер других элементов и поэтому является элементарной частицей. Ее Резерфорд назвал протоном[22].

В 1932 году ученик Резерфорда Джеймс Чедвик (1891 ‒ 1974) открыл новую частицу. Она электрически нейтральна, а ее масса несколько превышает массу протона. Она была названа нейтроном[23].

В 1934 году независимо друг от друга советский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко (род. 1928) и немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901 ‒ 1976) высказали гипотезу о том, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. В настоящее время протон-нейтронная модель ядра является общепризнанной.

В последующее время были открыты сотни новых частиц. Они получили название элементарных.

Частицы, относительно которых нет доказательств, что они являются составными, принято называть элементарными частицами.

В конце двадцатых годов XX века в основном было завершено создание квантовой механики. Она смогла описывать поведение микрочастиц, движущихся с невысокими скоростями, и это описание совпадало с экспериментальными данными. В скором времени английский физик Поль Дирáк (1902 ‒ 1984) объединил квантовую механику и специальную теорию относительности и создал релятивистскую квантовую механику. С ее помощью можно было описывать поведение микрочастиц, имеющих скорость, сравнимую со световой. В 1928 году он сделал удивительное открытие: должна существовать элементарная частица, которая по всем характеристикам совпадает с электроном, но имеет положительный заряд. Через несколько лет она была открыта и получила название позитрон[24]. Новому классу частиц было дано название – античастицы.

Частица и античастица различаются только знаком электрического заряда. Их остальные свойства – масса покоя, абсолютная величина заряда и другие ‒ полностью совпадают. Физики сделали вывод: у каждой частицы есть античастица, за исключением нескольких частиц. При столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция – их взаимное уничтожение с выделением большого количества энергии.

При объединении антипротонов и антинейтронов могут возникнуть антиядра, заряженные отрицательно. Если к ним присоединятся позитроны, т.е. антиэлектроны, могут возникнуть антиатомы, которые будут электрически нейтральны. Те, в свою очередь, смогут образовать антимолекулы и вообще антивещество.

В 1970 году в Институте физики высоких энергий в Серпухове были синтезированы ядра антигелия-3. Они состоят из двух антипротонов и одного антинейтрона. В дальнейшем были получены также ядра антитрития-3, состоящие из одного антипротона и двух антинейтронов.