Субатомные частицы

В 1920 г. физики установили, что каждый атом состоит из ядра, несущего положительный электромагнитный заряд, и окружающего его облака отрицательно заряженных электронов. Оказалось, атом не «элементарная частица» и поддается разделению на более мелкие составляющие. В последующие годы физики открыли множество новых частиц, которые по своим размерам намного мельче атома.

В 1919 г. английский физик Эрнест Резерфорд обнаружил, что если бомбардировать быстрыми а-частицами атомы азота, то они превращаются в атомы кислорода и при этом высвобождаются ядра водорода. Из этого следовало, что в ядре атома азота должны содержаться ядра атома водорода, которые Резерфорд предложил называть протонами (от древнегр. protos - первый). Дальнейшие эксперименты показали, что атомные ядра всех химических элементов составлены из протонов. Однако масса атома оказывалась больше массы его ядра, состоящего, как думали тогда, из протона и электрона. Для устранения этого противоречия в 1921 г. Резерфорд предположил, что существует частица, не имеющая электромагнитный заряд и входящая в состав атомного ядра.

В 1925 г. английский физик Патрик Блэкетт, работавший в Кавендишской лаборатории при Кембриджском университете под руководством Резерфорда, усовершенствовал трековый детектор, изобретенный в 1911 г. шотландским физиком Чарлзом Вильсоном, и создал устройство для регистрации атомного распада. Следующей проблемой, с которой столкнулись исследователи, стала небольшая энергия а-частиц. Они не могли разбивать большие ядра и лишь отскакивали от них. В 1932 г. английский физик Джон Кокрофт и ирландский физик Эрнест Уолтон построили в Кавендишской лаборатории первый в мире ускоритель протонов, получивший название каскадного генератора.

В 1920-х гг. немецкий физик Вальтер Боте с группой сотрудников проводил эксперименты по бомбардировке а-частицами атомов легких элементов (бериллия, полония и других). В 1930 г. они установили, что такая бомбардировка вызывает высоко-проникающее радиоактивное излучение, которое ученые поначалу приняли за у-излучение.

В 1932 г. французские физики Ирен и Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что при а-бомбардировке веществ, содержащих толь- I ко атомы углерода и водорода, высвобождаются протоны с очень высокой энергией. Изучение этого феномена показало, что обнаруженное Боте всепроникающее излучение -это не у-излучение. Английский физик Джеймс Чедвик, работавший в Кавендишской лаборатории, экспериментально доказал, что это излучение состоит из частиц с массой, близкой к массе протона, но не имеющих электромагнитного заряда. Они получили название нейтронов от лат. neutrum - ни тот ни другой. Нейтрон стабилен, пока находится в ядре, но в свободном состоянии распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. В современной ядерной физике протоны и нейтроны - частицы, из которых состоят ядра атомов, - называют также нуклонами (от лат. nucleus - ядро).

Еще в 1914 г. Джеймс Чедвик при изучении ^-излучения (потока электронов, исходящих от нестабильных атомов) столкнулся со странным явлением: электроны необъяснимым образом теряли энергию. Возникло подозрение, что нарушается закон сохранения энергии. Для того чтобы спасти один из фундаментальных законов физики, швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули предположил, что 6-радиация содержит неизвестную электрически нейтральную частицу с массой покоя, близкой к нулю. Итальянский физик Энрико Ферми поддержал предположение Паули и предложил назвать новую частицу нейтрино.

Английский физик-теоретик Поль Дирак считается одним из основателей квантовой механики, раздела физики, изучающего способы описания и законы движения элементарных частиц, атомов, молекул, а также макроявлений. В 1928 г. он вывел уравнение, получившее впоследствии его имя, из которого следовало, что должна существовать частица с массой, равной массе электрона, но обладающая положительным зарядом. В 1932 г. она была экспериментально обнаружена американским физиком Карлом Андерсоном, а в 1933 г. Блэкеттом. Частица, позднее получившая название позитрон, оказалась первой из экспериментально открытых частиц антиматерии.

В 1936 г. Андерсон и его студент-дипломник Сет Неддермейер открыли мюон - нестабильную элементарную частицу с массой, примерно в 207 раз превышающей массу электрона.

Каскадный генератор, установленный в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в 1937 г. Он был частью ускорителя частиц мощностью 1 млн вольт, построенного фирмой «Филипс».