Микромир как мир элементарных частиц
Элементарные частицы - материальные объекты, которые нельзя разделить на составные части. В соответствии с этим определением к элементарным частицам не могут быть отнесены молекулы, атомы и атомные ядра, которые поддаются делению на составные части - атом делится на ядро и орбитальные электроны, ядро - на нуклоны. В то же время нуклоны, состоящие из более мелких и фундаментальных частиц - кварков, нельзя разделить на эти кварки. Поэтому нуклоны относят к элементарным частицам.
В строгом смысле слова элементарные частицы не должны содержать в себе какие-либо другие частицы. Однако далеко не все из наиболее известных элементарных частиц удовлетворяют этому требованию. Было обнаружено, что элементарные частицы могут взаимно превращаться, т.е. не являются «последними кирпичиками» мироздания. В настоящее время уже известны сотни элементарных частиц. И, хотя элементарных частиц очень много, весь наш привычный мир построен всего из трех элементарных частиц, которые были открыты первыми - это электрон, протон и нейтрон.
К элементарным частицам относят также фотон - частицу электромагнитного поля. По современным представлениям вопрос о размерах частиц ставить некорректно. У них нет четкой границы, они как бы размазаны по пространству, и мы можем знать только вероятность нахождения частицы в той или иной области. Тем не менее не вызывает возражений утверждение, что элементарные частицы очень малы. Только фотон обладает незначительной энергией и малым импульсом, и понятия размера для фотона не существует. У фотона нет такого свойства, поэтому нельзя сказать «маленький фотон» или «большой фотон».
Так как все вещество построено из протонов, нейтронов и электронов, а электромагнитное поле - из фотонов, можно утверждать, что основное население микромира состоит из этих четырех частиц. Однако, это не означает, что остальные частицы не имеют никакого значения. Каждая из элементарных частиц важна на своем месте. Например, мезоны обеспечивают взаимодействие между протонами и нейтронами и удерживают их вместе в ядре. Всепроникающие и почти неуловимые нейтрино образуются при некоторых реакциях, унося часть энергии. Без них эти реакции были бы невозможны.
Простейший атом вещества - атом водорода - состоит из одного протона и одного электрона. Его диаметр примерно равен 10-10м = 1А (ангстрем). Ангстрем наиболее удобная единица длины для микромира. Он примерно во столько же раз меньше одного метра, во сколько раз длина нашего класса меньше расстояния от Земли до Солнца. Можно сказать, что атом так же далек от нас, как и Солнце. Только Солнце далеко вдаль, а атом далек в глубину.
Для изучения элементарных частиц требуются их источники. Если раньше элементарные частицы обычно обнаруживали в космических лучах, то с начала 50-х годов в основной инструмент для исследования элементарных частиц превратились ускорители.
Есть элементарные частицы, которые при прохождении через атмосферу космических лучей, существуют миллионные доли секунды, затем распадаются, превращаются в другие элементарные частицы или испускают энергию в форме излучения. К наиболее известным элементарным частицам относятся электрон, фотон, пи-мезон, мюон, нейтрино. В космических лучах присутствуют элементарные частицы самых разных энергий, и которые нельзя получить сегодня искусственным путем. Недостаток космических лучей как источника частиц с высокими энергиями в том, что таких частиц очень немного. Появление частицы с высокой энергией в поле зрения прибора носит случайный характер.
Ускорители элементарных частиц дают потоки элементарных частиц, обладающих одинаково высокой энергией. Ускорители существуют различных типов: бетатрон, циклотрон, линейный ускоритель. Ускорители элементарных частиц являются настолько грандиозными сооружениями, что их называют пирамидами XX века.