Эксперименты же Э. Резерфорда показали, что  модель Дж. Томсона оказалось неверной. Нейтральный атом имеет положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны (планетарная модель атома). Также опыты Э. Резерфорда позволили окончательно сделать вывод о том, что атомы действительно имеют сложное строение.  

Когда стало известно, что атом имеет сложное строение, а радиоактивность приводит к изменению зарядов атомных ядер (превращению атомных ядер), встал вопрос: «А не имеют ли ядра атомов тоже сложную структуру?».

В 1913 году Э. Резерфордом была выдвинута гипотеза о том, что одной из частиц, входящих в состав атомных ядер всех химических элементов, является ядро атома водорода. Основанием для этого предположения послужило ряд появившихся к тому времени фактов, полученных опытным путём. В частности, было известно, что массы атомов химических элементов превышают массу атома водорода в целое число раз (т. е. кратны ей).  Данную частицу Э. Резерфорд ещё до открытия назвал протоном (от др.-греч. πρῶτος — «первый», «основной»).

В 1919 году Э. Резерфордом были поставлены опыты по исследованию взаимодействия  α-частиц с ядрами атомов азота. Наблюдение предполагаемых частиц велось методом сцинтилляций. Схема опытов Резерфорда представлена на рисунке.

Схема опытов Э. Резерфорда по обнаружению протонов

в продуктах расщепления ядер атома азота

К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α-частиц, Ф – металлическая фольга,

Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп

Прибор Э. Резерфорда состоял из вакуумированной камеры, в которой был расположен контейнер с источником α-частиц. Окно камеры было закрыто металлической фольгой, толщина которой была подобрана так, чтобы α-частицы не могли через неё проникнуть. За окном располагался экран, покрытый сернистым цинком. С помощью микроскопа можно было наблюдать сцинтилляции (т. е. световые вспышки) в точках попадания на экран тяжелых заряженных частиц. При заполнении камеры азотом низкого давления на экране возникали световые вспышки, указывающие на появление потока каких-то частиц, способных проникать через фольгу Ф, практически полностью задерживающую поток α-частиц. Отодвигая экран Э от окна камеры, Э. Резерфорд измерил среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Она оказалась приблизительно равной , что совпадало с оценкой длины пробега H-частиц (ядер атома водорода), наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном. Исследования действия на данные частицы электрических и магнитных полей показали, что они обладают положительным элементарным зарядом ( ) и их масса примерно равна массе ядра атома водорода (  или ). После чего аналогичные опыты были  проведены с рядом других газообразных веществ, и во всех случаях было обнаружено, что из их ядер α-частицы выбивают частицы, похожие на H-частицы.

Удостовериться в том, что из ядра атома действительно вылетал протон, Э. Резерфорду удалось лишь несколько лет спустя, когда реакция взаимодействия α-частицы с ядром атома азота была проведена в камере Вильсона. На фотографии прямые линии, расходящиеся веером, представляют собой следы α-частиц, пролетевших сквозь пространство камеры, не испытав соударений с ядрами атомов азота.  А той точке, где след α-частицы раздваивается, образуя «вилку», произошло её взаимодействие с ядром атома азота, в результате чего образовалось ядро атома кислорода и ядро атома водорода. То, что образуются именно эти ядра, было выяснено по характеру искривления треков при помещении камеры Вильсона в магнитное поле.

Таким образом, было доказано, что протоны входят в состав ядер атомов. Но считать, что все атомные ядра состоят из одних только протонов было нельзя, так как тогда возникало противоречие.  Так, например, если бы ядро бериллия () состояло бы из одних протонов, то его масса была бы приблизительно равна 4 а. е. м. (так как масса каждого протона приблизительно равна 1 а. е. м.), а не 9 а. е. м., как это следовало из экспериментальных данных. В связи с этим в 1920 году Э. Резерфордом было высказано предположение о существовании электрически нейтральной частицы с массой, приблизительно равной массе протона. Идея о существовании тяжелой нейтральной частицы казалась Э. Резерфорду настолько привлекательной, что он незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком заняться её поиском.

Через 12 лет, в 1932 году английский учёный Дж. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия α-частицами, испускаемыми радиоактивным полонием. Это излучение было сильно на столько, что было способно преодолеть такую преграду, как слой свинца толщиной в . На основании опытов, проведённых с камерой Вильсона по изучению треков ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением, Дж. Чедвиком была оценена энергия γ-квантов, способных сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Она оказалась равной . Такой огромной энергией не могли обладать γ-кванты, испущенные бериллием. На этом основании Дж. Чедвиком было заключено, что из бериллия под действием α-частиц вылетают не безмассовые γ-кванты, а достаточно тяжелые частицы. Их  масса была, примерно, чуть больше массы протона ( ). Так Дж. Чедвиком было доказано существование нейтральных частиц предсказанных Э. Резерфордом. Впоследствии эти частицы были названы нейтронами (от лат. neuter — «ни тот», «ни другой»).

Вскоре после открытия протона и нейтрона советским физиком Д. Д. Иваненко была высказана гипотеза о том, что атомное ядро состоит  из двух элементарных частиц — протонов и нейтронов. Аналогичная гипотеза была также высказана и подробно разработана немецким физиком В. Гейзенбергом. Так возникла протон-нейтронная модель строения ядер. А протоны и нейтроны, входящие в состав атомного ядра, стали называть общим  термином — нуклонами (от лат. nucleus — «ядро»). 

Существование протона и нейтрона позволило сделать выводы о том, что заряд атомного ядра равен числу находящихся в нём протонов, радиусы атомных ядер увеличиваются с возрастанием их порядкового номера в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева; а также доказать соответствие атомной массы каждого элемента. А в качестве объяснения того, почему положительно заряженное ядро не распадается на составные элементы, испытывающие электростатическое отталкивание, в 1934 году  Д. Д. Иваненко (совместно с другим советским физиком — И. Е. Таммом) была высказана идея о существовании мощных ядерных сил, действующих между нуклонами и скрепляющих их в ядра. Предполагалось, что данные силы являются обменными, т. е. их можно представить результатом обмена между нуклонами какими-то другими элементарными частицами, подобно тому, как взаимодействие между заряженными частицами считается результатом их обмена фотонами.

Новые частицы и античастицы

В  1928 году  английским физиком П. Дираком  теоретически  было  предсказано  существование  античастицы электрона, т. е. частицы, имеющей ту же массу что и электрон, но противоположный по модулю заряд. В 1932 году данная частица была зарегистрирована другим американским физиком К. Андерсоном, занимающегося исследованием космического излучения в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле. К.  Андерсен назвал её позитроном (от англ. positive — «положительный»). Следует отметить, что ещё до предсказания П. Дираком, изучая фотографии конденсационных треков, оставленных высокоэнергетическими частицами, им было замечено, что некоторые частицы вели себя подобно электрону, отличаясь только своим противоположным направлением. И ему было необходимо время, чтобы в этом убедиться. Особенно чётко было видно наблюдаемое отличие при столкновении γ-кванта со свинцовой пластиной, поставленной на пути излучения частиц. Таким образом, было доказано рождение электрон-позитронной пары при взаимодействии фотонов с достаточно большой энергией с тяжелыми ядрами  вещества.

Карл Дейвид Андерсон (1905-1991 гг.)	Наблюдение позитрона в камере Вильсона, помещённой в магнитном поле. Тонкая изогнутая прерывистая линия, идущая снизу вверх – трек позитрона. Темная полоса, пересекающая трек – слой вещества, проходя через который, позитрон теряет часть своей энергии и уменьшает скорость своего движения. Поэтому трек искривлён сильнее.

После открытия позитрона, Андерсоном и другими учёными было обнаружено, что при столкновении электрона и позитрона происходила их аннигиляция – превращение в пару (реже в тройку) γ-квантов (фотонов), разлетающихся в противоположные стороны согласно закону сохранения импульса. При этом минимальная энергия обоих γ-квантов оказывается равной сумме энергии покоя исходных частиц: .

Модель аннигиляции электрона и позитрона при их встречном столкновении (Тройка фотонов образуется при столкновении частиц, движущихся в одном направлении)

Реакция аннигиляции электрона и позитрона

 С этого времени физики были убеждены в том, что каждой частицы должна соответствовать своя античастица, и что для каждой пары свойственны процессы рождения и аннигиляции. Также в  эти  же  годы  были исследованы  взаимные превращения протонов  и нейтронов  и  стало ясно,  что  эти  частицы  также  не  являются  неизменными  элементарными  «кирпичиками» природы.  И если, в конце XIX века все были уверены в том, что всё вещество нашего мира сложено из элементарных частиц, которые никогда не исчезают и не рождаются заново, то уже в начале XX века эта картина уже ушла в прошлое.

В 1930 году в силу невозможности объяснения непрерывности спектра электронов при β-распаде и потерь энергии в данных реакциях существующими теориями В. Паули выдвинул гипотезу о том, что при β-распаде ядро испускает не только электрон, но и ещё одну электрически нейтральную частицу с ничтожно малой массой и слабо взаимодействующей с веществом.

По предложению В. Паули новую частицу называли нейтроном, но так как  впоследствии «нейтроном» была названа другая частица, входящая наряду с протоном в состав атомного ядра, в своих работах итальянский физик Э. Ферми переименовал её на нейтрино (итал. neutrino — нейтрончик - «маленькая нейтральная частица», уменьшительное от neutrone — «нейтрон»). В 1956 году американскими физиками Ф. Райнесу и С. Коэну в результате сложного эксперимента деления атомных ядер в жидком сцинтилляторе с растворёнными солями кадмия удалось зарегистрировать похожую по предсказаниям частицу.  Но данной частицей оказалась антинейтрино (антицастица нейтрино). Нейтрино же участвует не в β-распаде а в позитронном распаде.

В  1935 году на основе изучения природы ядерных сил японским физиком-теоретиком X. Юкавой  была  выдвинута гипотеза о  существовании  в космических лучах частиц,  близких  по своим  свойствам  к  электронам и массой промежуточной между массой электрона и протона (примерно в 200-300 раз больше массы электрона, но  в 10 раз меньше массы протона). Развивая теорию отечественных учёных Д. Д. Иваненко и И. Е. ТаммаX. Юкава предполагал, что именно эти частицы участвуют во взаимодействии между нуклонами. Занимаясь Изучением поглощения жёсткого компонента  космического излучения, в 1937 году К. Андерсону и другому американскому физику, работающему с ним вместе, С. Неддермайером с помощью камеры Вильсона удалось  обнаружить частицы с предсказанной массой (их  масса  оказалась  в  207  больше массы электрона. ).  В дальнейшем за частицами закрепилось название мюоны (их старое название μ-мезоны (от др.-греч. μέσος – «средний»)). Дальнейшие исследования показали, что именно они в основном составляют жёсткий компонент вторичного космического излучения. Было предположено, что мюоны образуются вследствие распада более тяжёлых заряженных частиц. Но данные частицы не могут участвовать в ядерных взаимодействиях.

Подвергая ядерные фотоэмульсии действию космических лучей на достаточно большой высоте, английскому физику С. Пауэллу вместе со своими сотрудниками в 1947 году удалось обнаружить заряженные частицы, которые распадались на мюоны и нейтрино. По современным представлениям, именно они осуществляют взаимодействие между протонами и нейтронами в атомных ядрах, как это предвидел  Х. Юкаве в своей теории.   Сами частицы были названы пионами (т. е. π-мезонами). Чуть позже по продуктам распада были идентифицированы и нейтральные пионы.

В 1955 году в ускорителе был  обнаружен антипротон (существование которого также вытекало из теории П. Дирака), а в 1956 году  антинейтрон.  

В 60-ых годах также уже были известны такие частицы как лептоны () и их  античастицы () – класс элементарных частиц не участвующих в сильном взаимодействии; и более сотни адронов – класс элементарных частиц (мезонов и барионов (тяжёлых частиц, таких как протон, нейтрон и им подобные), а также многочисленных нестабильных элементарных частиц (резонансов)), подверженных сильному взаимодействию. Причём   каждая новая частица   была    связана   с   открытием   принципиально  нового  круга физи-ческих

Модель ядра антигелия

ческих явлений. А возможность получения античастиц привела учёных к идее о создании антивещества, атомы которого должны быть построены таким образом, чтобы в их центре было расположено отрицательно заряженное ядро, состоящее из антипротонов и антинейтронов, а вокруг ядра обращались позитроны. В целом атом нейтрален. Эта идея тоже получила блестящее экспериментальное подтверждение. В 1969 году на ускорителе протонов в городе Серпухове советские физики получили ядра атомов антигелия.

В 1938 году К. Андерсен был награждён Нобелевской премией «за открытие позитрона». В 1949 году Нобелевская премия была вручена Х. Юкава «за предсказание существования мезонов на основе теоретической работы по ядерным силам».

Строение адронов

Марри Гелл-Ман (р. в 1929 г.)

Джордж Цвейг (р. в 1937 г.)

Исследования закономерностей в распределении масс большинства элементарных частиц, их магнитных моментов и других квантовых чисел указывало на то, что адроны обладают какой-то внутренней структурой. В связи с этим американским физиком М. Гелл-Мана и независимо от него австрийским учёным Г. Цвейгом была высказана гипотеза о том, что все адроны не элементарны и построены из более фундаментальных частиц – кварков.

У лептонов же никакой внутренней структуры обнаружено не было. А попытки определения их размера показали, что их верхний предел составляет . Подобно лептонам кварки представляют собой истинно элементарные частицы. Предполагалось, что кварки имеют дробный электрический заряд ( или ), т. е. меньше заряда, который раньше считался минимальным. Также теоретически считалось, что все известные на то время барионы можно построить из кварков трёх видов:  u (от англ. up – «вверхнего»), d (от англ. down – «нижнего») и s (от англ. strange –«странного»), а мезоны из кварка и антикварка.

Вскоре после появления гипотезы о кварках физиками были осуществлены поиски частиц с дробным знаком, которые и до сих пор непосредственно, обнаружить не удалось, так как, считается, что они очень сильно связаны между собой и не могут находиться свободном состоянии.

Основываясь на глубокой симметрии природы, и, сопоставляя кварки с лептонами, в 1964 году физиками было высказано предположение о существовании ещё одного кварка с электрическим зарядом , который получил название очарованный или с (от англ. сharm).

В 1968 году эксперименты по столкновению высокоэнергетических электронов с мишенями из протонов на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC) показали, что протон состоит из каких-то точечноподобных объектов, которые, скорее всего, представляют собой кварки. Существование у нейтрона (частицы, не имеющей электрического заряда) магнитного момента также указывало на то, что она построена из каких-то других частиц, которые могли бы иметь электрический заряд.

В  последующие  годы  число  вновь  открываемых  частиц  стало  быстро  расти.  Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций. А когда учёными в 1974 году был открыт новый тяжёлый мезон – для объяснения его существования (и последующих новых тяжёлых мезонов) как раз-таки понадобился очарованный кварк.

После того как в 1975 году в реакции  на электрон-позитронном коллайдере SPEAR в национальной лаборатории SLAC был открыт τ-лептон, подразумевалось и существование третьего вида нейтрино - , которое (а также ) удалось лишь зарегистрировать лишь в 2000 году в результате наблюдения за - распадами на детекторе DONUT. Таким образом, семейство лептонов уже стало насчитывать шесть частиц (и шесть античастиц). И исходя из симметрии природы, физики выдвинули предположение о существовании ещё двух кварков: b (от англ. beauty – «прелестного») и t (от англ. truth – «истинного»), также имеющие величину электрического заряда и соответственно.  А различия между шестью кварками стали называть ароматами.

Также согласно теории «квантовой хрономодинамике» (КХД), выдвинутой в 1970-е годы, каждый из ароматов несёт свой цветовой заряд (т. е. обладает цветом) – красный, зелёный или синий. Другими словами каждый кварк представляет собой не одну, а целых три различных частицы.  Так  что всего кварков  не  6, а 18.  А  с  учётом  антикварков  –  36.  В  целом  же   адроны

Модель обмена глюонами в нейтроне

являются бесцветными структурами. Помимо этого по теории КХД сильное взаимодействие между кварками осуществляется с помощью частиц, названных глюонами (gluon от англ. glue — «клей»), обмениваясь которыми они меняют свой цвет. Подразумевается, что и сами глюоны могут обмениваться глюонами друг с другом. Кварки и глюоны не наблюдаются в свободном состоянии за пределами некоторой области, имеющей размер порядка 1 фм (радиус конфайнмента), соизмеримый с радиусами адронов.

Реальность существования кварков хорошо подтверждается совпадением экспериментальных данных с теоретическими представлениями. Так, например, считается, что протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (), а нейтрон двух d-кварков и одного u-кварка ().

Схема внутреннего строения вещества

Переносчики  слабого взаимодействия

Шелдон Ли Глэшоу (р. в 1932 г.)	Стивен Вайнберг (р. в 1933 г.)	Мухаммад Абдус Салам (1926-1996 гг.)

Согласно теории электрослабого взаимодействия, построенной в 1968 году американскими физиками Ш. Глэшоу и С. Вайнбергом, и совместно с пакистанским физиком-теоретиком А. Саламом, подобно тому, как глюоны являются переносчиками сильного взаимодействия,  а фотоны – электромагнитного, должны существовать и переносчики  слабого взаимодействия, которые получили название промежуточных векторных бозонов.  Конкретно предполагалось существование трёх таких частиц: и - бозонов, необходимых для объяснения распада (т. е. частиц, способных менять индивидуальность лептонов и кварков), и - бозона, который никогда ранее не наблюдался. Также предполагалась, что данные частицы являются «тяжеловесами» среди элементарных частиц, время жизни их чрезвычайно мало (примерно ),  и они должны существовать в свободном состоянии.

Диаграмма Фейнмана для  распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино посредством тяжелого - бозона.

Такая реакция возможна, например, при β-распаде изотопа кобальта , происходящего при взрыве сверхновых:  . В данной реакции только один из нейтронов атомного ядра превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино:  . На самом же деле в β-распаде слабое взаимодействие меняет аромат одного из d-кварков некоторого нейтрона (), превращая его в u-кварк. Формируется протон () с испусканием - бозона, который затем тут же распадается  на электрон и антинейтрино: , .

Прямые доказательства справедливости слабых взаимодействий с обменом промежуточными бозонами удалось лишь найти в 1983 году при экспериментальном наблюдении W- и Z -бозонов при столкновении встречных протон-антипротонных пучках энергией около 540 ГэВ на ускорителе ЦЕРНа (Европейского Центра ядерных исследований) в инклюзивных реакциях:

,

,

где X – совокупность других частиц.

Схематические процессы рождения W- и Z- бозонов

Рождённые в кварк-антикварковом взаимодействии, промежуточные бозоны регистрировались по следующим каналам распада:

,

,

,

.

В 1979 году «за вклад в объединённую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами, в том числе предсказание слабых нейтральных токов» Ш. Глэшоу, А. Салам и С. Вайнберг были удостоены Нобелевской премии по физике.

Бозон Хиггса

Питер Уэйр Хиггс (р. в 1929 г.)

К концу XX века было открыто около 400 элементарных частиц, но ещё с 60-ых годов учёные не могли дать ответа на вопрос: «Почему элементарные частицы обладают массой?». Череда теоретических озарений наводила их на мысль о существовании некоего поля, тормозящего частицы и придавая им инерцию.  Так ещё в 1964 году британским физиком П. Хиггсом было предложено существование невидимого поля, которое пронизывает каждый уголок космоса. В нулевой момент времени зарождения Вселенной оно якобы находилось в «спящем» режиме, но в момент Большого Взрыва, когда Вселенная стала расширяться и охлаждаться, оно вдруг ожило и во всеуслышание заявило о своём присутствии. И в этот момент все «строительные блоки материи превратились из невесомых в весомые», частицы обрели массу. Данное поле должно иметь своего носителя в виде частицы. Теоретическое обоснование данной идеи было дано бельгийским физиком Ф. Энглером. С тех пор уже почти пять десятилетий учёные занимались охотой на частицу под названием Бозон Хиггса, которую удалось лишь зарегистрировать только в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК).

8 октября 2013 года П. Хиггс совместно с Ф. Энглером, получил Нобелевскую премию в области физики за теоретическое обоснование существования бозона Хиггса.

В настоящее время экспериментально обнаружено около 500 элементарных частиц, включая их античастицы. Если применимо к частицам слово «элементарная» первоначально подразумевало собой, что они являются первичными, неделимыми и неизменяемыми,  то сейчас в современной физике оно используется для наименования большой группы мельчайших частиц материи, не являющихся атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон, представляющий собой ядро атома водорода и в то же время относящийся к элементарным частицам). Среди большого числа частиц принято выделять фундаментальные, из которых согласно Стандартной модели, состоит весь окружающий мир. К данным частицам относят кварки (36 шт. с учетом ароматов и их античастиц), лептоны (12 шт. – электрон, мюон, τ-лептон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино, τ-нейтрино и их антицастицы); кванты калибровочных полей – переносчики взаимодействий: γ-квант или фотон (электромагнитное),  W- и Z-бозоны (слабое), глюон g (сильное), гравитон (гравитационное), который пока ещё экспериментально не обнаружен; и бозон Хиггса, H.

Фундаментальные элементарные частицы