Элементарные частицы представляют собой мельчайшие частицы, разделение которых на составные части не представляется возможным. К настоящему времени известны бесструктурные элементарные частицы, называемые первичными фундаментальными частицами, а также составные, обладающие сложной внутренней структурой, но не способные к разделению.
Открытие первой элементарной частицы – электрона – произошло в конце девятнадцатого века. История открытия всех остальных элементарных частиц, известных физикам на сегодняшний день, происходила в два этапа. Первый этап приходится на период 1930 – 1950 гг. Так, в начале 1930-х гг. произошло открытие фотона и протона. В 1932 году был открыт нейтрон. Через четыре года после этого учёными была обнаружена первая античастица – позитрон, которая имеет с электроном равную массу, однако несёт в себе положительный заряд. К концу этого периода было известно о существовании 32 элементарных частиц.
Второй этап начался в 1960 –х гг. К этому времени число элементарных частиц, известных учёным, было уже более двухсот. На данном этапе важнейшим средством изучения элементарных частиц явились ускорители заряженных частиц.
В 1970-1980-х гг. открытие новых элементарных частиц продолжалось. В этот период учёные стали структурировать и классифицировать эти частицы. Исследователи стали говорить о семействах элементарных частиц.
На сегодняшний день в естествознании имеются сведения более чем о 350 элементарных частиц. Все они отличаются друг от друга различными физическими характеристиками: зарядом, массой, спином, продолжительностью существования. Однако для всех элементарных частиц характерен один общий признак: проявление корпускулярно-волнового дуализма, т. е. наличие у микроскопических объектов свойств как вещества, так и волны.
Физика элементарных частиц представляет собой раздел, занимающийся исследованием свойств, функций и поведения этих микроскопических объектов.
Элементарные частицы обладают различными характеристиками, на основании которых создаются их различные классификации.
Так, в зависимости от массы покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, элементарные частицы подразделяют на несколько основных категорий:
В зависимости от электрического заряда элементарные частицы могут быть:
Кроме того, величина электрического заряда может представлять собой целое число либо дробное (если речь идёт о кварках). Однако кварки к настоящему времени не обнаружены в экспериментальных исследованиях, поэтому их существование является гипотетическим. Согласно теории конфайнмента, кварки и антикварки (т. е. частицы с дробным зарядом, противоположным заряду соответствующих кварков) невозможно получить в свободном состоянии, однако агрегаты кварков можно наблюдать при проведении экспериментальной работы.
Следует также отметить, что каждая из известных элементарных частиц, за исключением фотона и двух мезонов, имеет частицу с теми же физическими характеристиками, но заряженную противоположно (т. н. античастицу).
По типу физического взаимодействия, в которое включаются элементарные частицы, их разделяют на следующие категории:
По времени жизни все частицы разделяют на стабильные, нестабильные и квазистабильные. Стабильные частицы не подвергаются распаду на протяжении длительного времени. К этому типу относят электрон, протон, нейтрон, фотон и нейтрино. Именно стабильным частицам принадлежит ключевая роль в структуре макротел. Нестабильные частицы распадаются в течение 10–10–10–24 с. Квазистабильные элементарные частицы распадаются под влиянием электромагнитного или слабого взаимодействия; их также называют резонансами. Время жизни их составляет от 10–24 до 10–26 с. В силу короткого времени жизни их распад происходит ещё до того, как они покидают атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, и к настоящему времени зафиксировать их посредством проведения экспериментальной работы не удаётся.
Уникальной является классификация элементарных частиц по величине спинового квантового числа. Спин – это собственный момент импульса частицы, который не связан с её перемещением. Характеристикой спина является спиновое квантовое число S, которое способно принимать целые (от -1 до +1) и полуцелые (от -0,5 до +0,5) значения. Частицы с целым значением спина получили название бозонов, с полуцелым – фермионов. Согласно принципу Паули, в одном атоме невозможно существование более одного электрона с одним и тем же набором квантовых чисел.