Атомнан кварктарға дейін

1911 ж. Резерфорд а-бөлшектердің шашырауына жүргізген тәжірибелерінің негізінде атомның центрінде оң зарядты атом массасының барлығы дерлік жинақталған ядросы бар деген қорытындыға келді. Ядроның құрамына саны ядроны айнала қозғалатын электрон санына тең (атом электрлік бейтарап болғандықтан) протон кіретіні белгілі болды. Бірақ атомдардың массаларын өлшегенде күтпеген нәтиже алынды. Мысалы, екі электроны бар гелий атомының массасы сутегі атомының массасынан екі есе емес төрт есе үлкен болып шыққан. Сонда гелийдің ядросында екі емес, төрт протон болғаны, атомның электрлік бейтараптығын сақтап калу үшін гелий ядросында тағы да екі электрон бар деп ұйғаруға тура келген. Сол уақытта, ядрода электронның бар болуын атом ядроларының (3-радиоактивтік ыдырауымен түсіндірген. 1920 ж. Резерфорд ядро протондар мен нейтрондардан тұрады деген пікір айтқан. 1932 ж. ағылшын физигі Д.Чедвик Резерфордтың лабораториясында нейтронды ашқан. Нейтрон ашылғаннан кейін-ақ ядроның протонды-нейтрондық моделі ұсынылды: ядро протондар мен нейтрондардан тұрады. Олардың арасында азғантай қашықтықта әрекет ететін, табиғаты электромагниттік емес күшті тартылыс әрекеті бар — міне сол ядролық (күшті) өзара әрекеттесу. Протонды-нейтрондық модель барлық үйлесімсіздіктен аулақ, еркін модель болды және сол уақытқа дейінгі барлық белгілі ядролық ауысуларды түсіндірді. Нейтронмен бірге физикаға тек үшінші (күшті) іргелі өзара әрекеттесумен (бұған дейінгі белгілі электромагниттік және гравитациялық өзара әрекеттесуге қоса) катар төртішігі—әлсіз өзара әрекеттесу қосылды. Нейтронның электрон, протон, фотоннан айырмашылығы, нейтрон орнықсыз — ол өздігінен (спонтанды) басқа бөлшектерге ауысады: мүндағы \р — протон, \е — электрон, ve — электрондық антинейтрино (ол кейінірек табылды). Әдетте "нейтронның ыдырауы" деген термин қолданылады (мұны нейтронның құрамды бөлшектерге — протон, электрон және нейтронның құрамында жоқ антинейтриноға ыдырауы деп түсінбеу керек, бірақ оның "ыдырауы" кезінде пайда болады деп түсіну керек). Тағы бір атап айтатын нәрсе — тұрақты ядролардағы нейтрондар ыдырамайды, еркін нейтрондар және орнықсыз ядролардағы нейтрондар ғана орнықсыз. p-ыдырау құбылысы сондай ядролардағы ыдыраумен байланысты. Нейтрон ашылғаннан кейін көп кідірмей-ақ Резерфорд лабораториясындағы Вильсон камерасында нейтрондардың әрекетімен бірінші ядролық реакция жүзеге асырылды: N — В + 2 He Зарядталған бөлшек ядромен соқтығысқанда, оның ядроға ену ықтималдығы кулондық тебілу күшінің әрекетінен шектеулі. Ал нейтрон ядроға соктығысқанда ешқандай кедергіге кездеспейді. 1932 ж. тағы да бір іргелі жаңалық ашылды. Сол жылы американдық физик К . Андерсон ғарыштық сәулелерден заряды оң және массасы электрон массасына тең, бұдан бұрын ағылшын физигі П. Дирак теориялық жолмен болжап айтқан, позитрон деп аталған жаңа бөлшек — электронның антибөлшегі табылды. Осылайша бірінші антибөлшек ашылды. Позитрон энергиясы жоғары электромагниттік сәулелер кванттан (электронмен бірге электронды-позитрондық жұп құрады) пайда болады. Энергия мен массаның байланысын ескерсек (Е = т0скванттың энергиясы 2тс-тая (мұндағы те— электронның тыныштық массасы) үлкен болуы керек. Электрон массасы белгілі болғандыктан, кванттың энергиясы 1МэВ-тан үлкен екенін есептеп шығару оңай. Позитронның ашылуымен зат пен өріс арасындағы өзара байланыс мәселесі шешілді: өрістің затқа ауысу мүмкіндігі (электронды-позитрондық жұптың пайда болуы) заттың өріске ауысу мүмкіндігіне тең (кері процесс — электрон мен позитронның аннигиляциясы). Бұрын айтылғанындай, казіргі заманғы үдеткіштерде протондардың энергиясын 1014 эВ-қа дейін үдетуге болады. Үдеткіштер үнемі жетілдіріліп, оның қуаты артуда, сондықтан элементар бөлшектердің тізімі де көбеюде және олардың касиеттері де терең зерттелуде. 1964 ж. элементар бөлшектер жүздеп саналды. Әрине көптеген бөлшектердің өмір сүру уақыты, барынша қысқа, 10 22отан аспайды . Протондарды (нейтрондарды) аса жоғары энергиялы бөлшектермен сәулелендіргенде протонның ішінде өлшемі оның өз өлшемінен 103 есе кіші қатты құрылымның бар екені анықталған. 1964 ж. Гелл - Манн және Д. Цвейг мынадай гипотеза ұсынған: "протондар кейбір кварктар деп аталатын бөлшектерден тұрады". Уақыт бұл гипотезаның дұрыс екенін дәлелдеді. 1964 ж. элементар бөлшектер физикасы үшін 1932 ж. сияқты өзгеріс жылы болды.