Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
§ 111. Превращения элементарных частицВ обычных химических реакциях нейтральные атомы и ионы, несмотря на их сложную структуру, выступают как «химически элементарные» частицы. Аналогично и в ядерных реакциях нуклоны, мезоны и другие частицы выступают как элементарные, что, конечно, не означает отсутствия у них сложной структуры, которая пока оста ется неизвестной. Одним из фундаментальных свойств элементарных частиц является возможность их рождения и поглощения в различных взаимодействиях. Существует огромное число процессов, в которых час тицы излучаются и поглощаются, превращаются в другие частицы. Так, электрон и позитрон могут превращаться в фотоны, при торможении частицы в силовом поле рождаются фотоны, Многие из элементарных частиц (см. таблицу на стр. 504) самопроизвольно превращаются в другие частицы. Этот процесс хотя и носит название распада, но его нельзя понимать как распад системы на составные части: образующиеся частицы являются не простыми структурными единицами исходной, а рождаются заново. Тем не менее взаимная превращаемость частиц, обусловливающая зависимость их свойств, указывает на то, что в будущем некоторые частицы, которые в настоящее время считаются элементарными, возможно, окажутся отнесенными к сложным. 1. «Аннигиляция» и превращение у-фотона в пару: частица-античастица. Явление «аннигиляции» электрона и позитрона, открытое в 1934 г. (§ 91), исторически было первым явлением, доказавшим превращаемость элементарных частиц. В последующие годы обнаружилось, что превращение в у-фотоны наблюдается для всех заряженных частиц и античастиц: Как и при всех процессах, при «аннигиляции» сохраняются: масса, энергия, количество движения и момент количества движения. Полевая масса образующихся фотонов Энергия каждого из двух фотонов, образующихся при аннигиляции, равна собственной энергии частицы или античастицы (см. скан) Количество фотонов, образованных при аннигиляции пары, не всегда равно двум. В некоторых случаях возникновение двух фотонов оказывается невозможным, так как это повлекло бы к невыполнению закона сохранения момента количества движения. В качестве примера рассмотрим распад позитрония — системы, состоящей из электрона и позитрона, вращающихся друг относительно друга. Эта система имеет небольшое время жизни и аннигилирует, превращаясь в фотоны. Основное состояние позитрония в зависимости от взаимной ориентации спинов электрона и позитрона может быть двух типов: с суммарным спином нуль (парапозитро-ний) и с суммарным спином, равным единице (ортопозитроний). В случае ортопозитрония согласно закону сохранения момента количества движения момент системы фотонов, образовавшихся при аннигиляции, тоже должен быть равным единице. Но в квантовой механике доказывается, что система двух фотонов не может иметь момент, равный единице. Следовательно, ортопозитроний может аннигилировать только с образованием трех (или другого нечетного числа) фотонов. В случае парапозитрония закон сохранения момента разрешает двухфотонную аннигиляцию и запрещает трехфотонную. Аннигиляция нуклонов редко происходит с превращением их в два у-фотона. Еще задолго до открытия антипротона и антинейтрона теоретически было предсказано и в 1956-1957 гг. подтверждено экспериментально, что в тысячи раз более вероятна аннигиляция нуклона и антинуклона с превращением их в два нейтральных
Процесс, по существу обратный аннигиляции,— превращение у-фотона в поле ядра в пару частица-античастица — наблюдается при пороговых значениях энергии у-фотона, равных сумме собственных энергий частицы и античастицы (т. е. при значениях
(при Так, например, возникновение пары электрон-позитрон возможно при 2. Превращения нуклонов. Уже в начале 30-х годов, когда обнаружилось, что ядра состоят из протонов и нейтронов, процесс нейтрона в протон (при Прямое экспериментальное подтверждение взаимопревращаемости нейтрона и протона было получено в 1946 г. в опытах по рассеянию нуклонов с энергией порядка сотен мегаэлектроновольт. Эти опыты показали, что чем больше энергия бомбардирующих мишень нейтронов, тем больше наблюдается протонов, движущихся от мишени в том же направлении (рис. 410).
Рис. 410. Наблюдаемые картины рассеяния нуклонов при энергиях налетающих на мишень частиц порядка
Рис. 411. Картины рассеяния, которые должны были бы наблюдаться, если бы не происходило взаимопревращения нуклонов. Вместе с тем, если бы нейтроны не превращались в протоны, то они выбивали бы протоны из ядер мишени главным образом в перпендикулярном направлении (рис. 411). Из законов сохранения энергии и количества движения следует, что при упругом соударении частиц равной массы, когда одна из них до удара была в покое, частицы должны разлетаться (если не учитывать изменения массы со скоростью) под прямым углом, причем начальная скорость ударяющей частицы частицами скоростях
Рис. 412. Масса покоя нейтрона несколько превышает массу покоя протона. Разность их энергий покоя
Экспериментально радиоактивное превращение нейтронов в протоны было подтверждено и изучено в 1950 г., причем было установлено, что среднее время жизни Превращение нейтрона в протон может происходить также вследствие захвата позитрона нейтроном:
Утверждение, что превращения (11) и (12) должны сопровождаться выбросом антинейтрино суммарный спин нейтрона и позитрона в уравнении (12), равный единице при параллельной ориентации их спинов или же нулю при антипараллельной, может сохраниться только в том случае, если наряду с протоном возникает еще одна частица со спином Следует обратить внимание на то, чем отличается уравнение (12) от (11): по (11) происходит возникновение (излучение) электрона, по (12) — исчезновение (поглощение) позитрона. Каждое из этих двух превращений В отличие от нейтронов свободные протоны совершенно устойчивы. Превращение их в нейтроны энергетически невозможно, однако эти превращения могут иметь место, когда протону сообщена достаточная энергия извне или когда протоны, находясь в ядре, имеют избыточную энергию кулоновского отталкивания. Превращение протона в нейтрон сопровождается выбросом позитрона и нейтрино:
или же происходит вследствие захвата электрона протоном:
Легко видеть, что уравнение (14), которое описывает захват электрона ядром (§ 92, 93), получается из (13) транспозицией позитрона в электрон. Уравнение (13) описывает процесс, обратный распаду нейтрона (11), с транспозицией электрона и антинейтрино в античастицы. Таким образом, из факта, что в сравнении с протоном нейтрон имеет несколько большую массу (а стало быть, и большую собственную энергию), оказалось возможным предугадать ряд ядерных превращений. В честь Энрико Ферми, разработавшего детальную теорию и 3. Виртуальный обмен пионами (и объяснение магнитных моментов нуклонов). Фоторасщепление нуклонов. Особое значение для ядерной физики имеет предполагаемый (вернее, возможный, виртуальный) обмен заряженными и нейтральными высказанных еще в 1934-1935 гг. И. Е. Таммом, Д. Д. Иваненко и с особой убедительностью японским физиком Юкава, считают, что подобно фотонам электромагнитного поля, которые испускаются и поглощаются электронами и позитронами,
Эти превращения, однако, существенно отличаются от всех описанных выше, во-первых, тем, что, происходя непрерывно, они в действительности могут оставаться незавершенными — нуклон испускает мезон и тут же снова поглощает его; во-вторых, тем, что в расщепленном состоянии, когда испущен и еще не поглощен обратно мезон, нуклоны имеют свойства «идеальных» ядерных частиц; так, «идеальный протон» имеет магнитный момент, точно равный ядерному магнетону, а «идеальный нейтрон» лишен магнитного момента. Реальные свойства нуклонов и взаимодействие между ними рассматривают как следствие виртуального испускания и поглощения О трактовке ядерных сил на основе процессов Юкава (7) рассказано в следующем параграфе; здесь мы рассмотрим только объяснение величины магнитных моментов нуклонов. Можно было бы ожидать, что магнитный момент протона определяется формулой, аналогичной формуле для магнитного момента электрона:
Этот магнитный момент, т. е. магнитный момент, который во столько раз меньше магнетона Бора, во сколько раз масса протона больше массы электрона, называют ядерным магнетоном. Экспериментальные исследования показали, однако, что магнитный момент протона больше ожидавшегося теоретически почти в 3 раза, точнее:
Как показали эксперименты, нейтрон, несмотря на отсутствие заряда, имеет магнитный момент, направленный, как и у электрона, противоположно механическому моменту и численно равный почти двум ядерным магнетонам, точнее:
Согласно первому из уравнений (15) каждый протон некоторое короткое время является идеальным протоном (левая часть уравнения), а испустив положительный мезон, он же короткое время является идеальным нейтроном (правая часть уравнения). В целом эти непрерывно следующие одна за другой перезарядки определяют свойства реального протона. Таким образом, нуклон находится как бы в прилегающей к нему атмосфере заряда, плотность которого определяется временем пребывания около нуклона Уравнение (15) позволяет дать некоторое объяснение наблюдаемым значениям магнитных моментов нуклонов. Допустим, что
где Магнитный момент заряженных
должен во столько раз превышать ядерный магнетон Следовательно,
Это выражение для Трактуя аналогично происхождение магнитного момента нейтрона, остающегося
Сопоставляя это выражение для отрицательного магнитного момента нейтрона с наблюдаемым в действительности Собственная энергия заряженных протона отличаются только на
происходит при таких пороговых значениях энергии у-фотона, которые превышают собственную энергию пиона на величину энергии неизбежного (по сохранению импульса) движения образовавшихся частиц. Превращения (19) изучены в опытах с тормозными у-фотонами (при Аналогично (19) объясняется порождение пионов при столкновении нуклонов (с энергией
4. Превращения мезонов и гиперонов. Изотопический спин. Странность. Несохранение четности. Многочисленные превращения мезонов и гиперонов: их спонтанный распад, рождение при столкновениях нуклонов, фоторождение — теоретически объяснены применением методов квантовой механики к этим явлениям. Экспериментальные данные в этой области, более подробные, чем сообщенные выше, представляют интерес только в связи с расчетными выводами, пояснение которых потребовало бы слишком много времени и места. Но в 1956-1957 гг. обнаружилось, что некоторые из относящихся сюда фактов требуют существенного уточнения теории; поэтому, хотя для их понимания нужно основательное знакомство с математическим аппаратом квантовой механики, ниже сделана попытка дать о них хотя бы приблизительное представление. Согласно современным представлениям все взаимодействия между элементарными частицами можно разделить на три типа: 1) электромагнитные взаимодействия (по Дираку); 2) слабые взаимодействия нуклона с легкими частицами (по Ферми), сюда же относятся взаимодействия, ответственные за распад мезонов и гиперонов; 3) сильные взаимодействия между нуклонами и
Продолжительность процессов, связанных с каждым из этих видов взаимодействия, определяется, конечно, не только типом взаимодействия, но в сильной степени зависит от величины освобождающейся энергии и от других факторов. Чем больше энергетический эффект, тем быстрее проходит процесс. Учет всех наиболее важных факторов позволил теоретически точно объяснить, а во многих случаях и предсказать среднее время жизни нестабильных частиц. Но для тяжелых мезонов и гиперонов, возникающих при столкновении пионов большой энергии (порядка Некоторое объяснение аномально больших времен жизни странных частиц, а также экспериментально установленного факта их «совестных рождений» было отчасти получено в результате развития теории изотопического спина. Представление об изотопическом спине было введено в ядерную физику еще в 1932 г. Гейзенбергом с целью волномеханического описания свойств протона и нейтрона как двух состояний одной частицы — нуклона; в На электроны, позитроны, Для нуклонов и
где Отсюда получается:
Итак, в формализме изотопического спина протон и нейтрон являются двумя квантовыми состояниями (зарядовым дублетом) одной частицы — нуклона, причем эти два состояния нуклона различаются значениями проекции изотопического спина и антипараллельной ориентаций изотопического спина по отношению к любой выбранной в изотопическом пространстве оси При всех процессах, проходящих с сильным взаимодействием, (например, при столкновениях нуклонов с возникновением пионов), суммарный изотопический спин системы сохраняется. Для тяжелых мезонов и гиперонов соотношение (21) оказалось необходимым дополнить еще одним числом
Для нуклонов и пионов В соответствии с (22) найдено, что (см. скан) В реакциях при сильном взаимодействии суммарная странность частиц сохраняется, что следует из выражения (22), так как в этом случае сохраняются например, в следующих реакциях при энергиях пионов
По той же причине невозможна (и действительно не была наблюдена) реакция При фоторождении гиперонов (которое было экспериментально осуществлено в 1957 г. при энергии у-фотонов порядка
После того как была найдена и введена в аппарат волномеханических расчетов величина странности, ход процессов, приводящих к образованию гиперонов и Действительно, распад частицы с не равной нулю странностью на частицы, суммарная странность которых равна нулю (нуклоны, Недавно было обнаружено, что слабые взаимодействия нарушают еще один закон сохранения — «закон сохранения четности», выполнение которого с первых лет развития квантовой механики считалось обязательным для любых взаимодействий, в том числе и слабых. В квантовой механике термином «четность» обозначается коэффициент С в выражении преобразования волновой функции
По выводам квантовой механики в природе осуществляются только два класса состояний: четные должна иметь ту же четность, что и волновая функция, описывающая состояние исходных частиц; при этом четность системы невзаимодействующих частиц равна произведению четностей этих частиц. Опыты, приведшие к отказу от закона сохранения четности в слабых взаимодействиях, заключались в наблюдении распадов Было установлено, что
Четность Некоторое время господствовало предположение, что имеются два рода В связи с этим в 1956 г. китайские физики-теоретики Ли Чжэн-дао и Ян Чжень-нин, работающие в США, выдвинули предположение, что в ядерных процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями, четность не сохраняется. (В области сильных взаимодействий сохранение четкости строго подтверждается всей совокупностью фактов.) Для проверки этого предположения Ли и т. е. обнаружилось явное нарушение закона сохранения четности, который около 30 лет всеми физиками признавался верным для всех процессов. В 1957-1959 гг. в разных странах был проведен ряд экспериментов, доказавших, что в различных процессах, обусловленных слабым взаимодействием (при распаде пионов, мюонов, В связи с этим в настоящее время оживленно обсуждаются возможные пути уточнения теории.
|
1 |
Оглавление
|