Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы, страница 78

Поэтому Дирак выбрал другой путь. Он предположил, что переходы электронов в состояния с отрицательной энергией обычно ие наблюдаются по той причине, что все имеющиеся уровни с отрицательной энергией уже заняты электронами. Напомним, что электроны, как и другие частицы с полуцелым спнном, подчиняются принципу Паули, который запрещает находиться в одном н том же состоянии более чем одной частице.

Согласно Дираку вакуум есть такое состояние пространства, в котором все уровни отрицательной энергии заселены электронами, а уровни с положительной энер- 488 гней свободны (рис. 269,а). Поскольку заняты все без исключения уровни, лежащие ниже запрещеняой полосы, электроны на этих уровнях никак себя не обнаруживиот Подобно этому в диэлектрике электроны, полностью заполняющие валентную зону (см.

т. 11, рис. 137,в), никак нс реагируют на действие электрического поля. Если одному из электронов, находящихся на отрицательных уровнях, сообщить энергию, превышающую ширину запрещенной зоны, равную 2тест, то этот электрон перейдет в состояние с положительной Ъ~,г" ---- — — — — тс =Ю лу Рис. леэ. энергией и будет вести себя обычным образом, как частица с положительной массой и отрицательным зарядом. Вакансия («дырка»), образовавшаяся при этом в совокупности отрицательных уровней, должна вести себя как электрон, имеющий положительный заряд. Действительно, отсутствие частицы, обладающей отрицательными массой и зарядом, будет восприниматься как наличие частицы с положительной массой и положительным зарядом. Эта первая из предсказанных теоретически частиц была названа позитроном. При встрече позитрона с электроном они анннгил и р у ю т (исчезают) — электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный ').

Энергия, соответствующая разности этих уровней, выделяется в виде излучения. На рис. 2б9, б стрелка ! изображает процесс рождения пары электрон — позитрон, а стрелка 2 — их аннигиляцию. ') Этот процесс аналотичев рекомбинации алектрона и дырки в аолупроводиике. 488 Прежде чем аннигилировать, электрон и позитрон образуют метастабильную связанную систему, аналогичную атому водорода, в котором протон заменен позитроном.

Такое связанное состояние электрона и пози- трона называется позитрон нем. В зависимости от значения результирующего спина этой системы различают парапозитроний (у которого з = О, т. е. спины е- и е+ антипараллельны) и ортопозитроний (з = 1, спины е и е' параллельны). Время жизни равно для парапозитроиия — !Π— м сек, для ортопозитрония — 10-' сек. Вследствие аннигиляции электрона и позитрана позитроний распадается на фотоны, с)ммарная энергия которых равна 2глюс' = 1,02 Мэв. Свойства позитрония (например, время жизни), вычисленные теоретически, хорошо подтверждаются экспериментально.

Рис. 270. Теория Дирака была настолько «сумасшедшей», что большинство физиков отнеслось к ней весьма недоверчиво. Однако в 1932 г. американский физик К. Андерсон обнаружил позитрон в составе космических лучей. В камере Вильсона, помещенной между полюсами электромагнита, позитрон оставлял такой же след, как и рождавшийся одновременно с ним электрон, только этот след был закручен в противоположную сторану (рис. 270).

Рождение электронно позитронных пар происходит при прохождении у-фотонов через вещество. Это — один из основных процессов, приводящих к поглощению у-лу- 400 чей веществом. В полном соответствии с теорией Дирака минимальная энергия у-фотона, при которой наблюдается рождение пар, оказывается равной 2тзст = = 1,02 Л(эв [см. (87.2)).

Для соблюдения закона сохраненения импульса в процессе рождения пары должна участвовать еще одна частица (ядро или электрон), которая воспринимает избыток импульса у-фотона над суммарным импульсом электрона и позитрона. Следовательно, процесс запишется в виде уравнения: у + Х -э Х + е + е+, (97.2) где Х вЂ” ядро, в силовом поле которого происходит рождение пары. При аннигиляции требования закона сохранения импульса удовлетворяются тем, что возникают два или три у-фотона, разлетающихся в разные стороны: е +е+-+у+у(+ у).

(97.3) Электронно-позитронные пары могут также возникать при взаимодействии у-фотона с электроном: у+е — е +е +е+ (97.4) и при столкновениях между двумя заряженными частицами, например электронами: е +е -+е +е +е +е+. (97.5) Доля энергии, получаемая ядром Х в ходе процесса (97.2), столь мала, что порог реакции образования пар (т. е. необходимая для этого минимальная энергия у-фотона) практически равен 2тчст (то — масса электрона, равная массе позитрона). Порог реакции (97.4) составляет 4тчст, а реакции (97.5) — 7тзс' (в последнем случае под порогом реакции подразумевается минимальная суммарная энергия сталкивающихся электронов).

Таким образом, требования одновременного сохранения энергии и импульса приводят к тому, что порог реакции (минимальная энергия исходных частиц) может оказаться заметно больше, чем суммарная энергия покоя рождающихся частиц. В несколько измененном виде уравнение дирака применимо не только к электронам (и антиэлеьтронам, т. е.

позитронам), но и к другим частицам со спином, равным '/м Следовательно, для каждой такой частицы 491 (напрнмер, протона нлн нейтрона) должна существовать античастица'). По аналогии с (97.5) рождения пары протон — антипротон (р — р) нлн нейтрон — антинейтрон (и — 6) можно было ожидать прн столкновении нуклонов достаточно большой энергии, Суммарная энергня покоя протона н антипротона, равно нейтрона н знтннейтрона„составляет почти 2 Гээ [см. (87.1) н (87.4)). Определяемый требованиями сохранения энергии н нмпульса порог реакции равен 5,6,Гэв. В 1955 г. в г. Верклн (США) был запущен названный бэва троном (от Бэв) ускоритель (сннхрофазотрон; см.

т. 11, 2 68), позволявший ускорять протоны до энергии 6,3 Гээ. Облучая пучком ускоренных протонов медную мишень, О. Чемберлен, Э. Сегре, К. Внганд н П, Ипснлантнс наблюдали образование пары р — р. Реакция протекала по одной нз следующих схем: Р4,+4 и-.» +4,— 4 „,о р +,0-ь я + и + и + и + п~, р+и и+4 и- »,— 4 по» „,р (97.7) ') Античастицу принято обозначать той же буквой, что и соответствующую ей частиду, с добавлением тильды ( ) (или прямой черточки), проставляемой над этой буквой. Так, например, антипротон обозначают символом р нли р ).

р+р- р+р+р+р нлн р+п — р+и+р+р. (976) Второй нз нуклонов в левой части входит в состав ядра Сп. Поскольку нуклоны в ядре находятся в движении, пороговая энергия ударяющей частицы в этом случае составляет 4,3 Гээ, Антипротон отличается от протона знаком электрнческого заряда н собственного магнитного момента (у антипротона магцнтный момент отрицателен, т. е. направлен протнвоположпо механическому моменту).

Главное же, что отличает антипротон от протона (н вообще частицу от античастицы), заключается в нх способности к взаимной аннигиляции, в результате которой возникают другие частицы (в случае р — р преимущественно п.-мезоны). Антипротон может анннгнлнровать прн встрече не только с протоном, но н с нейтроном. Сово. купность возннкающнх частиц в отдельных актах аннигнляцнн различна. Например, возможны процессы: Прн аннигиляции р с р в среднем рождается около пяти п-мезонов, из которых примерно три заряженных и два нейтральных.

В 1956 г. Б. Корком, Г. Ламбертсоном, О. Пиччони н В. Вензелем были наблюдены антинейтроны, которые получались перезарядкой антипротонов, т. е. в результате процесса: р+р- й+а. (97.8) Антинейтрон отличается от нейтрона знаком собственного магнитного момента (у антинейтрона направление магнитного момента совпадает с направлением механического момента) я способностью аннигилировать прн встрече с нуклоном (нейтроном иля протоном), В результате аннигиляции рождаются новые частицы (главным образом п-мезоны). Античастицы имеются не только у фермяонов, по н у бозонов. Так, например, п'-мезон является античастицей по отношению к и--мезону. Известны только четыре частицы, которые тождественны со своими античастицами (т, е. не имеют античастиц). Это — фотон, пе-мезон и два К'-мезона (К1 и К",) Такие частицы называются абсолютно н ейтр альпы ми.

Очевидно, что частицы, тождественные со своими античастицами, не способны к аннигиляции. Это, однако, не означает, что они вообще не могут превращаться в другие частицы. Если барнонам, в том числе и нуклонам (р и л), приписать бар ионный заряд (или барионное ч н ел о) В = +1, а антибарнонам — барионный заряд В = — 1, то для всех процессов, протекающих с участием барионов н антибарионов [например, для (97.6), (97.7) н (97 8)), будет характерно с о х р а н е н н е б а р н о н н о го з а ряда, подобно тому как для процессов (97.2) — (97.5) характерно сохранение электрического заряда. Заметим, что закон сохранения барнонного заряда обусловливает стабильность самого легкого нз барионов — протона.