Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра

Московский тосударственный университет имени М В ~омоносова Б. С. Ишханов, И. М. Капитонов, Н. П. Юдин ЧАСТИЦЫ И АТОМНЫМИ ЯЛРА Серия КЛАССИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТСКИЙ УЧЕБНИК основана в 2002 голу по инициативе ректора МГУ им. М.в. Ломоносова акалемика РАН В.А. Саловничего и посвяшена 250-летию Московского университета ББК 22.382 22.383.5 Ишхаиов Борис Саркнсович, Квинтовое Игорь Михайлович, Юдин Николай Прокофьевич Частицы и атомные ядра: Учебник. Изя. 2-е, испр. и доп. — Мс Издательство Л КИ, 2007. — 584 с.

(Классический университетский учебник.) Иметечеетеп ЛКИ. ! 175! 2, е Мпехеа, прг бслетпя Октябре, 9. Фпрчет 60х90/!6. Бумага ефеетяея. Печ. и. 36 5. Зах. Не Эа Отпечатана е ГП «Обпяэеет . 246640, г. Калуга, пп. Отпрча Тпрг, 5. 3$ВХ 978 — 5-382-00060-2 42 Издательспю ЛКИ, 2007 3721 ДЗ 37061 11 11 1 111 111 538 000602 йсе праш зашишены. Никакая часть настояшей книги не может быть воспроизведена нли передана я какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, будь то электронные или механические, включая бютокопирование и запись на магнитный носитель, а также размешение а Интернете, если на то нет письменного разрешения Издательства Книга является заключительным разделом обшего курса физики, посвяшенного элементарным частицам и атомным ядрам.

Она написана на основе курса лекций, читаемою на физическом факультете Московского государственного университета. Содержание книги соответствует Государственным образовательным стандартам. Изложение материала отличается от традиционного. Оно начинается с наиболее фундаментальных составляюших материн — лептонов и кварков и последовательно переходит ко все более крупным объектам — ааронам, атомным ялрам. Эта цепочка завершается рассмотрением космологических аспектов физики частиц и ядер. Книга снабжена описанием важнейших экспериментов и большим количеством примеров.

Она содержит самый современный фактический материал и может быть использована как справочник. Приведены необходимые сведения из квантовой механики. Для студентов-физиков, аспирантов и научных работников. Предисловие к серии Уважаемый читатель! В. Сорб В. А, Садовиичий Рекгиор Московского универсигпегиа, академик РАН, щюфессор Вы открыли одну из замечательных книг, изданных в серии «Классический университетский учебник», посвященной 250-летию Московского университета. Серия включает свыше 150 учебников и учебных пособий, рекомендованных к изданию Учеными советами факультетов, редакционным советом серии и издаваемых к юбилею по решению Ученого совета МГУ.

Московский университет всегла славился своими профессорами и преподавателями, воспитавшими не одно поколение студентов, впоследствии внесших заметный вклад в развитие нашей страны, составивших гордость отечественной и мировой науки, культуры н образования. Высокий уровень образования, которое дает Московский университет, в первую очередь обеспечивается высоким уровнем написанных вьщаюшимися учеными и педагогами учебников и учебных пособий, в которых сочетаются как глубина, так и доступность излагаемого материала. В этих книгах аккумулируется бесценный опыт методики и методологии преподавания, который становится достоянием не только Московского университета, но и других университетов России и всего мира.

Издание серии «Классический университетский учебник» наглядно демонстрирует тот вклад, который вносит Московский университет в классическое университетское образование в нашей стране и, несомненно, служит его развитию. Решение этой благородной задачи было бы невозможным без активной помощи со стороны издательств, принявших участие в издании книг серии «Классический университетский учебник».

Мы расцениваем зто как поддержку ими позиции, которую занимает Московский университет в вопросах науки и образования. Это служит также свидетельством того, что 250-летний юбилей Московского университета — выдающееся событие в жизни всей нашей страны, мирового образовательного сообшества. Предисловие В этой книге содержится материал заключительного раздела курса обшей физики. Ее цель — дать описание физики атомного ядра и физики частиц с единых позициИ'. В традиционных курсах обшей Физики изложение физики микромира обычно начинается с изложения строения атомного ядра, явления радиоактивности, ядерных моделей и лишь затем, по суШеству в отрыве от этого материала, излагается физика элементарных частиц.

Развитие физики в ХХ веке показало, что, несмотря на многообразие Физических явлений, в их основе лежит небольшое число фундаментальных частиц и взаимодействий, из которых и выстраивается физический мир. Взаимодействие фундаментальных степеней свободы описывается Физической теорией, которая называется Стандартной моделью. Мы решили изложить материал, исходя из общих принципов формирования структуры материи, начиная с ее наиболее фундаментальных основ. Книга написана на основе курса лекций, которые читаются на физическом факультете Московского госуларственного университета им. М, В. Ломоносова. Содержание книги соответствует программе Государственного образовательного стандарта. Отбор материала, последовательность и форма изложения оригинальны и соответствуют стилю университетского физического образования и традициям физического факультета МГУ.

Изложение базируется на современном фактическом материале. Приводится описание основных физических экспериментов. Теоретическое изложение материала сопровождается решением задач и примеров, что позволяет глубже усвоить изучаемый материал. Так как в книге основное внимание уделено физике явления, ряд материалов излагается не столь подробно.

Однако необходимо иметь в вилу, что в соответствии с программой изучение курса общей физики сопровождается семинарскими занятиями и практикумом. При написании книги было учтено, что студенты еше не знакомы с основами квантовой механики. Поэтому в одной из глав излагаются основные понятия и соотношения квантовой физики. При изложении материала мы старались разъяснить физическую суть явлений и по возможности избегать математических выводов уравнений и опустили некоторые детали, существенные для более углубленного изучения предмета. Исследования в физике ядра и частиц породили принципиально новые глубокие концепции описания явлений, происходящих в микромире. На понимание их сущности и направлено основное содержание книги.

В ней наряду с явлениями микромира рассматриваются некоторые вопросы эволюции Вселенной. Несмотря на огромное различие масштабов Предисгоеие явлений физики микромира и космологии, последние нельзя понять без знания первых, Поэтому включение этого материала в книжку является необходимым, Углубленный курс современной астрофизики читается студентам физического факультета МГУ вслед за курсом «Физика ядра и частник, что создает хорошие возможности для более глубокого усвоения студентами обсуждаемых в этих двух курсах общих вопросов, В приложения вынесен ряд справочных материалов, среди которых таблицы изотопов, физические константы и единицы, наиболее важные открытия физики микромира, сформировавшие ее современное понимание, и список Нобелевских лауреатов по физике. При написании книги многие наши коллеги оказали нам помощь в обсуждении отдельных вопросов, сообщили новые экспериментальные данные, прочитали отдельные места рукописи.

В особенности нам хотелось поблагодарить Е, А. Романовского, В. В. Балашова, В, Г Неудачнна, А. Ф. Тулинова, И. В, Ракобольскую, Л. Л. Блохинцева, А. М. Черепашука, Н, В. Никитина, Н. Н, Калмыкова, Э. И, Кэбина. В. А. Ушканова. Авторы признательны Д, В.Лосеву за большую помощь при подготовке рукописи к печати. Глава 1 Элементарные частицы $1. Вводные замечания Окружающий нас мир — Вселенная — поражает, прежде всего, несоизмеримостью своих пространственных масштабов, непостижимой с точки зрения обычного человеческого опыта.

Действительно, со стороны бесконечно больших величин, мы видим в настоящее время структуры, удаленные от Земли на !О-!5 млрд световых лет, т е. примерно на !Ом см. Со стороны другой бесконечности, со стороны бесконечно малых, наша цивилизация может исследовать расстояния до 10 и см. Таким образом, масштабы прострагютвенных размеров исследуемых нами структур мира отличаются в 10в' раз! В этом фантастическом интервале размеров располагаются фундаментальные частицы (на нижнем его уровне), адроны, атомные ялра, атомы и молекулы, макроскопические структуры и, наконец, космические и космологические объекты.

Второй поразительной чертой Вселенной является огромное разнообразие ее структур и явлений. Нет нужды специально иллюстрировать зто разнообразие — достаточно, например, вспомнить практически бесконечное многообразие органического мира, мира минералов, земных структур, явлений атмосферы и, наконец, космических и космологических явлений. С большим трудом, даже обладая современной информацией, можно заставить себя поверить, что в основе всего этого удивляющего разнообразия лежит ограниченное число универсальных физических законов.

Тем не менее это так. Мы увидим, что в основе этого бесконечного разнообразия лежит ограниченный набор фундаментальных частиц, взаимолействие между которыми приводит сначала к существованию адронов и атомных ядер, затем к миру атомов и молекул, бесчисленные соединения которых формируют многообразие органических структур и минералов, а бесконечное тиражирование атомов и молекул созлает все многообразие макроскопических структур мира. Вопрос о том, как устроен этот мир, был основным вопросом физики на протяжении всей истории человечества, Он имеет много граней, и если вдуматься, то оказывается, что совсем не просто даже грамотно поставить его.