Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра, страница 5

Например, первая линия серии Бальмера в атоме водорода, которая проявляется при переходах между уровнями с 2!2 = 3 и Л = 4, должна наблюдаться как одиночная линия с длиной волны А = б 5бЗ А. Однако на самом деле наблюдались две линии с расстоянием между ними ЬЛ = 1,4 А. Это расцгепление первоначально связывалось с еше одной дополнительной классической степенью свободы электрона — врашением.

Предполагалось, что электрон можно рассматривать как классический врашаюшийся волчок, обладаюший моментом количества движения — спином (от англ. зрьв — врашаться) и величина спина связывалась с характером такого врашения.

На самом деле, как выяснилось позже, спин имеет квантовую природу и не связан с какими-либо перемешениями частицы в пространстве. Величина вектора спина У определяется квантово-механическим соотношением 522 = й в(а+ 1), где величина а, характерная для каждой частицы„называется ее спиновым квантовым числом. Именно это число и принято называть спином частицы. Оно может принимать как целые значения, включая ноль, так и полуцелые. Например, спин электрона, протона, нейтрона, нейтрино равен 1/2. Спин фотона равен 1. Атомное ядро, являвшееся составной системой нейтронов и протонов, также характеризуют спиновым квантовым числом .2. В этом случае вектор спина Х определяется как вычисляемая по правилам квантовой механики сумма векторов спинов У нейтронов и протонов и векторов их орбитальных моментов количества движения Х: Э! + В2 + + ВА + 2'! + м2 + .

+ 2'А. Ядро при этом считается неподвижным. В несферическом ядре полный момент количества движения нуклонов не сохраняется. Сохраняется только его составляюшая вдоль оси симметрии ядра. За счет квантовых флуктуаций вектора спина ядра относительно этой оси любая его составляюшая на ось, перпендикулярную оси симметрии, усредняется до нуля, и ее не нужно рассматривать. Спин частицы и атомного ядра является единственной величиной, характеризуюшей их пространственную ориентацию. Поскольку пространственная ориентация несферического ядра определяется также его осью симметрии, то это означает, что усредненный за счет квантовых флуктуаций спин такого ядра и другие его векторные характеристики, такие как магнитный момент, направлены вдоль этой оси.

ф 9. Позитрон. Взаимные превращения частиц Открытие позитрона — частицы, по своим характеристикам идентичной электрону, но с противоположным знаком электрического заряда (у позитрона он положительный) — было исключительно важным собы- э 9. Позитрон. Взаимные превращения частиц тием в физике. Еше в 1928 г.

П.Дирак прелложил уравнение для описания релятивистского электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, одно с положительной, другое с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной энергией описывает частицу„аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд. Позитрон был первой обнаруженной частицей из целого класса частиц, которые получили название античастицы. До открытия позитрона казалась загадочной различная роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Почему сушеству- Л ет тяжелый положительно заряженный протон, и нет тяжелой части-;,;:якт-,.юг з,,',.',.-'::','~:,."';.,-',-'-';,-';:='"„-$» цы с массой протона и отрицатель- г=';Ф -:~,-'!'„'-.:::,1~ё Й ным зарядом? Зато существует легкий отрицательно заряженный электрон. Открытие позитрона по суше- .;";~.,".'." - г '.";~ ~ ™. ству восстановило заряловую симметрию для легких частиц.

В квантовой теории поля электрон и позитрон полностью равноправные ча- ,Рувв стицы. Другая неожиданность — по- ЗнтРОН ЯВЛЯЕТСЯ СтабИЛЬНОй ЧаСтИ- рис.ззй наолюление позитрона в кацей и может в пустом пространстве мере Вильсона,иомешеннойвмагнитсушествовать бесконечно лолго. Ол- нос поле. Тонкая изогнутая прерывинако при столкновении электрона стаялиния,илушаясиизу вверх — трек и позитрона происходит их анниги- позитрона. Темная полоса, пересекаюляция. Электрон и позитрон нече- шая трек посредине. слой вещества, зают, н вместо ннх рождаются два в котоРом позитронтеряетчастьэнер- гии и по выхоле из которого лвигается Т-кванта (фотона): с меньшей скоростью. Поэтому трек искривлен сильнее Таким образом, происходит превращение частиц с массой, отличной от нуля (масса электрона гпс,' = 0,5!1 МэВ), в частицы с нулевой массой (фотоны).

Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рожления пары частиц — электрона и позитрона. Электрон-позитронные пары легко рождались 7-квантами с энергией несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра. В классической физике понятия частицы и волны резко разграничены — одни физические объекты являются частицами, а другие — волнами. Превращение пары электрон — позитрон в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между излучением и вепгеством много общего. Процессы аннигиляции и рождения пар заставили по-новому осмыслить, что же такое элементарная частица.

Элементарная частица перестала быть неизменным «кирпичикомч в строении материи. 26 Глава 1. Элементарные частицы Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного превращения элементарных частиц. Оказалось, что элементарные частицы могут рождаться и исчезать, превращаясь в другие элементарные частицы. Открьпие нейтрона, казалось, внесло ясность в строение вещества.

Все элементарные частицы, необхолимые для построения атома, — протон, нейтрон, электрон — были известны. Однако вновь возникла проблема. Если в составе атомного ядра нет электронов, то откуда же берутся электроны, которые наблюдаются при радиоактивном распаде ядер? ф 10. Нейтрино Ответ на этот вопрос был дан в 1932 г. Э. Ферми в разработанной им теории )э-распада. 13-распад в определенном смысле аналогичен испусканию фотонов возбужденными атомами.

Нн электронов в ядре, ни фотонов в атоме нет до момента излучения. И фотон, и электрон образуются в процессе распада. Изучение процесса )3-распада показало, что непускание элекгронов вызвано не электромагнитным и не ядерным взаимодействиями, а новым типом взаимодействия, до сих пор неизвестным в Физике. Это взаимодействие было названо слабым взаимодействием. Изучение процессов, происходящих в результате этого взаимодействия, принесло в физику много неожиданных н сенсационных открытий. Изучение явления 1У-распада поставило перед физиками серьезную проблему. Экспериментальные факты казались несовместимыми с законами сохранения энергии, импульса и момента количества движения.

Так, например, суммарная энергия электрона и образовавшегося в результате распада ядра была меньше энергии начального ядра. Н. Бором даже было высказано предположение, что при 13-распаде закон сохранения энергии выполняется в среднем, т. е. после усреднения по большому числу распалов. В отлельных актах распада он может нарушаться.

Часть энергии исчезала. Электроны, образующиеся в результате )1-распада, имели непрерывный энергетический спектр — от нулевой до некоторой определенной энергии (рис. 1.5), Число ээелгроноэ 0 0,5 1,0 1,э Мэй Элэрглл элелгрэлээ Ряс. 1.э. Пример непрерывного спектра электроноэ 11-распада 27 э 11. Лионы — кеангны ядерного поля Для того чтобы спасти законы сохранения, В. Паули еще в 1930 г. высказал предположение, что в процессе (1-распада наряду с электроном, который легко наблюдается, должна рождаться еще одна очень легкая (и неуловимая) частица с нулевым зарядом и спином 1/2.

Эта частица была названа нейтрино. Поскольку нейтрино испускалось вместе с электроном в процессе 1у-распада, оно могло уносить недостающую энергию и импульс. Для того чтобы проверить гипотезу Паули, необходимо было обнаружить нейтрино экспериментально. Однако свойства нейтрино, предсказанные Паули, делали обнаружение этой частицы чрезвычайно трудной залачей. Дело в том, что нейтрино должно было очень слабо взаимодействовать с веществом. Оно могло пролетать тысячи километров вещества без взаимодействия.

Сечение взаимодействия нейтрино с энергией несколько МэВ с атомными ядрами крайне мало: 10 ю см . Экспериментальные попытки непосредственно зарегистрировать нейтрино продолжались почти четверть века. Лишь в 195б г, в результате очень сложного эксперимента Ф. Райнесу и К.

Коуэну удалось зарегистрировать антинейтрино. Оно было зарегистрировано с помощью реакции р, +р- и+е~. Источником антинейтрино служил атомный реактор„в котором анти- нейтрино образуются в большом количестве. Пгпотеза Паули получила блестящее подтверждение. С колоссальной проникающей способностью нейтрино связано развитие таких направлений в науке, как нейтринная астрофизика н нейтринная геофизика. Нейтрино несут информацию о процессах в центре Солнца, о процессах, происходящих в ранней Вселенной, о конечных стадиях эволюции звезд.

ф 11. Пионы — кванты ядерного поля Наличие в атомном ядре нейтронов и протонов поставило перед физиками проблему изучения природы сил, связывающих эти частицы в ядре. В 1935 г. Х. Юкава предсказал новую частицу — квант ядерного поля. Согласно гипотезе Юкавы взаимодействие между нуклонами возникает в результате испускания и поглощения имн частиц — квантов ядерного поля (рис. 1.6, справа). Они создают ядерное поле по аналогии с электромагнитным полем, которое возникает как следствие обмена фотонами между двумя зарядами (рис.! .6, слева) и потенциал которого, как известно, имеет радиальную зависимость 1 Ум(г) Взаимодействие между нуклонами, возникающее в результате обмена частицей массы гп, приводит к появлению потенциала с радиальной зависимостью е -(мг/Ь)г У„(г) ° 28 Вчава 1.

Элел|енлгарные часлгииы нуклон электрон нуклон гк ! 1 ! ! электрон нуклон электрон нуклон Ряс. !.6. Электромагнитное (сяевэ) н ядерное (справа) взаимодействия кэк обмен соответствующими квантвмн поля Принимая во внимание известные факты, что ядерные силы — короткодействующие и имеют характерный радиус действия 1 Фм (10 'з см), Юкава оценил массу квантов ядерного поля (в энергетических единицах птсз) 200 МэВ. Предсказанная Юкавой частица должна была занимать по массе промежуточное значение между электроном и протоном и была названа мезоном от греческого слона тезот — средний. После предсказания свойств мезона начались энергичные поиски этой частицы. И уже через два года, в!937 г., в космических лучах с помощью камеры Вильсона была обнаружена частица с массой, равной примерно 200 массам электрона.