Л.К. Мартинсок, Е.В. Смирнов - Квантовая физика (1023618), страница 70
Текст из файла (страница 70)
Это означает, что сильное взаимодействие является короткодействующнм. Время распада частиц, происходящего за счет сильного взаимодействия, т - 10 ...10 с. Частицы, аств ие в ильном взаимо ействии называются адраыми (от др.-греч. аброа — сильный). Адроны образуют большинство всех известных элементарных частиц, их общее число превышает 450.
Однако, несмотря на то что сильное взаимодействие обладает наибольшей интенсивностью, его влияние в ряде случаев оказывается ограниченным. Это связано со следующими причинами. В сильное взаимодействие вступают не все частицы. Например, отон и эле н в сильном взаимодействии не аств т. В связи с этим говорят, что сильное взаимодействие не является универсальным, т. е. общим для всех элементарных частиц.
Сильное взаимодействие осуществляется только на очень малых расстояниях. Радиус его действия порядка 10 м. Процессы, вызываемые сильным взаимодействием, подчиняются наибольшему числу законов сохранения. В связи с этим говорят, что сильное взаимодействие обладает самой высокой симметрией из всех видов фундаментальных взаимодействий. А каждый закон сохранения, независимо от своего содержания, является ограничением на процесс, в котором этот закон выполняется.
В тех случаях, в которых сильное взаимодействие не проявляется, становятся существенными другие, более слабые фундаментальные взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие. Константа электромагнитного взаимодействия А-10 . Радиус действия электромагнитных сил не ограничен (г= ). Время распада за счет этого взаимодействия т - 10 с. Электромагнитное взаимодействие заметно слабее сильного, однако в ряде случаев вследствие большого радиуса действия (дальнодействия) электромагнитные силы играют определяющую роль. В частности, эти силы вызывают разлет осколков, образующихся при делении атомных ядер. Наиболее широко явления, обусловленные электромагнитным 5 взаимодействием, проявляются на расстояниях 10 м < г < 10 м. Это взаимодействие ответственно за собственно электрические и магнитные явления, а также за оптические, тепловые, механические и химические явления.
Выделение указанной области значений г для электромагнитного взаимодействия очевидно: на меньших расстояниях основную роль играет сильное взаимодействие, а на больших расстояниях становятся существенными еще и гравитационные силы. Ограниченность проявлений электромагнитного взаимодействия обусловлена следующими обстоятельствами.
1. Поскольку существуют как положительные, так и отрицательные заряды, то имеется большое разнообразие электрически нейтральных систем (простейший пример — атомы). Силы взаимодействия между такими системами могут убывать с расстоянием гораздо быстрее, чем кулоновские силы. 2. Электромагнитное взаимодействие различных частиц может иметь неодинаковую интенсивность. Так, наиболее интенсивными являются кулоновские силы, действующие между заряженными частицами. А вот нейтральные частицы, обладающие спином, например нейтроны, взаимодействуют только через магнитное поле, источником которого являются магнитные моменты частиц.
Эти силы гораздо слабее кулоновских. И наконец, такие частицы, как нейтрино, практически не участвуют в электромагнитных взаимодействиях. 3. Процессы, вызываемые электромагнитным взаимодействием, так же как и в случае сильного взаимодействия, подчиняются достаточно большому числу законов сохранения.
Слабое взаимодействие. В слабом взаимодействии аств все частицы за исключением отона что говорит об универсальности слабого взаимодействия. Константа слабого взаимодействия А-10 Слабое взаимодействие является еще более короткодействующим, чем сильное: г<10 ' м. Время распада за счет слабого взаимодействия составляет т - 10 с.
Слабое взаимодействие на всех изученных расстояниях существенно уступает сильному и электромагнитному взаимодействиям. Об этом, в частности, свидетельствует тот факт, что поток ней- трино, которые участвуют только в слабом взаимодействии, практически не ослабляется, проходя через Солнце. Интенсивность слабого взаимодействия быстро возрастает с уменьшением расстояния между частицами.
И, как показывают расчеты, она может сравниться с интенсивностью сильного взаимодействия при расстояниях порядка 10 2ом. Однако такие расстояния пока еще недоступны при проведении экспериментальных исследований. Несмотря на свою малую интенсивность и короткодействие, слабое взаимодействие играет очень важную роль в природе. Оно ответственно за все виды р-распада ядер, за многие распады элементарных частиц (мнюнов,я-мезонов и др.), а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом.
Кроме того, слабое взаимодействие играет определяющую роль в реакциях, происходящих на Солнце и других звездах. Ключевым процессом, запускающим цепочку ядерных реакций, благодаря которым светит Солнце, является реакция ,'р+,'р ~ 2Н+,е++ч„ которая идет за счет слабых сил. Гравитационное взаимодействие. Из всех фундаментальных взаимодействий гравитационное является самым слабым. Константа гравитационного взаимодействия А - 10 . Грмитав;ионное взаимодействие испытывают все части ы без исключения, так что оно является абсолютно универсальным. Радиус действия сил гравитации не ограничен, эти силы всегда являются силами притяжения.
Отметим, что гравитационные силы играют существенную роль только для тел с достаточно большой массой. Для элементарных частиц, масса которых ничтожно мала, гравитационное взаимодействие не имеет сколько-нибудь существенного значения. В дальнейшем, говоря о фундаментальных взаимодействиях, мы будем рассматривать только три из них — сильное, электромагнитное и слабое. Электрослабое взаимодействие. Весьма заманчивой и перспективной является идея, согласно которой рассмотренные выше взаимодействия представляют собой различные проявления одного фундаментального взаимодействия. Мысль о подобной возмож- 465 !б — !0329 ности была высказана еще А.
Эйнштейном, который пытался единым образом описать электромагнитное и гравитационное взаимодействия. В конце 70-х годов ХХ в. американским физикам Ш. Глэшоу и С. Вайнбергу и пакистанскому физику А. Саламу удалось создать единую теорию электромагнитных и слабых взаимодействий. Эта теория получила название теории электрослабых взаимодействий. Ранее уже отмечалось, что переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны. Согласно теории электрослабых взаимодействий, переносчиками слабых взаимодействий являются три частицы, названные промежуточными векторными бозонами. К ним относятся две заряженные частицы: 1У+- и 1т' -бозоны, а также одна нейтральная частица — У -бозон.
Векторными эти частицы называются потому, что их спин равен единице. В этом смысле фотон, спин которого тоже равен единице, также является векторным бозоном. В теории электрослабых взаимодействий константа слабого взаимодействия А выражается через постоянную тонкой структуры а и массу промежуточного векторного бозона. Теория позволила предсказать значения масс промежуточных бозонов, которые составляли примерно 100 ГэВ. В 1983 г. промежуточные векторные бозоны были обнаружены экспериментально. Исследовании показали, что масса 1У~-бозонов т ~ — — 81 ГэВ, а масса Л -бозона гл а = 93 ГэВ.
о й~ г Промежуточные векторные бозоны являются нестабильными -25 частицами, их время жизни т = 3 10 с. Отметим, что столь ничтожно малое значение т не явилось препятствием для нх достоверного экспериментального обнаружения. Как уже отмечалось в 7.2, слабое взаимодействие ответственно за 1)-распад. Это означает, что р-распад (превращение нейтрона в протон нли протона в нейтрон) должен проходить с участием промежуточного векторного бозона. Так, рассмотренный в 7.2 ~3-распад нейтрона (и-+ р+е +9,) в действительности происходит в две стадии: первая сопровождается рождением промежуточного бозона Ф а вторая — его распадом $У вЂ” ~е +9,.
Таким образом, теория электрослабых взаимодействий получила блестящее экспериментальное подтверждение. Стал актуальным вопрос о большом (или Великом) объединении, идея которого заключается в объединении сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий в одно фундаментальное взаимодействие. Истории открытии элементарных частиц. Возможность обнаружения элементарных часпщ была подготовлена успехами в изучении строения материи, которых добились исследователи к концу Х1Х в.
Первой открытой элементарной частицей был электрон, обнаруженный в 1897 г. ДжДж. Томсоном в составе катодных лучей. Экспериментальное доказательство существования фотона было дано в опытах Р. Милликена по фотоэффекту в 1912— 1915 гг., а также в опытах А. Комптона по рассеянию рентгеновских лучей на электронах в 1922 г. Протон был обнаружен Э. Резерфордом в 1919 г. в экспериментах по исследованию взаимодействия а-частиц с атомными ядрами. Нейтрон впервые наблюдался в 1932 г.
Дж. Чедвиком в опытах по столкновению а-частиц с ядрами бериллия. Дальнейшее исследование элементарных частиц в 30 — 40-х годах ХХ в. было связано с изучением космических лучей. В 1932 г. в их составе К. Андерсоном была открыта первая античастица— позитрон е. В 1936 г. К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили в космических лучах мюоны с различными знаками электрического заряда: 1г+ и 1г . В 1947 г.
группой С. Пауэлла в составе космических лучей были открыты заряженные к*-мезоны, а в 1950 г. был обнаружен нейтральный л -мезон. В 1956 г. Ф. Райнес и К. Коуэн в потоке частиц, идущих от ядерного реактора, обнаружили электронное антинейтрино 9,. С начала 1950-х годов основным инструментом в исследовании элементарных частиц стали ускорители. В 1955 г. группой Э. Сегре был открыт антипротон р, а в 1956 г. был обнаружен 467 пе Таблица 7.2 Адроны Переносчики взаимодействий Барионы Лептоны Нуклоны 2о глзооны й,Х,Е,П и резонансы н,к,ч и резонансы р, л К переносчикам взаимодействий относятся фотон, )к'*- и Е -бозоны, а также глиюны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
