Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 140
Текст из файла (страница 140)
Понтекорво (р. 1913 г.) и экспериментально доказал (1962) американский физик Л. Ледермаи (р. !922), отличаются ат о ос, и оо„— «электронных» нейтрино он антииейтрина, сопутствующих испусканию позитрона и электрона соответственно (см. 2 263, 258). Существование ооч„и ~ото следует из законов сохранения энергии и спина. Из схем распада (270.1) и (270.2) следует, что спины мюонов, как и электрона, должны быть равны 1/2 (в единицах л), так как спины нейтрино (1/2) и антинейтрнно ( — 1/2) взаимно компенсируются. Дальнейшие эксперименты привели к выводу, что мюоны не взаимодействуют или взаимодействуют весьма слабо с атомными ядрами, иными словами, являются ядерно-неактивнымн частицами.
Мюоны, с одной стороны, из-за ядерной пассивности не могут рождаться при взаимодействии первичного компонента космического излучения с ядрами атомов атмосферы, а с другой — из-за нестабильности не могут находиться в составе первичного космического излучения. Следовательно, отождествить мюоны с частицами, которые, согласна Х. Юкаве, являлись бы носителями ядерного взаимодействия, не удалось, так как такие частицы должны интенсивно взаимодействовать с ядрами.
Эти рассуждения и накопленный впоследствии экспериментальный материал привели к выводу о том, что должны существовать какие-то ядерна-активные частицы, распад которых и приводит к образованию мюонов. Действительно, в 1947 г. была обнаружена частица, обладающая свойствами, предсказанными Юкавой, которая распадается на мюон и нейтрино. Этой частицей оказался я-мезон. 4 27! Мезоны и их свойства С. Пауэлл (1903 †19; английский физик) с сотрудниками, подвергая иа большой высоте ядерные фотоэмульсии действию космических лучей (1947), обнаружили ядерно-активные частицы — так называемые и-мезоны (от греч.
«мезос»вЂ” средний), или пионы. В этом же году пионы были получены искусственна в лабораторных условиях при бомбардировке мишеней из Ве, С и Сп а-частицами, ускоренными в синхроциклотроне да 300 МэВ. л.Мезоиы сильно взаимодействуют с нукланами и атомными ядрами н, по современным представлениям, обусловливают существование ядерных сил. Существуют положительный (и+), отрицательный (л ) (их заряд равен элементарному заряду е) и нейтральный (по ) мезоны.
Масса л+- и я -мезонов одинако- Г л о па ЗЗ Элочтюы фпзикп оиоченторпых часшп аа и равна 273,!пгн масса л'-мезона равна 264,1иг,. Все пионы нестабильны; время жизни соответственно для заряженных и нейтрального л-мезонов составляет 2,6 ° 10 ои0,8 ° 10 "с Распад заряженных пионов происходит в основном по схемам ле рэ+охю (271.1) ° р +ото (271.2) где мюоиы испытывают дальнейший распад по рассмотренным выше схемам (270.1) н (270.2). Из схем распада (271.!) и (271,2) следует, что спины заряженных л-мезонов должны быть либо целыми (в единицах й), либо равны нулю.
Спины заряженных л-мезонав, по ряду других экспериментальных данных, оказались равными нулю. Нейтральный пион распадается на два у-кванта: (К р +,), (К -н л + ло)„ (К е +л +у,). К -ч- гг +т„ К' л'+ лп К+ — е++л~+т, Распад нейтральных К-мезонов в основном происходит по следующим схемам (в порядке убывания вероятности распада): л. 27 ° о Спин ло-мезона, так же как н спин л~-мезона, равен нулю.
Исследования в космических лучах па методу фотоэмульсий (!949) и изучение реакций с участием частиц высоких энергий, полученных на ускорителях, привели к открытию К-мезонов, или каонов,— частиц с нулевым спинам и с массами, приблизительно равными 970 иг,. В наста. ящее время известно четыре типа каинов: положительно заряженный (К ), отрицательно заряженный (К ] н два нейтральных (Ко и К"). Время жизни К-мезонов лежит в пределах 10 ' — 10 "с в зависимости от их типа. Существует несколько схем распада К-мезонов. Распад заряженных К-мезонов происходит преимущественно по схемам для короткоживущих (Ко) < К',-.
"+ —, Ко о+ для долгоживущих (К~с) К~-нлч Ре +т„ Ко — ~-л 1- е~ + т„ К' 4-р +тм К~с-~л 4- ит + ч„, К,-~-л +л" +л, Кс — ~-л + тг +л . 4 272. Типы взаимодействий элементарных частиц Согласна современным представлениям, а природе осуществляется четыре типа фундаментальных изиимодейттэий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Сильное, илн ядерное, взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов н обеспечивает исключительную прочность ю их образований, лежагцую в основе стабильности вещества в земных условиях. Электромагнитное взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех элементарных частиц, за исключением нейтрино, антинейтрино и фотона. Электромагнитное взаимодействие, в частности, ответственно за существование атомов и молекул, обусловливая взаимодействие в них положительно заряженных ядер н отрицательна заряженных электронов. Слабое взаимодействие — наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире.
Оио ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино или антинейтрино (например, р-распад, и-распад), а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни расппдающейся частицы (т~!0 "с). ыо 7 Э.п»ц»ть. фпзи«~ »»ччпш~ »др» п».г»гнт»щп»~ шгтпч Гравитационное взаимодействие присуще ноем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и, по-видимому, в процессах микромира несущественно. Сильное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит электромагнитное и в 10" раз — слабое.
Чем сильнее взаимодействие, тем с большей интенсивностью протекают процессы. Так, время жизни частиц, называемых резонансами, распад которых описывается сильным взаимодействием, составляет примерно 1О "с; время жизни п«-мезона, за распад которого ответственно электромагнитное взаимодействие, составляет 10 "с, для распадов, за которые ответственно слабое взаимодействне, характерны времена жизни 10 '" — 10 "с.
Как сильное, так и слабое взаимодействия — короткодействующие. Радиус действия сильного взаимодействия составляет примерно 10 '» м, слабого — не превышает 10 "м. Радиус действия электромагнитного взаимодейст. вня практически не ограничен. Элементарные частипы принято делить на трн группы: 1) фотоны — эта группа состоит всего лишь нз одной частицы — фотона -- кванта электромагнитного излучения; 2) лептоны (от греч.
«лептос» — легкий), участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К лептонам относятся электронное и мюонное нейтрино, электрон, мюон и открытый в !975 г. тяжелый лептон — т-лептон, или таон, с массой примерно 3487 гпь а также соответствующие им античастицы. Название лептонов связано с тем, что массы первых известных лептонов были меньше масс всех других частиц (кроме фотона). К лептонам относится также таонное нейтрино, существование которого в последнее время также установлено; 3) адроны (от греч. «адрос» — крупный, сильный). Адроны обладают сильным взаимодействием наряду с электромагнитным и слабым.
Из рассмотренных выше частиц к ним относятся протон, нейтрон, пионы и каоны. Для всех типов взаимодействия эле- ментарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда. Характерным признаком сильных взаимодействий является зарядовая незави. симасть ядерных сил. Как уже указыва. лось (см.$254), ядерные силы, действующие между парами р — р, и — и илн р — и, одинаковы. Поэтому если бы в ядре осуществлялось только сильное взаимодействие, то зарядовая независимость ядерных сил привела бы к одинаковым значениям масс нуклонов (протонов и нейтронов) и всех л-мезонов. Различие в массах пуклонов и соответственно и-мезонов обусловлено электромагнитным взаимодействием: энергии взаимодействующих заряженных и нейтральных частиц различны, поэтому н массы заряженных и нейтральных частиц оказываются неодинаковыми.
Зарядовая независимость в сильных взаимодействиях позволяет близкие по массе частицы рассматривать как различные зарядовые состояния одной и той же частицы. Так, нуклон образует дублет (нейтрон, протон), и-мезоны — триплет (п~, и, и") н т. д. Подобные группы «похожих» элементарных частип, одинаковым образом участвующих в сильном взаимодействии, имеющие близкие массы н отличающиеся зарядами, называют нзотопнческимн мультиплетами. Каждый изотопический мультиплет характеризуют изотопнческнм спином (изоспнном) — од. ной из внутренних характеристик адронов, определяющей число (и) частиц в изотопическом мультиплете: п=2»+!.
Тогда и»оспин нуклона 1='/» (число членов в изотопическом мультиплете нуклона равно двум), и»оспин пиона /=1 (в пионпом мультиплете п=3) и т.д. Изотопический спин характеризует только число членов в изотоцнческом мультиплете н никакого отношения к рассматриваемому ранее спину не имеет. Исследования показали, что во всех процессах, связанных с превращениями элементарных частиц, обусловленных зарядово-независимыми сильными взаимодействиями, выполняется закон сохранения нзотопнческого спина.
Для электро- ! . з в а ЗЛ. Элсьгьзы фишьз злементарнык юг гни магнитных и слабых взаимодействий этот закон не выполняется. Так как электрон, позитрон, фотон, мюоны и нейтрино и антинейтрино в сильных взаимодействиях участия не принимают, то им изотопический спин не приписывается. 9 273. Частицы и античастицы Впервые гипотеза об античастице возникла в 1928 г., когда П. Дирак на основе релятивистского волнового уравнения предсказал существование познтрона (см. 4263), обнаруженного спустя четыре года К. Андерсоном в составе космического излучения.
Электрон и позитрон не являются единственной парой частица— античастица. Выводы релятивистской квантовой теории привели к заключению, что для каждой элементарной частицы должна существовать античастица (принцип зарядового сопряжения). Эксперименты показывают, что за немногим исключением (например, фотона и и'-мезона), действительно, каждой частице соответствует античастица. Из общих принципов квантовой теории следует, что частицы и античастицы должны иметь одинаковые массы, одинаковые времена жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды (и магнитные мо-.
менты), одинаковые спины и изотопические спины, а также одинаковые остальные квантовые числа, приписываемые элементарным частицам для описания закономерностей их взаимодействия (лептонное число (см. 4 275), барионное число (см. $275), странность (см. $274), очарование (см. 4 275) и т. д.). До 1956 г.
считалось, что имеется полная симметрия между частицами и античастицами, т. е. если какой-то процесс идет между частицами, то должен существовать точно такой же (с теми же характеристиками) процесс между античастицами. Однако в 1956 г. доказано, что подобная симметрия характерна только для сильно~о и электромагнитного взаимодействий и нарушается для слабого, Согласно теории Дирака, столкновение частицы и античастицы должно приво- дить н их взаимной аннигиляции, в результате которой возникают другие элементарные частицы или фотоны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
