Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 114
Текст из файла (страница 114)
Приведем простейшие примеры реакций рождения л-мезонов: итр и тр и р — е и'+ и" + л", и — 'р р'+р" +л . *) Меэон (лат. тпеэоп — промежуточный) — частица с массой, промежуточной между массами электрона и нуклона. се с Здесь символы и и р обозначают нейтрон и протон; л, л', и"; р, р', р" — нуклоны, отличающиеся состоянием движения (величиной и направлением скорости).
Указанные реакции, как и вообще все известные физические процессы, удовлетворяют закону сохранения электрического заряда. По закону Эйнштейна излучение я-менова требует затраты энергии, не меньшей энергии покоя л-мезона, равной к оп' зт (ф ( чих Г чг~ Рис. 4)4. Расщепление ядра углерода при захвате и--мезона. Микрофотография следов частвц, запечатленных в фотоэмульсии (см. 4 235). л--мезон, затормозившись в фотоэмульсин, притягивается положительно заряженным атомным ядром и захватывается одним из его протонов (и-+р и).
При этом освобождается значительная энергия ( 138 Мэв) и ядро расщепляется. На снимке видны заряженные продукты расщепления — быстрые а-частицы и протон; нейтроны следов не оставили. Общее уравнение реакции а С+и-- 2,'Не+р+Зп 497 х'Зан х н $ а ху в васса а х ахо ва ххвнХ „Ях ао а а ас К х а 35ях х о у фодр ~~~О ( ра.а х айса».Я Л О + 2 ХО в 3-' в 3 х я х,евхаИсЬ о Х р й х О ' а с увохохо саво сана ух ар. а Охс аахахао О оно у оаао" х с а о вхаввов а с в а о оса о он х в х ау а о а- оооо а 0..>~ох О а Н Х 3 хх Яоа х х а Д с»о а я х У -0 худ н х тонуса ооааа а свао ос вас а а ос ~ао а а ~ в ах ввувс Х Х а а~ х о а х х н я а+ охах а Я ссЯ с - о Я а О о ах аоо а ' О ах о ах'О х г. ахова снох "' о Со вас х х оонЯОУ с»»х'Я а с ъ х о хасса~ О аоой О тс'=140 МэВ.
Ввиду этого процессы рождения и-мезонов наблюдаются только при столкновениях частиц, обладающих весьма большой энергией. Пи-мезоны, аналогично световым квантам, способны также поглощаться нуклонами, отдавая им свою кинетическую энергию, энергию покоя и электрический заряд (рис. 414). Пи-мезоны не стабильны. Нейтральный п.мезои через время порядка 10 "с распадается на два у-кванта. и+- и и -мезоны в среднем через 30 нс (30 10 ' с) превращаются соответственно в положительный мюон (обозначается р') и нейтрино и в отрицательный мюон (р ) и нейтрино.
Мюоны — это частицы с массой покоя, равной 207 масс покоя электрона, и средним временем жизни 2 мкс (2 10 ' с). Мюоиы превращаются в электрон или позитрон и два нейтрино (рис. 415). Мюоны были открыты раньше, чем п-мезоны, и их вначале приняли за ядерные кванты. Это представление было вскоре отброшено, так как выяснилось, что мюоны крайне слабо взаимодействуют с нуклоиами. Вслед за и-мезонами было открыто несколько видов еще более тяжелых и менее стабильных мезонов, сильно взаимодействующих с ядрами. Так же как и л-мезоны, их следует считать квантами поля ядерных спл. Как видно, ядерное поле является весьма сложным; полной теории этого поля пока еще нет.
й 233. Частицы и античастицы. В конце двадцатых годов наше~о века только что развитая квантовая механика (см. ~ 2!О) была совместно с теорией относительности (см. Э 199) применена к объяснению свойств электрона. Последовало неожиданное заключение: должен существовать положительно заряженньш двойник электрона! И действительно, через несколько лет такая частица была открыта— это известный нам позитрон. Открытие познтрона было триумфом современной физической теории.
Позитрон называют античастицей электрона. Ч а с т иц а (электроя) и а н т и ч а с т и ц а (позитрон) р а з л ичаются только знаком электрического заряда; остальные их свойства — масса покоя, абсолютная величина заряда, спин (т. е. внутреннее вращение, см.
э 230) — в т о ч н о с т и с о в п а д а ю т. Дальнейшее развитие квантовой теории привело к выводу, что, за исключением нескольких нейтральных частиц (фотон, и'-мезон), каждая частица должна иметь противоположно заряженный двойник — античастицу. В предыдущем параграфе мы познакомились с двумя парами таких двойников — это и"- и и -мезоны и мюоны )«' и р .
Опыт показывает, что, как и в паре электрон— позитрон, частица и античастица в каждой из этих пар обладают одинаковыми свойствами — их массы и периоды полураспада равны. Для нуклонов теория также предсказывает существование античастиц — антипротонов и антинейтронов (антинуклонов). Не следует удивляться, что у нейтрона, полный электрический заряд которого равен нулю, есть отличная от него самого античастица. Ведь мы уже видели раньше, что нейтрон нельзя считать нейтральной частицей. Он характеризуется сложным внутренним распределением заряда, и это проявляется, в частности, в том, что у нейтрона есть магнитный момент. Магнитные моменты нейтрона и антинейтрона оказываются направленными противоположно по отношению к направлению их спинов.
Помимо электрического заряда и магнитного момента, у нуклонов есть еще одна важная внутренняя характеристика (квантовое число), отличающая их от антинуклонов. Существование такой характеристики, которую условно можно также назвать некоторым «зарядом» вЂ” барионным зарядом В,— следует уже из стабильности нуклопов. Действительно, нуклоны, несмотря на свою большую массу, не распадаются очень быстро на легкие частицы (электроны, у-кванты, п-мезоны), хотя из энергетических соображений подобные распады, казалось, могли бы идти. Такая стабильность нуклонов и заставила предположить, что у них есть какое-то сохраняющееся квантовое число, получившее название барионного заряда, которого нет у легких частиц.
Поэтому распад нуклонов па легкие частицы оказывается запрещенным. Нуклонам приписывается значение барионного заряда В=+ 1. Тогда у антинуклонов барионный заряд будет В= — 1. Итак, антипротон характеризуется электрическим зарядом — 1 (в единицах элементарного заряда) и барнонным зарядом  —.- — 1. У антннейтрона электрический заряд нуль, и В= — 1. Антипротон, как и протон, должен быть стабильным и должен обладать такой же массой. Антинейтрон должен иметь массу нейтрона и аналогично ему быть неустойчивым — превращаться путем )1-перехода в апти- протон. 8 земных условиях антинуклоны длительно существовать не должны, так как они, подобно позитронам, а н н и- э90 г и л и р у ю т, объединяясь с нуклонами и превращаясь, как правило, в кванты ядерного поля — п-ьгезоны.
Опыты показывают, что при любых превращениях часгпиц суммарный барионный заряд сохраняется подобно электрическому. Поэтому в ядерных реакциях, учитывая сохранение обоих зарядов, антинуклон может образоваться только в паре с нуклоном. Такие реакции могут вызываться частицами с энергией в миллиарды электрон-вольт, превосходящей энергию покоя пары нуклон — антинуклон (см. упражнение 58 в конце главы). В 1955 — 1956 гг., через несколько лет после вступления в строй первого ускорителя на 6 ГэВ, группе американских физиков удалось обнаружить процессы образования антипротонов и антинейтронов на опыте. Эксперименты не только надежно доказали их существование, но и подтвердили предсказания теории относительно их свойств.
Рис. 416 и 417 иллюстрируют, как антпнуклоны изучаются при помощи пузырьковой камеры (см. З 235). В посчедующие годы среди продуктов ядерных реакций частиц высокой энергии были обнаружены антидейтроны (атоьгные ядра, состоящие из антипротона и антинейтрона). Теоретически из антипротонов и антинейтронов можно строить всевозможные ядра (или, точнее, антиядра). отличающиеся от обычных протонно-нейтронных ядер лишь отрицательным знаком электрического )и барионного) заряда *). Присоединяя позитроны, такие антнядра должны образовывать атомы, столь же устойчивые, как и обычные земные атомы.
Это означает. что может существовать антггвеи)ество, построенное из антинуклонов и антиэлектроиов, т, е. позитронов. Астрофпзическне наб.людения до сих пор не обнаружили в видимой части Вселенной сколько-нибудь заметного присутствия антивещества. Пока нельзя с уверенностью сказать, что это: результат ли недостаточной точности наблюдений или же Вселенная действительно асимметрична. т.
е. построена только из вещества, хотя антивещество, казалось бы, нисколько не худший строительный материал. В предыдушем изложеяни мы говорили о нейтрино как о саиной частине. Работы последних лет доказали сушествование нескольких «*) разновидностей нейглрлно. У)ри ))-распаде нейтронов и протонов абра- *) В )970 г. в Институте физики высоких энергий в Серпухове были сиптезнрованы ядра антигелия-з, т. е, ядра, состоянгие из двух антипротонов и одного антинейтрона. Затем были получены также ядра антитрнтня-з, состояшие нз одного антипротона и двух антннейтронов.
««) Более точно и подробно см. $ 242. й с О+о! в ОПО х с ОС О х Охх х и о С С О. = — с с ОО О СО с х ОО Сох с» ах о - с .;хо о вохс О о..о о й с.со ,ОО О х ООО ~ -ОХ ХХΠ— ХХХХХ ОО; ХХ о"" о у,, о с о х Олс с О Сх о х с фох О со~;О .Оо, х~~, с -О= С.О=ОХ ~-со О сохо хсх " со С О О Х х Охх О иод С О х с, с.~" х 'О с о, л лс' О ОХ "1 0 х х О с~с хо 4 о с сох Л с~ О "х О ОО4," ОО О 'ж с О с о й св И.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
