Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В главе ХЧ! приводятся основные сведения об элементарных частицах. Изложение здесь еще в большей степени не претендует на полноту, чем в остальных главах. Приводятся в основном только те сведения, которые необходимы в ядерной физике в узком смысле слова, т.е. в физике самого атомного ядра. Физике элементарных частиц в современном ее состоянии должна быть посвящена отдельная книга и даже ряд книг. Как и предыдущие тома, эта книга составлена на основе лекций, которые автор многократно читал в Московском физико-техническом инсгитуте.
Как и в остальных томах «Общего курса физики», в этой книге в качестве основной применяется система единиц СГС в ее гауссовой форме. Используется также оправдавшая себя удобная внесистемная единица энергии электронвольт (эВ) с ее кратными единицами (кэВ, МэВ, ГэВ). Международная система (СИ) совсем не применяется. По мнению автора, в физике эта система неудовлетворительна. О ее принципиальных недостатках было сказано в предисловиях к 1 и 111 томам, а более подробно в 3 85 тома !П. Автор с удовлетворением прочитал, что в популярной книге по физике элементарных частиц известный физик-теоретик лауреат Нобелевской премии С.
Вайнберг (р. 1933) отметил, что, по его мнению, введение СИ в физику было ошибкой. Автор может только присоединиться к этому мнению. Рукопись этой книги рецензировалась членом-корреспондентом АН СССР профессором С.С. Герштейном, а также на кафедре экспериментальной физики Киевского государственного университота им. Т.Г. Шевченко, возглавляемой членом-корреспондентом АН УССР профессором И. С.
Горбанем. Она была внимательно просмотрена заведующим кафедрой теории ядра н элементарных частиц Киевского государственного университета профессором В. К. Тартаковским. Много критических замечаний было сделано Г. И. Новиковой при редактировании книги. Все эти критические замечания способствовали улучшению книги н были учтены при окончательном ее редактировании, Всем перечисленным лицам автор выражает глубокую благодарность.
Глава 1 КВАНТЫ СВЕТА 9 1. Энергия и импульс светового кванта 1. К середине Х1Х века волновая природа света считалась доказанной окончательно. Ес подтверждали явления интерференции и дифракции света. А опыт Фуко (1819 — 1868), казалось, исключал всякую возможность корпускулярных представлений о свете (см. т. 1и, 9 3) . Это действительно было бы так, если бы имелась в виду корпускулярная теория в ньютоновской форме (см. ~ 6).
Однако и волновая теория света, даже в ее электромагнитной форме, оказалась недостаточной для истолкования всей совокупности оптических явлений. Впервые это было осознано при рассмотрении проблемы равпооесного (черного) излйченил. Настойчивые попытки решить эту проблему в рамках волновых представлений на основе классических электродинамики и статистики закончились неудачей (см. т. Ре', 'З 117). Формула, согласующаяся с опьггом во всем диапазоне длин волн, была угадана Планком (1858-1947) в октябре 1900 г., сначала эмпирически.
Немного позже Планк нашел и теоретический вывод своей формулы, доложенный им 14 декабря 1900 г. на заседании Немецкого физического общества. Это было исходным пунктом возникновения принципиально новых — квантовых — представлений. Сначала они касались только природы света, но затем постепенно проникли во все разделы физики. Оказалось, что понятия и принципы классической физики, возникшие на основе изучения макроскопических объектов, неприменимы или ограниченно применимы в области атомных и субатомных масштабов. В этой области потребовались новые представления и законы, которые в конце концов и были найдены.
Они составили основу новой, так называемой квантовой физики. Однако излагать квантовую физику систематически н дедуктивно, полностью отвлекаясь от истории ее развития, как это делается в теоретической физике, в общей физике было бы нецелесообразно. Сначала надо ознакомить начинающего с основными опытными фактами, которые одни только и могут убедить его в недостаточности и ограниченной применимости классических представлений.
Они же, и это главное, позволяют наметить пути для введения новых представлений. Именно такой метод изложения принят в настоящей книге, дающей элементарное введение в квантовую физику. 2. Вернемся, однако, к истокам квантовых идей. При выводе своей формулы для равновесного излучения Планк ввел чуждую классической физике гипотезу, его ивлрчеяие и поглощеяие света веществом происходит не непрерывно, а конечными порц лми, нли квантами. Так (Гл. 1 Кванты света Гй как свойства равновесного излучения в полости не зависят от вещества стенок полости, вещество без ограничения общности он рассматривал как совокупность гармонических осцилляторов. А чтобы согласовать свою гипотезу с законами термодинамики н электродинамики, Планк принял, что энергия кванта Ф, излучаемая нли поглощаемая гармоническим осциллятором частоты щ определяется выражением (1.1) где Л универсальная постоянная, получившая название постоянной Планка (см.
т. 1ч', 3 118). Ее значение было вычислено самим Планком нз экспериментальных результатов, полученных при изучении распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Однако постоянная Планка, как и всякая фундаментальная постоянная, входит в множество других физических явлений. Все они дают независимые способы определения этой постоянной и в пределах ошибок измерений приводят к согласующимся резулыптам, По современным данным и = 6,626176(36) 10 гт эрг с ') . (1.2) В некоторых вопросах, в особенности в теоретической физике, более удобна постоянная а = 1,0545887(57) 10 гт эрг с, (1.3) введенная Дираком (1902-1984).
Ее также называют постоянной Плавка — перечеркнутой или диракоеой. Через эту постоянную энергия кванта излучения выражается формулой (1.4) где зз = 2пи — циклическая частота излучеиил. Мы будем пользоваться как выражением (1.1), так и выражением (1.4). 3. Сам Планк, как видно из изложенного, полагал, что квантовые свойства света проявляются только о актах излучения и поглощения, т.е. при озаимодействии света с веществом.
Распространение же света в пространстве, по его воззрениям, происходит непрерывно н описывается классическими уравнениями Максвелла (1831 — 1879). Ьолее радикальная и законченная форма была придана квантовой теории света Эйнштейном (1879-1955) в 1905 г. Руководствуясь некоторыми теоретическими соображениями и экспериментальными фактами, Эйнштейн пришел к представлению, что и при распространении о пространстве свет ведет себя подобно совокупности каких-то частиц, причем энергия каждой частицы определяется формулой Планка (1Л) или (1.4). Такие частицы позднее получили название квантов света или фотонов.
') Здесь, как н всюду в дальнейшем, в скобках приведено стандартное отклонение последних двух цифр от их среднего значения. Энергия и импульс светового кванта Это не было простым возвратом к ньютоновской корпускулярной теории свеча. Нельзя смотреть на фотоны как на обычные частицы света, аналогичные материальным точкам классической механики и движущиеся по определенным траекториям в пространстве. Это видно уже из того, что фотонам свойственна интер!!геренци н дифракцив. Они обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Такая особенность фотонов называется корпускулярно-аолповыгя дуализмояь Было бы безнадежно пытаться истолковать корпускулярноволновой дуализм в духе представлений классической физики. Человеческое воображение не в состоянии создать образ, обладающий одновременно и свойствами корпускулы, и свойствами волны.
Однако природа богаче воображения человека. При ео изучении надо руководствоваться не тем, что доступно воображению человека, а тем, что дают наблюдения и опыт. Отметим уже сейчас, что обычные корпускулы— электроны, нейтроны, атомы, молекулы и пр. — также обладают волновыми свойствами. Опыты, заставляющие принять зто заключение, будут рассмотрены в З 18. Поэтому обсуждение вопроса, как современная физика истолковывает корпускулярно-волновой дуализм, мы отложим до з 19, после того как будут изучены волновые свойства вещесгва. 4. Если фотон обладает энергией, то он должен обладать и импульсом, как этого требует теория относительности.
Импульс фотона проявляется, например, в давлении света. Связь между энергией й и импульсом р при движении частицы в геории относительности выражается формулой (!Г/с) — р = (тос) 11. 5) (см. т. !Ъ', з 111). (При этом предполагается, что во время движения внутреннее состояние частицы, а с ннм н ее масса покоя то остаются без изменения.) Фотон движется в вакууме со скоростью света с, т. е. является релятивистской часгаицей. Если бы масса покоя фотона тв была отлична от нуля, то его релятивистская масса то ,!-=Р была бы бесконечно велика. Поэтому надо допустить, что для фотона тв = О. В результате предыдущее соотношение запишется в виде л:=рс.
(1.6) (Знак минус при извлечении квадратного корня следует опустить, принимая, что импульс фотона р направлен в сторону распространения света.) Неклассическнй галрактер соотношения (1.1) нли (1.4) проявляется, между прочим, в том, что по классическим представлениям энергия должна быть связана не с частотой, а с амплитудой колебания.
По этим представлениям корпускулярно-волнового дуализма не должно быть. Но если такой дуализм все же существует, то связь между корпускулярными и волновыми свойствами излучения не может ограничиваться соотношением (1.1) или (1.4). Корпускулярные свойства излучения (1'л. ! Кванты света характеризуются энергией й и импульсом р, волновые. — частотой ы и волновым вектором (с. В теории относительности величины й и р об ьединяются в один четырехмерный егктар энергии-и пульса («ъ ср).
Фаза волны х! — 1сг, как показано в т. !ЗУ, З 107, инвариантна относительно преобразования Лорентца. А так как (1, г/с) четырехмерный вектор, то отсюда следует, что частота ы и волновой вектор 1с также объединяются в четырехмерный вектор («э, с1с). Временные ком поненты й и ы четырехмерных векторов (У, ср) и (ы, с1с) одинаково преобразуются при преобразованиях Лорентца. Поэтому соотношение (1.1) (или (1.4)) удовлетворяет необходимому требованию релятивистской инвариантности. Но релятивистски инвариантное соотношение не может ограничиться связью только между временными компонентами четырехмерных векторов (Е, ср) и («э, с(с). Связь должна существовать между самими четырехмернь ми векторами. Отсюда следует, что если гипотеза Планка й = 6ы верна,то из неви из требования релятивистской инвариантности с неизбежностью вытекает, что р = 61«.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
