М.Г. Иванов - Как понимать квантовую механику (1156773), страница 7
Текст из файла (страница 7)
К счастью, гравитационное взаимодействие — самое слабое,и во многих задачах им можно пренебречь или рассматривать его в качествеклассического фона.Остальные три взаимодействия весьма успешно описываются в рамкахстандартной модели физики элементарных частиц.Электромагнитное взаимодействиеВ электромагнитном взаимодействии участвуют электрически заряженные частицы. Переносчик электромагнитного поля фотон не имеет массы, как всякая безмассовая частица со спином, имеет две поляризации.Фотон истинно нейтрален. Сами фотоны электрически не заряжены, нов очень сильных электромагнитных полях могут возникать нелинейные явления, когда фотоны рождают виртуальные электрон-позитронные пары,и уже виртуальный электрон испускает/поглощает новый фотон.Фотон не имеет массы, благодаря чему онустойчив (его собственное время стоит на месте) и распространяется на большие расстояния.
Виртуальные фотоны обеспечивают медленно спадающее с расстоянием электростатическое взаимодействие (с медленно убывающим потенциалом ∼ 1/r и силой ∼ 1/r 2 ).Реальные фотоны образуют электромагнитныеволны (радиоволны, тепловое (инфракрасное)излучение, видимый свет, ультрафиолет, рентгеновское излучение, гамма-излучение).Хотя электромагнитное взаимодействие Рис.
1.4. Джеймс КлеркМаксвелл (1831–1879). Wявляется более сильным, чем гравитационное,электростатическое отталкивание зарядов одного знака и притяжение зарядов разных знаков приводит к тому, что заряды разных знаков перемешиваются, и их суммарный заряд компенсируется(или почти компенсируется). Крупные тела всегда имеют электрическийзаряд близкий к нулевому (если сравнивать с суммарным зарядом всех час-10ГЛАВА 1тиц одного знака), и на больших расстояниях мы детектируем не электростатическое поле (плотность энергии спадает ∼ 1/r 4 ), а электромагнитноеизлучение (плотность энергии спадает ∼ 1/r 2 ).Классическая теория электромагнитного поля — электродинамикаМаксвелла — была успешно проквантована, в результате была создана квантовая электродинамика (КЭД, QED) — самая разработанная и точно проверенная квантовая теория поля на сегодняшний день.Поскольку окружающее нас вещество — связанные электромагнитнымвзаимодействием положительные и отрицательные электрические заряды,классическая и квантовая электродинамика составляет физическую основухимии и прочих наук о материалах.Слабое взаимодействиеСлабое взаимодействие было открыто на примере β-распада(n → pW − → peν̄e ).
В слабом взаимодействии участвуют все фундаментальные фермионы.W и Z бозоны имеют ненулевую массу и спин 1, соответственно каждый из них имеет по 3 поляризации. Z бозон истинно нейтрален. W + и W −являются античастицами по отношению к друг другу и несут заряд +1 и −1соответственно. При испускании W ± бозона фундаментальный фермионпревращается в верхнего/нижнего партнёра, стоящего в той же клеточкетаблицы (u ↔ d, e ↔ νe и т.
п.). Загадочность слабого взаимодействияв том, что оно единственное нарушает зеркальную CP симметрию (толькоиз-за слабого взаимодействия античастицу можно отличить от зеркальногоотражения частицы).Рис. 1.5. Шелдон Глэшоу, Абдус Салам (1926–1996), Стивен Вайнберг.1.1. В ГЛУБЬВЕЩЕСТВА11W и Z бозоны имеют очень большую массу (80,4 ГэВ и 91,2 ГэВ, притом, что массы протона и нейтрона ∼ 1 ГэВ). Без помощи ускорителей иликосмических частиц высокой энергии W и Z бозоны проявляются толькокак виртуальные частицы, существующие столь короткое время, что физикидолго не замечали промежуточную стадию β-распада и считали, что слабое взаимодействие является не трёхчастичным, а четырёхчастичным (первая модель слабого взаимодействия, созданная Энрико Ферми в 1934 году).
На больших (или даже ядерных) расстояниях слабое взаимодействие(за счёт обмена виртуальными W и Z бозонами) столь незначительно, чтоего невозможно детектировать, и взаимодействие проявляется только черезпревращения частиц. Характерное расстояние, на котором работает слабое взаимодействие, — 10−16 см (размер протона ∼ 10−13 см, размер атома ∼ 1 Å = 10−8 см).Слабое взаимодействие — единственное, которое позволяет детектировать нейтрино (нейтрино также участвует в гравитационном взаимодействии, но гравитационное взаимодействие для отдельного нейтрино слишком слабо).Объединённая теория электромагнитного и слабого взаимодействий,описывающая их как проявления электрослабого взаимодействия, была создана около 1968 года Глэшоу, Саламом и Вайнбергом.Сильное взаимодействиеВ сильном взаимодействии участвуют только кварки и глюоны (сильное взаимодействие нелинейно), а также построенные из них составныечастицы.
Сильное взаимодействие удерживает кварки в адронах, а нуклоны(протоны и нейтроны) в атомных ядрах. Все истинно элементарные сильновзаимодействующие частицы несут специальный заряд — «цвет». В отличие от обычных зарядов, цвет трёхмерен. Все частицы, которые можнонаблюдать в свободном состоянии, цвета не несут. Глюоны имеют спин 1и не имеют массы, поэтому они имеют две спиновых поляризации, однакопомимо спиновой поляризации они имеют ещё цветной заряд, из-за чего общее число поляризаций существенно больше.
Сильное взаимодействие неимеет малого параметра, по которому можно было бы разлагать его в ряд(параметр есть, но он порядка 1), из-за чего что-либо аналитически посчитать в рамках квантовой хромодинамики (так называется теория сильноговзаимодействия) очень сложно. Однако теоретические расчёты и численныевычисления убедительно подтверждают справедливость теории.12ГЛАВА 1Хотя глюоны не имеют массы, нелинейные эффекты (то, что самипереносчики взаимодействия несут цветной заряд) приводят к тому, чтоглюоны, как и кварки, не могут вылетать из атомного ядра (конфайнмент).
На сравнительно больших расстояниях (порядка размеров нуклона ∼ 10−13 см) глюоны образуют протяжённые конфигурации — глюонные струны, натяжение которых не зависит от длины. Таким образом, потенциальная энергия сильного взаимодействия для частиц, соединённыхглюонной струной, растёт на «больших» (∼ 10−13 см — размер нуклона) расстояниях линейно ∼ r. Когда расстояние увеличивается настолько,что струне становится энергетически выгодным разорваться с образованием на новых концах пары кварк-антикварк, струна становится неустойчивойи рвётся. Каждая частица, образовавшаяся в результате такого распада, ненесёт цветного заряда и имеет целый электрический заряд.Адроны не несут цветного заряда, между нимине образуется глюонных струн, но действует остаточное сильное взаимодействие. Энергия остаточного сильного взаимодействия мала по сравнениюс массами адронов, поэтому, например, масса ядраблизка к сумме масс образующих его бесцветныхнуклонов (протонов и нейтронов). Первая теориясильного межнуклонного взаимодействия, созданнаяХидэки Юкавой (1935 г.), описывала его через обРис.
1.6. Хидэки Юка- мен массивными частицами промежуточной междуэлектроном и протоном массы (пи-мезонами). Эфва (1907–1981). Wфективный потенциал (потенциал Юкавы) для такоймодели отличается от кулоновского потенциала экспоненциальным множителем ∼ exp(−r/r0 )/r с характерным расстоянием порядка размера нуклона r0 ∼ 10−13 см.Внутри адронов (и, в частности, нуклонов) сильное взаимодействиенамного сильнее: сумма масс всех входящих в адрон цветных кварков существенно меньше массы самой частицы. Недостающую массу можно рассматривать как массу глюонных струн, скрепляющих кварки. На малыхрасстояниях кварки внутри адронов ведут себя практически как свободныечастицы (асимптотическая свобода).Квантовая теория сильного взаимодействия — квантовая хромодинамика (КХД, QCD) — постепенно сложилась, начиная с 1960-х годов, в процессе совместной работы и взаимодействия многих отечественных и иностранных физиков.1.1.
В ГЛУБЬВЕЩЕСТВА131.1.6. АдроныЧастицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами. Адроны состоят изкварков. Все адроны — составные частицы. Свободных (не входящих в состав составных частиц) кварков на эксперименте не наблюдается.Всем кваркам приписывается барионный заряд+ 13 , а антикваркам — − 13 . Барионный и электрический заряды свободной частицы всегда целые.Частицы с нулевым барионным зарядом — мезоны.Частицы с положительным барионным заряРис. 1.7. Джеймс Чеддом — барионы, с отрицательным — антибарионы.вик (1891–1974). WСуммарный барионный заряд сохраняется.Пока не обнаружено какого-либо взаимодействия, источником для которого был бы барионный заряд. Не обнаружено и фундаментальных причин, по которым этот заряд был бы обязан сохраняться.
Поэтому, возможно,его лучше называть просто барионное число.Самые лёгкие барионы — это нуклоны (протон p = uud — 938,2726 МэВи нейтрон n = udd — 939,565 МэВ).Протон — ядро обычного (лёгкого) водорода. В химических реакциях часто появляется как положительный ион водорода H + . Нейтрон оченьпохож на протон, но не несёт электрического заряда. Нейтрон был открытДж. Чедвиком в 1932 году, после чего стало ясно, что атомное ядро состоитиз протонов и нейтронов (до того думали, что ядро состоит из протонови электронов).Поскольку нейтрон тяжелее, чем протон и электрон вместе взятые, свободному (не входящему в атомное ядро) нейтрону энергетически выгодноразвалиться на протон, электрон и электронное антинейтрино.
При этомодин из u-кварков превращается в d-кварк за счёт слабого взаимодействия.Процесс этот весьма медленный: время жизни свободного нейтрона 886 с(период полураспада — 614 с).Кварки скрепляются в адронах с помощью виртуальных глюонов. Приэтом взаимодействие столь сильно, что попытка вырвать из адрона отдельный кварк приводит к рождению пары кварк–антикварк, в результате чегоснова получаются сложные частицы с целым барионным зарядом.Известные на сегодняшний день мезоны состоят из пары кварк–антикварк, а барионы — из трёх кварков. Однако теория допускает14ГЛАВА 1существование и более сложных частиц, например, пентакварк должен состоять из четырёх кварков и одного антикварка, а глюбол вообще не долженсодержать кварков, а только самодействующие глюоны.1.1.7.
ЛептоныСамый простой лептон — это электрон8 .Его заряд был измерен уже в 1911 годуА. Ф. Иоффе (из-за задержки с публикациейраньше вышли результаты более поздней работы Р. Милликена 1912 года). Как свободнолетящая элементарная частица на заре ядерной физики электрон также был известен какβ-частица (поток бета-частиц — бета-лучи).Заряженные лептоны — электрон (e), мюон (μ) и тау-лептон (τ ) — можно считатьтремя разновидностями электрона с различной массой (0,511, 105,658 и 1777 МэВ соответственно). Электрон стабилен (ему не воРис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
