Тарасов Л.В. Основы квантовой механики (1185096), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Во всяком случае, ее нельзя принимать буквально. Встречающийся в литературе термин «вращающийся микрообъект» означает отнюдь не вращение микрообъекта, а лишь наличие у него специфического внутреннего момента импульса. Для того чтобы этот момент «превратился» в классический момент импульса (и тем самым объект начал бы действительно вращаться), необходимо потребовать выполнения условия з»1. Однако такое условие никогда не выполняется. Специфичность момента импульса микрообъекта проявляется, в частности, в том, что его проекция на любое фиксированное направление принимает дискретные значения; йз, й(з — 1), ..., — Йз — всего 2з+! значений. Это означает, что мнкрообъект может находиться в 2з+1 спиновых состояниях.
Следовательно, наличие у микро- объекта спина приводит к появлению у него добавочной (внутренней) степени свободы. Бозоны и фермионы. Знание спина микрообъекта позволяет судить о характере его поведения в коллекти- 18 ве себе подобных (иначе говоря, позволяет судить о статистических свойствах микрообъекта). Оказывается, что по своим статистическим свойствам все микрообъекты в природе разделяются на две группы: группа'микрообъектов с целочисленным спином или без спина и группа микрообъектов с полуцелым спином. Микрообъекты первой группы способы «заселять» одно и то же состояние * в неограниченном числе, причем вероятность попадания микрообъекта в данное состояние тем выше, чем сильнее это состояние «заселено».
О таких микрообъектах говорят, что они подчиняются статистике Бозе в Эйнштейна; для краткости их называют просто бозонами. Микрообъекты второй группы могут «заселять» состояния только поодиночке; если рассматриваемое состояние занято, то никакой микрообъект данного типа ужо не может попасть в него. О таких микрообъектах говорят, что они подчиняются статистике Ферми— Дирака; для краткости нх называют фермионами. Из элементарных частиц к бозонам относятся фотоны и мезоны, а к фермионам — лептоны (в частности, электроны), нуклоны, гипероны. Тот факт, что электроны относятся к фермионам, отражен в хорошо известном принципе запрета Паули. Нестабильность микрообъектов. Все элементарные частицы, за исключением фотона, электрона, протона и обоих нейтрино, нестабильны.
Это означает, что они самопроизвольно, без каких-либо воздействий извне распадаются, превращаясь в другие частицы. Например, нейтрон самопроизвольно распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино (и-+р+е — +т,). Невозможно предсказать, когда именно произойдет указанный распад того или иного конкретного нейтрона; каждый конкретный акт распада случаен. Однако если проследить за множеством актов, то обнаруживается закономерность распада.
Предположим, что в момент г=0 имеется )Ус нейтронов (Уо»1). Тогда к моменту 1 останется тт'(() = Мо=ехр ( — Пт) нейтронов, где т есть некоторая характерная для нейтрона постоянная. Ее называют «временем жизни» нейтрона; она равна 10' с. Величина ехр ( — Пт) определяет вероятность для отдельного нейтрона не распасться по истечении времени й «Понятие состояиия микрообъекта обсуждается ниже, в й 3, гт Каждая нестабильная элементарная частица характеризуется своим временем жизни.
Чем меньше время жизни, тем больше вероятность распада частицы. Например, время жизни мюона составляет 2,2 10-а с, положительно заряженного и-мезона — 2,6 1О-з с, нейтрального и-мезона — !Π—" с, гиперонов — около 1О-'«с. В последние годы обнаружено большое число около 100 частиц с аномально малым временем жизни 10-" — 10-" с, получивших название резонансов. Примечательно,что гипероны и мезопы могут распадаться различными способами.
Например, положительно заряженный и-мезон может распадаться на мюон и мюонное нейтрино (и+ — Ггь+т„), на позитрон (антиэлектрон) и электронное нейтрино (пч. †«е++т„), на нейтральный п-мезон, позитрон и электронное нейтрино (и"-»и'+с++ +т«). Для конкретного я-мазана нельзя предсказать не только время распада, но и тот способ распада, который данный мезон «выберет». Нестабильность присуща не только элементарным частицам, но и другим микрообъектам. Явление радиоактивности (самопроизвольное превращение изотопов одного химического элемента в изотопы другого, сопровождающееся испусканием частиц) показывает, что нестабильными могут быть атомные ядра.
Лтомы и молекулы в возбужденных состояниях также оказываются нестабильными: онн самопроизвольно переходят в основное или менее возбужденное состояние. Определяемая вероятностными законами нестабильность есть, наряду с наличием спина, второе сугубо специфическое свойство, присущее микрообъектам. Его также можно рассматривать как указание на некую «внутреннюю сложность» микрообъекта. В заключение заметим, что нестабильность — это специфическое, но отнюдь не обязательное свойство микро- объекта. Наряду с нестабильными существует много стабильных микрообъектов: фотон, электрон, протон, нейтрино, стабильные атомные ядра, а также атомы и молекулы в основном состоянии, Взаимопревращения микрообъектов. Глядя на схему распада нейтрона (и- р+е — +т.,), неискушенный читатель может предположить, что нейтрон состоит из связанных друг с другом протона, электрона и электронного антинейтрино.
Такое предполо>кение ошибо шо. Распад элементарной частицы отнюдь не является распадом 18 в буквальном смысле слова; это есть акт превращения исходной частицы в некую совокупность новых частиц; исходная частица уничтожается, новые частицы рождаются. Несостоятельность буквального толкования термина «распад частицы> становится очевидной, если учесть, что многие частицы имеют по нескольку разных способов распада. Картина взаимопревращеннй элементарных частиц оказывается существенно богаче и сложнее, если рассматривать частицы не только в свободном, но также и в связанном состоянии.
Свободный протон стабилен, а свободный нейтрон распадается по приведенной выше схеме. Если же нейтрон и протон не являются свободными, а связаны в атом~ам ядре, то ситуация радикально изменяется. Теперь имеют место следующие схемы взаимопреврашеннй: и — «р+л-, р — «п+л+ (здесь л- — отрицательно заряженный л-мезон, являющийся античастицей по отношению к л+-мсзону).
Эти схемы хорошо иллюстрируют беспредметность выяснения того, входит лн протон в «состав» нейтрона или же, напротив, нейтрон «в состав» протона. Повседневный опыт учит: разобрать объект на части — это значит выяснить, из чего именно он структурно состоит. Идея анализа (идея дробления) отражает характерную сторону классических представлений. Прн переходе к микрообъектам эта идея в определенной мере еще «работает»: молекула состоит из атомов, атом состоит из ядра и электронов, ядро состоит из протонов и нейтронов. Однако на этом указанная идея себя исчерпывает: «дробление», например, нейтрона или протона не выявляет никакой структуры этих частиц. В отнон1ении элементарных частиц уже нельзя утверждать: «распад объекта на какие-то части» означает, что «объект состоит из этих частей».
Именно это обстоятельство и может служить определением самого термина «элементарная частица». Распадгя элементарных частиц далеко не исчерпывают всех происходящих взаимопревращений частиц. Не менее богата картина взаимопревращений, происходящих при столкновениях частиц. В качестве примера приведем некоторые схемы взаимопревращений при столкновениях фотонов (у) с протонами и нейтронами; у+ р и+л+, у+и р+л-, ,у+р р+ла у+и и+по 19 у+р р+и++и —, у+и и+по+по у+ р р+ р+ р (р — антипротон). Полезно обратить внимание на то, что во всех приведенных здесь схемах сумма масс покоя конечных частиц больше массы покоя исходных. Иначе говоря, энергия сталкивающихся частиц превращается здесь в массу (согласно известному соотношению Е=тсз).
Эти схемы демонстрируют, в частности, бесплодность попыток расщепить элементарные частицы (в данном случае нуклоны), «обстреливая> пх другими частицами (в данном случае фотонами): в действительности происходит не расщепление обстреливаемых частиц, но рождение новых частиц, причем в определенной мере за счет энергии сталкивающихся частиц.
Исследование взаимопревращений элементарных частиц позволяет выявить определенные закономерности. Эти закономерности выражают в виде законов сохранения неких величин, играющих роль определенных характеристик частиц. В качестве простого примера укажем электрический заряд частицы. При любом взаимопревращении частиц алгебраические суммы электрических зарядов исходных и конечных частиц равны. Закон сохранения электрического заряда отражает определенную закономерность взаимопревращений частиц: он позволяет заведомо исключить из рассмотрения те схемы, где суммарный электрический заряд частиц не сохраняется. В качестве более сложного примера укажем так называемый барионный заряд частицы. Выло подмечено, что число нуклонов при превращениях частиц сохраняется.
С открытием антинуклонов обнаружили, что рождение дополнительных нуклонов возможно, но обязательно в паре с антинуклонами. Тогда была введена характеристика частицы — барнонный заряд, равный нулю для фотовов, лептонон и мезоиов, единице — для нуклонов, минус единице — для антинуклонов. Это позволило рассматривать подмеченные закономерности как закон сохранения суммарного барнонного заряда частиц. Закон подтвердился также последующими наблюдениями; при атом обнаруженным впоследствии гиперонам пришлось приписать барионный заряд, равный единице (как и пуклонам), а антигиперонам — равный минус единице (как и антинуьлоналг).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
