Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. Квантовая физика (1185135), страница 70
Текст из файла (страница 70)
Время распада частиц, происходящегозасчетсильноговзаимодействия,т-10 ...10 с. Частицы, аств ие в сильном взаимо ействии называются адрйкиш (от др.-греч. сйроз — сильный). Адроны образуют большинство всех известных элементарных частиц, их общее число превышает 450. Однако, несмотря на то что сильное взаимодействие обладает наибольшей интенсивностью, его влияние в ряде случаев оказывается ограниченным. Это связано со следующими причинами. В сильное взаимодействие вступают не все частицы. Например, отри и эле он в сильном взаимодействии не аств т.
В связи с этим говорят, что сильное взаимодействие не является универсальным, т. е. общим для всех элементарных частиц. Сильное взаимодействие осуществляется только на очень малых расстояниях. Радиус его действия порядка 10 м. Процессы, вызываемые сильным взаимодействием, подчиняются наибольшему числу законов сохранения.
В связи с этим говорят, что сильное взаимодействие обладает самой высокой симметрией из всех видов фундаментальных взаимодействий. А каждый закон сохранения, независимо от своего содержания, является ограничением на процесс, в котором этот закон выполняется. В тех случаях, в которых сильное взаимодействие не проявляется, становятся существенными другие, более слабые фундаментальные взаимодействия. Электромагнитное взаииодействие.
Константа электромагнитного взаимодействия А-10 . Радиус действия электромагнитных сил не ограничен (г= ). Время распада за счет этого взаимодействия т- 10 шс. Электромагнитное взаимодействие заметно слабее сильного, однако в ряде случаев вследствие большого радиуса действия (дальнодействия) электромагнитные силы играют определяющую роль. В частности, эти силы вызывают разлет осколков, образующихся при делении атомных ядер. 463 Наиболее широко явления, обусловленные электромагнитным 5 взаимодействием, проявляются на расстояниях 10 м < г < 10 м. Это взаимодействие ответственно за собственно электрические и магнитные явления, а также за оптические, тепловые, механиче- ские и химические явления. Выделение указанной области значе- ний г для электромагнитного взаимодействия очевидно: на мень- ших расстояниях основную роль играет сильное взаимодействие, а на больших расстояниях становятся существенными еще и грави- тационные силы, Ограниченность проявлений электромагнитного взаимодейст- вия обусловлена следующими обстоятельствами.
1. Поскольку существуют как положительные, так и отри- цательные заряды, то имеется большое разнообразие электрически нейтральных систем (простейший пример — атомы). Силы взаи- модействия между такими системами могут убывать с расстояни- ем гораздо быстрее, чем кулоновские силы. 2. Электромагнитное взаимодействие различных частиц может иметь неодинаковую интенсивность. Так, наиболее интенсивными являются кулоновские силы, действующие между заряженными частицами.
А вот нейтральные частицы, обладающие спином, на- пример нейтроны, взаимодействуют только через магнитное поле, источником которого являются магнитные моменты частиц. Эти силы гораздо слабее кулоновскнх. И наконец, такие частицы, как нейтрино, практически не участвуют в электромагнитных взаимо- действиях. 3. Процессы, вызываемые электромагнитным взаимодейст- вием, так же как и в случае сильного взаимодействия, подчиняют- ся достаточно большому числу законов сохранения.
Слабое взаимодействие. В слабом взаимодействии аств все частицы за исключением отон что говорит об универсаль- ности слабого взаимодействия. Константа слабого взаимодействия А-10 Слабое взаимодействие является еще более короткодействую- щим, чем сильное: г<10 ~~м. Время распада за счет слабого взаимодействия составляет т - 10 с. Слабое взаимодействие на всех изученных расстояниях суще- ственно уступает сильному и электромагнитному взаимодействи- ям. Об этом, в частности, свидетельствует тот факт, что поток ней- 464 трино, которые участвуют только в слабом взаимодействии, практически не ослабляется, проходя через Солнце. Интенсивность слабого взаимодействия быстро возрастает с уменьшением расстояния между частицами. И, как показывают расчеты, она может сравниться с интенсивностью сильного взаимодействия при расстояниях порядка 10 м.
Однако такие расстояния пока еще недоступны при проведении экспериментальных исследований. Несмотря на свою малую интенсивность и короткодействие, слабое взаимодействие играет очень важную роль в природе. Оно ответственно за все виды р-распада ядер, за многие распады элементарных частиц (мюонов, я-мезонов и др.), а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Кроме того, слабое взаимодействие играет определяющую роль в реакциях, происходящих на Солнце и других звездах.
Ключевым процессом, запускающим цепочку ядерных реакций, благодаря которым светит Солнце, является реакция ,'р+,'р-~ 2Н+,е +ч„ которая идет за счет слабых сил. Гравитационное взаимодействие. Из всех фундаментальных взаимодействий гравитационное является самым слабым. Константа гравитационного взаимодействия А - 10 . Грмитавщон- -38 ное взаимодействие испытывают все ча ы з исключения, так что оно является абсолютно универсальным. Радиус действия сил гравитации не ограничен, эти силы всегда являются силами притяжения. Отметим, что гравитационные силы играют существенную роль только для тел с достаточно большой массой. Для элементарных частиц, масса которых ничтожно мала, гравитационное взаимодействие ие имеет сколько-нибудь существенного значения.
В дальнейшем, говоря о фундаментальных взаимодействиях, мы будем рассматривать только три из них — сильное, электромагнитное и слабое. Электрослабое взаимодействие. Весьма заманчивой и перспективной является идея, согласно которой рассмотренные выше взаимодействия представляют собой различные проявления одного фундаментального взаимодействия. Мысль о подобной возмож- ности была высказана еще А. Эйнштейном, который пытался единым образом описать электромагнитное и гравитационное взаимодействия. В конце 70-х годов ХХ в. американским физикам Ш.
Глэшоу н С. Вайнбергу и пакистанскому физику А. Саламу удалось создать единую теорию электромагнитных и слабых взаимодействий. Эта теория получила название теории электрослабых взаимодействий. Ранее уже отмечалось, что переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны. Согласно теории электрослабых взаимодействий, переносчиками слабых взаимодействий являются три частицы, названные промежуточными векторными бозонами. К ним относятся две заряженные частицы: 1У+- и Ф -бозоны, а также одна нейтральная частица — У -бозон. Век- торными эти частицы называются потому, что их спин равен единице. В этом смысле фотон, спин которого тоже равен единице, также является векторным бозоном.
В теории электрослабых взаимодействий константа слабого взаимодействия А выражается через постоянную тонкой структуры а и массу промежуточного векторного бозона. Теория позволила предсказать значения масс промежуточных бозонов, которые составляли примерно 100 ГэВ. В 1983 г. промежуточные векторные бозоны были обнаружены экспериментально.
Исследования показали, что масса Ж -бозонов в ь — — 81 ГэВ, амасса е -бозона т е — — 93ГэВ. о г Промежуточные векторные бозоны являются нестабильными частицами, их время жизни т = 3 10 с. Отметим, что столь ничтожно малое значение т не явилось препятствием для нх достоверного экспериментального обнаружения. Как уже отмечалось в 7.2, слабое взаимодействие ответственно за р-распад. Это означает, что р-распад (превращение нейтрона в протон нли протона в нейтрон) должен проходить с участием промежуточного векторного бозона.
Так, рассмотренный в 7.2 ~3-распад нейтрона (л — ~р+е +9,) в действительности происходит в две стадии: первая сопровождается рождением промежуточного бозона 1У а вторая — его распадом ФУ вЂ” Ф е +уе Таким образом, теория электрослабых взаимодействий получила блестящее экспериментальное подтверждение. Стал актуальным вопрос о большом (или Великом) объединении, идея которого заключается в объединении сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий в одно фундаментальное взаимодействие.
История открытия элементарных частиц. Возможность обнаружения элементарных частиц была подготовлена успехами в изучении строения материи, которых добились исследователи к концу Х1Х в. Первой открытой элементарной частицей был электрон, обнаруженный в 1897 г. Дж.Дж. Томсоном в составе катодных лучей. Экспериментальное доказательство существования фотона было дано в опытах Р.
Милликена по фотоэффекту в 1912— 1915 гг., а также в опытах А. Комптона по рассеянию рентгеновских лучей на электронах в 1922 г. Протон был обнаружен Э. Резерфордом в 1919 г. в экспериментах по исследованию взаимодействия а-частиц с атомными ядрами. Нейтрон впервые наблюдался в 1932 г. Дж. Чедвиком в опытах по столкновению а-частиц с ядрами бериллия.
Дальнейшее исследование элементарных частиц в 30 — 40-х годах ХХ в. было связано с изучением космических лучей. В 1932 г. в их составе К. Андерсоном была открыта первая античастица— позитрон е. В 1936 г. К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили в космических лучах мюоны с различными знаками электрического заряда: р+ и и . В 1947 г. группой С. Пауэлла в составе космических лучей были открыты заряженные я~-мезоны, а в 1950 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
