physics_saveliev_3 (535941), страница 71
Текст из файла (страница 71)
В этом смысле виртуальные частицы можно назвать воображаемыми. Чтобы лучше понять смысл термина «виртуальпьийь, рассмот. рим покоящийся электрон. Процесс создания им в окружающем пространстве поля можно представить уравнением: е ~~е +Ьо>. (89.!) Суммарная энергия фотона и электрона больше, чем энергия покоящегося электрона. Следовательно, превращение, описываемое уравнением (89.1), сопровождается нарушением закона сохранения энергии. Однако для виртуального фотона это нарушение является кажущимся. Согласно квантовой механике энергия состояния, существующего время М, оказывается определенной лишь с точностью ЛЕ, удовлетворяющей соотношению неопределенностей: ЛЕ ЛГ й ').
(89. 2) Из этого соотношения вытекает, что энергия системы может претерпевать отклонения ЛЕ, длительность которых Лг не должна превышать значения, определяемого условием (89.2). Таким образом, если испущенный электроном виртуальный фотон будет поглощен этим же или другим электроном до истечения времени Лг = й/з (где и = йсо), то нарушение закона сохранения энергии не может быть обнаружено. Если электрону сообщить дополнительную энергию (это может произойти, например, при соударении его с другим электроном), то вместо виртуального фотона может быть испушен реальный фотон, который может существовать неограниченно долго.
') Э>нм сносном>аннам мы уже пользовались в $79. За время Л1 виртуальный фотон может передать взаимодействие между точками, разделенными расстоянием Ь 1= СД1 = с —. Энергия фотона а = йм может быть сколь угодно мала (частота а изменяется от 0 до оо). 1!оэтому радиус действия электромагнитных сил является неограниченным. Если бы частицы, которыми обмениваются взаимодействующие электроны, имели отличную от нуля массу покоя тм то, как легко сообразить, радиус дейстьия соответствующих сил был бы ограничен величиной: в в в г=сЛ1 е и — =с —,= — =Л, шах епап тос' тес где Л вЂ” комптоновская длина волны данной частицы 1см.
(58.5)) (мы положили, что частица — переносчик взаимодействия движется со скоростью с). В 1934 г. И. Е. Тамм высказал предположение, что взаимодействие между нуклонамн также передается посредством каких-то виртуальных частиц. В то время, кроме нуклонов, были известны лишь фотон, электрон, позитрон и нейтрино. Самая тяжелая нз этих частиц— электрон обладает комптоновской длиной волны Л = = 3,86.10-" см 1см.(58.5)), приблизительно в 200 раз превышающей радиус действия ядерных сил (равный 2.10-м см). Кроме того, величина сил, которые моглл бы быть обусловлены виртуальными электронами, как показали расчеты, оказалась чрезвычайно малой.
Таким образом, первая попытка объяснения ядерных сил с помощью обмена виртуальными частицами оказалась неудачной. В 1935 г. японский физик Х. Юкава высказал смелую гипотезу о том; что в природе существуют пока не обнаруженные частицы с массой, в 200 — 300 раз большей массы электрона, и что эти-то частицы и выполняют роль переносчиков ядерного взаимодействия, подобно тому как фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Юкава назвал эти гипотетические частицы тяжелыми фотонами. Так как по величине массы эти частицы занимают промежуточное положение между электронами и нуклонами, они впо- следствии были названы м е з о н з м и (греческое репо; означает средний).
В !936 г. Андерсон и Неддермейер обнаружили в космических лучах частицы с массой покоя, равной 207 и,. Вначале полагали, что эти частицы, получившие название р-и е з о н о в, или м юо но в, и есть переносчики взаимодействия, предсказанные Юкавой. Однако впосчедствин выяснилось, что р-мезоны очень слабо взаимодействуют с нуклонами, так что не могут быть ответствсннымн за ядерные взаимодействия.
Только в 1947 г. Оккиалиии и Поуэлл открыли в космическом излучении еще один тип мезонов — так называемые и-м е з о н ы, или п и о н ы, которые оказались носителями ядерных сил, предсказанными за 12 лет до того Юкавой. Существуют положительный (и+), отрицательный (и ) и нентральный (па) пионы. Заряд и+- и и -мезонов равен элементарному заряду е. Масса заряженных пионов одинакова и равна 273 гп, (140 Мэв), масса и'-мезона равна 284 т, (135 Мзв). Спин как заряженных, так и нейтрального и-мезона равен нулю (з = О). Все три частицы нестабильны.
Время жизни и'- и и -мезонов составляет 2,55 ° 10-з сея, и'-мезоиа — 2,1 !О " сек. Подавляющая часть (в среднем 99,97з!,) заряженных пионов распадается по схеме к -«р +у, ж — «р +4 (89.3) (р+ и р- — положительный и отрицательный мюоны, т— нейтрино, б — антииейтрино). Остальные 0,03'4 распадов протекают по другим схемам (например, к- е+ т; и- па+ е + т и т. п., причем в случае и+ образуется е+, т. е. позитрон, а в случае и возникает е-, т. е. электрон).
В среднем 98,7'/, ка-мезонов распадаются на два у-кванта: ,О «,+у (89.4) Остальные 1,3% распадов осуществляются с рождением пары электрон — позитрон и у-кванта (к'- е+ + е-+ у) или двух электронно-позитронных пар (из- е' + е- + + е' + е-). Частицы, называемые р-мезонами, или мюонами, по современной классификации не относятся к категории 445 мезонов; вместе с электронами и нейтрино они образуют группу л е и т о н о в (поэтому вместо термина «р-мезон» лучше пользоваться термином «мюон»).Мюоны имеют положительный (р') или отрицательный (гг ) заряд, равный элементарному заряду е (нейтрального мюона не существует).
Масса мюона равна 207 ги, (108 Мэв), спин — половине (э = Я. Мюоны, как н п-мезоны, нестабильны, они распадаются по схеме: р+-+а++ т+т, !» -»е +т+т. (89.8) Время жизни обоих мюонов одинаково и равно 2,22 ° 10-' сек. Вернемся к рассмотрению обменного взаимодействия между нуклонами. В результате аналогичных (89.! ) виртуальных процессов: р-'и+ и+, и« вЂ” Р+и р»р+л, и»и+и нуклон оказывается окруженным облаком виртуальных и.мезонов, которые образуют поле ядерных сил, О Оа ~Ои ОР ОР— Š— Оа Оа-В О О-О ОР О=О=ОР Оа О Оа О О=В=О а! бг ау Рне 256.
Поглощение этих мезонов другим нуклоном приводит к сильному взаимодействию между нуклонамн, происходящему по одной из следующих схем. 1) р+и-+и+и++и-+и+ р. Протон испускает виртуальный и+-мазов, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон.
Затем такой же процесс протекает в обратном направлении (рис. 280,а). Каждый из взаимодействующих нуклонов часть вре- 446 мени проводит в заряженном состоянии, а часть — в ней- тральном. 2) и+ р — р+и +р — р+п. Нейтрон и протон обмениваются и -мезонами (рис. 250,б). 3) р+п- р+из+и-, ° р+и, р+р р+ и+р р+р п+и -~п+иО+и-Фи+и. Нуклоны обмениваются пммезонами (рис.
250, в), Первый из этих трех процессов находит экспериментальное подтверждение в рассеяния нейтронов на протонах. При прохождении пучка нейтронов через водо- — Сл)-- - — — Ол— род в этом пучке появляются протоны, многие из которых имеют ту же энергию и на- Ор Ол правление движения, что и падающие нейтроны. СоотРкс. 2зи ветствующее число практически покоящихся нейтронов обнаруживается в мишени. Совершенно невероятно, чтобы такое большое число нейтронов полностью передавало свой импульс ранее покоившимся протонам в результате лобовых ударов.
Поэтому приходится признать, что часть нейтронов, пролетая вблизи протонов, захватывает один из виртуальных и'-мезонов. В результате нейтрон превращается в протон, а потерявший свой заряд протон превращается в нейтрон (рис. 25!). Если нуклону сообщить энергию, эквивалентную массе и-мезона, то виртуальный и-мезон может стать реальным. Необходимая энергия может быть сообщена при столкновении достаточно ускоренных нуклонов (илн ядер) либо при поглощении нуклоном у-кванта. При очень больших энергиях соударяющихся частиц от иуклона может «оторваться» несколько и-мезонов. В космических лучах, где встречаются частицы с энергиями — !04 Гэв, наблюдаются случаи рождения до 20 реальных и-мезонов при одном соударении. 447 В соответствии с процессом (89.7) нейтрон часть времени проводит в виртуальном состоянии (р + и ).
Орбитальное движение я -мезона приводит к возникновению наблюдаемого у нейтрона отрицательного магнитного момента (см. 5 87). Аномальный ,магнитный момент протона (2.79 цэ вместо одного ядерного магнетона) также можно объяснить орбитальным движением я+-мезона в течение того промежутка времени, когда протон находится в виртуальном состоянии (и + я'). $ 90. Радиоактивность Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер.
К числу основных таких превращений относятся: 1) а-распад, 2) (1-распад (в там числе К-захват), 3) протонная радиоактивность и 4) спонтанное деление тяжелых ядер. Радиоактивность, наблюдающаяся у изотопов, существующих в природных условиях, называется естес т в е н н о й. Радиоактивность изотопов, полученных посредством ядерных реакций, называется и с к у с с твенной. Между искусственной и естественной радиоактивностью иет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам.
Закон радиоактивного превращения весьма прост. Для каждого радиоактивного ядра имеется определенная вероятность Х того, что оно испытает превращение в единицу времени. Следовательно, если радиоактивное вещество содержит Л~ атомов, то количество атомов л(У, которое претерпит превращение за время Ж, будет равно (90.1) (знак минус взят для того, чтобы НФ можно было рассматривать как приращение числа нераспавшихся атомов АГ). Интегрирование выражения (90.1) дает: 1п Ф = — х(+ сопз1, 448 где А!Π— количество нераспавшихся атомов в начальный момент, л! — количество нераспавшихся атомов в момент времени 1, Л вЂ” характерная для радиоактивного вещества константа, называемая и о с т о я н н о й р а с п а д а. Как мы видели, постоянная распада дает вероятность того, что атом радиоактивного вещества испытает превращение в единицу времени.
Таким образом, число радиоактивных атомов убывает со временем по экспоненциальному закону. Заметим, что количество распавшихся за время Г атомов определяется выражением: А'о — У = А!О(! — е "'). Время, за которое распадается половина первоначального количества атомов, называется периодом пол ур а спада Т. Величина Т определяется условием: — 1О'О=А!ОЕ "Г ! О О откуда !п 2 О,взз Т= — = — ' = л л (90.3) Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных веществ колеблется в пределах от 3 10 ' сек до 5 1Ого лет.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
