physics_saveliev_3 (535941), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Гравитационное 1 Ч~эт = 10 10 1О-ээ В соответствии с характером взаимодействий, в которых они способны участвовать, элементарные частицы делятся на три ') класса. 1. Фотоны, у (кванты электромагнитного поля). Эти частицы участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействиями. ') Предположительно существует еще одни класс частиц— г р а в и т о н ы (кванты гравитационного поля). Экспериментально эти частицы пока не наблюдались. Слабое взаимодействие. Слабое или распадное взаимодействие ответственно за все виды р-распадов ядер (включая К-захват), за многие расг,ады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабое взаимодействие, как н сильное, является короткодействующим.
Константа взаимодействия сгв = 6э„равна 10 — ". Следовательно, время взаимодействия т„= 10 — ' сек. Гравитационное взаимодействие. Радиус действия не ограничен (г = оо). Константа взаимодействия крайне мала: (га = Ол =!О ". Соответственно время взаимодействия составляет т„= !О' лет. Гравитационное взаимодействие является универсальным, ему подвержены все без исключения элементарные частицы. Однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет. Значения Ой и т для разных видов взаимодействия сопоставлены в табл. 8. 2.
Лептоны (греческое «лептос» означает легкий). К нх числу относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием: мюоны (р †, ре), электроны (е-, еч) и нейтрино (с, Р), Все лептоны имеют спин, равный ч6. Такие частицы подчиняются с т а т н с т и к е Ф е р м и— Д и р а к а (учитывающей принцип Паули), вследствие чего называются ф е р м и о н а м и.
Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (т. е. мюоны и электроны), обладают также электромагнитным взаимодействием. 3. Адроны (греческое «адроси означает крупный, массивный). Этот класс включает в себя все сильно взаимодействующие частицы. Наряду с сильным эти частицы обладают также слабым и электромагнитным взаимодействиями. Адроны подразделяются на две подгруппы: м езоны и ба р ионы. Мезоны — сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда (см. ниже).
К их числу принадлежат тс-мезоны (п', и, я') и К-мезоны '), или каоны (К+, К-, Ко, )со). О п-мезонах см. в 5 89. Масса К-мезонов составляет -970ич, (494 Мзв для заряженных и 498 Мэв для нейтральных К-мезонов). Время жизни К-мезонов имеет ве. личину порядка 10-' сек. Они распадаются с образо. ванием н-мезонов и лептонов или только лептонов. Заряженные я-мезоны распадаются, как мы видели в 5 89, с образованием лептонов; л'-мезон распадается преимущественно с образованием у-фотонов.
Распад мезонов (за исключением яо-мезона) идет за счет слабого взаимодействия, вследствие чего они отличаются временами жизни (-10 ' сек), значительно превышаю- шими ядерные времена. Распад я'-мезона на у-фотоны определяется не слабым, а электромагнитным взаимодействием (фотоны я слабых взаимодействиях не участвуют), В соответствии с этим время жизни яо-мезона 0 Нейтральные К' н Ко мезоны ведут себя как отдельные частицы только в момент рождения. Прн свободном движении каждый из них ведет себя как смесь других нейтральных частиц К~ч и Ка. Частицы Ко| и Кз оотличаются способом распада и временем жнзни. При столкновении с ядрами каждая из частиц К, и Кз ведет себя о о как смесь Ко- и Ко-мезоиов.
В дачьнейцчехч в зги тонкости мы вдаваться не будем. 485 (-!Ос м сек) на много порядков меньше, чем времена жизни остальных мезонов. В отличие от лептонов мезоны обладают не только слабым (и, если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также прн взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что принцип Паули на них не распространяется. Частицы с целым (или нулевым) спином подчиняются статист - и и ке Бозе — Эй н штейна, в связи с чем носят название б озон о в. Подгруппа барионов объединяет в себе нуклоны (р, п) и нестабильные частицы с массой, большей массы нуклонов, получившие название г и п е р о н о в ') (Ло, Х", ах, Е, Ве, Е, Я ).
Все барионы обладают сильным взаимодействием и, следовательно, активно вззимодействуют и атомными ядрами. Спин всех барионов равен Ъ так что барионы являются фермионами. За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде бариоиа, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявлений закона сохранения барио н н о г о з а р я д а, о котором будет речь в следующем параграфе.
В последнее время обнаружено около 70 короткоживущих частиц, которые получили название резона н. сов. Эти частицы представляют собой резонансные состояния, образованные двумя или большим числом элементарных частиц. Время жизни резонансов составляет всего лишь -!Оем — !О-" сея. Это указывает на то, что распад резонансов происходит за счет сильного взаимодействия. Распад других частиц осуществляется за счет слабого (иногда электромагнитного) взаимодействия. Поэтому времена жизни их значительно больше. Некоторые из резонансов являются бозонами и должны быть отнесены к классу мезонов. Таковы, например, оу-резогганс (или го-мезон), распадающийся на три п-мезона, или К"-резонанс (К*-мезон), распадающийся на К-мезон и и-мезон. Другие резонансы — фермионы и должны быть причислены к классу гнперонов.
При- ') Гипероиы обозначаются прописными буквами греческого ал. фавпга: Л вЂ” ламбаа, Š— си~ ма, Š— кси, Π— омега. 4зб мером может служить Я*-резонанс (Е'-гипероп), распадающийся на В-гиперон и я-мезон. В дальнейшем вопроса о резонансах мы касаться не будем. 9 97. Частицы и античастицы Уравнение Шредингера (65.1) не удовлетворяет требованиям теории относительности — оно не инвариантно по отношению к преобразованиям Лоренца. В 1928 г, английскому физику П. Дираку удалось найти р елятивистское волновое уравнение, из которого вытекает ряд замечательных следствий. Прежде всего из решения этого уравнения естественным образом, без каких-либо дополнительных предположений, по- % +Щсг лучается спин и численное значение собственного магнитного момента электрона.
Таким образом, выяснилось, что спин представляет собой величину одновременно и кванто- -//трс~ вую, и релятивистскую. Но этим не исчерпывается значение уравнения Днрака. Оно по- Рис. 288. зволило также предсказать существование античастицы электрона — п о з н т р о н а. Из уравнения Дирака получаются для полной ') энергии свобсдной частицы не только положительные, но и отрицательные значения. Исследование уравнения показывает, что при заданном импульсе частицы р существуют решения уравнения, соответствующие энергиям: (97.1) Е = + "у' с'ри+ гп'-с' Между наименьшей положительной энергией (+трс') н наибольшей отрицательной ( — глас') имеется интервал значений энергии, которые не могут реализоваться.
Ширина этого интервала равна 2спас' (рис. 268). Таким образом, получаются две области собственных значений энергии: одна начинается с +тасс и простирается до +со, другая начинается с — тпс' и простирается до — со. ') В рсннсиаистскон ппнннании (сн. (429)1. 487 В неквантовой релятивистской механике энергия выражается через импульс с помощью соотношения (42.!2), совпадающего с (97.!), так что формально также может иметь отрицательные значения. Однако в неквантовой теории энергия взменяется непрерывно и поэтому не может пересечь запрегценную зону и перейти от положительных значений к отрицательным.
В квантовой теории, как мы знаем, энергия может изменяться не только непрерывно, но и скачком, так что существование запрещенной зоны не может воспрепятствовать переходу частицы в состояния с отрицательной энергией (ср. с переходом электрона в полупроводнике из валентной зоны в зону проводимости, т. П, рис. )37, 61 Частица с отрицательной энергией должна обладать весьма странными свойствами.
Переходя в состояния со все меньшей энергией (т. е, с увеличивающейся по модулю отрицательной энергией), она могла бы выделять энерги1о, скажем, в виде излучения, причем, поскольку (Е) ничем не ограничен, частица с отрицательной энергией могла бы излучить бесконечно большое количество энергии. К аналогичному выводу можно прийти следую. щим путем. Из соотношения Е = тсэ вытекает, что у частицы с отрицательной энергией масса будет также отрицательна. Под действием тормозягцей силы частица с отрицательной массой должна не замедляться, а ускоряться, совершая над источником тормозящей силы бесконечно большое количество работы. Ввиду этих трудностей следовало, казалось бы, признать, что состояния с отрицательной энергией нужно исключить нз рассмотрения как приводящие к абсурдным результатам. Это, однако, противоречило бы некоторым общим принципам квантовой механики.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
