physics_saveliev_3 (535941), страница 79
Текст из файла (страница 79)
Поатому Дирак выбрал другой путь. Он предположил, что переходы электронов в состояния с отрицательной энергией обычно не наблюдаются по той причине, что все имеющиеся уровни с отрицательной энергией уже заняты электронами. Напомним, что электроны, как и другие частицы с полуцелым спином, подчиняются принципу Паули, который запрещает находиться в одном и том же состоянии более чем одной частице. Согласно Дираку вакуум есть такое состояние пространства, в котором все уровни отрицательной энергии заселены электронами, а уровни с положительной энер- 488 гней свободны (рис. 269, а).
Поскольку заняты все без исключения уровни, лежанапе ниже запрещенной полосы, электроны на этих уровнях никак себя не обнаруживают, Подобно этому в диэлектрике электроны, полностью заполняющие валентную зону (см. т. 11, рис. 137, в), никак не реагируют на действие электрического поля. Если одному из электронов, находящихся на отрицательных уровнях, сообщить энергию, превышающую ширину запрещенной зоны, равную 2птаса, то этот электрон перейдет в состояние с положительной ,тл„са лу Рис. 269. энергией и будет вести себя обычным образом, как частица с положительной массой и отрицательным зарядом. Вакансия («дырка»), образовавшаяся при этом в совокупности отрицательных уровней, должна вести себя как электрон, имеющий положительный заряд.
Действительно, отсутствие частицы, обладающей отрицательными массой и зарядом, будет восприниматься как наличие частицы с положительной массой и положительным зарядом. Эта первая из предсказанных теоретически частиц была названа позитроном, При встрече позитрона с электроном они а н н н г ил и р у ю т (исчезают) — электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный ').
Энергия, соответствующая разности этих уровней, выделяется в виде излучения. На рнс. 269, б стрелка 1 изображает процесс рождения пары электрон — позитрон, а стрелка 2 — их аннигиляцию. ') Этот процесс аналогичен рскоибинацни алектрона и дырки а яолупроаолнике. 482 Прежде чем аннигилировать, электрон и позитрон образуют метастабильную связанную систему, аналогичную атому водорода, в котором протон заменен позитроном. Такое связанное состояние электрона и пози- трона называется позитро ни ем.
В зависимости от значения результирующего спина этой системы различают парапозитроний (у которого з = О, т. е. спины е- и в' антипараллельны) и ортопозитроний (а = 1, спины е ив' парал,чельны), Бремя жизни равно для парапозитрония 10-" сек, для ортопозитроиия 1О-' сек.
Вследствие аннигиляции электрона и позитрона позитроний распадается на фотоны, суммарная энергия хоторых равна 27псс' = 1,02 Мэв. ./ Свойства познтроиия (например, время жизни), вычися: ' .,"': ' -, ленные теоретически, хорошо подтверждаются экспериментально. Рис. 270. Теория Дирака была настолько «сумасшедшей», что большинство физиков отнеслось к ней весьма недоверчиво. Однако в 1932 г, американский физик К. Андерсон обнаружил позитрон в составе космических лучей. В камере Вильсона, помещенной между полюсами электромагнита, позитрон оставлял такой же след, как и рождавшийся одновременно с ним электрон, только этот след был закручен в противоположную сторону (рис.
270). Рождение электронно позитронных пар происходит при прохождении у-фотонов через вещество. Это — один из основных процессов, приводящих к поглощению у-лу- 490 чей веществом, В полном соответствии с теорией Дирака минимальная энергия у-фотона, при которой наблюдается рождение пар, оказывается равной 2тзсз = = !,02 Мэв (см. (87,2)).
Для соблюдения закона сохраненения импульса в процессе рождения пары должна участвовать еще одна частица (ядро или электрон), которая воспринимает избыток импульса у-фотона над суммарным импульсом электрона и позитрона. Следовательно, процесс запишется в виде уравнения: у+Х-кХ+е +е+, (97.2) где Х вЂ” ядро, в силовом поле которого происходит рождение пары. При аннигиляции требования закона сохранения импульса удовлетворяются тем, что возникают два или трн у-фотона, разлетающихся в разные стороны: е + е" -+ у + у (+ у). (97.3) Электронно-позитронные пары могут также возникать при взаимодействии у-фотона с электроном: у+е — е +е +е+ (97.4) и прн столкновениях между двумя заряженными частицами, например электронами: е +е -+е +е +е +е+, (97.5) Доля энергии, получаемая ядром Х в ходе процесса (97.2), столь мала, что порог реакции образования пар (т.
е. необходимая для этого минимальная энергия у-фотона) практически равен 2тссз (тз — масса электрона, равная массе познтроиа), Порог реакции (97.4) составляет 4тзсз, а реакции (97.5) — 7тсс' (в последнем случае под порогом реакции подразумевается минимальная суммарная энергия сталкивающихся электронов). Таким образом, требования одновременного сохранения энергии и импульса приводят к тому, что порог реакции (минимальная энергия исходных частиц) может оказаться заметно больше, чем суммарная энергия покоя рождающихся частиц.
В несколько измененном виде уравнение Днрака применимо не только к электронам (н антиэлектронам, т. е. позитронам), но и к другим частицам со спином, равным '/м Следовательно, для каждой такой частицы 491 (например, протона илн нейтрона) должна существовать а н т и ч а с т и ц а ') . По аналогии с (97,5) рождения пары протон — антипротон (р — р) или нейтрон — анти. нейтрон (и — й) можно было ожидать при столкновении нуклонов достаточно большой энергии. Суммарная энергия покоя протона и антипротона, равно нейтрона и антинейтрона, составляет почти 2 Гэв (см.
(87.1) и (87.4)1 Определяемый требованиями сохранения энергии и импульса порог реакции равен 5,6 Гэв. В 1955 г. в г. Беркли (США) был запущен названный б э в а т р о н о м (от Бээ) ускоритель (синхрофазотрон; см. т. П, 9 68), позволявший ускорять протоны до энергии 6,3 Гэв. Облучая пучком ускоренных протонов медную мишень, О. Чемберлен, Э. Сегре, К. Виганд и П. Ипсилантнс наблюдали образование пары р — р. Реакция протекала по одной из следующих схем: ,-,, +и-~+ „-, „+, „, „о р + и+ + — + по+ по+ о р+и- и++а-+и-+по+па. (97.?) ') Античастицу принято обозначать той же буквой, что и соот. ветствуююую ей частипу, с добавленном тильди 1 ) (нлн прямой черточки), проставляемой над этой буквой. Так, например, антнпро. тон обозначают символом р или р ), 492 р + р -ь р + р + р + р или р + и -+ р + и + р + р.
(97.6) Второй из нуклонов в левой части входит в состав ядра Сц. Поскольку нуклоны в ядре находятся в движении, пороговая энергия ударяющей частицы в этом случае составляет -4,3 Гэв. Антипротон отличается от протона знаком электрического заряда и собственного магнитного момента (у антипротона магнитный момент отрицателен, т. е. направлен противоположно механическому моменту). Главное же, что отличает антипротон от протона (и вообще частицу от античастицы), заключается в их способности к взаимной аннигиляции, в результате которой возникают другие частицы (в случае р — р преимущественно и-мезоны). Антипротон может аннигнлировать при встрече не только с протоном, но и с нейтроном.
Сово. купность возникающих частиц в отдельных актах анни. гиляции различна.! 1апример, возможны процессы: При аннигиляции р с р в среднем рождается около пяти п-мезонов, из которых примерно три заряженных и два нейтральных. В 1956 г, Б. Корком, Г. Ламбертсоном, О. Пиччоии и В. Вензелем были наблюдены автинейтроны, которые получались перезарядкой антипротонов, т. е. в результате процесса: р + р -+ й + а. (97.8) Антинейтрон отличается от нейтрона знакам собственного магнитного момента (у антинейтрона направление магнитного момента совпадает с направлением механического момента) и способностью аннигилнровать при встрече с нуклоном (нейтроном или протоном). В результате аннигиляции рождаются новые частицы (главным образом ьэмезоны). Античастицы имеются не только у фермионов, но и у бозонов.
Так, например, и'-мезон является античастнцей по отношению к и--мезоиу. Известны только четыре частицы, которые тождественны со своими античастицами (т, е, не имеют античастиц). Это — фотон, и'-мезон и два К'-мезона (К', и К',), Такие частицы называются абсолютно нейтр а льны ми. Очевидно, что частицы, тождественные со своими античастицами, не способны к аннигиляции. Это, однако, не означает, что они вообще ие могут преврагцаться в другие частицы.
Если барионам, в том числе и нуклонам (р и а), приписать б а р и о н н ы й з а р я д (или б а р и о н н о е ч и ел о) В = +1, а антибариоиам — барионный заряд В = — 1, то для всех процессов, протекающих с участием бариовов и антибарионов (например, для (97.6), (97.7) и (978)), будет характерно сохранение б ар ионна го з а р яд а, подобно тому как для процессов (97,2) — (97.5) характерно сохранение электрического заряда.
Заметим, что закон сохранения барионного заряда обусловливает стабильность самого легкого из барионов — протона. Другие законы сохранения (эиергии, импульса, момента импульса, электрического заряда и т. п.) не запрещают, например, процесса р — +э~+э+9, (97.9) который в конечном итоге привел бы к аннигиляции атомов. Однако такой процесс сопровождался бы умень- 493 шением бзрионного заряда на единицу и поэтому не наблюдается. Аналогично, закон сохранения электрического заряда обусловливает стабильность самой легкой заряженной частицы †электро, запрещая, например, е -«у+у+э.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
