yavor2 (553175), страница 102
Текст из файла (страница 102)
На рис. 83.5 показана точка А, в которой произошло образование звезды. Анализ следов в ядерных фотоэмульсиях, проведенный на основе законов сохранения энергии и импульса и учитывающий энергию связи и кинетическую энергию всех частиц, показал, что энергия покоя имезона близка к 140 МэВ, что соответствует массе покоя ж270т,. Рис. 83.4, Рис.
83.5. 3. Изучение ядерных превращений типа звезды, вызываемых пионами, показало, что, кроме положительных пионов (и+), существуют отрицательные пионы (и-), которые легче поглощаются ядрами атомов. Это нетрудно понять. Положительный пион должен иметь значительно большую кинетическую энергию, чем отрицательный пион, чтобы преодолеть кулоновское отталкивание положительного ядра, проникнуть в него н вызвать ядерное превращение типа звезды. Чаще положительные пионы распадаются вблизи ядра по уравнению (83А).
В космических лучах пионы образуются в результате разрушения ядер атомов атмосферных газов быстрыми космическими частицами (протонами, а-частицами). Наряду с тяжелыми частицами при разрушении ядер образуются и пионы. 4. Вскоре после обнаружения пионов в космических лучах они были получены искусственно в лаборатории. Вычисления, которые мы не приводим, показывают, что для возникновения пионов нужны весьма быстрые заряженные частицы, которые должны взаимодействовать с ядрами атомов мишени, где должны быть получены пионы. Например, энергия протонов должна быть порядка 300 МэВ. Схема получения пионов изображена на рис. 83.6.
При бомбардировке мишени А из бериллия или углерода быстрыми протонами ,р' (а также сс-частицами) возникали пионы, вылетающие нз мишени под произвольными углами. Магнитное поле ускорителя закручивало пионы по круговым траекториям с радиусами, определяемыми о р +Р'и (83.6) где р — отрицательный мюон, а оэ„— мезонное антинейтрино. -о Опыты с искусственными пионами позволили найти точное значение массы покоя пионов. 6.
Опыты показали, что, кроме заряженных пионов (л--мезоиов), существуют нейтральные пионы (л'-мезоны). Они обладают весьма малым временем жизни и распадаются на два у-фотона: ",Ь ° охл о (83 6) 3' 1Д Оценка времени жизни нейтрального пиона основана на анализе последующего образования у-фотонами электронно-позитронных пар (582.3): , ло ф г' — +ос'+ -1е'> и' (83.7) у +,е' -1-,е'. ээ х у Так как ни по-мезон, ни у-фотон не оставляют следов в ядерных эмульсиях, время Рис.
93.7. жизни по-мезона определяется измерением расстояний 1 в фотоэмульсии от точки О, где образуется л'-мезон в результате действия быстрых заряженных частиц на ядра, до ближайшей точки А, где рождается пара,е' —,е' (рис. 83.7). Такой анализ позволил установить, что время жизни л"-мезона составляет 439 их скоростями. Пионы, вылетавшие из мишени вперед, разделялись: отрицательные пионы выводились из камеры ускорителя, а положительные отклонялись внутрь камеры. Для пионов, вылетающих из мишени назад, картина отклонений будет обратная. На рис.
83.6 это не показано. Пионы, выведенные из камеры, исследовались по их энергиям, импульсам и массам методами отклонения в электрических и магнитных полях. Изучение пионных пучков позволило установить время т жизни л-мезонов. Измерения с помощью сцинтилляционных счетчиков (5 81.8) фиксируют промежуток времени между моментом зарождения пиона и моментом его распада на мюон и нейтрино (или антинейтрино). Оказалось, что время жизни одана- и коио для положительных я+ и отрицательных и- пионов и на два порядка меньше, чем у мюонов. Это согласуется с тем, что в космических лучах у поверхности Земли число пионов много меньше числа мюонов. Отрицательный пион распадается по схеме, аналогичной уравнению (83.4): =5 10 " с.
Более точные измерения привели к следующему значению: т„е =0,80 10 " с. Приведенные цифры показывают, что при изучении элементарных частиц в современной ядерной физике их характеристики измеряются с большой точностью. 6. Для измерения массы нейтрального пиона и других нейтральных частиц нельзя воспользоваться, как для заряженных частиц, изучением траектории частицы в магнитном поле. В этих случаях пользуются законами сохранения энергии и импульса, а также реакциями взаимодействия данной частицы с другими частицами.
Например, при взаимодействии отрицательного пиона с протоном происходит превращение и--мезона в нейтральный пион, а протона— в нейтрон: и- +,р' и'+,п'. Нейтральный пион распадается на два фотона: ~а Массы и энергии протона, нейтрона и и--мезона в этих превращениях известны, а энергии у-фотонов могут быть измерены. Кроме того, должны быть использованы данные об импульсах частиц в указанных превращениях. Тогда можно определить массу покоя нейтрального пиона. 7. Спин нейтрального пиона может быть определен из реакции его распада (83.6).
Из этой реакции следует, что спин п'-мезона не равен единице. В противном случае нейтральный пион не мог бы распадаться на два фотона, каждый из которых имеет спин, равный $. В настоящее время установлено, что спин и'-мезона равен нулю. Это соответствует тому, что в реакции (83.6) спины каждого из фотонов как бы компенсируют друг друга. Спины заряженных пьмезонов также оказались равными нулю, как это следует нз целого ряда данных.
й 83.5. Классификация взаимодействий в ядерной физике 1. Различие в массах покоя заряженных (ив) и нейтрального (и') пионов, так же как и различие в массах покоя двух состояний нуклона в ядре — протонного и нейтронного, рассматривается на данном этапе развития ядерной физики в связи с представлением о гарядовой независимостиядерных сил н вытекающими отсюда следствиями. Как уже указывалось (3 80,5), ядерные силы, действующие между нуклоиами, не зависят от того, имеет ли ядерная частица заряд. Различие между протоном и нейтроном в отношении заряда проявляется лишь в электромагнитных, а не ядерных взаимодействиях частиц.
Требование зарядовой независимости ядерных сил приводит 440 м ф Ю л> Щ к определенным ограничениям взаимодействия пионов с нуклонамн. Короткодействующий характер ядерных сил можно объяснить «обменом» нуклонов пионами (з 80.5). 2. Как показали расчеты, для зарядовой независимости ядерных сил необходима, чтобы взаимодействие нуклонов с заряженными пионами было одинаковым независимо от знака заряда пиона. Если бы в ядре отсутствовали электромагнитные взаимодействия и единственным взаимодействием была л-лезонное, ядерное взаих«одействие, то зарядовая независимость ядерных сил привела бы к одинаковым значениям масс нуклонов (протона н нейтрона) и одинаковым значениям масс всех пионов.
Различие в массах нукланов и соответственно пионов возникает за счет наличия, помимо ядерного, еще электромагнитного взаимодействия, обусловленного зарядом частиц. Энергии взаимодействующих заряженных частиц отличны от энергий — р' лг — вл нейтральных частиц. Вследствие этого и — „в,л массы покоя заряженных и нейтральных частиц оказываются различными. Подобно тому как учет влияния спина на е энергию электронов в атоме приводит к расщеплению энергетических уровней электронов Ц 72.6), учет добавок электромагнитного взаимодействия к ядерному приводит к тому, что двойное со- Рис. 83.8. стояние пуклона (протонно-нейтронное) расщепляется на два различных по массам покоя состояния — массы частиц,п' и,р' оказываются различными.
Вследствие тех же причин вместо одной массы покоя пионов возникают две близкие массы покоя — у заряженных пионов и у нейтрального пиона. На рис. 83.8 условно изображены значения масс без учета электромагнитного взаимодействия (а) и с учетом электромагнитного взаимодействия (б). 3. Зарядовая независимость ядерных сил н наличие дополнительных электромагнитных взаимодействий частиц в ядре приводят к тому, что массы нейтральных и заряженных частиц отличаются.
Это отличие имеет электромагяитное происхождение. Масса частицы как бы складывается из основной части, имеющей ядерно-мезонное происхождение, и некоторой дополнительной массы, имеющей электромагнитную природу. Считается, что зта добавочная масса может быть как положительной, т. е. связанной с увеличением энергии, так и отрицательной, если энергия уменьшается в результате электромагнитного взаимодействия. Например, в нуклоне, где масса т„ на 2,53т, больше, чем масса протона, электромагнитная добавка отрицательна.
У пионов, где масса нейтрального л'-пиона на 8,98т, меньше массы л~-пионов, электромагнитная добавка к массе положительна. Электромагнитная добавка к массам у заряженных ль-пионов принимается одинаковой и эти пионы имеют одинаковую массу покоя. 4. Зарядовая независимость ядерных сил и те следствия, к которым она приводит, является характерным признаком так называемых сильных взаимодействий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
