yavor2 (553175), страница 103
Текст из файла (страница 103)
Примером таких взаимодействий, помимо ядерных сил между нуклонами, служат процессы образования мезонов в ядерных взаимодействиях при высоких энергиях. Все процессы, в которых проявляются сильные взаимодействия, протекают весьма быстро во времени. Характерным временем для сильных взаимодействий является ядерное время, приблизительно равное 10 "с (см. табл. 83.1). 5. Кроме сильных взаимодействий, существуют еще электромагнитные и слабые взаимодействия. О слабых взаимодействиях мы уже говорили, рассматривая взаимодействие мкюнов с ядрами. Слабыми являются также взаимодействия, приводящие к процессам ръ-распадов ядер. Электромагнитные взаимодействия обусловлены наличием у элементарных частиц электрических зарядов. Этими взаимодействиями объясняется кулоновское отталкивание протонов в ядрах, а также процессы рождения и уничтожения электроннопозитронных пар.
Для электромагнитных и слабых взаимодействий между частицами не существует зарядовой независимости — силы взаимодействий этих типов зависят от наличия у частиц электрического заряда. В табл. 83.1 приведена сравнительная характеристика типов взаимодействий между элементарными частицами. таблииа 833 ф 83.6. Каоны (К-мезоны) и гипероны 1, В 1949 г. были обнаружены частицы с массами покоя, близкими к 1000 т,. Они называются каанами, или К-мезонами. Выяснилось, что эти частицы вызывают в ядерных фотоэмульсиях ядерные превращения типа звезд. Вторичными частицами этих превращений являются пионы и мюоны, а также электроны и позитроны. Существуют зарюкенные каоны — положительные К+ и отрицательные К-, а также нейтральные (К') каоны и анти-ка-нуль (К') каоны (вопрос об античастицах подробнее рассмотрен дальше, в 9 83.7).
В дальнейшем выяснилось, что существует два типа нейтральных каонов: К3 и К~с, которые имеют различные времена жизни (см. табл. 83.2, стр. 452). 442 2. Детальное изучение распадов методом ядерных фотоэмульсий показало, что все каппы относятся по массам покоя, зарядам и спинам к разновидностям близких друг к другу частиц. Казны, как и пионы, не имеют спина — спин всех каонов равен нулю.
3. Все сведения о разновидностях каонов получены при изучении их распадов, а также механизмов их рождения. Рассмотрим в качестве примера распады положительного К+-каппа. Чаще всего положительный каон распадается на положительный мюон и мео. зонное нейтрино,т„: А'+ о Киз 'р +отз Индексами внизу у К+-каона обозначены частицы, появившиеся в результате распада, и общее число частиц при распаде. В дальнейшем это сделано и в других реакциях распадов. Достаточно часто происходит распад на два пиона." Кха 'и +и ° Помимо указанных, наблюдаются еще четыре вида распадов положительного каона: К+,и++и +и+, К+ я+ ( ~а (, о Кйз ~ р +я~+ отю Кеа ' +1е~+ я~+ ете.
Такого типа распады наблюдались как в космических лучах, так и в случае искусственных положительных каонов, полученных в ускорителях. 4. В ядерных фотоэмульсиях обнаружена также большая группа частиц, называемых гиперонами. Это частицы с массами покоя, ббльшими, чем массы покоя нуклонов. Все гиперонынмеютспины, равные Ь2. Исключение составляет ьг -гиперон, у которого спин равен Ч,й. Нуклоны (протоны и нейтроны) и гипероны являются родственными частицами н их относят к одному классу тяжелых частиц— барионов (табл. 83.2, стр. 452). Для всех элементарных частиц может быть введено понятие барпонного или ядерного (нуклонного) заряда, Если определить, что для барионов этот заряд равен единице, для антибарионов — минус единице, а для частиц, не принадлежащих к классу барионов, равен нулю, то можно сформулировать закон сохранения барионного (ядерного) заряда: при всех ядерных превраи(ениях в изолированной системе барионный заряд сохраняется неизменным.
Закон сохранения барионного заряда, как и закон сохранения электрического заряда, справедлив как при сильных (ядерных) взаимодействиях, так и при электромагнитных взаимодействиях. Если, например, до превращения имелся один барион — нейтрон с барионным зарядом, равным единице, то после превращения должен существовать один барион — нейтрон, протон или один из гиперонов, для которых ядерный заряд тоже равен единице. 443 5. Гипероны весьма неустойчивы и имеют время жизни, изменяюшееся в интервале от 1Оч ы с до 10 " с. В табл. 83.2 приведены все необходимые сведения, характеризующие гипероны и другие элементарные частицы. Изучение свойств гиперонов в пузырьковых камерах, помещенных в магнитное поле, позволило установить наличие как нейтральных, так и заряженных положительных и отрицательных гиперонов.
На рис. 83.9 приведена в качестве примера схема распада лямбдануль-гиперона (Л'), заканчиваюшаяся распадом в форме звезды н -пиона, который образовался из Л"- гиперона: Ле'ч Ло Изучение следов частиц, изображенных на рис. 83.9, позволило определить энергии протона,р' и и--пиона и определить по балансу энергии при распаде массу Л'-гиперона. Весьма точное определение в камерах момента рождения Л'- гиперона и момента его распада позволило измерить время жизни этой частицы — см. табл. 83.2, стр. 452. В этой таблице, как это сейчас принято, массы частиц приводятся в энергетических единицах (МэВ).
Раньше за единицу массы элементарных частиц принималась масса электрона. Поскольку масса электрона приблизительно равна 0,5 МэВ, то для того, чтобы узнать, скольким электронным массам равна масса данной частицы, нужно ее массу в МэВ умножить на два. б. При изучении каонов и гиперонов выяснилось, что свойства их необычны и отличаются от свойств других частиц. Поэтому каоны и гипероны называются странными частицами. Рождение странных частиц несомненно вызывается сильным взаимодействием, т. е.
время рождения этих частиц соответствует времени сильных взаимодействий (1О-" — 10 " с). Вместе с тем, распадаясь на ядерно-активные пионы по схемам, приведенным выше, т. е. на частицы, характеризующие сильные взаимодействия, каоны имеютзначительно большие временажизнн(10 "— 10-4 с), наблюдаемые для ядерно-пассивных мюонов, т. е. для слабого взаимодействия. Далее, было установлено, что каоиы и гипероны всегда рождаются парами и не в любых комбинациях. Наконец, обнаружилось существенное отличие в условиях образования и реакциях взаимодействия каонов с другими частицами. Например, при энергиях в несколько ГэВ число возникаюших К+-каонов в 10' раз превышает число образующихся К -капков; К+-каон возникает в паре как с К -каоном, так и с гиперонами, а К--каон возникает в паре только с К -каоном.
7. В современной физике элементарных частиц объяснены необычные свойства странных частиц. В основе этого объяснения лежит идея о том, что зарядовая независимость присуща не только 444 пионному взаимодействию нуклонов в ядре. Считается, что при взаимодействии каонов н гиперонов также проявляется зарядовая независимость. Мы не можем входить в детали этого вопроса. Мы опускаем также многие другие вопросы физики элементарных частиц, рассмотрение которых требует введения некоторых особых характеристик элементарных частиц. 9 83.7. Античастицы 1. В современной физике элементарных частиц обнаружено, что, за небольшим исключением, каждой элементарной частице соответствует античастица. В настоящее время известно всего несколько частиц, у которых отсутствуют античастицы, или, точнее, известны несколько частиц и античастиц, которые тождественны друг с другом: фотон, ио-мезон, а также нейтральные каоны.
Такие частицы называются абсолютно или истинно нейтральными. Понятие абсолютной нейтральности не следует смешивать с электрической нейтральностью частицы, нбо у нейтральной частицы может быть античастица. Отсутствия электрического заряда еще недостаточно для абсолютной нейтральности частицы. В качестве примеров частиц и античастиц укажем на электрон и позитРон, мюоны 1о~ и 1о-, пионы пе н и-, электРонное и мезонное нейтрино оч„оч„и антинейтрино очо, очю каоны К и К-. -о -о Массы покоя, спины и времена жизни у частиц и античастиц одинаковы.
Значения электрических, а также ядерных зарядов частиц и античастиц численно равны, но противоположны по знаку. Знаками от-,' л личаются также у частиц и античастиц +~,с' их магнитные моменты. Наличие электрического заряда не является непременным условием существования пары частица — античастица. сто С 2. Впервые представление об ан- фи тнчастице возникло в 1927 — 1928 гг.,:":"" 4 когда Дирак на основе квантовой Рис. Вз ю. механики показал, что электрон должен иметь спин и что для свободного электрона имеются две области значений полной энергии й" одна от т,с* до +со, другая от — т,с' до — соо, где т,— масса покоя электрона. Отрицательные значения полной энергии свободного электрона означали возможность существования отрицательной массы, что представляло серьезные трудности.
Например, электрон в состояниях с отрицательной массой должен был, испытывая дейсгвие внешней силы, приобретать ускорение, направленное противоположно действующей силе. Попытки считать, что действие внешней силы, нарушающей свободное движение, может означать нарушение выводов из теории Дирака, оказались несостоятельными. Дело в том, что на- 445 лнчие отрицательной энергии вытекает из теории относительности.
Согласно теории относительности, между энергией б"-, импульсом р и массой покоя т, электрона имеется связь (см. Э 16.3): ег» =- р'с'+ т,'с', откуда при р = 0 имеем, что ег = ~т„с». На рис. 83.10 изображены две области дозволенных значений энергии, разделенные интервалом 2т,с'. В этом интервале нет дозволенных для электрона уровней энергии. Как. показал Дирак, в квантовой механике вероятность перехода нз состояния с положительной энергией в область состояний с отрицательной полной энергией отлична от нуля. В классической физике наличие отрицательных энергий не принималось во внимание. Поскольку переход от положительных энергий (точка А на рнс.
83.10) в область отрицательных энергий (точка В) требует «скачка» величиной 2т,с', такой переход считался невозможным. Для того чтобы понять интерпретацию, которую Дирак дал полученному нм результату, заметим, что для электрона ( — е) с отрицательной массой ( — т,) удельный заряд — равен удельному заря~и« ду положительного электрона (+е) с положительной массой: — е -',-е — же + э»е 3. Дирак высказал гипотезу о том, что область отрицательных энергий на рис.
83.10 содержит квантованные уровни отрицательной энергии. Все этн уровни заполнены электронами, которые, в соответствии с принципом Паули, размещаются на этих уровнях. Электроны на отрицательных уровнях создают некоторый фон, который себя не обнаруживает, если все уровни полностью заняты. Электроны на отрицательных уровнях не могут проявить никакого действия. Уровни энергии, расположенные в области положительных энергий (выше точки А на рнс.
83.10), лишь частично заполнены электронами. Если электрон, находящийся на уровне с отрицательной энергией, получит энергию 8Ъ 2т,с', то он перейдет в область положительных энергий, где проявит себя как «обычный» электрон. На освободившемся месте в фоне отрицательных энергий появится прн этом «дырка», проявляющая себя как пололсительный электрон, т. е. позитрон. Гипотеза Днрака была подтверждена экспериментально в 1932 г., когда позитрон обнаружили в космических лучах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
