belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Предполагая, что плазма содержит равное количество атомов дейтерия и трития, рассчи- тать плотность Р тепловой мощности и полную мощность И термоядерной установки, если обьем плазмы 600 мз, плотность электронов и = 10ы см Решение. Р = = 4,4 1,6 10 ~~пепи й(Вт/смз). 4 При Т = 1 кэВ Р = 3,87 10 з Вт/смз, И' = 19,35 кВт. При Т = 10 кэВ Р = 0,774 Вт/см, И' = 387 МВт.
ГЛАВА 12 ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ Элементарные частицы в точном значении этого термина — первичные, более не разложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Однако этот термин часто употребляется в современной физике для наименования большой группы мельчайших, суб ьядерных частиц матсрии. Появилось это название в 30-х годах, когда единственными представителями рассматриваемой группы были протон, пейтроп, электрон и фотон. Перечисленные четыре частицы служат основой для построения окружающего нас вещества и взаимодействующего с ним электромагнитного поля и назвать их элементарными было вполне естественно. Все известные вещества состоят из атомов и молекул, построенных имонпо из этих частиц.
Дальнейшее развитие физики постепенно нарушало эту простую картину. Начиная с конца 30-х годов стали открываться все новые и новые микроскопические частицы материи. Вначале была обнаружена первая античастица — . позитрон, предсказанный П. Дираком в 1928 г. Открыт позитрон был в космических лучах в 1932 г. К. Андерсоном. Эта частица отличалась от электрона только знаком электрического заряда. В настоящее время известно., что практически всякая частица имеет свой «антипод» античастицу. Частица и античастица имеют совершенно одинаковые массы, спины, четности, равны времена их жизни, по они характеризуются противоположными по знаку квантовыми числами, которые приписываются частицам для описания закономерностей их взаимодействий.
Для обозначения античастиц над символом частиц ставят знак «тильда». Лишь немногие частицы истинно (абсолютно) нейтральны: у них все квантовые числа, отличающие частицу от античастицы, равны нулю. Поэтому в данном случае античастицы совпадают с самими частицами. К ним относятся, в частности, фотон нейтральный пион (яв), г1- и 0'-мезоны. А вот для нейтрального каона К (см. табл. 12.2) существует античастица (Лв), поскольку, как мы увидим далее, для него отличны от нуля такие квантовые числа, как странность и третья компонента изоспипа (меняющие знак при переходе к античастице). Примерно до 50-х годов изучение элементарных частиц было тесно связано с исследованием космических лучей.
Космические лучи являются уникальным природным источником частиц высокой и сверхвысокой энергий, падающих на гранину земной атмосферы из мирового пространства и рождающих на своем пути в атмосфере ноток вторичных частиц сложного состава. В космических лучах, кроме упомянутого позитрона, были обнаружены мюоны, я- и К-мезоны, Л-гиперон и впервые измерены характеристики каналов их распадов и параметры взаимодействий.
Дальнейшие исследования элементарных частиц тесно связаны с развитием ускорителей специальных устройств, предназначенных для получения 12.1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 167 заряженных частиц больших энергий. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наши знания свойств микромира. Мир элементарных частиц оказался очень сложным. Закономерности, управляющие поведением материи в малых масштабах, оказались настолько необычными, что для истолкования происходящих с ними процессов квантовой механики оказалось недостаточно. Понадобился следующий шаг разработка квантовой теории поля, а затем и квантовой хромодинамики.
12.1. Основные свойства элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия в природе Рождение элементарных частиц является результатом взаимодействия (столкновения) высокоэнергетичных частиц между собой, т. е. они появляются в результате ядерных реакций. Это свойство элементарных частиц релятивистский эффект, обусловленный соотношением между массой частицы 7п, ее энергией Е и импульсом йв Е2 2 2+ 2 (12.1) Отсюда сразу следует известное соотношение Эйшптейна Ев = 7ПС ., (12.2) озна 1ающсе, что энергия покоя тела пропорциональна его массе. Тем самым массу частиц можно выражать в энергетических единицах., что и принято в физике элементарных частиц.
Для стабильных или долгоживущих частиц массу определяют путем независимого измерения энергии и импульса частицы и применения формулы (12.1). Естественной единицей в атомной физике, как мы уже неоднократно подчеркивали, является 1 эВ. Несмотря па то, что это внесистемная единица, ею пользуются, поскольку она правильно отражает масштаб атомных явлений. В физике элементарных частиц, как и в физике высоких энергий, широко распространены производные от электрон- вольта единицы мегаэлектронвольт (1 МэВ = 10 эВ), гигаэлектронвольт (1 ГЭВ = 102 эВ), терраэлектронвольт (1 ТэВ = 1012 эВ). Рассмотрим вначале, как расположены по энергии частицы массой примерно до 1 ГэВ.
На рис. 12.1 показаны расположение частиц по массам, их периоды полураспада и обозначения; стрелками изображены каналы распада частиц; для наглядности масштаб по энергии соблюден не всюду. Как видно из рисунка, частицы расположены неравномерно.
Рядом с нейтроном и протоном расположены Л-частица массой 1115 МэВ и три сигмы, называемые сигма-минус, сигма-нуль и сигма-плюс, с почти одинаковыми массами около 1190 МЭВ. Группы частиц почти одинаковой массы называются мультиплетами.
Первый мультиплет . — это пара (дублет) протоннейтрон (пуклоны Й7), потом идут гипероны: сишлет (одиночка) лямбда, потом - - триплет (тройка) сигм. Частицы с меньшей, чем нейтроп и протон массой, триплеты пионов и К-мезонов образуют группу мезонов. Три заряженные частицы . электрон е, мюон 72, таон 7 (он на рис. 12.1 не уместился, так как его масса 1784 МэВ, время жизни 3 10 12 с) и три нейтральных нейтрино — электронное и„мюонное и1„и таонцое и-, образуют группу лептонов. В ядерных реакциях нейтрино различных сортов участвуют только в паре с соответствующими лептонами. Так, нейтрино от распада ГЛ. 12.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ 166 10 '" 1197 10 " !192 Ее !О "' !189 е ! инероны 2,6.10 '" 1115 Нуклоны р 630 939,6 ес 938,3 :з е с. [ < ,с) ) Кионы к-) 10 "— '1 1О и 498 1,2 10" 494 Б с й и = Пионы к р Ми1оны ее Электрон Позитрон 1 2,6 1О 140 2,0 1О'" 135 2,5 1О" 105,8 со О 511 Т,о,е М, МэВ Рис. 12.1 Элементарных частиц насчитывается очень много, однако по величине взаимодействия их можно разделить на четыре класса. Характеризующие эти классы взаимодействия называются сильным, эленп1ролтагнип1нылт, слабым и грааиьчацпоннылт.
Термин «сильное» или «слабое» взаимодействие является эмоциональным выражением скорости наблюдаемых процессов, поскольку физик измеряет в эксперименте скорость реакции — абсолютную скорость и скорость относительно других реакций. Скорости., набл1одаемые при сильных и слабых взаимодействиях, настолько резко отличаются друг от друга, что в!юлие однозначно выделяются эти два класса реакций между частицами. Сильное взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности ветцества в земных условиях. Сильные взаимодействия проявляются и в высокоэнергетических столкновениях. Частицы, обладающие сильным взаимодействием, получили название адронов (!1). Это самая многочисленная группа субъядерных частиц, она состоит из барионов (адронов с полуцелым спипом) и мезонов (адронов с целым спинам).
Рассмотрим типичный пример сильного взаимодействия, когда в процессе столкновения протона и и-мезона образуются Л-частица и К-мезон (р+и — ! Ло + К"). Время взаимодействия быстрого (релятивистского) протона и+-мезона 1и+ — к !14ии) пРи взаимоДействии с веЩеством РожДают лишь отрицательные мюоны (ии + Л' -+ р +... ) и не могут рождать лептоны !т ', е, т . Этот факт нашел свое отражение в выводе о существовании трех лептонных зарядов (см. ниже).
Вне рассмотренной систематики остался пока только фотон квант электромагнитного поля. ьзл. основнык свойствл элкмкнтлгных члстиц аз э с х-мезоном составляет — 10 зз с. Сравним этот временной масштаб с таковым для слабых взаимодействий. Рожденная и высокоэнергетическом столкновении Л-частица распадается па две дочерние (Ло — ~ р + к ) в среднем за 3 10 ш с.
Как мы увидим в дальнейшем, такой распад обуслонлен слабым взаимодействием, и на этом примере видно, что интенсивность слабых взаимодействий составляет примерно 10 ы от интенсивности сильных. Иллюстрацией малой интенсивности слабых взаимодействий может служить и тот факт, что нейтрино, обладающие только слабым взаимодействием, беспрепятстиенпо пронизывают, например, толщу как Земли, так и Солнца. Для количественной оценки интенсивности различных взаимодействий между частицами вводится силовая константа д, пропорциональная вероятности идущих в результате этих взаимодействий процессов и равная отпошонию энергии взаимодействия на элементарной длине к характерной энергии.
В случае электромагнитного взаимодействия таковыми являются энергия взаимодействия электронов на комптоновской длине волны е У(4хеэйу'гас) и энергия покоя электрона гас: ез 1 ез 1 Удд— (12.3) 4дкэЛ,Уп1с гасе 4ксойс 137 Величина е~,У(4кеоЛс) встречалась нам уже неоднократно. Это так называемая постоянная тонкой структуры, оиа определяется отношением квадрата заряда частицы к 4хеэйс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
