goldin-novikova-vvedenie-v-kvantovuyu-fiziku-2002 (810754), страница 85
Текст из файла (страница 85)
Атомы не являются элементарными частицами, потому что они легко расщепляются на электроны и ионы. Атомные ядра также пе являются элементарными частицами, потому что они могут быть разделены на более легкие составляющие: на более легкие ядра или даже на отдельные нуклоны. Электроны и пуклоны — протон и нейтрон — расщеплены на составляющие быть не могут. При попытке их расщепить, например, при облучении другими быстрыми частицами, происходит либо упругое соударение, либо рождаются новые частицы, а старые остаются в неизменном виде или превращаются в другие элементарные частицы, не более простые, чем исходные. К этому следует добавить, что элементарные частицы не имеют возбужденных состояний.
Состояния, которые можно было бы назвать возбужденными, например, состояния с большей величиной углового момента, если они есть, являются новыми элементарными частицами. В этой книге вы уже встречались с элементарными частицами двух типов: с легкими (к ним относятся электрон, позитрон, нейтрино и антинейтрино) н тяжелыми, из которых пока шла речь только о протоне и нейтроне. Мы говорили также о фотонах, занимающих среди других частиц особое положение. Известные вам элементарные частицы далеко не исчерпывают всего списка. Сейчас известны несколько сотен элементарных частиц. Появилась необходимость в их упорядочении. Упорядочить это многообразие позволило введение представления о кварках.
Создана С т а н д а р т н а я Т е о р и я элементарных частиц, которая играет здесь ту же роль, что таблица Менделеева и обычная (нерелятивистская) квантовая механика, которые внесли порядок в свойства и многообразие атомов. Релятивистская квантовая механика, квантовая х р о м о д и н а м и к а, и теория слабых взаимодействий позволяют производить расчеты, если не с такой же легкостью, то, по крайней мере, с такой же надежностью, как обычная квантовая механика позволяет это делать по отношению к атомам. Мы не будем здесь 422 ГЛАЗА 16 рассматривать зти разделы квантовой физики, потому что они далеко выходят за рамки общего курса физики.
Физика элементарных частиц внесла в науку не только новые представления и новые вычислительные методы, но и обширную новую терминологию, которая часто затрудняет чтение литературы. Мы постараемся разъяснить, если не всю эту терминологию, то, по крайней мере, наиболее употребительную ее часть. $80. Нуклоны и лептоны. Терминология. Слабое взаимодействие Из глав, посвященных ядерной физике, уже известно, что при радиоактивных превращениях сохраняется суммарное число протонов и нейтронов.
Если бы это было не так, то нейтрон, в частности, мог бы распадаться не на протон, электрон и антинейтрино, как это происходит на самом деле, а на электроны, позитроны и, может быть, нейтрино. (!ри таком распаде выделилась бы существенно большая энергия, чем при реально происходящем распаде: не несколько сотен килоэлектронвольт, как па самом деле, а сотни мегазлектронвольт, так что такой распад происходил бы неизмеримо быстрее. Запретить такой распад может только нарушение какого — либо фундаментального физического закона. Сформулируем этот закон: ч испо бар и о нов в природе с ох р а н я т с я. (Позднее мы уточним зту формулировку.) Пока нам встречался только частный случай этого закона, справедливый в рамках ядерной физики, — закон сохранения массового числа А.
Ввести для тяжелых частиц новый термин — б а р и о н ы — пришлось потому, что сейчас известны не две тяжелых частицы — протон и нейтрон (нуклоны), а несколько сотен. Эти новые тяжелыс частицы нс способны образовывать сколько-нибудь стабильные атомные ядра, так что к ним неприменимо название нуклонов.
Название барионы происходит от греческого корня Ьагуз — тяжелый. Вместо того, чтобы говорить о сохранении числа барионов, мы оудем говорить в дальнейшем о с о х р а н е н и и б а р и о н н о г о ч и ел а (или барионного заряда). Рассмотрим распад нейтрона. Как вы уже знаете, нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино: (16. Ц и --~ р -~- е —,. й. В отличие от тяжелых частиц — барионов — электрон и нейтрино называют л е п т о н а м и (от греч, (ер!оз — тонкий, легкий). Напомним основные свойства входящих в это равенство частиц. з 80.
НУкз!ОИЫ И ЛЕПТОНЫ. ТеРМИИОЭ!ОГИЛ. СЛАБОЕ ВЗАИМОЛЕИСтВИЕ 423 Таблица 9. Важнейшие свойства основных частиц В этой таблице для магнитных моментов использованы разные магпетоны: для электрона и нейтрино — магнетон Бора, а для нуклонов — ядерный магнетон (см. з 72). здесь н всюду в дальнейшем под массой мы будем иметь в виду 3 величину !пш. Закон сохранения барионного числа обеспечивает стабильность протонов.
Он мешает им распадаться на позитроны и нейтрино. Продолжим рассмотрение распада нейтрона. Из схемы распада (16.1), видно, что при распаде нейтрона, кроме протона и электрона, возникает еше и антинейтрино. Антинейтрино, как и иейтрино,— зто частица, которая почти пи с чем и никак не взаимодействует. Обнаружить ее крайне трудно, а в то время, когда она была введена, это было попросту невозможно. Откуда же мы знаем, что оиа рождается при распаде нейтрона? Если бы распад происходил не на три, а на две частицы — протон и электрон, то из законов сохранения следовало бы, что уносимая ими энергия равна энергии, выделяюшейся при распаде, а импульсы протона и электрона при распаде неподвижного нейтрона в сумме должны были бы быть равны нулю, т, е.
импульсы протона и электрона должны были бы быть направлены в противоположные стороны и равны по абсолютной величине. Энергия электрона была бы при этом четко определена. Опыт убеждает нас в том, что это не так. Энергия электронов, рождаюшнхся при распаде нейтрона, занимает целый диапазон — от нуля до максимума (почти равного всей энергии, выделяюшейся при распаде нейтрона). Следовательно, нейтрон распадается больше, чем на две частицы, причем две из них (протон и электрон) наблюдаются, а остальные (ИЛИ ОСтаЛЬНая) «убЕГИОтя От НабЛЮдЕНИя. ПрОСтЕйШЕЕ ПрЕдПОЛОжЕНИЕ (Паули, 1930 г) состоит в том, что такая частица одна, а полное число частиц три.
Расчеты распределения электронов по величине импульса (см. 9 75) и сравнение расчетов с опытом показали, что частиц, действи- ГЛАВА 16 тельно, три, причем одна из них не наблюдается. Эта частица и получила название антинейтрина. Так мы приходим к выводу о распаде нейтрона на три частицы и к схеме распада (!6.!). Из опыта следует, что у всех частиц имеются а н т и ч а с т и ц ы (некоторые исключения из этого правила мы приведем позднее).
Остановимся на некоторых свойствах античастиц. Массы частиц и античастиц равны, а все квантовые числа античастиц имеют обратный знак по сравнению с соответствующими числами частиц. К таким квантовым числам относятся электрический заряд, а также барионный (у барионов) и лептонный (у лептонов) заряды. Так, позитрон является античастицей по отношению к электрону. Заряды этих частиц противоположны по знаку, их массы одинаковы, а лептонные числа противоположны: единица у электрона и минус единица у позитрона. У системы из двух частиц — электрона и позитрона — суммарное лептонное число равно нулю. Об античастице для нейтрино — об антинейтрино — мы уже говорили. Античастицы есть и у протона (антипротон) и у нейтрона (антинейтрон). Антипротон заряжен отрицательно, а антинейтрон нейтрален, как и сам нейтрон.
Барионное число у протона и нейтрона равно единице, а у антипротона и антинейтрона — минус единице и т.д. Античастицы, если они не имеют специального обозначения, как в случае познтрона, обозначаются тем же символом, что и частица, с волнистой чертой (гильдой) над ним, как это сделано я формуле (!б.!) для антинейтрипо.
Почему же при распаде нейтрона природа генерирует не две частицы, а три, зачем это нужно? Дело в том, том что в природе сохраняется не только барионное, но и лептонное квантовое число. Лептонное число у электрона равно +1, а у антинейтрино †.1, так что при распаде нейтрона суммарное лептонное число равно нулю как до, так и после распада. Теперь мы можем понять также, почему при взаимодействии квантов электромагнитного излучения с веществом генерируются не просто электроны, а электрон — позитронные пары.
Не только для того, чтобы сохранялся электрический заряд (этого нередко можно было бы достичь и другим способом, скажем, превратив один из протонов в ядре, на котором происходит генерация, в нейтрон), но и потому, что при генерации электрон — позитронных пар не меняется лептонное число. Оно как было, так и остается равным нулю. Итак, в природе выполняются два важнейших закона; б а р и о ни ы й заряд (барионное число) и л е п тонн ы й заря д (лептонное число) в с е г д а с о х р а н я ю т с я.
Эти законы абсолютны (в условиях, далеких от экстремальных), и мы будем широко ими пользоваться в дальнейшем э 80. НУклопы и лептоны. Тегми!!оа!Огии. СлАБОе взАимодействие 425 Скажем несколько слов о фотонах (напомним, что к ним, кроме световых, относятся также рентгеновские и г-кванты). У них нет никаких квантовых чисел (за исключением спина). Поэтому они являются сами себе античастицами, иначе говоря, являются и с т и н н о н е й т р а л ьн ы м и ч а с т и ц а и и. С другими такими частицами мы познакомимся позже. Продолжим разговор о нейтрино и о слабом взаимодействии, которое приводит к его рождению. Мы уже упоминали о том, что нейтрино почти ни с чем и никак не взаимодействует. Что значит «почти»? Если бы нейтрино совсем не взаимодействовало, то оно пе могло бы и родиться. Значит, опо все-таки взаимодействует.
Это взаимодействие, однако, чрезвычайно слабо. Его слабость возникает из-за слабости сил слабого взаимодействия вообще. Эта слабость приводит к огромным по сравнению с другими взаимодействиями временам взаимодействия; В тех случаях, когда реакция (распад или какая-либо др. реакция) под действием слабого взаимодействия не является единственно возможной, происходят другие реакции, и мы только их и наолюдаем. Мы наблюдаем распад нейтрона и рождение антинейтрино потому, что никакие другие способы распада нейтрона невозможны — на них нехватает энергии. Поэтому нейтрон и живет до распада в среднем целых 10 минут, пока слабое взаимодействие все-таки сработает. Если бы понадобилось установить за!циту какой-либо установки от источника нейтрино, то между источником и установкой пришлось бы установить свинцовую стену толщиной в несколько световых лет (световой год — это расстояние, который проходит свет в течение года).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
