mukhin-fizika-elementarnykh-chastits (810757), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Для объяснения этих н некоторых других свойств ядерных снл (о которых речь пойде~ несколько позже) нужна теория ядерных сил. Однако нз-за очень сложного характера сильного ядерного взаимодействия такой теории в законченном виде пока не существует. В настоящее время можно говорить только о методах подхода к решению этой задачи. Изучение атомного ядра — гораздо более сложная задача, чем изучение атома. Кроме трудностей принципиального у 86 Введение характера, связанных с незнанием закона сильного ядерного взаимодейсуяия, имеются также методические трудности расчета квантовбмеханических систем из сильновзаимодействующих частиц, Взаимодействие нуклонов в сложном ядре может быть не равно простой сумме взаимодействий между несколькими парами иуклонов.
Оставляя в стороне эту трудность, которая преодолевается в различных случаях с помощью разных моделей ядра, рассмотрим сильное ядерное взаимодействие между двумя нуклонамн. В принципе возможны два пути построения теории сильного ядерного взаимодействия между нуклонами: 1) сведение ядерных сил к свойствам мезонного поля; 2) феноменологический подбор потенциалов взаимодействия, удовлетворяющих результатам эксперимента.
Ниже будут рассмотрены оба пути (первый — в п. 1 этого параграфа, второй — в З 82 — 87). 1. ПОНЯТИЕ О МЕЗОННОЙ ТЕОРИИ ЯДЕРНЫХ СИЛ Мезониые теории ядерных сил строятся по аналогии с квантовой электродинамикой. Как известно, в квантовой злектродинамике электромагнитное поле рассматривается совместно со связанными с ним частицами-фотонами. Оно как бы «состоит» из фотонов, которые являются его квантами. Энергия поля равна сумме энергий квантов.
Фотоны возникают (исчезают) при испускании (поглощении) электромагнитного излучения (например, света). Источником фотонов является электрический заряд, Взаимодействие двух зарядов сводится к 'испусканию фотона одним зарядом и поглощению его другим. При такой постановке вопроса возможно рассмотрение новых явлений, относящихся к классу взаимодействий излучающих систем с собственным полем излучения. Этим путем удается, например, объяснить аномальный магнитный момент электрона и мюона (см. З 101; 104, п. 5), лэмбовский сдвиг уровней в тонкой структуре атома водорода и ряд других тонких эффектов. Основная идея квантовой электродинамики †представлен о передаче взаимодействия при помощи квантов — может быть перенесена и на другие виды взаимодействия, в частности на сильное ядерное взаимодействие.
Впервые это отметил в 193я г. И. Е. Тамм. Идея И. Е. Тамма придавала особенно наглядный смысл таким свойствам сильного ядерного взаимодействия; как обменный характер (см. З 86, п. 3),. для объяснения которого надо предполагать, что протон и нейтрон в процессе взаимодействия обмениваются своими зарядами„и вытекающее 8 Глава Х)К Нуклоя-пухло»ныл езавмодейслмвя яри лизках энергиях из него насыщение. Очень естественно, казалось, считать, что механизм обмена заключается в передаче (в момент ядерного взаимодействия) от одного нуклона к другому каких-либо легких частиц, например электронов и нейтрино.
Однако позднее И. Е. Тамм показал, что эти частицы не могут быть квантами ядерного поля, так как с их помощью нельзя одновременно объяснить малый радиус ядерных сил и большую энергяю связи. Других же частиц в то время известно не было. Дальнейшее развитие идея И. Е. Тамма получила в работе японского физика Юкавы, предположившего (в 1935 г.), что роль ядерных квантов выполняют не обнаруженные пока экспериментально нестабильные заряженные или нейтральные частицы — мезоны', которые должны иметь массу лз яе 200 —: 300пт,. Наглядно схему рассуждений Юкавы можно пояснить следующим образом. Согласно квантовой механике существует соотношение неопределенностей ЛЕЛ)хй, (81.1) указывающее, на какую величину ЛЕ может изменяться энергия изолированной системы за время Лг («нарушение закона сохранения энергии» на короткое время Лг).
Прн этом если время Лт мало, то ЛЕ может быть очень большим. Положив ЛЕ= глез, можно допустить, что за счет энергии ЛЕ= й(Л! на короткое время Лг в непосредственной близости от нуклона образуется виртуальный мезон с массой т=ЛЕ)сз=ЦсзЛь В отличие от реальных часпщ, которые могут свободно перемещаться в пространстве и времени, виртуальная частица существует только в течение короткого времени Лб за которое она может отойти от нуклона на расстояние а, не превышающее аь сЛь По истечении времени Лг виртуальная часпща снова «захватывается» нуклономвв. Таким образом, нуклон следует представлять себе как бы окруженным облаком непрерывно возникающих и поглощающихся виртуальных мезонов.
Радиус этого мезонного облака (мезонной «шубы») равен а = сй/ЛЕ= й)'1глс). (81.2) » В паз»анан подчеркивается променуточное значение массы частицы мепду массами электрона н протона 1емезо» по-греческа †средн, променуточный). После открытия тянелых меэонов название утратнло свой первоначальный смысл. но его сохранили для обозначсння всех снльновзанмодействующнх частиц (адронов) с нулевым барнонным зарядом.
»' Другое истолкование понятия евнртуальная частица» предполагает, что закон сохранения энергнн 1н нмпульса) не нарушается, но частица имеет нефнзнческую, т. е. не удовлетворяющую соотношенню Ее=тлел+рзсз, массу 1находнтся вне массовой поверхностн). у ВК Введение Виртуальный мезон может поглощаться не только «собственным», но и каким-либо другим нуклоном, если он окажется в пределах мезонного облака. В передаче виртуального мезо на от одного нукл она к другому и заключается механизм ядерного взаимодействия. Количественные оценки для времени ядерного взаимодействия тв и массы виртуального мезона т легко получаются, если приравнять величину а тпадиусу действия ядерных сил.
Считая, что он равен 2 ° 10 з см (сейчас более правильно считать его равным 1,4.10 ы см), Юкава получил т.=И=а!с=0,7 !О ~з с; ЛЕ-А~Лвх100 МэВ; т ж 200т,. (81.3) Так был предсказан ядерный квант — мезон Юханы. Обнаружить мезоны Юкавы, если они существуют, можно лишь в том случае, когда они рождаются не виртуально, а в свободном состоянии, т. е. с удалением от места образования на расстояния, превышающие радиус действия ядерных сил. Такой процесс возможен только при условии выполнения закона сохранения энергии.
Поэтому для образования мезонов нужна большая кинетическая энергия сталкивающихся нуклонов, часть которой может перейти в энергию покоя рождающихся мезонов. История открытия ядерных квантов очень интересна и поучительна. Вначале было сделано неправильное заключение о том, что ими являются обнаруженные в 1938 г. в составе космических лучей мюоны р* — частицы с массой т=207те (которые раньше называли р -'-мезонами).
Однако вскоре выяснилось, что мюоны не участвуют в сильном ядерном взаимодействии (подробнее о свойствах мюонов см. 9 104). Позднее (1947 — 1950 гг.) сначала в составе космических лучей, а затем и на ускорителях были обнаружены пионы, или я-мезоны (и+, и и я~) — сильновзаимодействующие частицы из класса мезонов с барионным зарядом В=О, массой т„ж 270т„„изоспином Т = 1, олином в = 0 и отрицательной внутренней четностью Р= -1. кь-Мезоны имеют время жизни т-2,6 10 ' с. Они распадаются по схемам я р++»и; я !в +9и (81.4) яв-Мезон имеет время жизни т-0,8 10 'в с.
Он распадается по схеме я 27 (81,5) (подробнее о свойствах я-мезонов см. в гл. ХУП1). Ю Глава Хзе'. Нуклон-ччч'клоннвче взаилоаейггнвик нри низкик знергинк Ез =расе (81.7) Чтобы получить уравнение для потенциального поля единичного заряда, надо провести замену: ччд й Š— — —; р=тУ. (81.8) з дз Тогда уравнение для потенциала в пустом пространстве примет вид 1 дзчр (81.9) Учет взаимодействия приводит к 1 д'чр Ч 2ер — — — = 4лр сз дзз (81,10) где р, †плотнос электрического заряда. Для стационарного случая дяз!дз=0 и решением уравнения (81.10) является функция ер- ре,чг. (81.11) Формула (81.11) дает выражение для потенциала, действующего на единичный заряд (аналог напряженности электрического поля). Чтобы получить энергию взаимодействия 1; надо умножить потенциал на заряд: )л=врр р lг. (81.12) Из выражений (81.! 1) и (81.12) (которые, очевидно, совпадают с соответствующими выражениями из электростатнки) следует, к-Мезоны (возможно, при участии других адронов) и выполняют роль ядерных квантов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
