1612725063-eb24d9660fd97b365f78091f0a818088 (828996), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Тяжелая частица будет отклоняться меньше и, следовательно, терять меньше энергии, чем легкая Отсюда возникает идея, что частицы. образующие жесткую компоненту космических лучей, тяжелее электронов. Можно было бы предположить, что зто протоны. Но тогда есе частицы должны быть положительными, а в действительности это не так.
Только после 1938 г. (Вильямс и Пикап, Нишина и др.) появилась возможность экспериментально оценить массу этих частиц. (Для этого требовалось измерить кривизну траектории в магнитном поле, определив тем самым величину отношения гмо/е, и одновременно измерить ионизацию для последующего определения скорости.) ') В связи с чрезвычайно быстрым накоплением новых экспериментальных данных и эволюцией теоретических взглядов в области систематики элементарных частиц за последние два-три года содержание этого параграфа и — в еше большей мере — соответствующего приложения 32 (которое поэтому ие включено в настоящее издание) в значительной мере устарело.
Чнтатепо, интересующемуся современным положением вещей, можно рекомендовать для первого чтения издаваемые издательством «Наука» сборвики «Нзд чем думают физики», а также перевод статьи Чу, Гел-Манна я Розенфельда «Сильно взаямодействуюпще частицы» в журнале «Успехи физических наук» за 1964 год.— Лрим. ред. Гд. П Влвменгаримв «аегицм Результат оказался таков: масса проникающих частиц равна приблизительно 200 электронным массам, или 0,1 массы протона.
Поэтому онн были названы меэонами (греческое слово «мезон» означает «средний»). Возможно, мезоны не были бы открыты так скоро, если бы тремя годами раньше их существование не было предсказано теоретически. Их предсказал японский физик Юкава (!935 г.); здесь мы лишь слегка коснемся его теории, отложив подробную формулировку до следующих глав (гл. Ъ'11, $3). Однако, за бегая несколько вперед, обсудим некоторые факты. Мы уже упоминали (гл. 11, $6) и вскоре опишем более под.
робно (гл. 111, 3 4), что атомные ядра состоят из двух сортов частиц — протонов и нейтронов. Ядра упакованы очень плотно, ибо их радиусы, измеренные различными методами (гл. 111, $3), колеблются только от 2 до 9 ° 1О-м см. Что, спросим мы себя, удерживает протоны и нейтроны на таком маленьком расстоянии друг от друга? Какая-то притягивающая сила должна действовать между ними. Это не могут быть силы электрического происхождения, 1ак как лишенный заряда нейтрон не взаимодействует с электрическим полем. Отсюда Юкава сделал вывод, что должно существовать поле нового типа, сходное с электромагнитным, но имеющее другую природу, которое и создает притяжение между протонами и нейтронами. Предваряя современную классификацию, будем называть это поле мезонным полем. Как и в обычном случае заряженных частиц, предположим, что и протоны, и нейтроны несут «мезонный заряд», создающий мезонное поле; обозначим его через 1.
Тогда протон н нейтрон будут притягивать друг друга, подобно двум электрическим зарядам, и между ними будет действовать некоторый потенциал, подобный кулонов. скому потенциалу — е9г, действующему между двумя электрическими зарядами противоположного знака. Однако имеются два существенных отличия мезонного поля от электрического. Как было показано выше, радиус действия ядерных сил очень мал (от 2 до 3 ° 10-'в см). Поэтому Юкава предположил, что потенциал между двумя ядерными частицами равен не — 1в/г, а в — че ~е т где ~) — новая универсальная постоянная, имеющая размерность обратной длины и величину порядка (0,3 — 0,5) ° !Ом см-'. Как электрические заряды при неравномерных движениях излучают электромагнитные волны, так и мезонные заряды при некоторых условиях могут излучать мезонные волны.
Йо закон д 8. Мероиы и ядерные оияы распространения этих волн должен быть другим, так как в него необходимо включить зависимость от константы т(. Действительно, если ч †часто, и т 1/1 в волновое число простой гармонической волны, то для электромагнитной волны чу=*с, или ч/с=т. Простейшее же волновое уравнение, совместимое с законом Юкавы для статического поля, как можно показать, приводит к соотношению ( — ) =те+ ~5-) . .Теперь, предваряя результаты квантовой теории, учтем, что любое простейшее физическое явление имеет двойственный характер †е можно описывать в при помощи волн, и при по- моши частиц. Частицы переносят определенный квант энергии Е и импульс р, а связь с частотой ч и волновым числом т соответствующей волны дается формулами Е = )гр,,в йт, где Ь вЂ” постоянная Планка (гл. !й, $2, 5). Из закона Юкавы для частоты получим зависимость энергии частицы от ее импульса: Завершающим шагом рассуждения Юкавы была интерпретация этой формулы на основе теории относительности (приложение б), согласно которой энергия и импульс частицы связаны с ее массой покоя то выражением (~)'=р +т,ср.
Сопоставляя эту формулу с предыдущей, Юкава сделал вывод, что должны существовать частицы, масса покоя которых связана с постоянной внутриядерных сил и соотношением ьп Подставляя сюда значение ть данное выше (т. е. (0,3 — 0,5)М Х 10" см-11, полУчаем величинУ лея в пРеделах от 130 до 200 электронных масс (гл.
1!, $1). Опираясь на эти соображения, Юкава предсказал существование частиц с массой, промежуточной между массами электрона и протона. Эта гипотеза была проверена в 1939 г, независимо Иедермейером и Андерсоном и Блекеттом и Вильсоном с помощью камеры Вильсона. 6 М. Боря Га, П, Элелентарные частили Мезоны следует считать элементарными частицами, т. е. такими, что их нельзя составить из других частиц. Однако они отличаются от электронов и ядерных частиц (протонов и нейтронов) тем, что не принимают участия в построении обычного вещества. Почему? Ответ был дан уже в первой статье Юкавы: мезоны нестабильны. Когда рядом нет других частиц, мезон распадается на электрон и нейтрино чз (нейтрино чз — гипотетическая частица, встречающаяся в процессах р-распада, см.
гл. 111, $4). Космические лучи дают убедительное, хотя и не совсем прямое, доказательство распада свободных мезонов. Вильямсу (1940 г.) удалось непосредственно сфотографировать несколько распадов мезона в камере Вильсона. На фотографиях можно видеть, что треактория мезона в газе внезапно обрывается. От конечной точки траектории начинается след электрона, движущегося в несколько ином направлении (нейтрино, будучи нейтральным, конечно, невидимо).
Можно также определить среднее время жизни мезона. Это время весьма мало — эксперименты дают приблизительно 2 ° 10-з сея, а из теории Юкавы следует величина, примерно в 20 раз меньшая. Ввиду малого времени жизни мезоны не приемлемы в качестве первичных частиц космического излучения. Они должны образовываться где-либо в земной атмосфере. Тогда, двигаясь достаточно быстро, они могут успеть, еще не распавшись, до. стичь уровня моря. В $7 мы видели, что первичные частицы, приходящие из межзвездного пространства, вероятно, представляют собой протоны.
Теперь мы уже в состоянии понять, каи происходит процесс образования мезонов первичными протонами. Может случиться, что при входе в атмосферу быстрый первичный протон столкнется с ядром кислорода или азота, которое, как известно, тоже состоит из протонов и нейтронов. Ка. ждая из этих частиц, а также и первичный протон окружены мезонным полем. При чрезвычайно сильном ударе протона о ядро должны излучаться мезоиные волны, подобно тому, как при сильном столкновении электрона с другой заряженной частицей излучаются электромагнитные волны (именио таким путем начинаются ливни). Мезоны, соответствующие этим волнам, раньше или позже распадутся, образовав электроны. Фактически большинство ме.
зонов распадается уже в верхних слоях атмосферы, и лишь быстрейшие из них достигают уровня моря. Поэтому-то в космических лучах так много электронов: они продукты распада мезонов. В дальнейшем их число еще увеличивается вследствие каскадного размножения (см. выше). Э 8. 'сйееони а ндерние сали Таково происхождение электронов в космических лучах.
Итак, идеи Юкавы помогли объяснить и систематизировать большое количество наблюдений. Но дальнейшие исследования показали, что действительность гораздо сложнее, чем казалось вначале. Рассмотрев некоторые несоответствия между теорией и экспериментом (примером может служить отмеченное выше различие в измеренном и вычисленном времени жизни), Маршак и Бете (1947 г.) выдвинули предположение, что существует два различных типа мезонов.
Первое доказательство этого факта было дано Бристольской группой, руководимой Пауэллом (Лэттес, Мюрхид, Оккиалини и Пауэлл, 1947 г.), и подтверждено в следующем году вместе с этой группой также Калифорнийской группой, работающей в Беркли. Эти эксперименты стали возможны благодаря значительному усовершенствованию фотографического метода наблюдения треков. Оказалось, что первичные мезоны в космических лучах, названные п-мезонами, обладают массой около 264сп„если они нейтральны, или 273т„ если несут положительный или отрицательный заряд. Заряженные и-мезоны (пь-частицы) распадаются на и-мезоны того же знака с массой 207спе и нейтрино, причем время жизни первичных частиц в этих процессах около 2,5 ° 10-е сак (фото 5).
Но вероятность самопроизвольного распада отрицательных и-мезонов мала, обычно они притягиваются положительными ядрами ркружающих атомов и захватываются ими, вызывая сильные ядерные взрывы. Вторичные и-мезоны в свою очередь распадаются на электрон или позитрон (в зависимости от заряда) и два нейтрино; их время жизни равно 2,22 ° 10-е сек. С другой стороны, нейтральные и-мезоны (пс-частицы) распадаются на два у-кванта (уе; гл. 1Ч, 9 2). Тот факт, что причиной ядерных взрывов оказываются обычно (отрицательные) п-мезоны, показывает, что именно эти, более тяжелые мезоны связаны с ядерными силами в согласии с теорией Юкавы.
Однако хотя теория Юкавы, сравнительно простая, представляется качественно верной, она не объясняет деталей взаимодействия между ядерными частицами. Проведенные в Беркли эксперименты подтвердили результаты Бристольской школы. Гарднер и Латтес сообщили в 1948 г., что и-- и и-мезоны можно получить, бомбардируя мишени из различяых веществ а-частицами с энергией более 300 Мээ, полученными на Калифорнийском циклотроие (гл. 1П, $6). Измерения масс и- и и-мезонов проводили многие исследователи; наилучшие к 1960 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
