Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы (934757), страница 70
Текст из файла (страница 70)
Однако для виртуального фотона это нарушение является кажушимся. Согласно квантовой механике энергии состояния, существующего время И, оказывается определеннои лишь с точностью ЬЕ, удовлетворяющей соотношению неопределенностей: ЛЕМ л'). (89. 2) Из этого соотношения вытекает, что энергия системы может претерпевать отклонения ЬЕ, длительность которых М не должна превышать значения, определяемого условием (89.2). Таким образом, если нспушенный электроном виртуальный фотон будет поглощен этим же или другим электроном до истечения времени М = Ь/и (где е = йсо), то нарушение закона сохранения энергии не может быть обнаружено.
Если электрону сообщить дополнительную энергию (это может произойти, например, при соударении его с другим электроном), то вместо виртуального фотона может быть испушен реальный фотон, который может существовать неограниченно долго. ') Этим соотиошсиием мм уже пользовались в 5 79. За время Дг виртуальный фотон может передать взаимодействие между точками, разделенными расстоянием !=СДГ=С вЂ”. Ь 8 Энергия фотона в=йга может быть сколь угодно мала (частота ы изменяется от 0 до ео). Поэтому радиус действия электромагнитных сил является неограниченным. Если бы частицы, которыми обмениваются взаимодействующие электроны, имели отличную от нуля массу покоя т~, то, как легко сообразить, радиус действия соответствующих сил был бы ограничен величиной: д в 6 г сДг' =е — ь в — — =Л е ь, пмс~ лчс где Л вЂ” комптоновская длина волны данной частицы (см.
(58.5)) (мы положили, что частица — переносчик взаимодействия движется со скоростью с). В !934 г, И. Е. Тамм высказал предположение, что взаимодействие между нуклонами также передается посредством каких-то виртуальных частиц. В то время, кроме иуклонов, были известны лишь фотон, электрон, позитрон и нейтрино. Самая тяжелая из этих частиц— электрон обладает комптоновской длиной волны Л = = 3,86 !О-н см (см.(58.5Ц, приблизительно в 200 раз превышающей радиус действия ядерных сил (равиый 2 !О м см). Кроме того, величина сил, которые моглл бы быть обусловлены виртуальными электронами, как показали расчеты, оказалась чрезвычайно малой. Таким образом, первая попытка объяснения ядерных сил с помощью обмена виртуальными частицами оказалась иеудачьчзй.
В 1935 г. японский физик Х. Юкава высказал смелую тицотезу о том; что в природе существуют пока не обнаруженные частицы с массой, в 200 — 300 раз большей массы электрона, и что эти-то частицы и выполняют роль переносчиков ядерного взаимодействия, подобно тому как фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Юкава назвал эти гипотетические частицы тяжелыми фотонами. Так как по величине массы эти частицы занимают промежуточное положение между электронами и нуклонами, оии впо- 444 следствии были названы мезои а ми (греческое пзао" означает средний). В 1936 г.
Андерсон и Неддермейер обнаружили в космических лучах частицы с массой покоя, равной 207 лт Вначале полагали, что эти частицы, получившие название р-мезонов, или мюо нов, и есть переносчики взаимодействия, предсказанные Юкавой. Однако впосаедствии выяснилось, что р-мезоны очень слабо взаимодействуют с нуклонами', так что не могут быть ответственными за ядерные взаимодействия. Только в 1947 г. Оккиалини и Поуэлл открыли в космическом излучении еще один тип мезоиов — так называемые и-м евон ы, или п и он ы, которые оказались носителями ядерных сил, предсказанными за 12 лет до того Юка вой. Существуют положительный (а+), отрицательный (и ) и нейтральный (па) пионы.
Заряд и+- и и--мезонов равен элементарному заряду е. Масса заряженных пионов одинакова и равна 273 гп, (140 Мэв), масса и"-мезона равна 264 т, (135 Мэв). Спин как заряженных, так и нейтрального и-мезона равен нулю (з = О). Все три частицы нестабильны. Время жизни и+- и и -мезонов составляет 255 ° 10-а сек, и'-мезона — 2,1 !Π—" сак, Подавляющая часть (в среднем 99,97та) заряжеиных пионов распадается по схеме й -+~Я +т, и — >~1 +й (89.3) (р+ и и- — положительный и отрицательный мюоны, т— нейтрино, % — антииейтрино). Остальные 0,03~ распадов протекают по другим схемам (например, и- е+ т; я- па+ е + т и т.
и., причем в случае и+ образуется е+, т. е. позитрон, а в случае и возникает е, т. е. электрон). В среднем 98,7ь~ пюмезонов распадаются на два у-кваита: (89.4) Остальные 1,3% распадов осуществляются с рождением пары электрон — позитрон и у-кванта (па е++ е-+ у) или двух электронно-позитронных пар (па- е' + а- + + е+ + а-). Частицы, называемые р-мезоиами, или мюонами, по современной классификации ие относятся к категории 445 мезонов; вместе с электронами н нейтрино они образуют группу л е и т о и о в (поэтому вместо термина «р-мезон» лучше пользоваться термином «мюон»).Мюоиы имеют положительный (р+) или отрицательный (!г ) заряд, равный элементарному заряду е (нейтрального мкюна не существует).
Масса мюона равна 207 гп, (106 Мэв), спин — половине (э = '/»). Мюоны, как и а-мезоны, нестабильны, они распадаются по схеме: р+ — и в+ + т + й, а -» е + т + й. (89.5) Время жизни обоих мюонов одинаково и равно 2,22 ° 10 «сеп. Вернемся к рассмотрению обменного взаимодействия между нуклонами. В результате аналогичных (89,1) виртуальных процессов: р и+а+, а-> р+а, р-' р+пи, п=»а+ а» (89.6) (89.7) (89.8) нуклон оказывается окруженным облаком виртуальных а-мезонов, которые образуют поле ядерных сил. Ор Оа Оа Ор Ор- Е -Оа О-О О О-О И О=6=О Ол О О О О=О=Оп аС 4 в/ Рис.
250. Поглощение этих мезонов другим нуклоном приводи~ к сильному взаимодействию между нуклонами, происходящему по одной нз следующих схем. 1) р+а=»а+а++а»а+р. Протон испускает виртуальный п+-мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон, Затем такой же процесс протекает в обратном направлении (рис. 250, а).
Каждый из взаимодейсавующих нуклонов часть вре- 446 мени проводит в заряженном состоянии, а часть — в ней- тральном. 2) а+р-~р+л +р-»р+а. Нейтрон и протон обмениваются л -мезонамн (рис. 250,б). 5) ~+ л«р+ о+ о+ и + л -+ л + ля+ и -э. и + л. Нуклоны обмениваются ло-мезонами (рис. 250, в). Первый из этих трех процессов находит экспериментальное подтверждение в рассеянии нейтронов иа протонах.
При прохождении пучка нейтронов через водо- †8 — — Я— род в этом пучке появляются ф протоны, многие из которых имеют ту же энергию и на- Ор Ов правление движения, что и падающие нейтроны. СоотРос. 25!. ветствующее число практически покоящихся нейтронов обнаруживается в мишени, Совершенно невероятно, чтобы такое большое число нейтронов полностью передавало свой импульс ранее покоившимся протонам в результате лобовых ударов. Поэтому приходится признать, что часть нейтронов, пролетая вблизи протонов, захватывает один из виртуальных л'-мезонов. В результате нейтрон превращается в протон, а потерявший свой заряд протон преврашается в нейтрон (рис. 25!).
Если нуклону сообщить энергию, эквивалентную массе л-мезона, то виртуальный л-мезон может стать реальным. Необходимая энергия моигет быть сообщена при столкновении достаточно ускоренных нуклонов (или ядер) либо при поглощении нуклоном у-кванта. При очень больших энергиях соударяющихся частиц от нуклона может «оторваться» несколько л-мезонов. В космических лучах, где встречаются яастицы с энергиями — 10«рэв, наблюдаются случаи рождения до 20 реальных л-мезонов при одном соударении. 447 В соответствии с процессом (89.7) нейтрон часть времени проводит в виртуальном состоянии (р + п ).
Орбитальное движение и -мезона приводит к возникновению наблюдаемого у нейтрона отрицательного магнитного момента (см. $87). Аномальный, магнитный момент протона (2.79 рч вместо одного ядерного магнетона) также можно обьяснить орбитальным движением и+-мезона в течение того промежутка яре~рени, когда протон находится в виртуальном состоянии (и + и+). ф 90. Радиоактивность Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одцпго химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер. К числу основных таких превращений относятся: 1) а-распад, 2) р-распад (в том числе 7(-захват), 3) протонная радиоактивность и 4) спонтанное деление тягкелых ядер.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
