Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
1 ) § 230. Общие замечания. Изучая строение вещества, мы убеждаемся, что все многообразие известных нам тел постро- ено в конечном счете из комбинаций трех типов мельчайших частиц — протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтро- ны, группируясь, дают атомные ядра. Атомные ядра совместно с электронами образуют атомы, атомы сочетаются в молеку- лы и т. д. При современном состоянии науки н е и з в е с т н о, являют- ся ли электрон, протон и нейтрон простейшими, неразложимы- ми далее частицами, или же они, подобно атомам, построены из других (неизвестных еще) более фундаментальных частиц. Такие частицы, относительно которых нет доказательств, что они являются составными, принято называть элементарными
и другие элементарные частицы. К их числу прежде всего следует отнести электромагнитные кванты (фотоны). Фотоны не входят непосредственно в состав атомов, молекул и т. д., но играют в природе важную роль в ка- честве агентов, передающих энергию от одних частиц или тел 1 ) За полтора десятилетия, прошедшие со времени написания этой главы, в физике элементарных частиц произошли очень большие изменения, и приве- денные здесь материалы оказались далеко не полными. Поэтому редакция со- чла необходимым, ограничившись лишь минимальными уточнениями в самой гл. XXV, дополнить ее небольшой новой гл. XXVI, в которой в сжатой форме отражено новейшее развитие этого важного раздела современной физики. В главах XXV и XXVI, в отличие от остальных частей «Элементарного учебника», используются единицы, принятые в научной литературе по элемен- тарным частицам: единицей длины является 1 см или 1 ферми (10 − 13
единицей энергии — 1 эВ (1 кэВ = 10 3 эВ, 1 МэВ = 10 6 эВ, 1 ГэВ = 10 9 эВ,
1 ТэВ = 10 12 эВ). Массы и импульсы измеряются в энергетических едини- цах, т. е., например, масса m = 1 ГэВ/c 2 означает такую массу, для которой энергия покоя mc 2 = 1 ГэВ. Электрический заряд измеряется в единицах элементарного заряда: e = 1,602 · 10
− 19 Кл. Постоянная Планка в выбранных единицах h = 4,136 · 10
− 24 ГэВ · c. Приведем переводные множители в СИ: энергия 1 ГэВ = 1,602 · 10 −
Дж; импульс 1 ГэВ/c = 5,35 · 10
− 19 кг · м/с; масса 1 ГэВ/c 2 = 1,783 · 10 − 27 кг = 1,074 а. е. м. Гл. XXV. Элементарные частицы 585
к другим. В отношении свойств между электронами, протонами и нейтронами, с одной стороны, и фотонами, с другой, имеется различие, но, как мы видели в §§ 209, 223, 224, существует и глубокое единство. Это заставляет нас считать фотон одним из видов элементарных частиц. Далее, к элементарным частицам относятся позитрон и ней- трино. Позитрон — двойник электрона, отличающийся от него только знаком электрического заряда. Мы сталкиваемся с по- зитронами в явлениях искусственной радиоактивности и взаи- модействия жестких γ-квантов с веществом (образование пар электрон–позитрон, см. § 223). Нейтрино — нейтральная части- ца, излучаемая одновременно с электронами или позитронами при β-распаде атомных ядер. Свойства нейтрино будут рассмот- рены далее. Наконец, в ядерных реакциях, вызываемых частицами и γ-квантами очень больших энергий (сотни миллионов и милли- арды электронвольт), наблюдается образование так называемых мезонов и других частиц, причисляемых к элементарным, с которыми мы познакомимся в §§ 232–234. При анализе свойств элементарных частиц прежде всего бро- сается в глаза, что э л е м е н т а р н ы е ч а с т и ц ы о т н ю д ь н е я в л я ю т с я н е и з м е н я е м ы м и: они испытывают вза- имные превращения, переходя друг в друга. Так, γ-квант при определенных условиях превращается в пару электрон–позитрон согласно реакции γ → e − + e
+ . (230.1) Эту реакцию нельзя толковать в том смысле, что γ-квант с о с т о и т из электрона и позитрона. Если было бы так, то электрон и позитрон должны были бы объединяться в о д и н γ-квант; в действительности же при аннигиляции электрона и позитрона испускаются д в а γ-кванта. Следовательно, ре- акция (230.1) не есть реакция разложения сложной частицы на составные части, а есть реакция п р е в р а щ е н и я одной элементарной частицы (γ-кванта) в другие (электрон и пози- трон). Другим примером взаимного превращения элементарных ча- стиц является β-распад нейтрона (§ 221) n → p + e − + ν.
(230.2) Нейтрон
самопроизвольно превращается в протон
(p), электрон (e − ) и нейтрино (ν). Во многих ядрах наблюдается 586 Гл. XXV. Элементарные частицы обратный процесс — превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино 1 ): p → n + e
+ + ν.
(230.3) Так как протон переходит в нейтрон, а нейтрон в протон, то это значит, что обе частицы одинаково простые. Как уже отмечалось в § 225 применительно к атомным ядрам, электроны и позитро- ны образуются в процессе β-распада, а не содержатся заранее в составе нейтрона или протона. Способность элементарных частиц к взаимным превращени- ям указывает на сложность их внутреннего строения. Этот вывод подтверждают и другие факты. В качестве примера рассмотрим вопрос о магнитном моменте нейтрона. Опыты показывают, что электрон, протон, нейтрон, как и многие другие частицы, являются миниатюрными вращаю- щимися волчками, или, как говорят, обладают спином 2 ). Хотя спин — это свойство, сходное с вращением вокруг оси, проходя- щей через центр масс частицы, полной аналогии здесь нет — спи- новое вращение, например, нельзя ускорить или замедлить. Осо- бенности свойств спина обусловлены волновой природой частиц. Вращение электрически заряженной частицы приводит к по- явлению кругового тока, который придает частице свойства маг- нитика (см. том II). И действительно, известны многочисленные проявления магнетизма электронов и протонов. Так, например, столь широко используемая в технике способность железа на- магничиваться является следствием спинового магнетизма элек- тронов. Магнетизм протонов гораздо слабее, но также получил практические применения. Более удивительно, что и н е й т р о н о б н а р у ж и в а е т с в о й с т в а м а г н и т и к а. Это означает, что в н е й т р о н е с о д е р ж а т с я э л е к т р и ч е с к и е з а р я д ы. Так как в це- лом нейтрон не заряжен, алгебраическая сумма положительного и отрицательного заряда равна нулю. Но если заряды двух знаков расположены на разных расстояниях от оси вращения, то магнитные поля, создаваемые их движением, компенсировать- ся не будут, и нейтрон будет намагничен. 1 ) Масса покоя протона меньше суммы масс покоя нейтрона и позитрона (массой покоя нейтрино можно пренебречь, см. § 231). Следовательно, согласно закону Эйнштейна энергия покоя продуктов реакции (230.3) б о л ь ш е энер- гии покоя протона. Поэтому реакция (230.3) может идти только при условии сообщения энергии извне. Это условие осуществляется, когда протон входит в состав н е у с т о й ч и в о г о ядра. 2 ) Спин — лат. spin — кружение, верчение. |