Как регистрируют частицы - Боровой А.А.
Скачать (прямая ссылка):
Мы уже говорили, что все частицы участвуют в гравитационном взаимодействии, оно — универсально. Тем не
10
менее силы, отвечающие за движение планет, приливы и отливы, не играют по современным представлениям никакой роли в мире элементарных частиц. Причина этому — малость гравитационной константы у. Эта малость может быть скомпенсирована лишь огромными массами тел тх или т2. А массы элементарных частиц чрезвычайно малы. И если представить себе атом водорода, который связан лишь силами гравитации, то размер его должен превысить размеры Вселенной.
Итак, дальше нам встретиться лишь три вида взаимодействия — электромагнитное, сильное и слабое, но прежде чем переходить к их описанию, рассмотрим несколько проблем из классической механики. Она возникла раньше других физических теорий и те часто используют задачи, решенные механикой, или механические модели. В механике впервые были сформулированы и законы сохранения.
2.2. О законах сохранения
Нам нужно разобраться в том, как элементарные частицы проходят сквозь вещество. При этом происходят сложные превращения — частицы рассеиваются, рождают новые, разбивают атомы и ядра, распадаются и т. п. И здесь приходят на помощь общие законы, которые управляют всеми процессами, вне зависимости от их сложности. Они называются законами сохранения.
Вот, например, распадается ядро тяжелого элемента — калифорния. Оно начинает менять свою форму, вытягивается, в ядре намечаются два новых образования и оно все больше напоминает гантельку. Наконец, силы кулоновского отталкивания разрывают калифорний на два осколка и те разлетаются, испуская радиоактивное излучение. Надо ли знать все зти подробности и уметь описать их на языке формул, чтобы найти, под каким углом разлетаются осколки ядра? Конечно, нет. Закон сохранения импульса позволяет сразу сказать — под углом 180°, т. е. в противоположные стороны. Можно оценить и скорость осколков, зная их массы и энергию, выделяющеюся при делении.
Если некоторая величина сохраняется, то подсчитав ее в начале процесса и в конце, можно приравнять эти два выражения и получить интересную информацию о происходящем процессе. По ходу рассказа мы будем много раз воз-It.
вращаться к законам сохранения и их круг будет постепенно расширяться, хотя не все они будут равнозначны. Читатель узнает о том, как в результате -желания спасти эти законы была придумана удивительная частица — нейтрино. И она станет основным героем этой книги. А сейчас обратимся к механике. В ней действуют три закона сохранения:
ЭНЕРГИИ, ИМПУЛЬСА, МОМЕНТА ИМПУЛЬСА.
Закон сохранения энергии формулируется следующим образом: полная энергия E системы тел, изолированной или находящейся в постоянном внешнем поле, не меняется (в системе не действуют силы трения). Энергия разделяется на две части. Одна связана со скоростью движения тел и носит название кинетической (К), другая — со взаимным расположением тел в пространстве, с их взаимодействием. Она называется потенциальной энергией (П). Для системы, состоящей всего из двух тел и находящейся далеко от других объектов, справедливо равенство
E = K1 +K2+ ffla = _J-L+_pL + tf12, (2)
П1г — потенциальная энергия взаимодействия этих тел; если между ними действуют только силы тяготения, она равна
U1 , = —^JMiL.. (3)
Скорость элементарных частиц часто приближается к скорости света, а силы взаимодействия между ними достаточно велики. В этом случае классическая механика должна уступить свое место теории относительности. Мы не будем (да и не можем в этой книге) сколько-нибудь подробно рассказывать об этой замечательной теории; нам понадобятся лишь некоторые ее выводы и, прежде всего, соотношение между массой и энергией. Начнем с формул. Энергия одного тела, движущегося со скоростью V, равна
E = Мс\
12
где
(3)
— масса движущегося тела, т0 — масса покоящегося тела, ас — скорость света в пустоте, равная 3•1O8 м/с. Мы видим, что масса движущегося тела зависит от его скорости. В классической механике масса определялась «инертностью» тела, т. е. его способностью менять свое состояние не сразу, а постепенно. От быстроты движения «инертность» не зависит и в постоянном ускоряющем поле частица должна была бы разгоняться до любой скорости.
В теории относительности инертность возрастает вмете с возрастанием v, частица все Сильнее сопротивляется внешнему воздействию и никогда не достигнет скорости, равной скорости света,— если только у этой частицы т0 0. В противном случае, чтобы существовать, она обязана всегда двигаться со скоростью с.
Перейдем теперь к вопросу о массе покоя тела т0. Для упрощения задачи рассмотрим объект, летящий с не очень большой скоростью V (пусть V <; 0,1 с). Тогда можно показать (выкладки не сложные, но громоздкие, и лучше читателю проделать их самостоятельно), что из формулы (3) следует •
Второе слагаемое хорошо знакомо, зто — «обычная» кинетическая энергия. Что же касается первого слагаемого, то в классической механике никакой аналогии ему нет, оно существует при v — O и называется энергией покоя:
E0 = тп0с2; (4)
E0 включает в себя энергии покоя частиц, из которых состоит тело, потенциальную энергию их взаимодействия между собой и кинетическую энергию их относительного движения. Все это определяет и массу покоя тела тп0, связанную с энергией соотношением (4).
