Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
• Как на основе закона радиоактивного распада оценить возраст Земли?
• Возраст Земли — несколько миллиардов лет, а период полураспада радия — 1600 лет. Почему же на Земле еще сохранилось какое-то количество радия?
• Что такое искусственная радиоактивность? С чем связана высокая эффективность облучения нейтронами для стимулирования ядерных реакций?
• Почему выделение внутриядерной энергии возможно как при реакциях деления тяжелых ядер, так и при синтезе легких ядер?
§ 40. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
329
• В чем суть экологических проблем, возникающих в связи с развитием ядерной энергетики?
• С чем связаны трудности на пути осуществления управляемой реакции термоядерного синтеза?
§ 40. Элементарные частицы
В современной физике термин элементарные частицы употребляется не в своем обычном значении чего-то первичного, неразложимого на более простое, а для наименования большой группы мельчайших субъядерных частиц. В эту группу входит протон, нейтрон, электрон, фотон, л-мезон, мюон, нейтрино нескольких типов, так называемые странные частицы (Л'-мезоны, гипероны), очарованные частицы, промежуточные векторные бозоны и т. д. — всего к настоящему времени известно более 350 частиц, в основном нестабильных.
Большинство перечисленных частиц не удовлетворяют обычному определению элементарности, поскольку по современным представлениям они сами являются составными системами. Объединяющий их признак заключается в том, что они представляют форму материи, не ассоциированной в ядра и атомы.
Превращения элементарных частиц. Наиболее важное свойство всех элементарных частиц — способность к взаимным превращениям, т. е. способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Все процессы с элементарными частицами, включая их распады, протекают через последовательность актов поглощения и испускания, в которых непременно выполняются законы сохранения.
Фундаментальные взаимодействия. Процессы с участием различных элементарных частиц сильно различаются по интенсивности протекания, т. е. по характерным временам и энергиям. В соответствии с этим взаимодействия, в которых они участвуют, феноменологически подразделяют на сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие приводит к наиболее прочной связи элементарных частиц; именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в атомных ядрах.
Электромагнитное взаимодействие ответственно за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах и конденсированных средах. Между элементарными частицами это взаимодействие осуществляется через электромагнитное поле; для его существования наличие электрического заряда у частицы не обязательно. Например, не обладающий элементарным зарядом нейтрон имеет магнитный момент и участвует в электромагнитном взаимодействии.
Слабое взаимодействие проявляется в сравнительно медленно протекающих процессах распада некоторых элементарных частиц и атомных ядер. Например, благодаря слабому взаимодействию сво-
330
VIII. АТОМНОЕ ЯДРО И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
бодный нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Несмотря на сравнительно малую интенсивность и ко-роткодействие, слабое взаимодействие играет очень важную роль в устройстве Вселенной. Например, если бы удалось «выключить» слабое взаимодействие, то погасло бы Солнце, так как был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, в результате которого четыре протона в конечном счете синтезируются в ядро jHe. Этот процесс служит источником энергии Солнца и большинства звезд.
Все без исключения частицы участвуют в гравитационном взаимодействии, которое, однако, на субатомных расстояниях порядка 10~13 см и меньше не играет практически никакой роли.
В зависимости от способности к участию в тех или иных видах взаимодействий все элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны и лептоны. Адроны наряду с электромагнитным и слабым взаимодействием участвуют в сильном взаимодействии. Лептоны участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.
Поиски единого взаимодействия. Относительная роль разных видов взаимодействий (сильного, электромагнитного, слабого) в процессах с элементарными частицами зависит от энергии частиц. Поэтому деление взаимодействий на виды в зависимости от интенсивности процессов надежно осуществляется только при не слишком высоких энергиях. В современной физике растет уверенность, что все взаимодействия в природе тесно связаны между собой и по существу являются различными проявлениями некоторого единого поля. Объединение всех взаимодействий остается пока нерешенной задачей физической теории.
Очень важным этапом на этом пути стал успех в создании теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие. В этой новой теории электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия рассматриваются как разные компоненты одного поля, в котором наряду с квантом электромагнитного поля фотоном участвуют три новых частицы — промежуточные векторные бозоны W+, W", Z°. Необходимость существования этих частиц вытекает в новой теории из аналогии с электромагнитным взаимодействием, где электрический заряд играет двойную роль: с одной стороны, он является сохраняющейся величиной, определяющей само существование взаимодействия, а с другой стороны — источником электромагнитного поля, кванты которого осуществляют взаимодействие между заряженными частицами. Будучи аналогичными фотону, новые частицы все же резко отличаются от него наличием заряда и массы.
