Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
типов энергетических ядерных реакторов и совершенствованию уже
работающих.
Глава 16
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
В этой главе мы займемся изучением элементарных частиц. Интуитивное
представление о том, какие частицы являются элементарными у всех,
конечно, есть. Атомы не являются элементарными частицами, потому что они
легко расщепляются на электроны и ионы. Атомные ядра также не являются
элементарными частицами, потому что они могут быть разделены на более
легкие составляющие: на более легкие ядра или даже на отдельные нуклоны.
Электроны и нуклоны - протон и нейтрон - расщеплены на составляющие быть
не могут. При попытке их расщепить, например, при облучении другими
быстрыми частицами, происходит либо упругое соударение, либо рождаются
новые частицы, а старые остаются в неизменном виде или превращаются в
другие элементарные частицы, не более простые, чем исходные. К этому
следует добавить, что элементарные частицы не имеют возбужденных
состояний. Состояния, которые можно было бы назвать возбужденными,
например, состояния с большей величиной углового момента, если они есть,
являются новыми элементарными частицами.
В этой книге вы уже встречались с элементарными частицами двух типов: с
легкими (к ним относятся электрон, позитрон, нейтрино и антинейтрино) и
тяжелыми, из которых пока шла речь только о протоне и нейтроне. Мы
говорили также о фотонах, занимающих среди других частиц особое
положение. Известные вам элементарные частицы далеко не исчерпывают всего
списка. Сейчас известны несколько сотен элементарных частиц. Появилась
необходимость в их упорядочении.
Упорядочить это многообразие позволило введение представления о кварках.
Создана Стандартная Теория элементарных частиц, которая играет здесь ту
же роль, что таблица Менделеева и обычная (нерелятивистская) квантовая
механика, которые внесли порядок в свойства и многообразие атомов.
Релятивистская квантовая механика, квантовая хромодинамика, и теория
слабых взаимодействий позволяют производить расчеты, если не с такой же
легкостью, то, по крайней мере, с такой же надежностью, как обычная
квантовая механика позволяет это делать по отношению к атомам. Мы не
будем здесь
422
Глава 16
рассматривать эти разделы квантовой физики, потому что они далеко выходят
за рамки общего курса физики.
Физика элементарных частиц внесла в науку не только новые представления и
новые вычислительные методы, но и обширную новую терминологию, которая
часто затрудняет чтение литературы. Мы постараемся разъяснить, если не
всю эту терминологию, то, по крайней мере, наиболее употребительную ее
часть.
§ 80. Нуклоны и лептоны. Терминология. Слабое взаимодействие
Из глав, посвященных ядерной физике, уже известно, что при радиоактивных
превращениях сохраняется суммарное число протонов и нейтронов. Если бы
это было не так, то нейтрон, в частности, мог бы распадаться не на
протон, электрон и антинейтрино, как это происходит на самом деле, а на
электроны, позитроны и, может быть, нейтрино. При таком распаде
выделилась бы существенно большая энергия, чем при реально происходящем
распаде: не несколько сотен килоэлектронвольт, как на самом деле, а сотни
мегаэлектронвольт, так что такой распад происходил бы неизмеримо быстрее.
Запретить такой распад может только нарушение какого - либо
фундаментального физического закона. Сформулируем этот закон: число
барионов в природе сохранятся. (Позднее мы уточним эту формулировку.)
Пока нам встречался только частный случай этого закона, справедливый в
рамках ядерной физики, - закон сохранения массового числа А. Ввести для
тяжелых частиц новый термин - барионы - пришлось потому, что сейчас
известны не две тяжелых частицы - протон и нейтрон (нуклоны), а несколько
сотен. Эти новые тяжелые частицы не способны образовывать сколько-нибудь
стабильные атомные ядра, так что к ним неприменимо название нуклонов.
Название барионы происходит от греческого корня barys - тяжелый.
Вместо того, чтобы говорить о сохранении числа барионов, мы будем
говорить в дальнейшем о сохранении барионного ч и с -л а (или барионного
заряда).
Рассмотрим распад нейтрона. Как вы уже знаете, нейтрон распадается на
протон, электрон и антинейтрино:
п -> р + е + у. (16.1)
В отличие от тяжелых частиц - барионов - электрон и нейтрино называют
лептонами (от греч. leptos - тонкий, легкий). Напомним основные свойства
входящих в это равенство частиц.
§80. Нуклоны и лептоны. Терминология. Слабое взаимодействие 423
Таблица 9. Важнейшие свойства основных частиц
Электр, заряд q (в един, е) Масса покоя тс2 (МэВ) Спин (К) Магн.
момент (в магнетонах) Среднее время жизни до распада, г
р +1 938,27 1/2 2,79 > 1025 лет
п 0 939,57 1/2 -1,91 614,6 с
е -1 0,511 1/2 1 >4 • 10'24 лет
V 0 < 3•10"б 1/2 < 1,5 • 10"1и оо ?
В этой таблице для магнитных моментов использованы разные магнетоны: для
электрона и нейтрино - магнетон Бора, а для нуклонов - ядерный магнетон
(см. §72). Здесь и всюду в дальнейшем под массой мы будем иметь в виду
