Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
величину тс2.
Закон сохранения барионного числа обеспечивает стабильность протонов. Он
мешает им распадаться на позитроны и нейтрино.
Продолжим рассмотрение распада нейтрона. Из схемы распада (16.1), видно,
что при распаде нейтрона, кроме протона и электрона, возникает еще и
антинейтрино. Антинейтрино, как и иейтрино, - это частица, которая почти
ни с чем и никак не взаимодействует. Обнаружить ее крайне трудно, а в то
время, когда она была введена, это было попросту невозможно. Откуда же мы
знаем, что она рождается при распаде нейтрона? Если бы распад происходил
не на три, а на две частицы - протон и электрон, то из законов сохранения
следовало бы, что уносимая ими энергия равна энергии, выделяющейся при
распаде, а импульсы протона и электрона при распаде неподвижного нейтрона
в сумме должны были бы быть равны нулю, т. е. импульсы протона и
электрона должны были бы быть направлены в противоположные стороны и
равны по абсолютной величине. Энергия электрона была бы при этом четко
определена.
Опыт убеждает нас в том, что это не так. Энергия электронов, рождающихся
при распаде нейтрона, занимает целый диапазон - от нуля до максимума
(почти равного всей энергии, выделяющейся при распаде нейтрона).
Следовательно, нейтрон распадается больше, чем на две частицы, причем две
из них (протон и электрон) наблюдаются, а остальные (или остальная)
"убегают" от наблюдения. Простейшее предположение (Паули, 1930 г) состоит
в том, что такая частица одна, а полное число частиц три. Расчеты
распределения электронов по величине импульса (см. §75) и сравнение
расчетов с опытом показали, что частиц, действи-
424
Глава 16
тельно, три, причем одна из них не наблюдается. Эта частица и получила
название антинейтрино. Так мы приходим к выводу о распаде нейтрона на три
частицы и к схеме распада (16.1).
Из опыта следует, что у всех частиц имеются античастицы (некоторые
исключения из этого правила мы приведем позднее). Остановимся на
некоторых свойствах античастиц. Массы частиц и античастиц равны, а все
квантовые числа античастиц имеют обратный знак по сравнению с
соответствующими числами частиц. К таким квантовым числам относятся
электрический заряд, а также барионный (у барио-нов) и лептонный (у
лептонов) заряды. Так, позитрон является античастицей по отношению к
электрону. Заряды этих частиц противоположны по знаку, их массы
одинаковы, а лептонные числа противоположны: единица у электрона и минус
единица у позитрона. У системы из двух частиц - электрона и позитрона -
суммарное лептонное число равно нулю. Об античастице для нейтрино - об
антинейтрино - мы уже говорили. Античастицы есть и у протона (антипротон)
и у нейтрона (антинейтрон). Антипротон заряжен отрицательно, а
антинейтрон нейтрален, как и сам нейтрон. Барионное число у протона и
нейтрона равно единице, а у антипротона и антинейтрона - минус единице и
т. д. Античастицы, если они не имеют специального обозначения, как в
случае позитрона, обозначаются тем же символом, что и частица, с
волнистой чертой (тильдой) над ним, как это сделано в формуле (16.1) для
антинейтрино.
Почему же при распаде нейтрона природа генерирует не две частицы, а три,
зачем это нужно? Дело в том, том что в природе сохраняется не только
барионное, но и лептонное квантовое число. Лептонное число у электрона
равно +1, а у антинейтрино -1, так что при распаде нейтрона суммарное
лептонное число равно нулю как до, так и после распада.
Теперь мы можем понять также, почему при взаимодействии квантов
электромагнитного излучения с веществом генерируются не просто электроны,
а электрон - позитронные пары. Не только для того, чтобы сохранялся
электрический заряд (этого нередко можно было бы достичь и другим
способом, скажем, превратив один из протонов в ядре, на котором
происходит генерация, в нейтрон), но и потому, что при генерации электрон
- позитронных пар не меняется лептонное число. Оно как было, так и
остается равным нулю.
Итак, в природе выполняются два важнейших закона: барионный заряд
(барионное число) и лептонный заряд (лептонное число) всегда сохраняются.
Эти законы абсолютны (в условиях, далеких от экстремальных), и мы будем
широко ими пользоваться в дальнейшем.
§80. Нуклоны и лептоны. Терминология. Слабое взаимодействие 425
Скажем несколько слов о фотонах (напомним, что к ним, кроме световых,
относятся также рентгеновские и 7-кванты). У них нет никаких квантовых
чисел (за исключением спина). Поэтому они являются сами себе
античастицами, иначе говоря, являются истинно нейтральными частицами. С
другими такими частицами мы познакомимся позже.
Продолжим разговор о нейтрино и о слабом взаимодействии, которое приводит
к его рождению. Мы уже упоминали о том, что нейтрино почти ни с чем и
никак не взаимодействует. Что значит "почти"? Если бы нейтрино совсем не
взаимодействовало, то оно не могло бы и родиться. Значит, оно все-таки
взаимодействует. Это взаимодействие, однако, чрезвычайно слабо. Его
