Экспериментальная ядерная физика - Мухин К.Н.
ISBN 5-283-04076-3
Скачать (прямая ссылка):
В принципе возможны два пути построения теории сильного ядерного взаимодействия между нуклонами:
1) сведение ядерных сил к свойствам мезонного поля;
2) феноменологический подбор потенциалов взаимодействия, удовлетворяющих результатам эксперимента.
Ниже будут рассмотрены оба пути (первый — в п. 1 этого параграфа, второй-—в § 82—87).
1. ПОНЯТИЕ О МЕЗОННОЙ ТЕОРИИ ЯДЕРНЫХ СИЛ
Мезонные теории ядерных сил строятся по аналогии с квантовой электродинамикой. Как известно, в квантовой электродинамике электромагнитное поле рассматривается совместно со связанными с ним частицами-фотонами. Оно как бы «состоит» из фотонов, которые являются его квантами. Энергия поля равна сумме энергий квантов. Фотоны возникают (исчезают) при испускании (поглощении) электромагнитного излучения (например, света). Источником фотонов является электрический заряд. Взаимодействие двух зарядов сводится к испусканию фотона одним зарядом и поглощению его другим. При такой постановке вопроса возможно рассмотрение новых явлений, относящихся к классу взаимодействий излучающих систем с собственным полем излучения. Этим путем удается, например, объяснить аномальный магнитный момент электрона и мюона (см. § 101; 104, п. 5), лэмбовский сдвиг уровней в тонкой структуре атома водорода и ряд других тонких эффектов.
Основная идея квантовой электродинамики — представление о передаче взаимодействия при помощи квантов — может быть перенесена и на другие виды взаимодействия, в частности на сильное ядерное взаимодействие. Впервые это отметил в 1934 г. И. Е. Тамм. Идея И. Е. Тамма придавала особенно наглядный смысл таким свойствам сильного ядерного взаимодействия,, как обменный характер (см. § 86, п. 3), , для объяснения которого надо предполагать, что протон и нейтрон в процессе взаимодействия обмениваются своими зарядами,, и вытекающее
8 Глава XIV. Нуклон-нуклонные взаимодействия при низких энергиях
из него насыщение. Очень естественно, казалось, считать, что механизм обмена заключается в передаче (в момент ядерного взаимодействия) от одного нуклона к другому каких-либо легких частиц, например электронов и нейтрино. Однако позднее И. Е. Тамм показал, что эти частицы не могут быть квантами ядерного поля, так как с их помощью нельзя одновременно объяснить малый радиус ядерных сил и большую энергию связи. Других же частиц в то время известно не было.
Дальнейшее развитие идея И. Е. Тамма получила в работе японского физика Юкавы, предположившего (в 1935 г.), что роль ядерных квантов выполняют не обнаруженные пока экспериментально нестабильные заряженные или нейтральные частицы — мезоны*, которые должны иметь массу m«200-=-300me.
Наглядно схему рассуждений Юкавы можно пояснить следующим образом. Согласно квантовой механике существует соотношение неопределенностей
AEAtmh, (81.1)
указывающее, на какую величину АЕ может изменяться энергия изолированной системы за время At («нарушение закона сохранения энергии» на короткое время At). При этом если время At мало, то АЕ может быть очень большим. Положив АЕ=тс2, можно допустить, что за счет энергии AE=hjAt на короткое время At в непосредственной близости от нуклона образуется виртуальный мезон с массой m = AE/c2 = h/c2At.
В отличие от реальных частиц, которые могут свободно перемещаться в пространстве и времени, виртуальная частица существует только в течение короткого времени At, за которое она может отойти от нуклона на расстояние а, не превышающее a = cAt. По истечении времени At виртуальная частица снова «захватывается» нуклоном**. Таким образом, нуклон следует представлять себе как бы окруженным облаком непрерывно возникающих и поглощающихся виртуальных мезонов. Радиус этого мезонного облака (мезонной «шубы») равен
a = ch/AE=h/(mc). (81.2)
* В названии подчеркивается промежуточное значение массы частицы между массами электрона и протона («мезо» по-гречески—средний, промежуточный). После открытия тяжелых мезонов название утратило свой первоначальный смысл, но его сохранили для обозначения всех сильновза-имодействующих частиц (адронов) с нулевым барионным зарядом.
** Другое истолкование понятия «виртуальная частица» предполагает, что закон сохранения энергии (и импульса) не нарушается, но частица имеет нефизическую, т. е. не удовлетворяющую соотношению Е2=т2с*-\-р2с2, массу (находится вне массовой поверхности).
§ 81. Введение
9
Виртуальный мезон может поглощаться не только «собственным», но и каким-либо другим нуклоном, если он окажется в пределах мезонного облака. В передаче виртуального мезона от одного нуклона к другому и заключается механизм ядерного взаимодействия.
Количественные оценки для времени ядерного взаимодействия тя и массы виртуального мезона т легко получаются, если приравнять величину а радиусу действия ядерных сил. Считая, что он равен 2-Ю-" см (сейчас более правильно считать его равным 1,4-Ю-13 см), Юкава получил
тя = Д? = й/с = 0,7- 10~23 с; A?«ft/Af«100 МэВ;
т*200те. (81.3)
Так был предсказан ядерный квант — мезон Юкавы.
