Экспериментальная ядерная физика - Мухин К.Н.
ISBN 5-283-04076-3
Скачать (прямая ссылка):
Электрон относится к числу фермионов. Его спин равен 1/2, а магнитный момент \ixeh/2mec (точнее см. § 101). Первоначально спин и магнитный момент электрона были постулированы в простой квантовой теории атома для объяснения тонкой структуры оптических спектров. При этом возникла дополнительная трудность с числовым значением магнитного момента, которое в этой модели получается вдвое меньше экспериментального.
* Подробнее о происхождении, свойствах и значении изучения космических лучей см. Росси Б. Космические лучи. М.: Атомиздат, 1966; Гинзбург В. Л., Птускин B.C. /Успехи физ. наук. 1978. Т. 124. С. 307 331; Кириллов-Уг-рюмов В. Г., Саг леев Р. Ч., Семенов Н). П. Успех» фич. нц\к. 1980 Т 132. Вып. 4. С. 704 706.
138
Глава XVIII. Пептоны
Эти трудности со спином и магнитным моментом электрона были преодолены только после того, как П. А. М. Дирак получил (в 1928 г.) свое знаменитое релятивистское кван-товомеханическое уравнение для электрона. В теории Дирака правильные значения спина и магнитного момента электрона автоматически вытекают из самого уравнения.
Но самой замечательной особенностью уравнения Дирака оказалось то, что из него следовало существование двух областей значений энергии электрона с данным импульсом р:
E=±Jm2c* + c2p2. (100.1)
Эти области разделены промежутком 2тес2, так что для электрона возможны энергии
?> +тес2 и Е^—тес2.
Первая область соответствует обычным, «нормальным» электронам с положительной энергией ?>0, положительной массой те и отрицательным электрическим зарядом — е, вторая — каким-то необычным электронам с отрицательной полной энергией Е^—тес2 и, следовательно, с отрицательной массой — те. Очевидно, что такой необычный электрон должен обладать весьма странными свойствами, например он должен двигаться в сторону, противоположную действующей на него силе.
Трудность проблемы, с которой столкнулся Дирак, заключалась в том, что полученное им странное решение нельзя было отбросить как нефизическое, так как оно закономерно вытекало из правильного уравнения, другие следствия которого подтверждались экспериментом. В конце концов после длительной «борьбы» с уравнением Дираку удалось показать, что вторую серию значений энергии электрона можно интерпретировать естественным образом, если предположить существование обычных (ги>0) электронов с положительным электрическим зарядом +е. Очевидно, что этому предположению удовлетворяет отношение заряда к массе для электрона с отрицательной энергией, так как
— е _ +е
— т +т'
Согласно теории Дирака уровни с отрицательной энергией действительно существуют и могут заполняться электронами, число которых определяется принципом Паули. Обычно все отрицательные уровни заняты электронами, которые создают совершенно равномерный и, следовательно, ненаблюдаемый
^ /6>61. Электрон и позитрон
139
фон (рис. 367). Однако если одному из таких электронов сообщить энергию больше расстояния между областями по- +тсг ложительной и отрицательной энергии (2тес2), то он перейдет в область по- 0 — ложительной энергии и будет вести себя как обыкновенный электрон (черный кру- -те1 жок на рис. 367). Одновременно в фоне необычных электронов образуется «дырка» (светлый кружок на рисунке), которая по закону сохранения импульса Рис. 367 и заряда должна обладать импульсом
и зарядом, равными и противоположными импульсу и заряду необычного электрона *, т. е. проявлять себя как положительно заряженный электрон — позитрон е+.
Очевидно, что кроме описанного процесса образования пары электронов с противоположными зарядами должен существовать и обратный процесс перехода электрона из области положительных энергий на свободный уровень в области отрицательных энергий. В этом процессе, названном аннигиляцией, одновременно «исчезают» обычный электрон и «дырка», что в соответствии с законами сохранения энергии и импульса должно сопровождаться переходом энергии покоя обоих электронов в энергию излучения двух у-квантов. Разумеется, термин «аннигиляция» (в переводе означает «уничтожение») нельзя понимать в буквальном смысле слова, так как никакого уничтожения материи и энергии не происходит, а имеет место превращение одних частиц (е+ и е~) в другие (у-кванты) и переход энергии из одной формы в другую**.
Из релятивистской теории Дирака следует, что поглощение обычной частицы эквивалентно рождению античастицы (и наоборот). Действительно, если из состояния с отрицательной энергией изъять одну частицу (поглощение), то это будет равносильно уменьшению энергии на —тес2, т. е. увеличение ее на +тес2. При этом появляется дырка со свойствами античастицы (рождение). Таким образом, для частиц и античастиц существует своеобразная алгебра, которая позволяет переносить их из одной стороны уравнения,, описывающего какой-либо процесс, в другую с одновременной заменой частицы античастицей.
* Когда необычный электрон движется в направлении «дырки», то освободившееся место становится «дыркой», т. е. «дырка» движется навстречу электрону.
** Подробнее о (е * — е ~)-аннж иляции см. § 102.
