Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
область, занятая электронами в атоме; это происходит потому, что ядерные
составляющие собираются вместе в объеме, который значительно меньше
размера атома. В 1934 г. японский физик Хидеки Юкава сделал новый шаг,
введя теоретико-полевое понимание ядерных сил. Теория привела к
предсказанию двух новых частиц: положительных и отрицательных пионов, 7г+
и тт~ , как их обозначают. Одна из них является античастицей к другой и
обе имеют одинаковую массу. Теория Юкавы установила связь между массой
частиц и масштабом ядерных сил. По оценке Юкавы, сила между протоном и
нейтроном соответствует потенциалу
/ n np-r/R
V(r) = -д2^-,
где д - константа "связи", R - характерный масштаб ядерного
взаимодействия. Из-за наличия экспоненты потенциал начинает спадать на
расстояниях г R. В этом смысле говорят, что потенциал действует на
масштабе R. В теории Юкавы масса пиона тг связана с характерным размером
как
7~> П
~ mncJ
где с - скорость света. Зная данные по характерным размерам ядра, Юкава
смог грубо оценить массу пиона: т, " 200 тое, где те - масса электрона.
В течение нескольких лет после этого, начиная с экспериментов с
космическими лучами, было показано существование заряженных частиц с
массами, промежуточными между электроном и протоном. Они и
рассматривались как возможные кандидаты на роль пионов Юкавы. Эти
заблуждения длились около десяти лет. Эти частицы были нестабильны, что
было неплохо. Их массы, первоначально определенные не очень точно,
соответствовали грубой оценке Юкавы. Но остальные свойства не имели
смысла. Во-первых, их время распада оказалось значительно больше, чем
ожидалось. Во-вторых, что более важно, характеристики поглощения при
прохождении их через вещество были неожиданными: получаемое из этого
взаимодействие пионов оказывалось очень слабым. В 1947 г. был найден
выход из этой ситуации: мезоны Юкавы существуют, но они распадаются на
другие частицы, которые живут
164
Глава 8
дольше и взаимодействуют слабее. Именно эти частицы и преобладали на
низких высотах, на которых вначале исследовались космические лучи.
Следовательно, эти дочерние частицы и наблюдались в эксперименте. Для
проверки этого предположения, начиная с этого момента, экспериментальная
ситуация стала меняться, переходя к исследованию космических лучей на
больших высотах и используя для записи треков заряженных частиц
фотоэмульсию. Было необходимо учесть два различных типа заряженных
частиц: пионы Юкавы тт^1 и частицы, более легкие по массе, /i±, которые
называют мюонами (р+ является античастицей к рг). Это утверждение скоро
подтвердилось и с помощью нового ускорителя частиц, введенного в строй
вскоре после Второй мировой войны. Сейчас мы знаем, что пионы тт^1
распадаются на мюон и нейтрино. При последующем распаде мюоны распадаются
по схеме р± -> е± + нейтрино + антинейтрино. Символ е+ используется для
позитрона, а е~ - для электрона. Среднее время жизни пиона составляет
около 2,6 -10-8 с, его энергия массы покоя пг^с2 = 140 Мэв. Время жизни
мюона равно 2, 2 • 10_6 с, энергия массы покоя - гпцС2 = 106 Мэв. Для
сравнения, энергия массы покоя электрона шес2 = 0,511 Мэв, протона - 938
Мэв. В дальнейшем мы будем опускать слова "энергия массы покоя" на более
короткое слово "масса", так что массы всегда будут измеряться в
энергетических единицах. Заметим также, что, говоря о времени жизни
частицы, мы подразумеваем среднее время жизни, измеренное в системе
покоя. Массы и времена жизни, упомянутые выше, записаны только с
несколькими знаками, хотя они известны с гораздо большей точностью.
Протоны и нейтроны, составляющие атомных ядер, совместно называются
нуклонами. Интерес к силам взаимодействия между нуклонами {протон-протон,
нейтрон-нейтрон, протон-нейтрон} интенсивно возрастал в 30-е годы XX века
после открытия нейтрона и предсказания мезона Юкавы. Незадолго до
мезонной гипотезы распада было сделано предсказание нейтрального двойника
7г±, так называемого 7г°-мезона (нейтрального мезона). Он был открыт в
1950. Как и предсказывалось, его масса оказалась близка к массе
заряженного мезона. Он распадается на два фотона со средним временем
жизни около 10-16 с.
Перед тем как вернуться к другим открытиям, которые произошли в ранние
послевоенные годы, остановимся на той скромной коллекции строительных
элементов, которую мы уже накопили: электроны, протоны, нейтроны и их
античастицы; фотон; нейтрино и антинейтрино; заряженные и нейтральные
пионы, мюоны (частицы и античастицы). В большинстве наук и технологий
эффективными строительными элементами являются электроны, фотоны и
большой набор различных атомных ядер, состоящий из многих сотен. В
большинстве случаев ядра могут рассматриваться как малые, почти точечные
частицы, достаточно хорошо описывающиеся зарядом Ze, магнитным моментом и
массой. Наиболее важным из этих параметров является зарядовое число Z\
оно отличает
Строительные элементы
165
один химический элемент от другого. Многие химические элементы на самом
