Файл: Богуш А.А. Элементарные частицы.pdf

ким конкретно внутренним движением сле­ дует связать собственный момент электрона, пока не ясен. Во всяком случае, мы не имеем права представить себе электрон как какой-то шарик ограниченных размеров, вращающий­ ся вокруг своей оси. Мы только лишь для удобства иногда пользуемся такой наглядной, но, по-видимому, далекой от истины моделью.

Спин электрона оказался равным 1/2 (в единицах /г), и в соответствии с общими пра­

своему электрическому заряду создает орби­ тальный магнитный момент, по величине про­ порциональный механическому и направлен­ ный вдоль той же оси. Наряду с механическим спиновым моментом 1/2 он обладает и посто­ янным собственным магнитным моментом, равным — е/т0с • й/2, где е — электрический заряд электрона; т0— его масса; с — ско­ рость света. Наличие собственного магнитно­

Пока нет внешних магнитных полей, энергия электрона на орбите с одним и тем же

значением орбитального момента (/), но с различными его проекциями будет одинако­ вой. В этом случае говорят, что состояния электрона вырождены по проекциям орбиталь­ ного момента: одной и той же энергии соот­ ветствует столько вырожденных состояний,

сколько для данного значения орбитального момента может быть различных проекций. Для орбитального момента с величиной /, чи­ сло проекций которого равно 2/+1, будем иметь 2/+ 1-кратное вырождение.

Теперь предположим, что мы поместили атом в некоторое магнитное поле определен­ ного направления. Это поле будет взаимодей­ ствовать с магнитным моментом орбиты элек­ трона. Энергия этого магнитного взаимодей­ ствия будет зависеть не только от величин момента и поля, но и от угла между их на­ правлениями. В результате для орбит, по-раз­

и при одной и той же величине момента энер­ гия этого взаимодействия окажется неодина­ ковой. Эта дополнительная энергия будет играть роль небольших поправок к энергии электрона в атоме. В итоге мы будем иметь не одно общее для всех орбит, отличающихся своей ориентацией в пространстве, значение энергии, например Ет, а различные: £ т „ Е„1г, Е,Пз,... В этом случае говорят, что вырождение снимается, или, точнее, магнитное поле сни­ мает вырождение.

При переходах электрона из таких состоя­ ний, имеющих уже различные значения энер­ гии Ет.,, ..., в одно и то же состояние с более низкой энергией Еп будет выделяться не одинаковое Ет-—Еп , а различные количе­ ства энергии: Е„н — Еп , Ет, — Еп , ... По за­ конам квантовой механики это означает, что при таких переходах будут испускаться кванты

50

ными частотами. В результате в спектре атома мы получим вместо одной несколько близких друг к другу спектральных линий, так назы­ ваемый с п е к т р а л ь н ы й му л ь т и п л е т .

Сказанное в одинаковой степени относит­ ся и к спиновому моменту электрона. Так же как в случае орбитального момента, при от­ сутствии магнитного поля два допустимых состояния электрона по своей энергии неразли­ чимы, т. е. имеет место дополнительное дву­ кратное вырождение. Магнитное поле ориен­ тирует собственный магнитный момент элек­ трона по направлению поля или против него и снимает вырождение, так что при прочих рав­ ных условиях два различных .спиновых состоя­ ния электрона будут иметь уже неодинаковые значения энергии. Это и приводит к возник­

внешнего магнитного поля объясняется столь же просто. Здесь вырождение по спиновым со­ стояниям электрона снимается внутренним магнитным полем, создаваемым орбитальным движением электронов в атоме.

То, что электрон имеет спиновый момент, не является исключительной особенностью этой частицы. Оказалось, что спин имеется у всех элементарных частиц. Например, у про­ тона, как и у электрона, спин равен 1/2, в то время как фотону приписывается спин, рав­ ный 1.

51

52

ные допущения, что сделанные им на этой основе выводы были встречены научной обще­ ственностью того времени с чувством недове­ рия и недоумения. Вряд ли сам автор в то время представлял себе, насколько его сугубо абстрактные построения близки к истине, оце­ нивал значение и возможные последствия свое­ го предположения.

Однако уже в следующем, 1932 г. неожи­

ознаменовало подлинный триумф теории, яви­ лось началом развития экспериментального изучения физики элементарных частиц.

В полном согласии с рассуждениями Ди­ рака дальнейшее экспериментальное изучение

ц и и. Этот неудачный термин, который в бук­ вальном переводе означает уничтожение, ни в коем случае не отражает сущности данного процесса. В действительности аннигиляция пары электрон — позитрон приводит к рожде­ нию двух новых частиц — фотонов.

Существует и обратный процесс — фотоны достаточно высокой энергии способны поро­ ждать пару электрон — позитрон.

Как в прямом, так и в обратном процессе, т. е. в процессе аннигиляции и рождения па­ ры, мы впервые сталкиваемся с интересней­

53

шим общим свойством элементарных частиц — в з а и м о п р е в р а щ а е м о с т ь ю о д н и х ч а с т и ц в д р у г и е . Здесь ярко проявля­ ется единство и материальность мира: мы имеем пример превращения одной формы ма­ терии — вещества в другой вид материи — поле. Это еще одно подтверждение материаль­ ности поля, материальности фотонов. Кстати, именно после этого фотон занял законное ме­ сто, стал полноправным членом семейства элементарных частиц.

После открытия позитрона физики пришли

квыводу, что не только электрон, но и дру­ гие элементарные частицы должны иметь сво­ их своебразных двойников — античастицы.

Впервую очередь возникла гипотеза о су­

ществовании а н т и п р о т о н а . История это­ го предсказания также неразрывно связана с уравнением Дирака. Как известно, из этого уравнения автоматически следует, что описы­ ваемая им частица имеет спин, равный 1/2.

что подобно тому как в случае отрицательно­ го электрона, уравнение Дирака предсказы­ вает существование положительного позитро­ на, из этого же уравнения (в применении к положительному протону) следует существо­ вание и отрицательного протона— антипро­ тона. После блистательных успехов теории Дирака ,цля электрона мало кто сомневался

54

в том, что антипротон будет обнаружен. За­ дача облегчалась тем, что своеобразная сим­ метрия между протоном н антипротоном пред­ сказывала основные свойства искомой гипоте­ тической частицы. Масса и спин антипротона должны были быть точно равны массе и спи­ ну протона, а заряд и собственный магнитный момент должны лишь отличаться по знаку. Далее по аналогии с теорией Дирака следо­ вало ожидать, что антипротон при встрече с протоном должен аннигилировать. И, наобо­ рот, антипротон не может рождаться в оди­ ночку, а только в паре с протоном.

Для того чтобы такой процесс был воз­ можным, нужны очень большие энергии. По­ этому первые попытки найти антипротон бы­ ли связаны с поисками его в естественном источнике частиц высоких энергий — к о с м н-

пути неизбежно сталкиваются с протонами и

сообщающие ускоряемым частицам энергии,

первоначальных протонов, появляется допол­ нительно пара протон — антипротон.

55