ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 100
Скачиваний: 0
вестным частицам, а именно 0, 1/2 и 1*. Боль шинство частиц обладает спином 1/2, лишь не большая группа частиц имеет спин 0 и только одной частице — фотону приписывается спин, равный 1.
Различие в значениях спина, как показыва ет теория, блестяще подтвержденная опытом, весьма своеобразно сказывается на поведении и свойствах элементарных частиц. В частности, совершенно по-разному ведут себя частицы с целым спином (0 и 1) и частицы с полуцелым спином (1/2). В соответствии с этим все эле ментарные частицы (включая и резонансы) разбиваются на две основные группы: ф е р м и о н ы — частицы с полуцелым спином и б о з о н ы — частицы с целым спином.
Характерной особенностью фермионов, отли чающей их от бозонов, является то, что никог да в одном и том же состоянии не может на ходиться одновременно более одной частицы данного сорта (принцип Паули). Именно это обусловливает закономерности застройки элек тронной оболочки атомов и тем самым дает физическое обоснование сущности периодиче ского закона химических элементов, гениально предугаданного Д. И. Менделеевым.
Интересно также обратить внимание на то, что весь материальный мир построен именно из фермионов (электронов, протонов, нейтро нов), в то время как бозоны (фотоны, л- и /(-мезоны) играют роль связующих агентов, являются носителями взаимодействий между
*В дальнейшем среди резонансов мы встретимся н с большими -значениями спина: 3/2, 2, 5/2 и т. д.
73
структурными элементами атомов и ядер. Мы уже знаем, что фотоны ответственны за элект ромагнитные. силы, связывающие электроны с ядром, а мезоны являются носителями ядерных сил, скрепляющих протоны и нейтроны в ядре.
Чтобы завершить наше знакомство с таб лицей элементарных частиц, необходимо остановиться еще на одной важнейшей их ха рактеристике. Эта сугубо специфическая осо бенность элементарных частиц отражена в гра фе 3 табл. 2. Речь идет о продолжительности существования частицы, или, как говорят, об ее времени жизни. Мы уже неоднократно упо минали о различных случаях превращения одних частиц в другие (аннигиляция и рожде ние электронно-позитронных пар, бета-распад нейтрона, распад я- и р-мезоиов и т. д.). Взаимопревращаемость одних частиц в другие — это отличительное свойство всех элементарных частиц. Только немногие частицы могут суще ствовать сколько угодно долго, оставаясь са мими собой. Их называют с т а б и л ь н ы м и . Это — электрон, протон, фотон и нейтрино. Все остальные существуют, «живут» в течение весьма ограниченного и, как правило, ничтож ного времени. Причем время жизни частицы не может изменяться как угодно, оно имеет, как показывает опыт, вполне определенное значение, является специфической характери стикой данной частицы. Несколько ниже мы увидим, что, зная время жизни частицы, мож но сказать о том, как она будет себя вести, как
74
она будет взаимодействовать с другими части цами.
Время жизни различных частиц колеблется в весьма широких пределах. Самым долгожи вущим является нейтрон — его продолжитель ность жизни составляет 1013 сек, т. е. около 17 мин. В то же время жизнь мю-мезона из меряется в миллионных долях секунды, а вре мя жизни такой частицы, как ни-ноль-мезон, составляет десятимиллиардные доли этого времени, ,т. е. 10 16 сек*.
Наше первоначальное знакомство с основ ными характеристиками частиц позволяет
уже сейчас сделать некоторые выводы об об щих закономерностях в расположении частиц в табл. 1. Прежде всего бросается в глаза то, что расположение частиц в порядке возраста ния масс носит отнюдь не случайный характер. В свое время именно этот принцип оказался весьма полезным при создании Д. И. Менде леевым периодической системы химических элементов. Такое расположение элементарных частиц при учете их спина сразу приводит к разбиению их на 4 группы. Мы легко можем выделить две группы фермионов: легкие фер мионы — л е п т о н ы (нейтрино, электрон, мюмезон) и тяжелые фермионы — б ар и о н ы (протон, нейтрон и гипероны). Характерной особенностью всех барионов является то, что обязательным продуктом их распада является протон.
*В дальнейшем мы встретимся с весьма обширной
группой еще более короткоживущих частиц — резо нансов
а> |
Т а б л и ц а 2 |
О сн ов н ы е п р о ц е с с ы о б р а з о в а н и я и р а с п а д а э л е м е н т а р н ы х ч а с т и ц
л
X
о
н
с
<и
3
и
о
оч О)
£
о |
Время |
|
|
|
жизни |
|
Продукты распада |
||
« |
(сек) |
|
|
|
и |
|
|
|
|
|
стабилен |
|
|
|
|
стабильно |
|
|
|
'V |
стабильно |
|
|
|
е— |
стабилен |
|
|
|
\х~~ |
2 .2 -10 -8 |
е _ + |
'V +'~г |
|
|
|
|||
_ 0 |
1,7- 10-ю |
2 7 > 7 + е+ + е_ |
||
-+ |
||||
2,6-10-8 |
|
|
||
|
К°:0,9- 10-ю |
-.+ + |
2т.° |
/с° |
г° |
2г |
|
|
|
7^2 : 5■10-8 |
+ |
е++ че. |
-1- |
||
1,2-10-8 |
+ |
\ |
+ |
^°- |
7‘-+ + 2г- |
|
е+ + ^ |
+ |
> |
|
Процессы образования
7 + 7 -* е+ |
+ е~ |
+ |
^ . |
Рг р-> Р + Р -Г~°
Р+ Р -»• Р -1- п -г Г.+
Р + п - * р - г р + т -
+ р -> /С° - г А °
Т .-- Р - * К°-г '2°
К ~ + |
р -* Ка + п |
^ |
р-> К+ |
7 + Р -> К ++ А0
-- + Р - * К - -г К+ + п
р+ р-> Л '~ — 7(+ + Р + р
рстабилен
|
/г |
1013 |
Р + |
+ |
~‘е |
|
|
|
|
Л° 2,5 -10—10 |
Р + г.-, |
П+ |
/С -+ р-> |
А °+ ~ ° |
|||
|
V — |
1,6 -ю —10 |
п |
|
|
К ~ -+• р-> |
+ |
- + |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
>1° |
~ ю —19 |
А° + |
7 |
г |
К ~ + Р |
+ |
~° |
о |
У + |
0,8-10—10 |
Р + -°, |
п + тЛ |
К - + р -> '-+ |
|
||
к |
т° |
|
||||||
то |
2,8- 10-ю |
Л° + |
7-,° |
|
К - + Р -> на -- |
к 0 |
||
из |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
К - + р - > ^ ° - г К + - |
||
|
X— 1 ,8 - 10-ю |
Л° + т:- |
|
/С - + р - > 1 - 4 - 7 (+ |
||||
|
о — |
- 10-ю |
Н ° + - - , |
А ° + К ~ |
7 < --1 -р -* о - + |
/(+ + 8:0 |
В свою очередь бозоны также разбивают ся на две группы: самостоятельную группу об
разует |
фотон — единственная |
частица со |
спином |
1, а между лептонами |
и барионами |
располагается сравнительно небольшая группа мезонов (я- и /(-мезоны), спин которых равен нулю.
На первый взгляд кажется странным, что одна из частиц — мю-мезон, масса которого меньше протона и больше массы электрона, что оправдывает ее название (мезон — части ца с промежуточной, средней массой), оказа лась в семье лептонов. Выше уже шла речь о том, что до сих пор не ясен вопрос, какую роль в физике элементарных частиц играет мю-ме зон. Чем больше изучают эту частицу, тем от четливее обнаруживается ее сходство с элек троном. Многие мю-мезон попросту называ ют тяжелым электроном. Но тогда совершенно необъяснимой становится загадка различия масс этих весьма близких по своим свойствам частиц. Этот вопрос в последние годы вырос в трудную проблему, которую пока безуспеш но пытаются разрешить многие физики — тео ретики и экспериментаторы.
Для того чтобы ознакомиться с остальны ми характеристиками элементарных частиц, нам придется на время отвлечься от табл. 1 и обратиться к одному из фундаментальных во просов теории— к вопросу о законах сохране ния, действующих в микромире.
ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ
Вмире элементарных частиц, как и в мире больших тел, сохраняются об
щие фундаментальные законы природы—
законы сохранения: |
з а к о н с о х р а н е |
ния э н е р г и и , |
и м п у л ь с а и мо |
м е н т а в р а щ е н и я.
З а к о н с о х р а н е н и я э н е р г и и, как известно, заключается в том, что энергия замкнутой системы тел, т. е. такой системы, которая не может обмени ваться энергией с внешними по отноше нию к ней телами, при любых ее измене ниях и превращениях остается постоян ной. С точки зрения этого закона началь ная стадия какого-либо превращения отличается от конечной лишь тем, что энергия в этих двух стадиях по-разному распределяется между отдельными ча стями этой системы.
По мере утверждения этого закона как некоего принципа, положенного в основу всех явлений природы, он постепенно рас пространяется на все новые и новые яв ления. С развитием физики элементарных частиц закон сохранения энергии был рас пространен и на реакции, происходящие между атомами, ядрами атомов и отдель ными элементарными частицами. Это рас пространение имеет свои особенности. Они заключаются в том, что закон сохра нения применяется к системам с очень малым количеством частиц.
В таких условиях, когда, например, средние расстояния между ядрами в ве ществе в 100 000 раз превышают разме-
79
ры самих ядер, обмен энергией между средой и какой-либо частицей практически отсутству ет. Поэтому уже две сталкивающиеся частицы или даже одно ядро можно считать замкнутой системой, в которой должен выполняться за кон сохранения энергии, если он универсален. Убеждение в том, что этот закон должен вы полняться во всех без исключения физических явлениях, сделало его одним из руководящих принципов исследования в ядерной физике и физике элементарных частиц.
Однако нельзя сказать, что процесс распро странения закона сохранения энергии на
явления микромира проходил гладко и беспре пятственно, как нечто само собой разумеюще еся. В 30-х годах нашего века, когда, казалось, последние сомнения в справедливости этого за кона давно исчезли, развитие физики элемен тарных частиц как будто поставило ученых пе ред фактом его явного нарушения. Было обна ружено, что при бета-распаде ядер, который заключается в самопроизвольном испускании электрона (или позитрона) ядром, вылетаю щий электрон уносит с собой то большее, то меньшее количество энергии.
Рассмотрим это явление с точки зрения за кона сохранения энергии. При бета-распаде одинаковых ядер образуются новые, также со вершенно одинаковые ядра. Поэтому во всех таких случаях, во-первых, должна выделяться одна н га же энергия, а, во-вторых, если элект рон — единственная частица, появляющаяся при бета-распаде, то распределение кинетиче ской энергии между нею и ядром во всех
80
случаях должно быть абсолютно одинаковым, электрон должен был бы вылетать из ядра с одной и той же кинетической энергией. Но опыт явно противоречит этому. Следовательно, за кон сохранения энергии как будто явно нару шается при бета-распаде. Кроме того, как ока залось, в этом явлении не выполняются зако ны сохранения импульса и момента вращения. Слишком много нарушений, если считать, что бета-распад сводится лишь к испусканию электрона (или позитрона) радиоактивным яд ром! Но чему верить? Законам сохранения, ко торые во всех случаях себя оправдывали на протяжении многих лет, или единственному явлению, которое упорно противоречило этим законам?
Ученые пошли по первому пути. Они рас суждали примерно так: законы сохранения вы полняются и в бета-распаде, но, по-видимому, не все возникающие при распаде ядра части цы фиксируются при эксперименте. Но физики не могли обнаружить хотя бы еще одну части цу, которая бы одновременно с электроном по кидала ядро. И это продолжалось вплоть до
1956 г.!
Тем не менее убеждение в справедли вости законов сохранения было настолько ве лико, что все ухватились за спасительную идею, высказанную в 1931 г. немецким уче ным В. Паули о том, что при бета-распаде должна появляться, помимо электрона, новая частица. Эта частица была названа н е й т р и- но. В. Паули предсказал почти все ее свойст ва. 25 лет приходилось верить на слово, что такая частица существует. За это время было
6. А. Богуш, Л. Мороз |
81 |