Файл: Китайгородский А.И. Введение в физику учеб. пособие для студентов высш. техн. учеб. заведений.pdf

мы знаем, радиус ядра существенно меньше. И все же термоядер­ ные реакции, т. е. реакции, идущие при высокой температуре, воз­ можны в недрах Солнца. Расчет, учитывающий туннельный эф­ фект, а также то, что во всяком газе, в том числе и в газе ядерных частиц, имеются частицы со скоростями, существенно большими средней, показывает, что в течение года одному атому из миллиона удается принять участие в реакции слияния ядер. Этого малого процента оказывается достаточно для обеспечения деятельности Солнца.

В земных условиях такие высокие температуры создавались

деляющих большую энергию:

D 2 + H l = He3 , L i 7 + H 1 = 2He4 , H 3 - f Н ^ Н е 4 , C1 3 + № = N 1 4 .

Термоядерные реакции могут возникнуть лишь при таких тем­ пературах, которые дадут ядрам тепловую скорость, достаточную для преодоления с заметной вероятностью кулоновского потенци­ ального барьера.

Наибольший интерес представляют реакции в дейтерии и в смеси дейтерия и трития — в этом случае нужна наименьшая энергия. Температура, необходимая для получения одного нейтрона в се­ кунду в грамме дейтерия (по реакции 1 D 2 + 1 D 2 = 2 H e 3 + 0 n 1 ) , равна 200 ООО °С. В сильно разреженном газе для той же цели нужна еще более высокая температура, порядка 500 ООО °С. При такой темпе­ ратуре дейтерий (или другое вещество) будет представлять собой

киловатт-часов. Однако трудность состоит не в сообщении дейтерию энергии, а в тепловой изоляции плазмы, т. е. в сохранении ядрами дейтерия соответствующей кинетической энергии в течение длитель­ ного времени (см. § 178а).

§ 219. Термин «элементарная» частица

Вопрос о структуре тел относится к числу решенных. Тела со­ стоят из электронов и ядер, ядра состоят из протонов и нейтронов. Таким образом, достаточно достоверным и точным будет утвержде­ ние: тела построены из трех типов частиц — электронов, протонов

и нейтронов. Вероятно, было бы справедливо удержать термин «элементарные» только для этих частиц.

Задачи, связанные со свойствами тел неживой и живой природы, сводятся к законам взаимодействия электронов и ядер. Мы знаем эти законы природы, и все физические явления могут быть ими объяс­ нены, т. е. поведение тел может быть предсказано. Если количест­ венные предсказания не удаются, то это означает лишь то, что из-за большого числа факторов явление не поддается математическому описанию.

Область физики, связанная с объяснением свойств тел через вза­ имодействия электронов, протонов и нейтронов, отчетливо отделя­ ется от области, которую называют физикой элементарных частиц.

Изучение столкновений между частицами в космических лучах и ускорителях привело к открытию примерно 200 частиц, разли­ чающихся зарядом, массой и другими свойствами. В отличие, од­ нако, от электронов и ядер, элементарные частицы этого типа обла­ дают коротким сроком жизни и способностью к сложной цепи пре­ вращений.

Представляется, что рассмотрение с одной и той же точки зрения всех частиц является неверным. Элементарные частицы, за исклю­ чением трех «кирпичей» целесообразнее представлять как возбуж­ денные состояния нуклона (общее название протона и нейтрона, которым мы уже пользовались). Для таких состояний принят термин — барион. Многие частицы и пары частиц аналогичны свето­ вым фотонам; они являются материальным выражением энергии, выделяющейся при возвращении системы из возбужденного в основ­ ное состояние. Мы видели в § 213, что излучение ядра может происходить не только в виде фотона, но ив виде пары электрон — антинейтрино. Ниже мы установим, что возбужденные нуклоны переходят в основное состояние еще большим числом способов, а именно излучением фотона, пары электрон — нейтрино, пары мю­ он — нейтрино, излучением пиона и излучением каона.

Надо думать, термин «элементарная частица» в том смысле, в каком он применялся до сих пор, существенно устарел. Мы сохра­ няем его, однако, не боясь недоразумений. В прилагательное «эле­ ментарный» уже давно не вкладывается содержание этого слова.

схему кварков, помогающую изящно описать спектры барионов и мезонов.

§ 220. Взаимодействие быстродвижущихся электронов

Если электроны движутся медленно, то силы взаимодействия определяются расположением зарядов в тот момент времени, когда мы определяем взаимодействие. Поэтому для медленных электронов не играет роли факт существования электромагнитного поля;

не существенно, что передача взаимодействия происходит через поле.

Иначе обстоит дело при рассмотрении быстродвижущихся частиц. Здесь необходимо учитывать запаздывание взаимодействия, происходящее из-за конечной скорости распространения электро­ магнитного поля. Взаимодействие в момент t определяется распо­ ложением зарядов в момент t — г/с. Теперь обойтись без рассмотре­ ния поля нельзя. Как же учесть квантовую природу поля при сохра­ нении схемы взаимодействия: частица — поле — частица? Этим вопросом занимается квантовая электродинамика — область теоре­ тической физики, еще далекая от завершения. Опыт вынуждает нас при рассмотрении взаимодействия быстрых частиц полагать, что это действие заключается в передаче частицей полю кванта энергии с дальнейшей передачей этого кванта второй частице.

Если частицы находятся близко друг к другу, т мало и частицы могут обмениваться квантами hv малых и больших частот. При воз­ растании расстояния между частицами т растет и обмен энергией становится возможным лишь малыми квантами. Из подобных сооб­ ражений теория позволяет вывести формулу силы взаимодействия между частицами.

Многие авторы пользуются следующей образной терминологией, описывая квантовое взаимодействие частицы через посредство поля. Чтобы передать полю квант энергии <§, частица «одалживает» эту энергию на короткое время Т. Принцип неопределенности регу­ лирует зависимость срока займа от количества одолженной энергии. Получается так, как если бы закон сохранения энергии был «на­ рушенным» на время Т, т. е. на время займа. Принцип неопреде­ ленности показывает, на какой срок может быть «нарушен» закон сохранения энергии, чтобы это «нарушение» не имело физического смысла.

Эта точка зрения может быть развита и дальше, но она приводит к следующей трудности. Не существует ограничения в поглощении и излучении фотонов, поэтому при обмене фотонов возникают бес­ конечно большие изменения в значении собственной энергии ча­ стицы.

Интересно, что такое положение дел возникает при любом под­ ходе к оценке собственной энергии электрона или другой заряжен­ ной частицы. Мы видели на стр. 219, что бесконечной энергией об­ ладает точечная частица. В то же время нельзя считать, что частица имеет конечный размер. Действительно, абсолютно твердая ча­ стица конечного размера невозможна с точки зрения теории относи­ тельности, которая не допускает существования абсолютно твердых тел (через такие тела взаимодействие распространяется мгновенно).

Если же считать электрон деформируемой частицей, то встает во­ прос о структуре электрона. Решение вопроса не найдено до сих пор.

Своеобразной особенностью новой теории является то, что она способна привести к ряду новых весьма интересных результатов, несмотря на явную противоречивость фундамента и отсутствие в тео­ рии логической стройности.

§221. Мезонная теория взаимодействия нуклонов

Впредыдущем параграфе мы говорили, что взаимодействие элек­ трически заряженных частиц происходит посредством электромаг­ нитного поля и при этом квантовым путем. Электрическая частица отдает электромагнитному полю квант энергии, который затем пере­ дается полем другой частице. Если полагать наличие поля у ядер­

ных сил и считать, что это поле также имеет квантовый характер, то можно взаимодействие нуклонов описать следующим образом: каждый нуклон окружен полем, нуклон передает квант энергии этому полю, а поле возвращает этот квант другому нуклону.

Теоретическое исследование возможности такого объяснения ядерных сил было предпринято Юкавой. Оказалось, что теория может быть построена, если принять, что поле, через посредство которого нуклоны взаимодействуют, обладает квантами с массой покоя, не равной нулю. Взаимодействие нуклонов было сведено, таким образом, к обмену частицами, обладающими некоторой мас­ сой т0ФО. По причинам, которые будут ясны ниже, эта частица получила название мезона. Мезон является квантом мезонного поля, окружающего нуклоны.

Остановимся на некоторых выводах теории. Прежде всего, попы­ таемся оценить радиус действия ядерных сил.

Энергия мезона, передаваемого нуклонами при взаимодействии, не может быть меньше, чем т0с2, где т0 — масса покоя мезона. Время передачи мезона по порядку величины должно быть не более

Так как мезон движется со скоростью не выше с, то расстояние, на которое мезоны могут быть переданы, не превышает h/m0c. Эта постоянная величина должна характеризовать радиус действия ядерных сил.

К такому выводу пришел Юкава. Учитывая известный в то вре­ мя радиус действия ядерных сил, Юкава увидел, что теория совпа­ дает с опытом, если масса покоя мезона пг0 в 200—300 раз превы­ шает массу электрона.

Изложенная теория допускает с одинаковым успехом нейтраль­ ные, электрически отрицательные или положительные мезоны, что позволяет в рамках этой теории легко интерпретировать любые взаимодействия между нуклонами. Обозначая мезон Юкавы через л и условливаясь индексом отмечать знак мезона, мы можем .записать