книги из ГПНТБ / Богуш А.А. Элементарные частицы

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

57

как квант с такой большой массой в экспери­ ментах никогда не наблюдается, вышеизло­ женная теория, кажется, находится на лож­ ном пути». Однако уже в те годы широко изу­ чались способности заряженных частиц кос­ мических лучей проходить *через вещество.

Особенно серьезно и последовательно в этом направлении работали американские фи­ зики К- Д. Андерсон и С. Г. Недеймайер. Экс­ перименты, поставленные ими, были исклю­ чительно трудными при тогдашнем состоянии экспериментальной техники. Андерсон еще в 1932 г. зарекомендовал себя, сделав серьез­ ное открытие, из которого неопровержимо вы­ текало существование позитрона. И вот на основании своих исследований, проводив­ шихся на протяжении ряда лет (1934—1936), он вместе с 11едеймайером пришел к заключе­ нию, что в космических лучах присутствуют частицы с положительным и отрицательным электрическими зарядами, имеющие массу, значительно превышающую массу электрона и в то же время меньшую, чем масса протона. Они были названы м е з о н а м и — частица­ ми со средней массой. Естественно их было отождествить с предсказанными Юкавой пимезонами.

После многолетней обработки эксперимен­ тальных данных в 1945 г. удалось установить, что средняя масса мезонов в 172 раза боль­ ше массы электрона. Однако не исключалась возможность, что масса этих частиц состав­ ляет от 100 до 300 электронных масс. К тому же в 1947 г. было обнаружено, что эти мезо­ ны почти не взаимодействуют с ядрами веще-

58

ства и поэтому не могут быть носителями ядерных сил. Степень поглощения мезонов в веществе свидетельствовала о том, как это убедительно показали Э. Ферми, Э. Телер и В. Ф. Вайскопф, что мезоны космических лу­ чей могут быть носителями сил, в 1013 раз сла­ бее ядерных! По этим причинам пришлось от­ вергнуть гипотезу о том, что мезоны космиче­ ских лучей есть носители ядерного взаимодей­ ствия. Их назвали мю-мезонами. Как затем было установлено, масса мю-мезона в 206 раз превышает массу электрона.

Так была открыта частица, которую вна­ чале приняли за предсказанный Юкавой пимезон. Существование мю-мезона еще до сих пор не понято современной физикой. Свойства этой частицы настолько похожи на свойства электрона, что мю-мезон скорее надо было бы назвать тяжелым электроном, чем мезоном.

Действительные носители ядерных сил были открыты в том же 1947 г. английским физиком К. Поуэллом, после того как им был значительно усовершенствован метод толсто­ слойных фотопластинок. Причина столь затя­ нувшихся поисков пи-мезонов заключалась не только в несовершенстве экспериментальной техники, но и в том, что пи-мезон имеет почти в 100 раз меньшее время жизни, чем мю-мезон, и его просто не смогли раньше .заметить на фоне большого количества мю-мезонов. В тол­ стослойной пластинке вдоль следа заряжен­ ной частицы появляются ионы, которые обра­ зуют скрытое изображение следа в эмульсии, наподобие того, как при воздействии света на фотопластинку образуется скрытое изображе-

59