Волновая оптика и квантовая физика_2010

дающая продольное магнитное поле с индукцией В2 при проте- кании тока I2; 7 – патрубок, через который происходит откачка плазмы и наблюдение за ней.

Второй возможный путь – нагревание водорода с помо- щью лазерного излучения. Для этого световые пучки от не- скольких мощных лазеров должны быть сфокусированы на стеклянном шарике, внутри которого заключена смесь тяжелых изотопов дейтерия и трития. В экспериментах на лазерных уста- новках уже получена плазма с температурой в несколько десят- ков миллионов градусов Кельвина.

10.10. Свойства и характеристики ионизирующих излучений

Физическое воздействие любого ионизирующего излуче- ния на вещество связано прежде всего с ионизацией атомов и молекул. Количественной мерой действия ионизирующего из- лучения служит экспозиционная доза, которая характеризует ионизирующее действие излучения на воздух. Экспозиционная доза равна отношению электрического заряда ионов одного зна- ка, возникающих в сухом воздухе при его облучении фотонами, к массе воздуха X = q/M. В СИ единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). 1 Кл/кг равен такой дозе, при которой в сухом атмосферном воздухе массой 1 кг создают- ся ионы, несущие электрический заряд каждого знака, равным

1 Кл. До сих пор употребляется внесистемная единица экспози- ционной дозы – рентген (Р): 1 Р = 2,58·10-4 Кл/кг.

Универсальной мерой воздействия любого вида излуче- ния на вещество является поглощенная доза излучения, равная отношению энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе вещества D = E/m. За единицу поглощенной дозы в Си принят грей (Гр). 1 Гр равен поглощенной дозе излу- чения, при которой облученному веществу массой 1 кг переда- ется энергия ионизирующего излучения 1 Дж: 1 Гр = 1 Дж/кг.

141

всоответствии с соотношением Эйнштейна Е = mc2 и варьиру- ется в пределах от нуля до 1010 эВ (это примерно в 100 раз больше массы протона). Когда говорят о массе частицы, имеют

ввиду ее массу покоя, поскольку эта масса не зависит от со- стояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света - фотон. Электрон - самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. Самая тяжелая из известных эле- ментарных частиц Z-частица обладает массой в 200000 раз больше массы электрона; 2. спин или собственный момент импульса, измеряется в едини-

цах h (постоянная Планка) и может иметь только квантованные значения, равные целому или полуцелому числу h. В зависимо- сти от спина, все частицы делятся на две группы: бозоны - час- тицы со спинами 0, 1 и 2; фермионы - частицы с полуцелыми спинами; 3. среднее время жизни, связанное с самопроизвольным распа-

дом частиц и превращением их в другие, оно варьируется до

бесконечности для абсолютно стабильных частиц (электрон, протон, фотон, нейтрино) от 10-24 с для короткоживущих частиц (всевозможных возбужденных частиц-резонансов). Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные

частицы - нестабильны; время их жизни колеблется от несколь- ких микросекунд до 10-23 сек.; 4. электрический заряд, который характеризует способность час-

тиц участвовать в электромагнитном взаимодействии с другими частицами, он кратен заряду электрона. Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда.

Кроме этих характеристик имеются и более сложные, ко- торые учитывают возможность частиц участвовать в других

взаимодействиях и возможные варианты их взаимопревращений (реакций). Как известно, все действующие в природе силы мож-

143

но свести всего лишь к четырем фундаментальным взаимодей- ствиям: гравитационному, электромагнитному, слабому ядерно- му и сильному ядерному. Именно эти взаимодействия в конеч- ном счете отвечают за все изменения в мире, именно они явля- ются источником всех преобразований и процессов.

Гравитационное взаимодействие присуще всем элемен-

тарным частицам, имеющим ненулевую массу покоя. Это взаи- модействие действует на больших расстояниях, но оно самое слабое по величине и поэтому не влияет на процессы взаимо- превращений элементарных частиц. Электромагнитное взаимо- действие присуще элементарным частицам, имеющим электри- ческий заряд, отличный от нуля, оно также дальнодействующее, а по величине энергии взаимодействия на 36 порядков сильнее гравитационного. Слабое и сильное ядерные взаимодействия

являются близкодействующими, они действуют между частица- ми только на расстояниях, сравнимых с размерами ядра (10-18 – 10-15 м). По величине они больше гравитационного на 28 и 38 порядков соответственно.

Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее уди- вительной особенностью гравитации является ее малая интен- сивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет 10-36 от силы взаимо- действия электрических зарядов. Если бы размеры атома водо- рода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то низшая орбита электрона по раз- мерам превосходила бы доступную наблюдению часть Вселен- ной. Гравитация является универсальным взаимодействием, так как каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации. Поскольку каждая части- ца вещества вызывает гравитационное притяжение, гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещест- ва. Мы ощущаем гравитацию в повседневной жизни потому, что

144

все атомы Земли сообща притягивают нас. И, хотя действие гра- витационного притяжения одного атома пренебрежимо мало, результирующая сила притяжения со стороны всех атомов мо- жет быть значительной. Гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационно- го взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от ис- точника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалить- ся на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галак- тиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике. Си- ла гравитации, действующая между частицами, всегда представ- ляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы.

Электрические и магнитные силы по величине намного превосходят гравитационные. С электромагнитным полем свя- заны только заряженные частицы. Электрическая и магнитная силы "дальнодействующие", и их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Так, магнитное поле Земли простира- ется далеко в космическое пространство. Мощное магнитное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Существуют и галактические магнитные поля. Электромагнитное взаимодейст- вие определяет структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов.

Слабое ядерное взаимодействие ответственно за распады частиц; с его проявлением столкнулись при открытии радиоак- тивности и исследовании β-распада. У β-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводи- ли к выводу, что в этом распаде нарушается один из фундамен- тальных законов физики - закон сохранения энергии. Казалось, что при распаде часть энергии куда-то исчезала. Чтобы "спасти" закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что вместе с электроном при β-распаде вылетает еще одна частица, ней-

145

тральная и обладающая необычайно высокой проникающей спо- собностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Фер- ми назвал частицу-невидимку "нейтрино". В природе нейтрино оставалось много загадочного. Дело в том, что и электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопро- вержимо доказано, что внутри ядер таких частиц нет. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в "готовом виде", а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальней- шие исследования доказали, что входящие в состав ядра нейтро- ны, предоставленные сами себе, через несколько минут распа- даются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной час- тицы появляются три новые. Известные силы не могли вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвест- ной силой, которой соответствует некоторое слабое взаимодей- ствие. Оно гораздо слабее электромагнитного, хотя и сильнее гравитационного. Оно распространяется на очень незначитель- ных расстояниях. Слабое взаимодействие прекращается на рас- стоянии, большем 10-18 м от источника и потому не может вли- ять на макроскопические объекты, а ограничивается отдельны- ми субатомными частицами. Впоследствии выяснилось, что большинство нестабильных элементарных частиц участвует в слабом взаимодействии. Теория слабого взаимодействия, в ко- торой оно было объединено с электромагнитным, была создана в конце б0-х годов С. Вайнбергом и А. Саламом.

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий –

сильное ядерное взаимодействие, оно является источником ог-

ромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высво- бождаемой сильным взаимодействием, - это наше Солнце. В не- драх Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реак- ции, вызываемые данным взаимодействием. Человек научился высвобождать энергию сильного взаимодействия: создана водо- родная бомба, сконструированы и совершенствуются техноло-

146

гии управляемой термоядерной реакции. К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удер- живать протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под дейст- вием электростатического отталкивания. Выяснилось, что, хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно пре- восходит все остальные фундаментальные взаимодействия, за пределами ядра оно не ощущается. Радиус действия новой силы оказался очень малым. Сильное взаимодействие резко падает на расстоянии примерно 10-15м от протона или нейтрона. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Например, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В силь- ном взаимодействии участвуют только тяжелые частицы. Теоре- тическое объяснение природы сильного взаимодействия разви- валось на основе кварковой модели. В ней нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков.

11.2. Классификация элементарных частиц

Элементарные частицы принято условно делить на четы- ре класса: переносчики взаимодействия, лептоны, мезоны и ба- рионы (последние два типа частиц объединяют общим названи- ем – адроны).

Первый класс состоит из фотонов, которые участвуют только в электромагнитном взаимодействии, глюонов – пере- носчиков сильного взаимодействия, бозонов - переносчиков слабого взаимодействия.

Второй класс - класс лептонов - состоит из частиц, уча- ствующих в слабом и в электромагнитном взаимодействиях, если они имеют электрический заряд. Все лептоны имеют спин, равный 1/2 и лептонный заряд, который, подобно электриче- скому заряду, сохраняется при реакциях (т.е. суммарное число

147

лептонов не меняется). К лептонам относят шесть типов частиц, отличающихся массами, временем жизни, электрическим заря- дом и разновидностями лептонного заряда: электроны, мюоны, τ-лептоны, электронные нейтрино, мюонные нейтрино и τ -нейтрино.

Третий класс - класс барионов - состоит из частиц, участ- вующих в сильном ядерном взаимодействии, некоторые из ко- торых могут также участвовать и в слабом, и в электромагнит- ном взаимодействиях. Спин барионов равен 1/2, они имеют ба- рионный заряд, который сохраняется при реакциях. К барионам относятся протон, нейтрон и еще около двухсот частиц, отли- чающихся массами, временем жизни, электрическим зарядом.

Четвертый класс – класс мезонов. По видам взаимодейст- вий он сходен с классом барионов, но спин и барионный заряд данных частиц равен нулю. К классу мезонов относится до сот- ни частиц.

Согласно теории и результатам экспериментов каждой частице, кроме фотона, соответствует античастица, которая от- личается только противоположным электрическим зарядом и магнитным моментом. Например, электрону соответствует ан- тиэлектрон или позитрон, протону - антипротон. При взаимо- действии частицы и античастицы (например, при столкновении частиц с большой кинетической энергией) происходит анниги- ляция или исчезновение этих частиц и появление нескольких фотонов или каких-либо других частиц. При взаимодействии элементарных частиц могут возникать также временные вирту- альные частицы – так называемые короткоживущие резонансы.

Наиболее распространенными частицами по Вселенной являются нейтрино. Нейтрино не участвуют ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через ве- щество, как будто его вообще не существует. Достаточно широ- ко распространены в природе мюоны, на долю которых прихо- дится значительная часть космического излучения. Во многих

148

отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название "тау - лептон". Это очень тяжелая части- ца. Ее масса около 3500 масс электрона. Но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

Адроны встречаются в двух разновидностях - электриче- ски заряженные и нейтральные. Среди адронов наиболее из- вестны и широко распространены нейтрон и протон. Остальные

адроны короткоживущие и быстро распадаются. Адроны делят на барионы (S = 1/2, 3/2) и мезоны (S = 0). Адроны участвуют в

сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Суще- ствование и свойства большинства известных адронов были ус- тановлены в опытах на ускорителях. В1963 г. была предложена теория, согласно которой андроны состоят из более мелких час- тиц – кварков.

Перечень известных частиц не исчерпывается перечис- ленными - лептами и адронами, образующих строительный ма- териал вещества. В этот перечень не включен, например, фотон. Есть еще один тип частиц – переносчики взаимодействия - кото- рые не являются непосредственно строительным материалом материи, а обеспечивают фундаментальные взаимодействия, т.е. образуют своего рода "клей", не позволяющий миру распадаться на части. Переносчиком электромагнитного взаимодействия вы- ступает фотон. Переносчики сильного взаимодействия - глюо- ны, связывающие кварки попарно или тройками. Переносчики слабого взаимодействия – это три частицы: W+, W- и Z°-бозоны. Они были открыты лишь в 1983 г. Радиус слабого взаимодейст- вия чрезвычайно мал, поэтому его переносчиками должны быть частицы с большими массами покоя. В соответствии с принци- пом неопределенности, время жизни частиц с такой большой

149

массой покоя должно быть чрезвычайно коротким - всего лишь около 10-26 сек. Высказывается мнение, что возможно существо- вание и переносчика гравитационного взаимодействия - грави- тона Спин гравитона равен 2. Но, поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практи- чески не проявляется, то непосредственно зафиксировать грави- тоны очень сложно.

Классификация частиц на лептоны, адроны и переносчи- ки взаимодействий исчерпывает мир известных нам субатомных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи и Вселенной.

11.3. Современное состояние теории элементарных частиц. Гипотеза Великого объединения

В настоящее время не существует законченной теории, объясняющей все характеристики частиц и все виды реакций. Однако разработана хорошая методика классификации частиц. Эта классификация основана на представлении о существовании суперэлементарных частиц – кварков, из которых как бы «со- стоят» все частицы. Под термином «состоят» не следует пони- мать их простое объединение, т.к. масса покоя частицы может быть намного меньше масс кварков, из которых она «состоит». При реакциях происходит переобъединение кварков в другие частицы с сохранением суммарных характеристик системы час- тиц. Для описания всех известных (в настоящее время) характе- ристик частиц оказалось достаточным всего 36 кварков. Гипоте- за кварков позволила предсказать существование новых частиц, которые были позднее обнаружены экспериментально, но обна- ружить экспериментально сами кварки пока еще не удалось. По современным представлениям, законченная теория строения ма- терии должна включать, кроме самой теории элементарных час- тиц, также и теорию фундаментальных взаимодействий. Эти со- ставные части будущей единой теории, которые мы кратко рас-

150