тоном с превращением последнего Б нейтрон и позитрон:
p+v--+fl+e+. (231.1)
Источником нейтрино в этих экспериментах служил мощный ядерный реактор, в котором нейтр][но образуются
Пр~l ~-распаде осколков деления урана. В дальнейшем на ускорителях наблюдались и другие реакции, вызываемые
яейтрино (СМ. § 233).
Большой интерес представляют эксперименты по об наружению так называе1\!ЫХ солнечных нейтрино. Они по
зволяют проверить справедливость существующих представ
//еНШI о строен!!!! Солнца II о ядерных процессах, идущих
в его недрах. РеаКЦIlЯ С.'IIIЯН!!Я четырех протонов, являю щаяся, как СЧIlтают, источнико>,! солнечной энергии (см. § 226), сопровождается I1спусканием двух нейтрино на каж
дое образующееся ядро гелия. Нейтрино столь с.'Табо вза
имодействует с веществом, что подавляющая их часть про
низьшает всю толщу Солнца и выходит в космическое
пространство. .
Некоторая доля нейтрино, доходящих до Зе~ЛI!, про
явит себя, вызвав ядерные реакции в специальном детекторе.
Из-за слабости взаимодействия эта доля крайне мала и опыты по обнаружению солнечных нейтрино трудны и до
роги. Однако их удалось выполнить и зарегистрировать
нейтрино, испускаемые из недр Солнца.
§ 232. |
Ядерные силы. Мезоны. В § 225 было введено поня |
тие о |
я Д е р н ы х с и л а Х, т. е. особых силах, действую |
щих между частицами, образующими атомные ядра,- ней тронами и протонами. Опыты (например, изучение ядерных реакций, вызываемых быстрыми нейтронами и протонами)
привели к заключению, что ядерные силы взаимодействия между парами частиц протон - протон, нейтрон - про
тон, нейт\Юl:l- нейтрон одинаковы. В явлениях, завися
щих только от ядерных сил, нейтрон и протон ведут себя
одинаково; различие свойств нейтрона и протона, выражен
ное в чуть большей массе первого и электрическом заряде
второго, в таких явлениях не играет заметной роли. Чтобы подчеркнуть тождественность свойств нейтрона и протона по отношению к ядерным силам, эти две частицы объеди
няют общим термином нуклон *). Говоря «нуклон», мы под
разумеваем нейтрон или протон.
Наиболее характерной особенностью ядерных сил яв
ляется короткодействие - они достигают очень большого
*) Нуклон - т, е. ядерная частица (лат. nucleus - ядро).
значения при сближении нуклонов на расстояние порядка
10-13 см, НО при увеличении этого расстояния всего в не
сколько раз так сио'IЬНО спадают, что практически ими мож
но пренебречь. В ЭТО~1 отношении ядерные силы не похожи
на электрические силы или силы тяготения, которые изме
няются плавно (обратно пропорционально квадрату рас
стояния между частицами). Они напоминают скорее силы,
возникающие при соприкосновении резиновых шариков.
Потенциальную энерГl!Ю электрического взаимодейст
вия двух протонов можно вычислить по формуле (206.1) с 1!З'V1ененным знаком (протоны отталкиваются!). При рас
стоянии ыежду протонам!! |
r=I,4·10- 13 см имеем (е= |
= 1,6· 1О- и Кл): |
|
w = -1- |
~ ;:::::; 1 МэВ. |
4ЛЕй |
r |
Опыты показывают, что потенциальная энергия ядерного взаимодействия двух нуклонов при сближении до такого расстояния составляет около 50 МэВ (если считать ее рав ной нулю при бесконечном расстоянии).
Таким |
образом, |
на |
малых |
расстояниях я Д е р н о е |
в з а и м о Д е й с т в и е |
округленно |
н а Д в а пор я д |
к а (т. е. в |
102 раз) |
с и л |
ь н е е |
Э.'1 |
е к т р и ч е с к о г о. |
При больших расстояниях между протонами, например в
молекуле Н 2 (г;:::::;10- 8 см), положение обратное: ядерное
взаимодействие протонов оказывается ничтожно слабым по
сравнению с электромагнитным.
Как передается ядерное взаимодействие от одного нук
лона к другому? |
|
Теория |
относительности Эйнштейна утверждает, что |
н и к а к и е |
в з а и м о Д е й с т в и я м е ж Д у |
ч а с |
т и Ц а м и |
н е |
м о г у т пер е Д а в а т ь с я с о с к 0- |
р о с т ь ю, |
п р е в ы ш а ю щей с к о р о с т ь |
с в е т а |
в вакууме. Допустим, одна из двух взаимодействующих ча
стиц быстро изменила свое положение. Вторая частица
«почувствует» изменение силы взаимодействия, вызванное смещением первой частицы, с запозданием, пропорциональ
ным расстоянию между частицами. Запаздывание может
быть много больше длительности перемещения частицы
частица давно остановилась, но в окружающем пространст
ве еще что-то происходит, что позже скажется на второй
частице. |
ЭТО означает, что с у Щ е с т в у е т н е к о т 0- |
р ы й |
а г е н т, пер е н о с я щи й в 3 а и м о Д е й |
с т в и е. В случае взаимодействия заряженных частиц
такой агент нам хорошо знаком - это электромагнитное поле. Наряду с полями, связанными с электрическими
зарядами, существуют и свободные электромагнитные по ля - распространяющиС'ся электрmлагнитные волны (ра диоволны, свет, рентгеновское и у-излучения). Мы знаем,
что такие свободные поля являются потоками электромаг нитных квантов - фотонов.
Аналогично, другим видам взаимодействия - всемир ному тяготению, ядерному взаимодействию - соответству ют свои поля - nО.lе тяготения (гравитационное n{)ле), поле ядерных сuл.
Нуклон создает в окружающем пространстве поле ядер
ных сил. и это поле действует па другие нуклоны, попадаю
щие в сферу его влияния. Как уже отмечалось, радиус сфе ры с и л ь н о г о взаl!модеИСТВI!Я очень мал: 10-13-
]0-J2 см.
В 1935 г. японский физик Хидэки Юкава (1907-1981)
предположил, что подобно электромагнитному ПОJ1Ю я Д е р
н о е п о л е бывает не только связанны~1. но II с В О б о д
н ы 1\1, т. е. существуют кванты ядерного поля. Он показа,1,
что ~13J1ЫЙ радиус действия ядерного поля связан с тб!. что кванты этого по,7IЯ об,13.1,3ЮТ отmJЧНОЙ от НУJ1Я ~!оссой по коя. Че~! БО,lьше мзсса П(ЖО5J, те\! меньше сферо действия
от. Ноблюдае\!ыii радиус деiiствия порядка 10-13 см озна
чает, что масса покоя квзнтов в 200-300 раз БО,lьше массы
покоя электрона.
ПРШ.Iерно через 10 лет после IIредсказания Юкавы при
иссm:дованни КОСМIlчеСI\ИХ лучей (01. § 237) были ОТI\РЫТЫ частицы. названные nU-ЛtсзонаlfШ (л), которые, как показа
ли дальнейшие ИСС,ТJедования, и являются квантами ядер
ного поля *). Существуют три вида л-мезонов, раЗЛ!lчаю
щихся элеl\трически:v! заРЯ}\Оill: ПОЛОЖl!тельно заряженные
л-мезоны (л+), нейтральные |
(лО) JI |
отрицательно заряжен |
ные (л-). Аlассы покоя л"-, |
л 1-, |
И л--мезонов близки и |
составляют примерно 270 Масс пOl,ОЯ электрона. Подобно
тому как элеКТРОJ\!агнитные квант~влучаются при тормо
жении зарядов, ядерные кванты --~ л-мезоны - излучаются
при торможении НУКЛОIIОВ, т. е. lIрИ соудареНIJЯХ НУК
лонов друг с другом. |
|
|
|
Прнведем простейшие примеры |
реакций |
рождения |
л-мезонов: |
р - > n' +р' -~- лО , |
|
|
n |
|
|
n ---:- |
Р -> ,,'-;- n" + Л'-, |
|
n -+- р ---> р' --;- р" -:- л -. |
|
*) Мезон ('13Т. meson - |
[1110МСЖУТОЧllыii) - |
чзстиuа |
с массой, [1РО |
межуточной между массами Э.lсктр(ша JI IIУК.lОflа . |
|
З~есь СI;МВ~ЛЫ пир обозначают нейтрон и протон; n, n',
n ; р, р , р - нуклоны, отличающиеся состоянием движе
ния (величиной и направлением скорости). Указанные
реакции, как и вообще все известные физические процессы,
удовлетворяют закону сохранения электрического заряда.
По закону Эйнштейна излучение л-мезона требует за
траты энергии, не меньшей энергии покоя л-мезона, равной
Рис. 414. Расщепление ядра углерода при захвате л--мезона. Микро фотография следов частиц, запечатленных в фотоэмульсии (см. § 235). :п;--мезон, затормозившись в фотоэмульсии. притягивается положитель
но заряженным атомным ядром и захватыпается одним из его протонов
(:rг+р->-n). При этом освобождается значительная энергия (~138 МэБ)
и ядро расщепляется. На снимке видны заряженные продукты расщеп ления - быстрые а-частицы и протон; нейтроны следов не оставили.
Общее уравнение реакции ~2С+л-->-2~Не+р+3n
~
Рис. 415. Два случая распада n-мезона, зарегистрированные в фотоэмульсии. n-мезон останавливается и
распадается по схеме n-+-!1+v (левая часть снимка); нейтрино следа не оставляет. Образовавшийся мю он, пройдя путь окщю 0,6 мм, также останавливается и распадается по схеме !1-+-e+2v. Быстрые частицы слаб;ее ионизуют и образуют менее плотные следы - ер. след электрона и начальный участок пути МJOOна. Заряды частиц в даином опыте определить нельзя, но скорее всего они положительные: в фотоэмульсиях
л--мезоны обычно поглощаются ядрами, не успевая распасться. Напротив, n+-мезоны ядрами отталкива-
ются и им после торможения остается только распасться
тс2;:::;: 140 МэВ. Ввиду этого процессы рождения л-мезонов
наблюдаются только при столкновениях частиц, обладаю щих весьма большой энергией. Пи-мезоны, аналогично све
товым квантам, способны также поглощаться нуклонами,
отдавая им свою кинетическую энергию, энергию пОкоя и
электрический заряд (рис. 414).
Пи-мезоны не стабильны. Нейтральный л-мезон через
время порядка 10-16 с распадается на два "У-кванта. л+- и
л- -мезоны в среднем через 30 нс (30·10-9 с) превращаются
соответственно в положительный мюон (обозначается "" +)
и нейтрино и в отрицательный мюон (",,-) и нейтрино. Мюоны - это частицы с массой покоя, равной 207 масс
покоя электрона, и средним временем жизни 2 мкс (2·10-6 с). Мюоны превращаются в электрон или позитрон и два нейтрино (рис. 415).
Мюоны были открыты раньше, чем л-мезоны, и их вна
чале приняли за ядерные кванты. Это представление было
вскоре отброшено, так как выяснилось, что мюоны крайне
слабо взаимодействуют с нуклонами.
Вслед за л-мезонами было открыто несколько видов еще более тяжелых и менее стабильных мезонов, сильно взаимо действующих с ядрами. Так же как и л-мезоны, их следует считать квантами поля ядерных сил. Как видно, ядерное
поле является весьма сложным; полной теории этого поля
пока еще нет.
§ 233. Частицы и античастицы. В конце двадцатых го
дов нашего века толькО что развитая кваНТОВ'ая механика
(см. § 210) была совместно с теорией относительности (см. § 199) применена к объяснению свойств электрона. После
довало неожиданное заключение: должен существовать
положительно заряженный двойник электрона! И действи
тельно, через несколько лет такая частица была открыта -
это известный нам позитрон. Открытие позитрона было
триумфом современной физической теории.
Позитрон называют античастицей электрона. Ч а с т и
Ц а (электрон) и а н т и ч а с т и Ц а |
(позитрон) |
раз л и |
чаю т с я |
т о л ь к о |
з н а к о м |
электрического |
з а |
р я д а; о с т а л ь н ы е |
и х с в о й с т в а - |
масса |
по |
коя, абсолютная величина заряда, спин (т. е. внутреннее вращение, см. § 230) - в т о ч н о с т и с о в п а д а ют. Дальнейшее развитие квантовой теории привело к выводу,
что, за исключением нескольких нейтральных частиц (фО
тон, лО-мезон), каждая частица должна иметь противопо
ложно заряженный двойник - античастицу.
впредыдущем параграфе мы познакомились с двумя
парами таких двойников - это 31+- И 31--мезоны и мюоны
/.1. + и /.1. -. Опыт показывает, что, как и в паре электрон -
позитрон, частица и античастица в каждой из этих пар об ладают одинаковыми свойствами - их массы и периоды
полураспада равны.
Для нуклонов теория также предсказывает существова
ние античастиц - антипротонов и антинейтронов (анти
нуклонов). Не следует удивляться, что у нейтрона, полный электрический заряд которого равен нулю, есть отличная
от него самого античастица. Ведь мы уже видели раньше,
что нейтрон нельзя считать нейтральной частицей. ОН ха
рактеризуется сложным внутренним распределением заря
да, и это проявляется, в частности, в том, что у нейтрона есть магнитный момент. Магнитные моменты нейтрона и
антинейтрона оказываются направленными противополож
но по отношению к направлению их спинов.
Помимо электрического заряда и магнитного момента,
у нуклонов есть еще одна важная внутренняя характерис
тика (квантовое число), ОТ.l1ичающая их от антинуклонов.
Существование такой характеристики, которую условно можно также назвать HeRoTopbIM «зарядом» - барuо1t1tым
зарядом В,- следует уже из стабильности нуклонов. Дей
ствительно, нуклоны, несмотря на свою большую массу,
не распадаются очень быстро на легкие частицы (электро
ны, 1'-кванты, 31-мезоны), хотя из энергетических соображе ний подобные распады, казалось, МОгли бы идти. Такая
стабильность нуклонов и заставила предположить, что у
них есть какое-то сохраняющееся квантовое число, получив
шее название барионного заряда, которого нет у легких частиц. Поэтому распад нуклонов на легкие частицы ока
зывается запрещенным.
Нуклонам приписывается значение барионного заряда В 1. Тогда у антинуклонов барионный заряд будет
В=-I.
Итак, антипротон характеризуется электрическим за
рядом - 1 (в единицах элементарного заряда) и барион ным зарядом В =-1. У антинейтрона электрический заряд
нуль, и В= -1. Антипротон, как и протон, должен быть стабильным и должен обладать такой же массой. Антиней
трон должен иметь массу нейтрона и аналогично ему быть
неустойчивым - превращаться путем ~-перехода в анти
протон.
В земных условиях антинуклоны длительно существо вать не должны, так как они, подобно позитронам, а н н и-
~O
r и л и р у ют, объединяясь с Нуклонами Jf превращаясь,
как правило, в кванты ядерного ПОЛя - л-мезоны.
Опыты показывают, что при любых nревращен.иях частиц суммарный барионный заряд сохраняется подобно электри
ческому. Поэтому в ядерных реакциях, учитывая Сохране ние обоих зарядов, антинуклон может образоваться толь
ко в паре с нуклоном. Такие реакции могут вызываться
частицами с энергией в миллиарды электрон-вольт, пре восходящей энергию покоя пары нуклон - антинуклон
(см. упражнение 58 в конце главы).
В1955-1956 ГГ., через несколько лет после вступления
встрой первого ускорителя на 6 ГэВ, группе американских
физиков удалось обнаружить процессы образования анти
протонов и антинейтронов на опыте. Эксперименты не толь
ко надежно доказали их существование, но и подтвердили
предсказания теории относительно их свойств. Рис. 416
и 417 иллюстрируют, как аНТIIНУКЛОНЫ изучаются при по мощи пузырьковой камеры (см. § 235).
В последующие годы среди продуктов ядерных реакций частиц ВЫСокой энергии были обнаружены анmидейтроны
(ато;\шые ядра, состоящие из антипротона и антинейтрона). Теоретически из антипротонов и антинейтронов можно строить всевозможные ядра (или, точнее, Qюnuядра), от
личающиеся от обычных протонно-нейтронных ядер лишь
отрицательным знаком электрического (и барионного) за
ряда *). Присоединяя позитроны, такие антиядра должны
образовывать атомы, столь же устойчивые, как и обычные земные атомы. Эго означает, что может существовать ан
тивещество, построенное из антинуклонов и антиэлектро
нов, т. е. позитронов.
Астрофизические наблюдения до сих пор не обнаружили
в видимой части Вселенной сколько-нибудь заметного при
сутствия антивещества. Пока нельзя с уверенностью ска
зать, что зто: результат ли недостаточной точности наблю
дений или же Вселенная действительно асимметрична, т. е.
построена только из вещества. хотя антивещество, казалось
бы, нисколько не худший строительный материал.
В предыдущем изложении мы ГОВОРИJIИ о нейтрино как о единой ча
стице. Работы последнИХ лет доказали существование нескольких **)
разновидностей неЙmрш/О. При ~-распаде нейтронов и протонов обра-
*) в 1970 г. в Институте физики ВЫСОКИХ энергий в Серпухове были
синтезированы ядра антигелия-3, т. е. ядра, состоящие из двух антипро тонов И одного антинейтрона. Затем были по.'1учены также ядра анти
трития-3, состоящие из одного антипротона и двух антинейтронов.
• *) Более точно и подробно см. § 242.
Рис. 416. Образование и аннигиляция антипротона. Стереофотография следов в пузырьковой камере с жидким пропаном СзНs . Камера облучалась пучко"", :п;-мезонов с энергией 7 ГэВ от ускорителя ПРОТОIIОВ на 10 ГэВ в Дубне (п-мезоны возникали при взаимодействиях протонов в бериллии). В точке О (см. cxc~!y справа от фотогра
фии) :п;-мезон, ста.1киваясь с протоном, образует пару протон (р) - антипротон (р) (РСiJIЩИЯ :п;-+р-+:п;-+р+р+ +р). Камера находилась в магнитном поле; кривизна следа /1 указывает, что эта частица заряжена отрн
цательно. В точке О' антипротон сталкивается с ПРОТОIIОМ И аНIIИГИ.lИРУ(~Т; при этО.\! возникают :п;+- и ;1--ме
зоны, а также, как следует И3 аиализа снимков с учетом законов сохранения энергии и импульса, :п;О-мезон,
не давший следа в камере
Рис. 417. Образование и аннигиляция 3lIтинеЙтрона. Пропановая пузырьковая камера облучалась пучком антипротонов, образованных
ПРИ соударениях протонов с энергией 6 ГэВ с бериллиевой мишенью.
След одного из антипротонов внезапно обрывается (верхняя стрелка),
хотя другие антипротоны той же энергии пересекают всю камеру. Это
можно объяснить только тем, что произошла реаКЦ!!51 р+р-+п+n.
Антинейтрон н нейтрон летят в направлениях, близких к направлению
полета антипротона, так как он передал им свой импульс, но не остав
ляют следов в камере. В точке, на которую указывает нижняя стрелка (она лежит приблизительио на продолжении следа антипротона), анти
нейтрон соударяется с протоном или ядром; заряженные продукты анни
гиляции (в OCIIOBHO\1 л-мезоны) образуют на снимке «звезду». По ИСКРИВ
лению следов в магнитном поле можно судить, что испускаются как положительные, так и отрицательные частицы
20 Элементарный учебник Ф/l3ИКИ, Т. 111
