Фізика (Чоплан П.П

10.При β-розпаді радіоактивної речовини його атомні ядра втрачають завжди однакову енергію. Чому ж енергетичний спектр β-частинок виявився суціль­ ним?

11.Сформулюйте закони зміщення при радіоактивному розпаді.

12.В яких одиницях виражається стала розпаду?

13.Дайте визначення періоду піврозпаду.

14.Для яких елементів здійснено ядерні реакції поділу? Які умови ланцюгової реакції?

15.За яких умов реалізуються реакції термоядерного синтезу і з якими елемен­ тами?

16.Як ви розумієте двоєдиність корпускулярних і хвильових властивостей речо­ вини?

Розділ 18

ФІЗИКА ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

18.1.Космічне випромінювання

івідкриття елементарних частинок

Вивчення будови атомів, атомних ядер, процесів у космічному випромінюванні, реакцій на швидких заряджених частинках, які дістають у прискорювачах, дало змогу встановити існування великої кількості частинок, які названо елементарними. До них належать електрони і позитрони, протони і антипротони, нейтрони і антиней­ трони, нейтрино і антинейтрино, мезони, гіперони, фотони та ін. Деякі з цих частинок стабільні, тобто самочинно не розпадаються, не перетворюються в інші частинки, тоді як більшість елементарних частинок через певний проміжок часу перетворюється в інші. Назва «елементарні частинки» в буквальному розумінні слова означає най­ простіші частинки, які не можна розкласти на складові частини. Насправді це не так.

Поки що можемо дуже мало сказати про будову елементарних частинок, але інтенсивні дослідження в цьому напрямі проводяться в багатьох лабораторіях світу. Добре вивчено явища перетворення одних елементарних частинок в інші і встановлено закономірності цих перетворень. Тому всі частинки, які називають «елементарни­ ми», насправді не є елементарними, так само як і атомні ядра, атоми й молекули.

Часто фізику елементарних частинок називають фізикою високих енергій, оскільки для проведення більшості експериментів у цій сфері потрібні частинки високих енергій. Так, якщо при вивченні ядерних реакцій було достатньо енергій бомбардувальних частинок порядку енергії зв’язку нуклонів у ядрі, то для дослідів, пов’язаних з наро­ дженням піонів, необхідні протони, прискорені до енергій 300 МеВ,

488

а для експериментів, пов’язаних із народженням протон-антипро- тонних пар, потрібні частинки з енергією 6 ГеВ.

До застосування потужних прискорювачів заряджених частинок єдиним джерелом частинок з енергією, достатньою для утворення мезонів і гіперонів, було космічне випромінювання.

Космічне випромінювання — потік атомних ядер (в основному про­ тонів), що попадає на Землю із світового простору і утворює в земній атмосфері вторинне випромінювання, в якому виявлено багато еле­ ментарних частинок. Відкриття космічного випромінювання пов’яза­ не з проведенням на початку XX ст. дослідів, які вказували на існу­ вання слабкої йонізації повітря, що спричиняла розряд електроскопів, екранованих товстим шаром речовини. Дослідження причин цього ефекту привели до відкриття випромінювання неземного походжен­ ня, яке пізніше назвали космічним. Середня енергія космічних части­ нок становила близько 10 ГеВ, а енергія окремих частинок досягала ІО10 ГеВ. Потік первинного космічного випромінювання на межі атмо­ сфери в період мінімуму сонячної активності становить 7 102...104 частинок на квадратний метр за секунду і збільшується в кілька разів із наближенням до максимуму активності. Потік заряджених частинок на рівні моря дорівнює в середньому 1,7 ІО2 частинок на квадратний метр за секунду і мало змінюється із сонячною активністю.

Вчені вважають, що головним джерелом космічного випроміню­ вання є так звані пульсари, яких у нашій Галактиці нараховується близько 10 мільйонів. Характерну перевагу важких елементів у складі первинного космічного випромінювання, очевидно, можна пояснити переважним прискоренням важких ядер (Z > 20) у джерелах косміч­ ного випромінювання. Поява легких елементів у складі космічного випромінювання спричинена розщепленням важких ядер при взає­ модії з ядрами міжзіркового газу.

У 1958 р. під час перших польотів штучних супутників Землі і космічних ракет було виявлено навколоземні радіаційні пояси. Вони становлять дві просторово розділені зони навколо Землі з різко підви­ щеною концентрацією йонізуючого випромінювання. Існування по­ ясів радіації зумовлене захопленням і утриманням заряджених кос­ мічних частинок магнітним полем Землі. Тому утворення поясів радіа­ ції має бути характерним для всіх небесних тіл, які мають магнітне поле. При дослідженні космічного випромінювання було зроблено багато принципово важливих відкриттів. Так, 1932 p. К. Андерсон відкрив у космічному випромінюванні позитрон, а 1937 p. К. Андер­ сон і С. Неддермейєр відкрили μ-мезони і визначили тип їхнього розпаду. В 1947 p. С. Пауелл відкрив π-мезони. У 1955 р. в космічному випромінюванні було виявлено К-мезони, а також важкі нейтральні частинки з масою, що перевищує масу протона, — гіперони. Дослі­ дження космічного випромінювання привело до необхідності введення квантової характеристики, названої дивністю.

489

Докладно вивчати властивості частинок, особливості їхньої взаємо­ дії і перетворення можна лише на прискорювачах. Прискорювачі використовуються для різних досліджень, але головне їхнє призна­ чення — дослідження фундаментальних властивостей речовини, еле­ ментарних частинок. Для цього проектувались і будувались все крупніші прискорювачі заряджених частинок (див. підрозділ 17.3). Вже на перших прискорювачах, споруджених для вивчення нуклонів, дістали важливі результати. В багатьох зіткненнях при високих енер­ гіях виникали нові частинки, часто у великих кількостях, але, що найважливіше, зовсім не обов’язково менші або легші, ніж початкові. Більше того, виникали одні й ті самі частинки для різних партнерів по зіткненню. Це не вписувалось у межі простих звичних уявлень про структуру частинок. Експеримент показує, що всі вторинні час­ тинки не «вибиваються» з первинних, а «народжуються», строго до­ тримуючись релятивістських законів збереження енергії й імпульсу в акті розсіяння.

Успіхи фізики елементарних частинок зумовлені, поряд з високим рівнем техніки наукового експерименту, розвитком новітніх фізичних теорій, які привели до багатьох відкриттів у фізиці ядра і елементар­ них частинок. Так, при поясненні суцільного спектра β-розпаду В. Пау­ лі передбачив існування нейтрино. П. Дірак, виходячи з виведеного ним релятивістського рівняння, передбачив існування позитрона (ан­ тичастинки). X. Юкава передбачив існування піонів, була також ви­ словлена гіпотеза про існування анти-сигма-гіперона та ін.

Багато теоретичних висновків підтверджено експериментально. Нині здійснюється експериментальний пошук кварків, передбаче­ них теорією елементарних частинок.

У 1952 р. в Брукхейвені (США) введено в дію перший синхрофа­ зотрон, на якому можна одержувати протони набагато більшої енергії (до 3 ГеВ), ніж давали прискорювачі, що існували до цього часу. Енергія в 3 ГеВ — це вже енергія первинного космічного випроміню­ вання. Тому брукхейвенський синхрофазотрон дістав назву космотрона. З появою прискорювачів космічне випромінювання втратило своє виняткове значення при вивченні елементарних частинок. Про­ те воно залишається єдиним джерелом частинок надвисоких енергій.

Нині відомо близько 400 елементарних частинок, головна особ­ ливість яких полягає у їхній здатності до взаємоперетворення.

Характерною особливістю елементарних частинок є те, що вони існують у вигляді частинок і античастинок. Це виражається, зокре­ ма, в тому, що поряд з позитивно зарядженими частинками певного виду існують негативно заряджені частинки такого самого виду. Для нейтральних частинок відмінність полягає в протилежній орієнтації механічних і магнітних моментів. У цьому фундаментальному факті яскраво проявляє себе основний закон матеріалістичної діалектики, який розглядає рухому матерію як єдність протилежностей, між

490

якими постійно точиться боротьба, що є основою саморуху матерії. Елементарні частинки характеризуються основними фізичними влас­ тивостями, які визначають їхні характерні особливості. Всі елемен­ тарні частинки мають ту чи іншу масу, енергію, момент кількості руху, спін. Деякі частинки мають магнітний момент, електричний, баріонний, лептонний заряди тощо. Всі перетворення елементарних частинок строго підлягають законам збереження цих величин. Щоб описати процеси, пов’язані з перетворенням елементарних частинок, потрібно враховувати співвідношення між масою й енергією.

Термін «елементарна» швидше належить до рівня наших знань, оскільки на кожному етапі розвитку науки елементарними назива­ ють частинки, будову яких не знають і які розглядають як точкові.

Експерименти на прискорювачах елементарних частинок поки не дали доказів існування яких-небудь субчастинок. Можна припусти­ ти, що досягнута на прискорювачах енергія не перевищує енергії зв’язку субчастинок усередині елементарної частинки, і тому їх не можна виділити. Внаслідок цього після кожної нової серії експери­ ментів субчастинкам вимушені приписувати все більшу масу. Отже, теоретичні міркування обмежують масу можливих субчастинок, а експеримент потребує збільшення її. Якщо відносно атомів і моле­ кул справедливе твердження, що молекула «складається» з атомів, а атом — з ядра і електронів, то було б неадекватним уявлення, що ядро «складається» з протонів і нейтронів у тому розумінні, в якому молекула «складається» з атомів. Якісна специфіка будови мікрочас­ тинок ще сильніше проявляється для елементарних частинок у сучас­ ній фізиці.

18.2. Основні властивості елементарних частинок

Накопичений фактичний матеріал, який включає велику кількість даних про маси, заряди, спіни, способи розпаду і народження части­ нок, сприяв виробленню феноменологічного підходу, на основі де­ яких нових понять, таких як ізотопічний спін, дивність, лептонний і баріонний заряди тощо. За загальними правилами квантової теорії, цим поняттям відповідає дискретний набір чисел, названих кванто­ вими, для яких формулюються емпіричні закони збереження і відбо­ ру, встановлених із різним ступенем точності. На основі цих знань виникла первинна система елементарних частинок. Поняття, покла­ дені в основу сучасної класифікації елементарних частинок, не ма­ ють простих класичних аналогів. Вони були вироблені під час спро­ би пояснити ті закономірності, які спостерігаються на досліді.

Одне з основних завдань майбутньої теорії — пояснити походження встановленого спектра значень відповідних квантових чисел, подіб­ но до того як квантова механіка пояснила спектр значень квантових чисел електрона в атомі.

491

Тепер у фізиці високих енергій відомо досить багато елементар­ них частинок і за допомогою квантових чисел можна дати вичерпну характеристику кожної з них. Розглянемо ці квантові числа.

1. Кожна частинка характеризується масою т. Для частинок, що рухаються зі швидкістю світла (фотон), маса дорівнює нулю. Для інших частинок вона відрізняється від нуля. У фізиці високих енергій маса частинок виражається в енергетичних одиницях.

2. Електричний заряд q виражається в одиницях заряду електро­ на і для всіх відомих нині елементарних частинок набирає тільки цілочислових значень: 0, ±1. Елементарних частинок із більшим елек­ тричним зарядом не виявлено.

3. До відкриття антинуклонів (антинейтрон було відкрито 1956 р.) можна було сформулювати закон збереження числа нуклонів так:

загальне число нуклонів у будь-яких перетвореннях залишається незмінним. У зв’язку з явищем анігіляції нуклонів і антинуклонів було введено нове поняття — баріонний заряд В. Нейтрон і протон мають баріонний заряд, що дорівнює + 1 , а антинейтрон і антипро­ тон -1. Замість збереження числа нуклонів говорять про закон збере­ ження баріонного заряду. За будь-яких перетворень у природі барі­ онний заряд зберігається. Цей закон досить умовний, але він відоб­ ражає фундаментальну властивість природи: важкі частинки при перетвореннях не можуть повністю розпадатися на легкі. Закон збе­ реження баріонного заряду подібний за формою до закону збережен­ ня електричного заряду — в природі існують лише такі електричні заряди, значення яких кратне заряду електрона. Тому сказати, що електричний заряд зберігається, — це все одно, що сказати: збері­ гається різниця числа частинок, заряджених позитивно, і числа час­ тинок, заряджених негативно. Заряд, таким чином, набуває нового змісту — він стає відмінною ознакою, за якою можна підрахувати число частинок різного типу. Як електричний заряд допомагає підра­ хувати число заряджених частинок, так баріонний заряд допомагає підрахувати число важких частинок — баріонів. Електричний заряд дорівнює нулю для нейтрона, π-мезона, фотона. Баріонний заряд дорівнює нулю для лептонів і мезонів. Нуклонам і гіперонам (баріо­ нам) властивий баріонний заряд +1 , антибаріонам відповідає баріон­ ний заряд - 1 .

4. Експериментально не спостерігається безнейтринний подвійний β-розпад нейтрона, хоча він не суперечить законам збереження елек­ тричного і баріонного зарядів. Відсутність такого процесу можна пояснити, припустивши, що з кожною частинкою пов’язаний ще лептонний заряд, який відмінний від нуля лише для легких части­ нок — лептонів. Електронний лептонний заряд Le дорівнює +1 для електрона е~ та електронного нейтрино ve і - 1 для позитрона е+ та електронного антинейтрино vg і дорівнює нулю для інших части­ нок. Мюонний лептонний заряд Ζ,μ дорівнює +1 для негативного

492

мюона μ” та мюонного нейтрино νμ і - 1 для позитивного мюона μ+ та мюонного антинейтрино νμ і дорівнює нулю для всіх інших час­ тинок. У випадку ізольованої системи елементарних частинок алгеб­ раїчна сума лептонних зарядів залишається незмінною. Це положення виражає закон збереження лептонного заряду Le і Ζ,μ.

Кожній елементарній частинці з певним набором чотирьох кванто­ вих чисел (зарядів) — q, В, Le, Lμ відповідає інша частинка, для якої всі ці чотири числа мають протилежні знаки. При цьому маса, спін, час життя у таких частинок однакові. Такі дві частинки утво­ рюють пару частинка — античастинка. Частинки, для яких ці чоти­ ри заряди дорівнюють нулю, при зміні знаків зарядів переходять самі в себе (γ-фотон, 7і°-мезон). Відомий також третій лептонний за­ ряд LT, за допомогою якого відрізняють недавно відкритий τ-лептон від електрона і мюона.

5. У 1951—1961 pp. було відкрито групу частинок, властивості яких настільки незвичні, що їх почали називати дивними. Для ха­ рактеристики таких частинок ввели нову величину — дивність S.

Незвичність у поведінці цих частинок полягала насамперед у то­

му, що народжувались вони внаслідок сильних взаємодій за час по-

_оо

рядку 10 с. Виходячи з оборотності реакцій, слід чекати, що вони розпадатимуться за такий самий час. Тим більше, що розпад унас­ лідок сильних взаємодій енергетично можливий для всіх дивних частинок. Проте час життя цих частинок становить не 10—23 с, а 10—8...10—10 с, тобто вони розпадаються дуже повільно, за час, ха­ рактерний для слабких взаємодій. Отже, щось заважає їм розпа­ датися під впливом сильних взаємодій, унаслідок яких вони утворю­ ються. Далі виявилось, що дивні частинки завжди народжуються тільки парами. Це навело на думку, що сильні взаємодії не відігра­ ють ролі при розпаді дивних частинок унаслідок того, що для їхньо­ го прояву необхідна наявність двох таких частинок. Проте в основі будь-якого процесу завжди лежать закони збереження. Так, важкі частинки (наприклад, нуклони) не можуть розпастися на легкі, оскіль­ ки це заборонено законами збереження баріонного і лептонного за­ рядів, а розпад вільного протона на нейтрон, позитрон і нейтрино заборонений законом збереження енергії. Для пояснення заборони одиничного народження дивних частинок М. Гелл-Манн і К. Нішіджима ввели нове квантове число, яке дістало назву дивності частинки. Частинкам, що не беруть участі у сильних взаємодіях, умовились приписувати значення дивності S = 0. Для інших частинок, що бе­ руть участь у сильній взаємодії, дивність відмінна від нуля і набуває значень ±1, ±2, ±3. Частинки з більшим значенням дивності поки що невідомі. Закон збереження дивності можна сформулювати так:

алгебраїчна сума дивностеи частинок до і після реакції дорівнює одна одній. Із закону збереження дивності випливає пояснення парного

493

виникнення дивних частинок. Справді, дивні частинки народжуються під час зіткнень звичайних частинок, сумарна дивність яких дорів­ нює нулю. Проте тоді сумарна дивність народження частинок має також дорівнювати нулю і, отже, обов’язково утворюватимуться час­ тинки з від’ємною і додатною дивністю. Виходячи із закону збере­ ження дивності, можна пояснити неможливість розпаду дивних час­ тинок сильною і електромагнітною взаємодіями.

Часто користуються величиною, еквівалентною дивності, яку по­ значають У і називають гіперзарядом. Гіперзаряд однозначно пов’я­ заний із дивністю S і баріонним зарядом В частинки співвідношен­ ням

6. В усіх процесах з елементарними частинками строго виконується закон збереження спіну, який у першому наближенні можна розгля­ дати як закон незнищуваності обертального руху матеріальних об’єк­ тів. Класичним аналогом спіну є момент обертання дзиґи навколо своєї осі. Однак при цьому слід пам’ятати, що, по-перше, спін — це невід’ємна властивість елементарних частинок, його неможливо змінити, по-друге, спін може дорівнювати тільки цілому або півцілому числу сталої Планка, поділеній на 2π (Λ/(2π)), і, по-третє, в частин­ ки вісь «обертання» може бути орієнтована лише в кількох певних напрямах.

Зі спіном пов’язана поведінка частинки в групі однакових части­ нок, або так звана статистика частинок. Існує два типи статистик: статистика Фермі — Дірака для частинок з півцілим спіновим чис­ лом 1/2, 3/2, ... і статистика Бозе — Ейнштейна для частинок з цілим спіновим числом 0, 1, 2, ... . Частинки, що мають півцілий спін, називають ферміонами. До них належать усі легкі частинки — лептони і всі важкі частинки — баріони. Для них справджується принцип Паулі, який стверджує, що у певній системі тотожних ферміонів будь-які два з них не можуть одночасно перебувати в одному квантовому стані. Частинки з цілим спіном називають бозонами, до них належать фотон і всі мезони — частинки проміжної маси. У ви­ падку бозонів в одному і тому самому стані може перебувати довіль­ на кількість частинок.

7. Уявлення про ізотонічний спін уперше було введено у фізику для пояснення факту однаковості ядерних взаємодій протона і ней­ трона. Електромагнітні властивості цих частинок істотно відрізня­ ються: протон електрично заряджений, нейтрон — ні, магнітний момент протона — позитивний, нейтрона — негативний. Отже, в електромагнітних взаємодіях беруть участь дві різні частинки, а в сильних — одна, що перебуває у двох різних станах: нейтронному і протонному. Два стани (протонний і нейтронний) однієї частинки — нуклона — нагадують ситуацію зі спіном електрона.

494

Електрон у реальному просторі може мати лише два фіксовані положення: або вздовж деякого обраного напряму, або назустріч йому. При цьому електрону приписують поняття спіну зі значенням його проекцій ±1/2. Нуклонам, крім звичайного спіну, для описання їхніх зарядових властивостей за аналогією приписують поняття ізотопічного спіну зі значенням проекцій ±1/2. Проекції ізоспіну також відра­ ховують від обраного напряму, але вже в деякому абстрактному ізотопічному просторі. При цьому нейтрону приписують значення про­ екції ізоспіну -1/2, протону— +1/2. Подібна ситуація буває й при електромагнітних і сильних взаємодіях піонів. Введення квантового числа І (ізотопічного спіну) дає змогу з’ясувати поведінку елемен­ тарних частинок щодо сильних і електромагнітних взаємодій. Сильні взаємодії залежать тільки від абсолютного значення вектора ізоспі­ ну, тоді як електромагнітна взаємодія залежить і від орієнтації цьо­ го вектора в ізотопічному просторі.

Ізоспін частинки введено за аналогією зі звичайним спіном, і тому він математично характеризується тими самими формальними власти­ востями, що і звичайний спін. Однак фізичний зміст їх істотно різний. Якщо спін як квантова характеристика частинок виникає із власти­ востей симетрії (ізотропності) реального простору і не залежить від виду взаємодії, в яких частинка бере участь, то ізоспін як квантова характеристика має зміст вектора в деякому формальному просторі — ізопросторі, який виявляє властивості ізотропії лише для певної (силь­ ної) взаємодії.

Отже, слово «спін», яке фігурує в назві нового квантового числа І-ізотопічного спіну, підкреслює лише той факт, що математичний апарат, який його описує, такий самий, як і математичний апарат звичайного спіну. Зауважимо, що квантове число І немає ніякого відношення до ізотопів. Слово «ізотопічний» в його назві з’явилось через те, що протон і нейтрон відносно сильної взаємодії є різнови­ дами однієї частинки — нуклона, подібно до того як ізотопи утворю­ ють різновиди певного хімічного елемента. Введення поняття ізото­ пічного спіну мало велике значення для вивчення сильних взаємодій, яким властива зарядова незалежність, а також накреслили шляхи в установленні систематики елементарних частинок. Дослідження по­ казали, що в усіх процесах, пов’язаних з перетвореннями елемен­ тарних частинок, зумовленими зарядово-незалежними сильними вза­ ємодіями, виконується закон збереження ізотопічного спіну. При цьо­ му зберігається як сам ізотопічний спін /, так і його проекція І2. Для електромагнітних взаємодій зберігається тільки його проекція І2, значення ізотопічного спіну не зберігається. При слабких взає­ модіях змінюються як Іу так і І2.

8. Серед величин, що характеризують елементарні частинки, є ще одна суто квантово-механічна величина, яку називають парністю Р. Розглянемо її. Відомо, що в квантовій механіці стан однієї час-

495

тинки або системи частинок описується хвильовою функцією, яка задовольняє рівняння Шредінгера і залежить від координат і часу. Під парністю стану, або парністю хвильової функції, розуміють ха­ рактер її поведінки при просторовій інверсії — зміні знака всіх ко­ ординат частинки на протилежні (х на -х, у на -у, ζ на - ζ), що еквівалентно дзеркальному відображенню, або переходу від правогвинтової системи координат до лівогвинтової. При такій просторовій інверсії можливі два випадки: хвильова функція залишається не­ змінною або змінює свій знак на протилежний. У першому випадку хвильова функція є парною, а в другому — непарною.

Поведінка хвильової функції при інверсії визначається внутріш­ німи властивостями частинок, які вона описує. Саме для того, щоб наголосити на цьому, і вводять нове квантове число Р. Частинкам із парною хвильовою функцією приписують позитивну парність (Р = +1). Вважають, що частинки з непарною хвильовою функцією мають негативну парність (Р = -1). Парність системи частинок ви­ значається добутком парностей окремих частинок, що входять до складу системи.

Із квантової механіки випливає закон збереження парності, який стверджує: при всіх перетвореннях, яких зазнає система частинок, парність стану залишається незмінною. Закон збереження парності означає, що процеси в природі не залежать від вибору правогвинтової або лівогвинтової системи координат, в яких ці процеси вивча­ ють, або, що те саме, немає різниці між об’єктом і його дзеркальним відображенням. Отже, закон збереження парності пов’язаний із вла­ стивостями дзеркальної симетрії простору. До 1956 р. вважали, що закон збереження парності має загальний характер і виконується при всіх видах взаємодії. В 1956 р. було з’ясовано, що при слабких взаємодіях закон збереження парності порушується.

Ми розглянули основні квантові числа елементарних частинок. · Кожне з них об’єднує велику групу частинок за тією ознакою, яку вона має. Електричний заряд поділяє всі частинки на заряджені по­ зитивно, заряджені негативно і нейтральні. Баріонний заряд об’єднує частинки у велику групу баріонів, для яких він відмінний від нуля. Зазначимо, що баріони можуть бути електрично нейтральними або зарядженими позитивно чи негативно. Лептонний заряд об’єднує групу легких частинок — лептони, які беруть участь в електромаг­ нітних і слабких взаємодіях і не беруть участі в сильних. Дивність групує частинки на дивні, куди входять як баріони, так і мезони з баріонним зарядом, що дорівнює нулю, і на звичайні — недивні, куди також входять баріони і мезони, але з нульовою дивністю. Зви­ чайний спін поділяє всі частинки на ферміони (з півцілим спіном) і бозони (з цілим спіном), кожній групі з яких відповідає своя статис­ тика. Те саме можна сказати і про ізоспін, який об’єднує відомі нам частинки в ізотопічні мультиплети.

496

Отже, за допомогою квантових чисел можна повністю охаракте­ ризувати кожну елементарну частинку. Проте слід зазначити їхню істотну відмінність, яка насамперед полягає в тому, що не всі вони є універсальними квантовими числами, здатними описувати всі види взаємодії. Деякі з них (парність, ізотопічний спін) змінюють своє значення при слабких взаємодіях, закон збереження ізотопічного спіну порушується також при електромагнітній взаємодії (див. під­ розділ 18.9).

18.3. Види взаємодії

Із фундаментальних сил у природі гравітаційні сили (тяжіння) були усвідомлені першими, для них була створена математично зро­ зуміла теорія — теорія Ньютона.

У теорії тяжіння Ньютона простір і час не мають тісного зв’язку, який було встановлено в теорії відносності Ейнштейна.

На початку XX ст. було відкрито два нових фундаментальних типи зв’язку: слабку взаємодію, яка зумовлює β-розпад, і сильну взаємо­ дію, що зв’язує протони і нейтрони в атомних ядрах. Ці типи зв’яз­ ку не були відкриті раніше, оскільки вони діють лише на малих субатомних відстанях, тоді як сили тяжіння і електромагнітні сили далекодіючі, радіус дії їх нескінченно великий.

Інтенсивність взаємодії прийнято характеризувати за допомогою так званої константи, яка є безрозмірним параметром, що визначає ймовірність процесів, зумовлених певним видом взаємодії. Відно­ шення значень констант дає відносну інтенсивність відповідних вза­ ємодій.

Нині відомо чотири види взаємодії між частинками, а саме: граві­ таційна, сильна, електромагнітна і слабка.

Гравітаційна взаємодія є найслабкішою з перелічених і в проце­ сах мікросвіту істотного значення не має. Щоправда, сучасна теорія передбачає, що цей вид взаємодії можливо буде основним усередині елементарних частинок. Проте сучасна техніка експерименту не дає змоги проникнути в глибини частинок і перевірити висновки теорії. У зв’язку з цим обмежимося розглядом трьох видів взаємодії: силь­ ної, електромагнітної і слабкої.

Сильна взаємодія характерна для важких елементарних части­ нок (протонів, нейтронів та ін.). Вона зумовлює зв’язок нуклонів у ядрі. Саме через це сильну взаємодію іноді називають ядерною. Особ­ ливістю ядерної взаємодії є мале значення радіуса дії ядерних сил, який становить близько 1 фермі (10-15 м).

Короткодія ядерних сил робить їх подібними до молекулярних сил, що дало змогу І. Є. Тамму 1933 р. висловити ідею про обмінний характер їх. Подальший розвиток цієї ідеї належить X. Юкаві, який 1935 р. розробив теорію обмінних сил. За теорією Юкави, ядерні

497