Фізика (Чоплан П.П

взаємодії. На відміну від сильної взаємодії для електромагнітної вза­ ємодії порушується закон збереження ізотопічного спіну.

Слабка взаємодія в 10-14 разів слабша від сильної. Цей тип взає­ модії відповідальний за всі види β-розпаду ядер, за спонтанний роз­ пад більшості елементарних частинок, за процеси взаємодії нейтри­

но з речовиною. Слабкі взаємодії характеризуються безрозмірною /2

константою 4—= 10 , де f — електронно-нейтринний заряд, що

пс

відповідає гіпотетичному полю слабких взаємодій. Відрізняють слабкі процеси за участю лептонів, які класифікуються за допомогою леп­ тонного заряду, і слабкі процеси, що проходять зі зміною дивності й класифікуються за допомогою цього поняття. При цьому константа слабкої взаємодії однакова не лише для всіх видів лептонних про­ цесів, а й у першому наближенні збігається також із константою взаємодії для процесів, що проходять зі зміною дивності.

Слабка взаємодія, як і сильна, є короткодіючою. Характерний час для слабкої взаємодії становить ІО-10 с.

Вчені вважають, що слабка взаємодія має також обмінний харак­ тер і переноситься специфічним векторним мезонним полем. Йому відповідають три сорти заряджених і нейтральних проміжних век­

торних бозонів: W +, W~ і Z° . Для слабкої взаємодії порушуються закони збереження ізотопічного спіну, дивності, парності (див. під­ розділ 18.10).

Електромагнітні та гравітаційні взаємодії спадають обернено про­ порційно квадрату відстані між частинками, а тому про якийсь пев­ ний радіус дії для них не йдеться. Водночас експериментальний ха­ рактер залежності ядерних сил від відстані дає змогу визначити ра-

Таблиця 18.1

499

діус їхньої дії — порядку 10 15 м. Ядерні сили в сотні разів інтенсивніші від електромагнітних, проте через малий радіус дії були виявлені зовсім недавно, коли фізичний експеримент дав змогу про­ никнути в середину атомного ядра. У табл. 18.1 наведено основні характеристики всіх взаємодій (q — електричний заряд, В — баріон­ ний заряд, S — дивність, J — ізотопічний спін).

18.4. Класифікація елементарних частинок

Нині відома велика кількість елементарних частинок, які мають різноманітні властивості. Спроби класифікувати їх за деякими за­ гальними ознаками сприятимуть встановленню закономірностей, пов’язаних з будовою і поведінкою частинок, дадуть змогу передба­ чити ще невідкриті частинки, як це зробив Д. І. Менделєєв для хімічних елементів.

Утабл. 18.2 наведено основні відомі елементарні частинки та їхні характеристики. Якщо в основу класифікації частинок покласти спін, то їх можна розділити на дві групи — ферміони і бозони. Якщо ж в основу класифікації частинок покласти масу, то визначаться чотири групи частинок: фотони, лептони, мезони, баріони.

Утабл. 18.2 наведено назви тільки для частинок. Назву відповід­ ної античастинки для баріонів, нейтральних каонів і всіх видів ней­ трино утворюють додаванням до назви частинки приставки «анти». Наприклад, протон — антипротон, електронне нейтрино — електронне антинейтрино. Антиелектрон називають також позитроном. До за­ ряджених піонів і каонів термін античастинка, як правило, не засто­ совують. Йдеться про позитивні й негативні піони (каони).

Нині відомо п’ять зарядів, які строго зберігаються: електричний

<7, баріонний В і три види лептонних зарядів Le (для е~,е+ ,ve,ve), Ζμ (для μ~,μ+,νμ,νμ) і LT (для τ~,τ+,ντ,ντ ). Характерною особли­ вістю всіх цих зарядів є їхнє цілочислове значення. Кожний із за­ рядів може бути як позитивним, так і негативним.

Фотони, тобто γ-кванти електромагнітного поля, маса яких дорів­ нює нулю, а спін дорівнює Λ /(2π), беруть участь лише в електро­ магнітних взаємодіях.

Лептони. Ще донедавна було відомо чотири лептони: два заря­ джених (е~, μ“ ) і два їхні нейтральні супутники (уе> μ€). Потім було встановлено третій заряджений лептон, якому присвоїли символ τ. Допускається, що τ-лептон також має «власне» нейтрино. Для леп­ тонів властиві малі значення мас. Серед цих частинок найбільшу масу має τ-лептон, найменшу — електронне нейтрино. Лептони бе­ руть участь лише в електромагнітних і слабких взаємодіях. Усі леп­ тони мають півцілий спін і, отже, описуються статистикою Фермі. Серед них є електрично заряджені (електрон, позитрон, мюони) і

500

нейтральні (електронні й мюонні нейтрино й антинейтрино). Вони мають відмінний від нуля лептонний заряд. Баріонний заряд для них дорівнює нулю.

Електрони — це елементарні частинки, які були виявлені перши­ ми при вивченні атомної структури речовини. Електрон є носієм най­ меншої порції електричного заряду. Його заряд е = 1,60 10”19 Кл, маса спокою те = 9,1110“31 кг. Електрону властивий власний мо­

мент кількості руху — спін, що дорівнює —h/{2n). Магнітний момент електрона майже дорівнює магнетону Бора

μΒ = 0,9274 10"23 Дж/Тл; μ€ = -μΒ (1 + 0,0012).

Знак мінус означає, що магнітний і механічний моменти електро­ на мають протилежний напрям. Електрони позначаються символом е~. Електрон є стабільною частинкою, яка спонтанно не перетво­ рюється в інші частинки. Поряд з негативними існують позитивні електрони — позитрони, які відносно електронів є античастинками. Позитрон відрізняється від електрона тільки знаком електричного і електронного лептонного зарядів. Абсолютні значення цих зарядів і всі інші характеристики у позитронів і електронів збігаються. По­ зитрон є частинкою, стабільною у вакуумі, проте в речовині довго не може існувати внаслідок того, що при зіткненні з електроном во­ ни анігілюють, перетворюються в електромагнітне випромінювання (див. підрозділ 17.12).

Мюони. Вперше мюони виявили 1937 p. К. Андерсон і С. Недермейєр у складі космічного випромінювання. Відомо позитивні (μ+) і негативні (μ“ ) мюони. Електричний заряд мюонів за абсолютним значенням дорівнює заряду електрона. Негативно і позитивно заря­ джені мюони виступають відповідно як частинка й античастинка.

1 h Маса мюонів становить 206,8 електронних мас, спін їх дорівнює —— .

Середній час життя нерухомих мюонів τ = 2,15 · 10~6с.

У1948 р. Г. Б. Жданов і А. А. Хайдаров установили, що електрони

йпозитрони, утворені при розпаді мюонів, які майже втратили швид­ кість, мають широкий спектр енергії. Середня енергія їх становить близько 35 МеВ, що відповідає 1/3 енергії спокою мюона (для елек-

трона тес2 =0,51 МеВ, а для мюона /ημ = 206те і 2 = 106 МеВ). Це означає, що при розпаді мюона крім легкої зарядженої частинки виникає не одне (як при β-перетворенні), а два нейтрино. Якщо роз­ пад мюона, що припинився, супроводжувався, як вважали спочат­ ку, випромінюванням одного нейтрино, то при одночасному збере­ женні енергії 106 МеВ і при однаковості імпульсів двох частинок — електрона і нейтрино — енергія всіх електронів розпаду була б одна­ ковою і дорівнювала 53 МеВ. Викидання двох нейтрино з антипара-

501

лельними орієнтаціями спінів забезпечує при розпаді μ-мезона збе­ реження спіну 77“ - :

Вимірювання показали, що середній час життя нерухомих ме­ зонів збігається з розрахованим.

502

Нині встановлено, що нейтрино і антинейтрино, які випромі­ нюються разом з позитронами і електронами, відрізняються від нейтрино і антинейтрино, що випромінюються разом з мюонами. У зв’язку з цим, як зазначалося, розрізняють електронне і мюонне нейтрино і антинейтрино. Виходячи із закону збереження електрон­ ного лептонного заряду, схему розпаду ц~-мезонів (18.2) слід пере-

503

факт, що у космічному випромінюванні на рівні моря число π-ме- зонів набагато менше від числа μ-мезонів. Заряджені π-мезони роз­ падаються за такою схемою:

Отже, внаслідок розпаду π111-мезонів утворюються μ111-мезони і

γ-кванти високої енергії, що виникають при цьому, дають поча­ ток каскадному утворенню електронно-позитронних пар.

На відміну від μ-мезонів π-мезони сильно взаємодіють з атомними ядрами і, проникаючи в них, спричинюють ядерні перетворення. Особливе значення для фізики ядра має можливий віртуальний обмін зарядженими π-мезонами між різнорідними нуклонами і нейтраль­ ними π0-мeзoнaми між однорідними нуклонами всередині ядра. Ви­ ходячи з ідей, які висловили ще 1934 p. І. Є. Тамм, Д. Д. Іваненко, X. Юкава, вважають, що, подібно до фотонів електромагнітного поля, π-мезони зі спіном, який дорівнює нулю, випромінюються і поглина­ ються нуклонами і є квантами ядерного (мезонного) поля:

р ^ ± п + п+, η<=>η + π°,

Поглинання цих мезонів іншими нуклонами приводить до силь­ ної взаємодії між ними, яка реалізується по одній із таких схем:

До групи мезонів належать також ϋΓ-мезони. Як і π-мезонам, К-ме­ зонам властивий нульовий спін. Маса їх більша за масу π-мезонів і становить 966,3тпе для заряджених іГ+-мезонів і 974,5те для ней­

тральних ϋΓ-мезонів (К°) і анти-ка-нуль-мезонів (К°). К-мезон має елементарний позитивний заряд, а і£”"-мезон — елементарний нега­

506

тивний заряд. Залежно від типу ϋΓ-мезонів середній час життя змі-

Як зазначалось, π-мезони можуть бути утворені при ядерних ре­ акціях із частинками високих енергій в потужних прискорювачах; μ-мезони утворюються в результаті перетворення π- і ϋΓ-мезонів. ϋΓ-мезони народжуються з великою інтенсивністю при зіткненнях мезонів або протонів високої енергії з нуклонами. Якщо один із видів частинок, наприклад негативні мезони, назвати частинками, то по­ зитивні мезони будуть античастинками. Можна прийняти і проти­ лежне позначення.

Баріони — масивні елементарні частинки. Вони складаються з двох підгруп — нуклонів і гіперонів. Для них баріонний заряд відмінний від нуля, лептонний заряд дорівнює нулю, вони характе­ ризуються півцілим спіном і є ферміонами. З мезонами їх об’єднує здатність брати участь у сильній взаємодії, внаслідок чого мезони і баріони об’єднують в групу адронів. Адронами називають усі сильновзаємодіючі частинки.

Нуклони. До нуклонів належать протон (р), антипротон (р), нейтрон (п) і антинейтрон (Я).

Протон має масу, що дорівнює 1836,5 електронним масам, тобто тр - 1,672 10—27 кг. Позитивний заряд протона за абсолютним зна­ ченням дорівнює заряду електрона, тобто qD=1,60 10“19 Кл. Спін

1 h

протона дорівнює -т-г—» магнітний момент μ =2,7929μΛ, де δ ζπ

»‘- = ш Ь = 5' 05' 10' 27дж/Тл·

Протон є однією з найзручніших частинок для прискорення в прискорювачах та використання для ядерних реакцій. Для протона

прийнято такі позначення: |Н або р.

Протон — стабільна частинка. Проте, як показують теоретичні розрахунки, час життя його менший за 1032 років. Експериментально розпад протона не зафіксовано.

Існування антипротона було передбачено теорією Дірака, але експе­ риментальне відкриття його стало можливим тільки через чверть століття після відповідного розвитку техніки прискорювачів зарядже­ них частинок. Він був відкритий наприкінці 1955 р. групою фізиків

507