§ 131. Закони збереження в мікросвіті

Елементарні частинки можуть перетворюватися одна в одну при взаємодіях, можуть народжуватися, поглина­тися й розпадатися. Ці процеси здійснюються лише за певних умов, відповідно до законів збереження.

Одна група законів збереження відображає незнищува-ність матерії або її певних властивостей-атрибутів, друга виражає незнищуваність основних якісно відмінних форм руху і незнищуваність руху. Закони збереження відігра­ють у фізиці елементарних частинок незрівнянно більшу роль, ніж у будь-якому іншому розділі фізики. Це по­яснюється трьома причинами.

Перша причина полягає в тому, що для елементар­них частинок сьогодні не існує більш-менш послідовної теорії, однак добре виконуються закони збереження.

Другою причиною є велика кількість законів збере­ження в світі елементарних частинок. Існує ряд законів збереження, які проявляються лише в світі елементарних частинок і не відіграють ніякої ролі в явищах звичного нам макроскопічного світу.

Нарешті, третьою важливою причиною є те, що при переході до мікросвіту закони збереження починають діяти більш ефективно. Якщо в макросвіті закони збе­реження лише забороняють, то в мікросвіті вони ще й до­зволяють усі процеси, на які не поширюється заборона. Інакше кажучи, в мікросвіті все, що не заборонено повною сукупністю законів збереження, повинно обов'язково здійснитися. Ця властивість законів збереження в мікро­світі не один раз ефективно використовувалася у фізиці елементарних частинок. Якщо якийсь процес дозволявся всіма відомими законами збереження і все-таки не спо­стерігався, то це означало, що він не до кінця з'ясо­ваний.

Розглянемо фізичний зміст законів збереження.

Закон збереження електричного заряду — один з фун­даментальних законів природи, який твердить, що алгеб­раїчна сума електричних зарядів будь-якої замкнутої системи залишається незмінною, тобто зовсім строго в кож­ній реакції за участю елементарних частинок сумарний електричний заряд частинок, які вступають в реакцію, завжди дорівнює сумарному зарядові частинок — про­дуктів реакції. Деякі приклади наведені в таблиці 5.

Таблиця 5

Закон збереження ядерного заряду (баріонного числа). Сукупність відомих експериментальних фактів (див. табл. 5) показує, що в ядерних реакціях звичайного типу (без утворення античастинок) зберігається повне число нуклонів. А взагалі у процесі всіх ядерних перетворень залишається незмінною різниця між числом баріонів і антибаріонів:. Очевидно, що закон збе-

реження числануклонів свідчить про відсутність у при­роді процесів типу(«анігіляція» атома водню), які ведуть до зникнення нуклонів, тобто про стабільність нашого світу.

Для кількісного вираження закону збереження числа нуклонів елементарним частинкам приписують баріон­ний (ядерний) заряд В (баріонне число), яке для всіх баріонів дорівнює +1, а для антибаріонів дорівнює —1. Мезонам і лептонам приписують нульове баріонне число. Протон і антипротон відрізняються не лише знаком елек­тричного заряду, а й протилежністю знаків баріонного заряду В.

Закон збереження ядерного заряду (баріонного числа) у тому й полягав, що сума баріонних чисел до і після про­цесу однакова. Стабільність атомних ядер посередньо доводить універсальність цього закону.

Закон збереження лептонного заряду. Лептонний за­ряд вводиться для характеристики збереження лептонів. Відомо, що при-розпаді одночасно з електроном наро­джується й антинейтрино. Закони збереження електричного і баоіонного зарядів не забороняють процесу, в якому , однак він не спостерігається. Не спостері­гається також і аналогічний процес. Факт незнкщуваності лептонних частинок виражається законом

збереження лептонного заряду. В дійсності є два сорти леп­тонних зарядів / і по два сорти нейтрино і антинейтрино — електронні і— мюонні. Електронний

лептонний зарядприписується длязаряд

приписуютьі зарядрешті частинок,

у тому числі йМюонний лептонний заряд

приписують, а заряд— дляі заряд

— решті частинок. У процесах з народженням v інеобхідно вказувати, яке нейтрино і антинейтрино народжуються. Кілька прикладів наведено в таблиці 6:

Таблиця в

Для ізольованої системи алгебраїчна сума лептонних зарядів залишається незмінною. Це і є виразом закону збереження лептонного заряду для і відповідно для заряду.

Кожній елементарній частинці з даним набором чоти­рьох чисел (зарядів)відповідає інша частинка, в якої всі ці чотири числа мають протилежні знаки. При­чому маса, спін, час життя у частинок однакові. Такі дві частинки і утворюють пару частинка — античастинка. Підкреслимо, що лише одночасна зміна знака всіх чоти­рьох зарядів веде до античастинки.

Розглянуті закони збереження і відповідні квантові числане можуть, однак, пояснити «дивну»

поведінку масивних мезонів і гіперонів, які народжуються в сильних взаємодіях завжди у певних комбінаціях. Поведінка їх була дійсно дивною. Більшість гіперонів мають відносно великий час життя. Це можна зрозуміти, припустивши, що їх розпад здійснюється на основі слабшої взаємодії за звичайні ядерні. У той же час вони народжу­валися під час співударянь нуклонів і піонів, тобто у про­цесах, які характеризуються сильною взаємодією із звичайною для цих взаємодій інтенсивністю. Крім того,

виявилося, що в зіткненнях нуклонів і піонів спостерігає­ться лише парне народження ЛГ-мезонів і гіперонів.

У середині 50-х років американський фізик М. Гелл-Манн і японський К. Нісідзіма висловили припущення, що для гіперонів існує якийсь додатковий закон збере­ження, і ввели нове квантове число — дивність S.

Для пояснення відкритих закономірностей поведінки гіперонів треба припустити, що дивність зберігається в сильних і електромагнітних взаємодіях і не зберігається у слабких взаємодіях. Таким чином, дивність не є точним квантовим числом. Вона може набувати різних значень для частинок одного класу. Для античастинок дивності мають те саме значення, що й для частинок, однак з про­тилежним знаком.

Закон збереження енергії н імпульсу. Дані величезної кількості виконаних дослідів свідчать, що процеси наро­дження частинок мають місце лише в тому випадку, якщо енергія частинок, які беруть участь у співударі, перевищує певне значення, яке називають енергією реакції Q. Це обумовлено дією законів збереження енергії й імпульсу. Якщо на частинку (ядро) А діє частинка а і внаслідок взаємодії виникає частинка (ядро) В і частинка Ь, то закон збереження енергії Е для цього процесу запишеться так:

і дає величину енергії, яка виділяється (Q > 0) або погли­нається (Q<0) в даному процесі.

Якщо Q > 0, то відповідна реакція супроводжується виділенням кінетичної енергії за рахунок зменшення енер­гії спокою і називається екзоенергетнчною. Екзоенерге-тична реакція може йти при будь-якій кінетичній енергії падаючої частинки (якщо тільки ця енергія достатня для подолання кулонівських сил відштовхування ядра у ви­падку зарядженої частинки). Прикладом екзоенергетичної реакції в приведена в таблиці 5 реакція в якій звільняється у вигляді кінетичної енергії продуктів реакції енергія реакції. Ще більше енергії

звільняється в аналогічній реакції дейтрона з тритієм': , де, що становить 0,5 %

енергії спокою частинок. Ця величина в 10^а раз пере­вищує енергію хімічної реакції.

Обидві ці реакції відносяться до реакцій синтезу лег­ких елементів, які мають вести до вивільнення енергії. До різко екзоенергетичних реакцій відносяться також реакції поділу важких ядер, в яких виділяється приблизно 200 МеВ енергії на ядро.

Якщо Q<0, то реакція супроводжується зростанням енергії спокою за рахунок зменшення кінетичної енергії і називається ендоенергетичною. Ендоенергетична реакція може йти лише при досить великій кінетичній енергії падаючої частинки, оскільки з виразу (130.1) при Q<.0 випливає, що

Прикладами ендоенергетичних реакцій є всі реакції, крім першої з таблиці 5. Для цих реакцій Q < 0 і дорівнює приблизно 1 — 2/МеВ.

Нарешті, випадку Q= 0 відповідає пружне розсію­вання, при якому^!, тобто зберігається не лише повна енергія, а й кінетична, а значить, і енергія спокою, тобто маса частинок. Процес пружного зіткнення зводиться лише до перерозподілу кіне­тичної енергії між частинками, які співударяються.

Часто систему відліку зв'язують з бомбардованим ядром (мішенню) А, тоді

Закон збереження імпульсу для ядерних реакцій запи­сується у такому вигляді:

З цього співвідношення випливає важливий інваріант­ний вираз:

У фізиці елементарних частинок енергія частинки Е, її імпульс р і маса спокою т , зв'язані відомим вам з теорії відносності співвідношенням:

Цей інваріант часто використовується під час розв'язу­вання багатьох задач на взаємодію елементарних ча­стинок.

ФІЗИКА — НАУКОВА КАРТИНА СВІТУ — СВІТОГЛЯД — ТЕХНОЛОГІЯ