Глава 1. (Вводная, она же заключительная)

ЧТО ТАКОЕ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

§ 2. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ МЕЖДУ НИМИ

Из чего и как устроен атом.

— Протон, нейтрон и электрон.

— Ядерные и электромагнитные силы.

— Позитрон и нейтрино.

— Слабые силы.

—Мезоны.

—Странные частицы.

— Свойства элементарных частиц.

— Законы сохранения.

— Античастицы.

— Резонансы.

— Кварки.

Как уже было сказано, впервые об элементарных частицах как о составных частях любого атома стали говорить в конце XIX —начале XX столетия. Именно в это время было показано, что атомы могут преобразовываться друг в друга при радиоактивных превращениях, которые заключаются в испускании атомом (как считали тогда, а на самом деле атомным ядром) а-частиц, электронов, у-кван-тов. В эти же годы (несколько раньше) были открыты катодные и рентгеновские лучи, испускание которых различными атомами свидетельствовало о сходстве в устройстве всех атомов.

Следующими этапами в познании строения атома было открытие тяжелой заряженной сердцевины атома — атомного ядра (1911 г.) и его составных частей: протона (1919 г.) и,нейтрона (1932 г.). После открытия нейтрона структура атома окончательно определилась, и с тех пор наши представления о его устройстве остаются практически неизменными. Согласно этим представлениям любой атом состоит из определенного количества трех видов элементарных частиц: протонов р, нейтронов п и электронов е. Протоны и нейтроны, масса каждого из которых примерно в 1800 раз больше массы электрона, образуют тяжелое положительно заряженное атомное ядро очень малых (10^-13 — 10^-12 см) размеров. Протоны и нейтроны (которые вместе называются нуклонами N) удерживаются внутри атомного ядра ядерными силами притяжения (§ 18, п. 3 и § 19, п. 3). Ядерные силы — самые интенсивные силы природы. Они гораздо (раз в 100) сильнее электромагнитных сил и поэтому удерживают внутри ядра одноименно заряженные протоны. Но ядерные силы Действуют только на очень малых (~10^-13 см) расстояниях, а электромагнитные силы убывают с расстоянием сравнительно медленно (по закону 1/r²). Поэтому на расстоянии от ядра r ≥ 10^-12 см протоны сильно отталкиваются от него.

Разные типы атомных ядер отличаются друг от друга числом содержащихся в них протонов и нейтронов. В легких ядрах число протонов примерно равно числу нейтронов, в тяжелых — протонов примерно 40%, а нейтронов 60%.

Вокруг атомного ядра на относительно очень больших расстояниях (10^-8 см) находятся отрицательно заряженные электроны, которые удерживаются в области атома электромагнитными силами притяжения, действующими на них со стороны положительно заряженного ядра. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре.

При преобразованиях атомных ядер из них испускаются электроны и антинейтрино (β^--распад), позитроны и нейтрино (β⁺-распад), γ-кванты (испускание γ-лучей). Первые два процесса идут под действием слабых β-сил, ответственных за медленные процессы (слабое взаимодействие, § 19, п. 4), последний под действием электромагнитного взаимодействия (§ 19, п. 2).

Перечисленные частицы не входят в состав ядра, так как они образуются непосредственно в момент испускания. Тем не менее эти частицы также называют элементарными потому, что ни одну из них нельзя «составить» из других (тогда как атомное ядро можно составить из протонов и нейтронов, а атом из протонов, нейтронов и электронов).

После открытия нейтрона начались интенсивные исследования свойств ядерных сил. В результате выяснилось, что для объяснения некоторых из этих свойств надо предположить существование в природе новых элементарных частиц, поиски которых в конце концов привели к открытию (μ- и κ-мезонов. В свою очередь изучение свойств [μ - и π-мезонов привело к открытию Κ-мезонов и гиперонов, названных за свои удивительные свойства странными частицами.

Каждая элементарная частица характеризуется целым набором свойств: масса, спин (собственный момент количества движения, характеризующий состояние квантовомеханического «вращения» частиц), изотопический спин (характеристика сильновзаимодействующих частиц), электрический заряд, барионный" заряд (характеристика тяжелых частиц, начиная с нуклонов), лептонный заряд (характеристика электронов, позитронов, μ⁺-мезонов, нейтрино и антинейтрино), странность (характеристика странных частиц), четность (характеристика, сильновзаимодействующих частиц и фотона), маггнитный момент, схема распада, время жизни, характер взаимодействий , вкоторых она учатвуют. Большинство из перечисленых характеристик имеют всего лишь по несколько значений. Например, электрический заряд любой из известных частиц может быть равен либо, +2е, либо +е, либо –е, либо 0. Однако масса и время жизни (а также магнитный момент) у большинства частиц различны*. Масса известных частиц лежит в диапазоне от нуля (γ -квант, нейтрино) до ~3280 электронных масс (т_е) для Ω^--гиперона**. В промежутке между ними находятся электрон (1 т_е); μ - и π -мезон (соответственно около 200 и 300 т_е); η- и Κ -мезоны (около 1000 те); нуклоны (около 1800 т_е); гипероны (более 2100 те).

Наиболее короткоживущими из перечисленных частиц являются η -мезон и ∑⁰-гиперон, время жизни которых примерно равно 10^-19 сек, за ними идет π⁰-мезон (~10^-16 сек), все остальные гипероны и Κ⁰₁-мезон (~ 10^-10 сек), it π^±-, Κ ^±- и Κ⁰₂-мезоны (~10^-8 сек), μ-мезоны (~10^-8 сек). Все эти частицы можно назвать метастабильными, так как они стабильны относительно сильного взаимодействия. Наиболее долго живет среди метастабильных частиц нейтрон (—17 мин). Наконец, ряд частиц (γ -квант, электрон, нейтрино и протон) стабильны, так как они не распадаются ни под действием сильного, ни под действием электромагнитного, ни под действием слабого взаимодействия.

Опыт показывает, что во всех видах взаимодействия (сильном, электромагнитном и слабом) элементарных частиц выполняются законы сохранения (§ 20, п. 1 — 6) энергии, импульса, момента количества движения, электрического, барионного и лептонного зарядов. В сильных и электромагнитных взаимодействиях, кроме того, выполняется закон сохранения странности и четности. В сильных взаимодействиях сохраняется изотопический спин.

Для каждой элементарной частицы, кроме недавно открытого Ω^- -гиперона, были обнаружены античастицы (у π⁰ -мезона, η -мезона и γ -кванта античастица и частица тождественны).

Античастица электрона — позитрон. Его существование было предсказано в 1928 г. теоретически (§ 18). Экспериментально он был обнаружен в 1932 г. в космических лучах. В 1955 г. был открыт антипротон, а в 1956 г. — антинейтрон. Они являются античастицами протона и нейтрона (§ 38).

Античастица имеет тождественные со своей частицей массу, спин и время жизни и противоположные заряды (электрический, барионный, лептонный, странность) и магнитный момент. Схема распада античастицы аналогична схеме распада частицы, если в последней все частицы заменить античастицами. В связи с тем, что у античастицы все заряды противоположны зарядам соответствующей частицы, встреча частицы со своей античастицей приводит к специфическому ядерному процессу — аннигиляции (§ 8 и 18, п. 2). В процессе, аннигиляции частица и античастица превращаются в другие частицы с меньшей массой (но зато с большей кинетической энергией или в электромагнитное излучение (γ -кванты). В соответствии с закономи сохранения зарядов суммарный заряд каждого типа у образующихся при аннигиляции частиц равен нулю (так как он равен нулю у аннигилирующих частиц). В процессе аннигиляции можно «освободить» наибольший процент энергии, «законсервированной» в массе частиц, и превратить ее в действенную форму — кинетическую энергию частиц.

Всего (вместе с античастицами) в настоящее время известно 34 частицы, и никто из физиков не сомневается в существовании 35-й частицы — анти-, Ω^- -гиперона. Основные свойства элементарных частиц даны в табл. 1.

Кроме перечисленных 34 метастабильных частиц в последние годы было открыто несколько десятков чрезвычайно короткоживу-щих частиц (нестабильных относительно сильного взаимодействия), названных резонансами, которые распадаются за очень малое время т»10~23—10~22 сек. Это время всего в несколько раз превосходит минимальное время, характерное для ядерного взаимодействия (тяд як 5 • 10~24 сек). Таким образом, резонансы распадаются, едва успев отлететь от области, в которой они возникли, на расстояние, лишь ненамного превышающее размеры этой области. Тем не менее свойства резонансов изучены почти столь же хорошо, как и свойства «нормальных» элементарных частиц. Для резонансов, так же как и для частиц, известны масса, спин, заряды, схема распада, время жизни (точнее, характеристика, эквивалентная времени жизни— ширина резонанса Г=й/т). В табл. 2 приведены свойства некоторых резонансов.

Большое количество элементарных частиц с родственными свойствами заставляет физиков искать способы их классификации. В настоящее время некоторые успехи в этом направлении получены на

основании унитарной симметрии, согласно которой частицы с одинаковыми спинами и четностями образуют супермультиплеты, т е. группы частиц с близкими массами и закономерно изменяющимися зарядами и странностями (§ 39, п. 1). Наибольшим успехом унитарной симметрии было предсказание существования fir-гиперона, который вскоре был открыт. В последнее время предпринимаются попытки обнаружить в природе так называемые кварки — три частицы с весьма необычными свойствами (например, с дробным электрическим зарядом е/3), из которых по современным представлениям можно составить любую сильновзаимодействующую частицу (§ 39, п. 2 и 3).