Глава 4

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЧАСТИЦ

Отыщи   всему   начало,   и   ты   многое поймешь.

К,   ПРУТКОВ

§ 19. ЧЕТЫРЕ ТИПА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Несмотря на большое разнообразие различных явлений, по современным представлениям в природе существует только четыре вида взаимодействия: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Рассмотрим их особенности.

1. Гравитационное взаимодействие

Когда чувства обманывают.

— Общая теория относительности Эйнштейна.

— Тяготение и движение.

— Какие синяки лучше?

— Тяжелая и инертная масса.

— Принцип эквивалентности.

— Чи­татель на карусели.

— Есть ли масса у света?

 

Больше всего вы знакомы с гравитационным взаимодействием, так как с ним приходится сталкиваться на каждом шагу. Послед­нее выражение можно понимать не только фигурально, но и бук­вально: даже сам процесс ходьбы был бы невозможен без гравита­ционного взаимодействия (и трения). Вся практическая деятельность человека на Земле непременно связана либо с использова­нием, либо с преодолением земного тяготения. Гравитационное взаимодействие Солнца и Земли удерживает Землю на орбите вокруг Солнца, которое питает ее теплом и поддерживает на ней жизнь.

Постоянно сталкиваясь с проявлением гравитации в обыден­ной земной жизни, мы привыкли считать, что гравитация — это очень сильное взаимодействие. И действительно, вы прекрасно знаете, как трудно было человеку оторваться от Земли, чтобы взлететь в космос. Да что там космос! Попробуйте подпрыгнуть выше 2 м. Если вы не спортсмен, то скорее всего такая попытка окончится полным разочарованием или даже болезненным уши­бом. А как трудно поднимать и тащить тяжелые предметы! Словом, из всей нашей практики создается впечатление о большой силе гравитационного взаимодействия. Однако на самом деле все эти сильные эффекты обязаны незаконной (с точки зрения науки) постановке опыта. Физики в таких случаях говорят, что опыт был недостаточно чистым. Ведь во всех перечисленных случаях мы рассматриваем взаимодействие разных предметов (космический корабль, спортсмен, груз) с одним и тем же громадным телом огромной массы — Землей и притом на минимальном расстоянии от нее. А как известно, сила гравитационного взаимодействия прямо пропорциональна произведению масс взаимодействующих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Так что величина рассмотренных эффектов характеризует не ин­тенсивность гравитационного взаимодействия как такового, а при­тяжение различных предметов массивной Землей, расположенной вблизи от них.

Чистый опыт, как вы, может быть, еще не успели забыть, был поставлен в 1798 г. Кавендишем, который специальными измере­ниями установил, что сила, действующая между двумя материаль­ными телами с массой по 1 г каждое и находящимися на расстоя­нии 1 см друг от друга, равна 6,67 · 10^-8 дин. Эта величина опреде­ляет константу γ, входящую в выражение для гравитационной силы F_Гp, действующей между двумя массами (т₁ и m₂), находящи­мися на расстоянии r:

                  (65)

где  γ = 6,67 ·10^-8 см³/(г · сек²) = 6,67 ·10^-11 м³ /(кг · сек²).

Как мы вскоре увидим, константа γ настолько мала по сравнению с константами других взаимодействий, что в ядерной физике с гра­витационным взаимодействием, как правило, не считаются. Все ос­тальные взаимодействия несравненно сильнее гравитационного. Да­же такое взаимодействие, которое ввиду его исключительной слабос­ти так и было названо слабым, в 10²⁶, т. е. в миллиарды миллиардов миллиардов раз сильнее гравитационного. И только в самое пос­леднее время в связи с развитием метода очень точного измерения энергии (эффект Мёссбауэра, § 35, п.2) было измерено в лаборатор­ных условиях гравитационное смещение частоты фотонов, предска­зываемое в общей теории относительности (см. § 20, п.1). Раньше это явление можно было заметить только как астрономический эффект (красное смещение лучей света при их прохождении в окрестности массивных звезд).

Общая теория относительности, развитая А. Эйнштейном в 1911—1916 гг., описывает гравитацию как некий эквивалент дви­жения с ускорением. Что между этими двумя явлениями много общего, вы прекрасно знаете из жизненного опыта: «перегрузки», которые вы испытываете при длительном (несколько секунд) плав­ном набирании скорости поездом метро (или электричкой), экви­валентны появлению на это время небольшого горизонтального поля тяготения, а ушибы, которые вы, возможно, получали при резком торможении поезда, вполне эквивалентны синякам, полу­ченным во время падения. И уж, конечно, в наш век реактивных полетов нет необходимости подробно писать о том, что эквива­лентность сил тяготения и перегрузок, возникающих при движе­нии с ускорением, хорошо известна нашим летчикам и космонавтам, а по их рассказам и всем остальным.

Но этим, так сказать, бытовым сходством между тяготением и движением с ускорением дело не ограничивается. Кроме качествен­ного сходства между ними имеется также количественная экви­валентность.

Из школьного курса физики вы знаете, что масса любого тела проявляется в двух совершенно разнородных явлениях, в связи с чем ее даже по-разному называют.

С одной стороны, масса тела проявляется в гравитационных явлениях, описываемых законом всемирного тяготения

(66)

открытым Ньютоном в 1682 г.

В соответствии с этим законом сила гравитационного взаимо­действия пропорциональна произведению гравитационных («тя­желых») масс т₁^гр и m₂^гр. Закон всемирного тяготения носит уни­версальный характер. Под т₁^гр и m₂^гр можно понимать любые массы, начиная от масс элементарных частиц и кончая массами планет, Солнца и сверхтяжелых звезд.

Если в качестве одной из масс взять нашу Землю, то уравнение (66) перепишется в форме

(67)

где R — радиус Земли; h — расстояние от ее поверхности. Уравне­ние (67) позволяет сравнивать гравитационные массы разных тел по силе их притяжения Землей, т. е. по их весу Р*:

                                                          ⁽⁶⁸⁾

С другой стороны, в соответствии с уравнениями механики тело с инертной массой т_ин под действием силы F приобретает ускоре­ние

                                            (69)

В частности, под действием гравитационной силы F_гp тело должно приобрести   ускорение

                                            (70)

 

 

Заранее вовсе не очевидно, что масса m_гp, входящая в уравне­ние (67), пропорциональна (или равна) массе т_ин, входящей в урав­нение (70). Предположим, что они не пропорциональны:

                                                 

(k = const — коэффициент).  Тогда из  уравнений  (70)  и (67) сле­дует

          (71)

т. е. ускорение разных тел в поле тяготения различно. При m_гp = т_ин (или даже m_гp = kт_ин, где k = const) получим

       (72)

т. е. ускорение любого тела в данном поле тяготения (и на данном расстоянии)  одинаково.

Весь жизненный опыт человечества и все специально постав­ленные эксперименты указывают на то, что верно последнее. В этом убедился еще сам Ньютон, проделав опыты по определе­нию периода колебаний маятников одинаковых размеров и формы, изготовленных из разных материалов.

В свое время в школе вы делали опыт по сравнению падения различных тел в вакуумизированной трубке. В наши дни верность высказанного положения особенно наглядно следует из того, что все предметы внутри космического корабля, движущегося по ор­бите с выключенными двигателями, остаются в состоянии относи­тельного покоя (если не считать случайных флуктуационных дви­жений, вызванных, например, движением воздуха в кабине). А ведь предметы космического корабля одновременно участвуют в падении на Землю с ускорением g, когда проявляется гравитацион­ная масса, и в движении по инерции, при котором проявляется инертная масса. Из того обстоятельства, что оба движения в точ­ности компенсируют друг друга для всех предметов, следует, что независимо от величины т всегда m_гp = km_ин, где k = const (в частности, можно принять k = 1).

Положение о т_гр = т_ин и о g = const приводит к эквивалентности тяготения и движения с ускорением. Действительно, си­стема (например, космический корабль или лифт), движущаяся с ускорением g, будет создавать в данном месте пространства точно такие же эффекты, что и поле тяготения. Все предметы, находящиеся в этой системе, так же как тела в поле тяготения, имеют одинаковое по величине и направлению ускорение. Находясь внутри ускоренно движущейся системы, вы не сможете никаким способом отличить движение с ускорением от тяготения. Вот эта возможность эквивалентной  замены тяготения   движением с уско­рением и называется принципом эквивалентности Эйнштейна.

Прочтя эти строки, вы можете сказать: но ведь все это было известно и до Эйнштейна! В какой-то мере да. Но, во-первых, Эйн­штейн распространил принцип эквивалентности с механических явлений на все явления природы (включая, скажем, свет). Во-вторых, до Эйнштейна эквивалентность тяготения и движения с ускорением рассматривалась в молчаливом предположении о мгно­венном распространении гравитационного взаимодействия. Задача Эйнштейна заключалась в том, чтобы сохранить это положение в условиях справедливости сформулированного им же специального принципа относительности, согласно которому ни один сигнал (в том числе и гравитационное взаимодействие) не может распро­страняться со скоростью больше скорости света. Эта задача и была решена в общей теории относительности.

Выше при описании результатов специальной (частной) тео­рии относительности мы сознательно отказались от описания самой теории. Тем более не будем пытаться описывать общую теорию относительности, которая математически значительно сложнее, так как она опирается на криволинейную (неевклидову) геометрию*. Ограничимся только простейшими пояснениями и замечаниями.

 

Представьте себе теперь, что наша карусель со всех сторон закрыта и что вращается она очень плавно, без толчков. Тогда, находясь внутри такой карусели, вы никаким опытом не сумеете установить причину испытываемого вами добавочного усилия. С равным успехом вы можете приписать его как вращению, так и дополнительному полю тяготения специальной конфигурации. Со­гласно принципу эквивалентности то же заключение касается и всех остальных упомянутых выше эффектов, вызванных быстрым вращением: замедление времени, сокращение размеров, наруше­ние евклидовой геометрии. Все эти эффекты должны наблюдаться при замене быстрого вращения подходящим полем тяготения.

Итак, подобно тому как в специальной теории относительности проявляется тесная взаимосвязанность между пространством и вре­менем, в общей теории относительности столь же связанной с ними оказывается и масса. Благодаря действию массы пространство как бы искривляется. Траекторией свободно движущегося тела в общем случае является не прямая, а кривая, при движении по кото­рой тело ускоряется, т. е. испытывает действие силы. Так как кри­визна присуща пространству, то ускорение не зависит от массы движущегося тела, а является характеристикой только места в пространстве (и, конечно, массы того тела, например, Солнца или Земли, которое «деформирует» пространство).

Таким образом, в общей теории относительности механика Ньютона, оказывается, связана с его же законом всемирного тяготения гораздо теснее, чем об этом предполагал сам Ньютон.

Общая теория относительности приводит к нескольким следстви­ям, которые могут быть проверены экспериментально. Об одном из них — гравитационном смещении частоты фотонов — мы уже упоминали выше. Другое заключается в искривлении траектории светового луча при прохождении его вблизи от массивного тела. Оба эффекта связаны с тем, что, согласно Эйнштейну, движущиеся фотоны, и в частности свет, обладают массой

                                                                      (73)

на которую действует гравитационное поле. В § 20, п. 1 мы расскажем о том, как проверили эту формулу в лабораторных условиях.

 

2. Электромагнитное взаимодействие

 

Сравнение с гравитационным.

— Скрытое могущество.

— Немного фантазии.

— Время протекания электромагнитных процессов.

 

Другое взаимодействие, с одним из видов которого вы тоже хорошо знакомы, — это электромагнитное взаимодействие. Из курса физики вы знаете, что два электрических заряда q_l и q₂, находящиеся на расстоянии r, притягиваются (если они разно­именные) или отталкиваются (если одноименные) с силой, определяемой законом Кулона

                                                                (74)

При измерении F_эм — в динах, q — в электростатических единицах количества электричества, r — в сантиметрах, коэффициент k=1.

Этот закон взаимодействия электрических зарядов очень похож на закон гравитационного взаимодействия. Там пропорциональность произведению масс, здесь — произведению зарядов. И там и здесь — обратная пропорциональность квадрату рас­стояния между взаимодействующими объектами. Оба взаимодейст­вия относятся к числу дальнодействующих. Они проявляются на любом сколь угодно большом расстоянии. Однако эти взаимодейст­вия очень сильно отличаются по своей интенсивности.

Сравним, например, силу гравитационного притяжения F_гр двух протонов, находящихся на расстоянии 2·10^-13 см (среднее расстояние между нуклонами в атомном ядре), с силой их электростатического отталкивания F_эл

   (75)

Вы видите, что электростатическое взаимодействие двух протонов примерно в 10³⁶ раз сильнее, чем их гравитационное взаимодейст­вие, причем это соотношение справедливо при любом расстоянии между протонами, так как в обе формулы r входит в одинаковой степени.

Если бы мы для сравнения взяли не два протона, а протон с электроном (или два электрона), то в этом случае различие воз­росло бы еще примерно в 2000 (4 000 000) раз.

Спрашивается, почему же, сталкиваясь с электростатическим взаимодействием в жизни, мы не замечаем этой его огромной силы; наоборот, у нас складывается впечатление, что электростатическое взаимодействие гораздо слабее гравитационного?

Здесь действуют две причины. Об одной мы уже говорили выше. Она заключается в том, что мы наблюдаем гравитационные эффек­ты, силу которых определяет не только масса данного тела, но и вся огромная масса притягивающей его Земли. Другая причина заключается в том, что в гравитационном взаимодействии двух каких-либо тел всегда участвуют все атомы этих тел, т. е. все протоны, все нейтроны, все электроны, из которых атомы состоят. Между тем в повседневной жизни мы никогда не видим полного проявления электростатических сил. В макроскопическом куске вещества почти все положительные и отрицательные электрические заряды скомпенсированы, так как они связаны между собой в электрически нейтральные системы — атомы. Наблюдавшийся ва­ми на опыте в школе слабый эффект взаимодействия наэлектризо­ванных при трении предметов обусловлен лишь ничтожным избыт­ком (или недостатком) одноименного заряда по сравнению с общим количеством связанных зарядов в этих предметах. Эти небольшие избытки зарядов и воздействуют на весь кусок вещест­ва, например сообщают ему ускорение. Ясно, что из-за большой массы нейтральных атомов со скомпенсированными зарядами уско­рение макрокуска вещества будет невелико. И только в микромире, где каждый заряд «работает исключительно на себя» (т. е. на массу той элементарной частицы, с которой он связан), эти силы про­являются в полной мере. Любопытно заметить, что если бы окру­жающие нас предметы состояли не из нейтральных атомов, а хотя бы из однозарядных ионов*, то электростатическое взаимодейст­вие между ними было бы чрезвычайно велико. При этом достаточно «превратить» в ионы совсем небольшую долю атомов.

Так, например, из выражения (75) видно, что два макротела будут иметь электромагнитное взаимодействие, равное по величине гравитационному, если в них ионизовать всего 1/10¹⁸ часть ато­мов. В среднем в 1 см³ любого твердого вещества содержится около 5 · 10²² атомов. Из них надо ионизовать всего 50 000. Это количест­во содержится в кубике с ребром 0,01 мк. Даже, если распределить все ионы в одном атомном слое (толщиной 10^-8см), то и тогда площадь участка слоя, занятого ионами, составит всего 10^-10 см² = 0,01 мк², т. е, будет изображаться квадратом со стороной, равной 0,1 мк. И вот такое мизерное количество ионов может полностью скомпен­сировать гравитацию! Любителям пофантазировать мы предлагаем использовать эту идею в качестве «научной» базы для научно-фантастического произведения, в котором может быть все, начиная от летающих тарелок и электрических пистолетов, до плавающих городов наподобие магнитного острова Свифта. Только не рассмат­ривайте, пожалуйста, потом эти фантазии в качестве изобретений, так как они неосуществимы (подумайте, почему?).

 

 

 

Мы упомянули лишь одно проявление электромагнитного взаи­модействия — электростатическое притяжение (или отталкивание) электрических зарядов по закону Кулона. Кроме того, физикам известно еще много других видов электромагнитного взаимодейст­вия. Некоторые из них знакомы и вам. Это магнитное взаимодейст­вие некоторых материалов, первопричиной которого являются электрические и магнитные свойства элементарных частиц; испуска­ние атомом света и рентгеновских лучей; γ-излучение ядер; фото­эффект. С другими вы познакомились (или познакомитесь) в этой книге. Это ионизационное торможение заряженных частиц, при котором энергия частицы тратится на возбуждение и ионизацию атомов среды (см. § 3); радиационное торможение заряженных частиц, при котором энергия частицы тратится на излучение (§ 36, п. 4), образование электрон-позитронных пар под действием γ-квантов и обратный процесс аннигиляции электрона и позитрона с образованием двух γ-квантов (§ 18, п. 2); эффект Вавилова — Черенкова (§ 13) и некоторые другие. Наконец, мы не останавли­ваемся здесь на таких важных силах, как химические, упругие и силы трения, которые тоже имеют электромагнитную природу*.

Из всех взаимодействий электромагнитное взаимодействие наи­более хорошо изучено теоретически. Согласно квантовой электро­динамике любой электрический заряд окружен электромагнитным полем, с которым он взаимодействует. В результате этого взаимодей­ствия возникают (или поглощаются) фотоны. Так, например, в атоме нет фотонов в готовом виде. Они возникают в самый момент их испускания.

В электромагнитном взаимодействии участвуют все заряжен­ные частицы, фотон (γ-квант), являющийся переносчиком электро­магнитного взаимодействия, π⁰-мезон (распадающийся на два γ-кванта) и нейтрон (у которого нет заряда, но есть магнитный момент). Из элементарных частиц только нейтрино и антинейтрино не участвуют в электромагнитном взаимодействии.

Характерным временем для электромагнитного процесса яв­ляется τ_эм ≈10^-20 сек. Оно во столько же раз больше введенного выше (§ 18, п. 3) ядерного времени τ_яд ≈10^-23 сек, во сколько ядерное взаимодействие сильнее электромагнитного**.

 

3. Сильное (ядерное) взаимодействие

 

Самые интенсивные силы.

— Насыщение.

— Спиновая зависи­мость.

— Нецентральный характер.

— Зарядовая симметрия и зарядовая независимость.

— Обменный характер.

— Ядерные кванты.

 

Третий вид взаимодействия, который мы рассмотрим, называет­ся сильным (или ядерным). Это те самые ядерные силы, которые обеспечивают связь между нуклонами в атомном ядре, в том числе между одноименно заряженными протонами. Перечислим основные свойства ядерных сил.

* Подробнее о разных проявлениях электромагнитного взаимодействия и о других силах можно прочесть в книге В. Григорьева и Г. Мякишева «Силы в природе». М., «Наука», 1966.

** Эта связь между силой взаимодействия и временем его протекания объяс­няется в квантовой механике при помощи соотношения неопределенностей ΔEΔt ≈ ħ  (см. § 18, п. 3).

 

2. Ядерные силы — это не электрические силы, так как они действуют не только между заряженными протонами, но и между не имеющими зарядов нейтронами; и не гравитационные, которые слишком малы для объяснения ядерных эффектов.

3. Ядерные силы — очень интенсивные силы. Интенсивность ядерных сил значительно больше интенсивности электромагнит­ных сил, так как ядерные силы удерживают внутри ядра однои­менно заряженные   протоны, отталкивающиеся друг от друга с огромными электрическими силами. Оценки показывают, что ядер­ные силы примерно в 100—1000 раз сильнее электромагнитных. Поэтому ядерное взаимодействие и называют сильным.

4.  Соответственно (как уже было замечено) ядерное взаимодей­ствие протекает за время, в 100—1000 раз меньшее времени элект­ромагнитного взаимодействия.  Характерным временем для силы кого (ядерного) взаимодействия является так называемое ядерное время  τ_яд ≈10^-23 сек (подробнее о ядерном времени см. § 18, п. 3).

5.  Область действия ядерных сил ничтожно мала. Радиус их действия а по порядку величины равен

.

При больших  расстояниях между частицами  ядерное взаимодействие не проявляется. Силы, интенсивность которых быстро ослабевает с расстоянием (например, по закону е^-ar/r, где е ~ 2,72), называют­ся короткодействующими. Ядерные силы в отличие от гравитацион­ных  и  электромагнитных  сил  относятся   к  короткодействующим силам.   Короткодействующий  характер   ядерных  сил   следует  из малых размеров ядер (<10^-12 см) и из того, что при сближении двух  ядер  (например,  двух  протонов,  которые являются ядрами атомов водорода) вплоть до расстояний ~10^-12 см действуют только электромагнитные   силы, и лишь на расстояниях   ~10^-13 см над кулоновским  отталкиванием  протонов  начинает  преобладать  их ядерное притяжение.

6.  Изучение степени  связанности  нуклонов  в  разных  ядрах (см. § 22) показывает, что ядерные силы обладают свойством на­сыщения, аналогичным   валентности химических   сил. В соответ­ствии с этим свойством ядерных сил один и тот же нуклон взаимо­действует не со всеми остальными нуклонами ядра,  а только с несколькими соседними.

7.   Ядерные силы зависят от ориентации спина*. Оказывается, только при параллельных спинах нейтрон и протон могут образо­вать ядро — дейтрон (рис. 23, а). Если же спины у них антипарал­лельны, то интенсивность ядерного взаимодействия недостаточна для образования ядра (рис. 23, б).

8.   Ядерные силы имеют нецентральный характер, т. е. величи­на взаимодействия зависит от взаимного расположения нуклонов относительно направления  их  спина.  Так,  в  ядре дейтрона  ось нуклонов и   их суммарный спин имеют одинаковое направление (рис. 24, α). При другом расположении частиц (рис. 24, б) взаимо­действие оказывается слабее, и дейтрон не образуется.

 

 

9.  Важнейшим свойством ядерных сил является зарядовая симметрия и зарядовая независимость, т.е. равенство трех типов ядерного взаимодействия: р-р (между двумя протонами), п-р (между нейтроном и протоном и   п-п   (между   двумя   нейтронами). При этом предполагается, что все три случая рассматриваются в экви­валентных условиях (например, по ориентации спина) и что кулоновское отталкивание протонов в первом случае не учитывается. Это свойство ядерных сил было доказано сравнением результатов опытов (для третьего случая косвенных) по изучению рассеяния одного нуклона на другом (подробнее см. § 20, п. 6).

10.  Наконец,   взаимодействие  нейтрона  с   протоном   обладает еще одной замечательной особенностью: эти две частицы в процес­се ядерного взаимодействия могут обмениваться своими электри­ческими зарядами (обменный характер ядерных сил), так что после взаимодействия нейтрон превращается в протон, а протон в нейт­рон.  Квантовомеханический анализ этого свойства ядерных сил (см. § 18, п. 3) позволил установить механизм ядерного взаимодейст­вия. Согласно современным представлениям, ядерное взаимодейст­вие между нуклонами осуществляется при помощи π-мезонов, ко­торые являются ядерными квантами (подобно тому как фотоны являются квантами электромагнитного поля). В процессе ядерного взаимодействия один нуклон испу­скает π-мезон, а другой поглощает его (см. § 18, п. 3).

В ядерном взаимодействии уча­ствуют все сильновзаимодействующие частицы (адроны): нуклоны, π-мезоны, странные частицы и резонансы (а также античастицы пере­численных частиц). Из элементарных частиц в ядерном взаимодействии не участвуют только фотон и лептоны (нейтрино, антинейтрино, электрон, позитрон и μ⁺-мезоны).

Теория сильного взаимодействия находится в гораздо более тяжелом положении, чем теория электромагнитного взаимодейст­вия. И только в самые последние годы появились некоторые на­дежды на построение теории сильных взаимодействий в связи с удачными попытками систематизации адронов (см. § 39).

 

4. Слабое взаимодействие

 

Самые короткодействующие силы.

— Характерное время.

— Так ли уж оно слабо?

— От девичьей ресницы до Солнца.

— Кто как взаимодействует.

 

Последний вид взаимодействия, который мы рассмотрим, называется слабым, так как его сила чрезвычайно мала по сравнению с силой других взаимодействий (сильного и электромагнитного), рассматриваемых в ядерной физике. И только гравитационное взаимодействие во много-много раз слабее слабого взаимодейст­вия. Принято считать, что радиус действия слабых сил равен нулю (во всяком случае много меньше радиуса действия ядерных сил).

В отличие от всех предыдущих взаимодействий слабое взаимодействие, по-видимому, не приводит к образованию связанных состояний. Поэтому оно известно главным образом как распадное взаимодействие [см. также формулу (88)].

Примером слабого взаимодействия является упомянутый выше β-распад нейтрона, при котором нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино:

           (76)

Впервые распад нейтрона был изучен экспериментально в 1950 г. одновременно в СССР, США и Канаде (в Советском Союзе П. Е. Спиваком и его сотрудниками). В результате измерений было установлено, что время жизни нейтрона равно около 17 мин. Это самое большое время жизни для метастабильной частицы, рас­падающейся за счет слабого взаимодействия*.

В других случаях слабого распада время жизни частиц оказы­вается значительно меньше. Например, распад μ⁺-мезонов по схе­мам

                                                                            (77)

                                                                            (78)

протекает за время  2,2·10^-6 сек;  распад π^±-мезонов  по схемам

                                                                                  (79)

                                                                                  (80)

за время 2,55 · 10^-8 сек; распад K⁺-мезонов по схемам

                                                                                  (81)

(и еще трем  другим) — за   время   1,23·10^-8 сек;  а  распад всех гиперонов   (за   исключением Σ⁰-гиперона, который  распадается электромагнитным способом, т.е. быстро,  τ_Σ0≈10^-19 сек) проис­ходит за время ~ 10^-10 сек

 

                                                         (82)                                                     

                               (83)

                              (84)

                                (85)

Время τ ≈ 10^-10 сек — самое маленькое время для процесса сла­бого распада.

Таким образом, диапазон изменения времени жизни у частиц, распадающихся в механизме слабого взаимодействия, очень широк (от 1000 до 10^-10 сек). Однако характерным временем для процесса слабого взаимодействия считается нижняя граница этого диапа­зона τ _сл ≈ 10^-10 сек, так как превышение времени жизни у отдель­ных частиц над этой величиной объясняется дополнительными об­стоятельствами (например, в случае β-распада нейтрона — очень маленькой энергией β-распада:

т_п–т_p–т_e = 939,55 – 938,26–0,51 = 0,78 Мэв).

Величина τ _сл ≈ 10^-10 сек столь же характерна для слабого взаи­модействия, как τ _яд ≈ 10^-23 сек — для сильного и τ _эм ≈ 10^-20  сек для электромагнитного. Так как τ _сл в 10¹³ больше τ _яд, то слабое взаимодействие в 10¹³ слабее ядерного (сильного).

Теперь мы с вами можем сопоставить по силе все четыре взаи­модействия для протонов.

В разных местах этого параграфа мы получили, что электромагнитное взаимодействие в 10³⁶ раз сильнее гравитационного, ядер­ное — в 10³ раз сильнее электромагнитного и в 10¹³ раз сильнее слабого. Если принять силу ядерного взаимодействия за еди­ницу, то сила электромагнитного взаимодействия будет характеризоваться величиной 10^-2 — 10^-3, слабого — 10^-13 — 10^-14, а грави­тационного 10^-39. Наглядной (но, конечно, условной) иллюстра­цией этого различия является сравнение силы гравитационного взаимодействия с весом девичьей ресницы (естественной), слабого — с весом двадцатипятикилометрового свинцового куба, электро­магнитного — с «весом» всех планет Солнечной системы и, нако­нец, сильного — с «весом» самого Солнца. Из этого сопоставления вы видите, насколько гравитационное взаимодействие слабее всех остальных взаимодействий, даже слабейшего из них. Именно по­этому гравитационное взаимодействие обычно не учитывают в ядерной физике.

В остальных трех взаимодействиях различные частицы участ­вуют по-разному.

Так, например, нейтрино может участвовать только в слабом взаимодействии. Поэтому любой процесс с участием нейтрино — обязательно слабый, т. е. идет медленно, и наоборот, в сильном и электромагнитном процессе не может возникнуть или поглотиться нейтрино. Аналогично γ-квант может участвовать только в электромагнитном взаимодействии.

Ряд частиц может участвовать в двух взаимодействиях. При­ведем три примера (по одному на каждую пару взаимодействий). Электрон может образоваться в слабом процессе β-распада и в электромагнитном процессе рождения электрон-позитронной пары γ-квантом. π⁰-Мезон рождается в сильном процессе столкно­вения нуклонов, а распадается по схеме π⁰ → 2γ, т.е. электромаг­нитным способом. Наконец, Λ⁰-гиперон рождается в сильном процессе взаимодействия π^--мезонов с протонами

                          (86)

а распадается по схеме

                                    (87)

за время τ ≈ 10^-10 сек, т. е. слабым образом.

Многие частицы (протон, нейтрон, π-мезоны, ряд странных частиц) способны участвовать во всех трех взаимодействиях. В качестве примера такой частицы рассмотрим протон. Протон участвует в сильном и электромагнитном взаимодействиях, если он рассеивается на другом протоне в пределах области действия ядерных сил (r < 2∙10^-13 см); только в электромагнитном, если это рассеяние происходит за пределами этой области. Примером слабого взаимодействия протона является процесс обратного β-pacпада, идущий по схеме

                                   (88)

Этот процесс впервые наблюдали экспериментально в 1953 г. Рейнес и Коуэн, которые тем самым в прямом опыте доказали сущест­вование нейтрино (антинейтрино).

На примере с тремя типами взаимодействия протонов видно, что есть возможность выделить одно из них (сильное от электро­магнитного выделяется величиной и знаком).

Другим хорошим примером частицы, участвующей во всех видах взаимодействий, является нейтрон. Действительно, нейтрон испытывает сильное ядерное рассеяние на протоне; он взаимо­действует электромагнитным способом благодаря наличию маг­нитного момента; наконец, он распадается по схеме

слабым образом.