Физические явления, физика, статьи по физике.

Пока Паули изучал непрерывный спектр бета-излучения,

возник еще один, не менее сложный вопрос.

Объем атомного ядра составляет примерно 10

40

см. Сила

электромагнитного отталкивания между находящимися столь

близко друг к другу протонами колоссальна. Пока ученые счи­

тали, что в ядре также существуют и электроны, можно было

предположить, что сила взаимного электромагнитного отталки­

вания электронов (которая также очень высока) компенсирует

силу отталкивания протонов. Таким образом, электроны явля­

лись «ядерным цементом». Внутреннее строение ядра объясня­

лось с точки зрения электромагнитных сил, как и взаимосвязь

атомов и молекул.

Устойчивость ядра можно объяснить, лишь предположив,

что между нуклонами существует действующая только на край­

не небольшом расстоянии сила взаимного притяжения, гораз­

до сильнее силы отталкивания.

В начале 1930-х годов в результате развития квантомехани-

ческого анализа было сделано предположение, что сила, дей­

ствующая на таком расстоянии, на каком действует электромаг-

нитная сила, возникает за счет испускания и поглощения фо­

тонов. Обменивающиеся фотонами заряженные частицы испы­

тывают обменные силы

1

. Термин был предложен Гейзенбергом в

1932 году. По аналогии было сделано предположение, что сила

гравитации действует за счет испускания и поглощения грави­

тонов (см. гл. 13).

И электромагнитные силы, и сила гравитации, разница меж­

ду которыми заключается лишь в площади испускающей их по­

верхности, действуют на расстоянии космического масштаба.

Однако предполагаемая ядерная сила должна действовать

лишь на крайне небольшом расстоянии: большом внутри ядра

и незначительном — за его пределами. В большом атомном

ядре ядерная сила должна действовать лишь в пределах его диа­

метра. Возможно, именно поэтому ядра более тяжелых элемен­

тов с такой легкостью вступают в реакцию деления ядра.

Японский физик Хидоки Юкава (1907—1981) задался целью

выяснить механизм столь необычайно большой силы со столь

коротким радиусом действия. Я расскажу вам о его умозаклю­

чениях в упрощенном виде, не вдаваясь в квантомеханические

подробности. Согласно принципу неопределенности невозмож­

но точно определить одновременно и местоположение, и им­

пульс. Погрешность определения одного из них, умноженная на

погрешность определения другого, приблизительно равна по­

стоянной Планка. Местоположение и импульс можно заменить

на энергию и время. Получается, что невозможно определить

точное количество энергии системы в определенный момент

времени. Всегда существует небольшой период, во время кото­

рого количество энергии невозможно определить точно. По­

грешность измерения количества энергии, умноженная на по­

грешность определения времени, опять-таки приблизительно

равна постоянной Планка.

В течение периода, во время которого невозможно точно оп­

ределить количество энергии, протон, например, может испус­

тить микрочастицу. Вообще-то у него для этого нет энергии, но

за тот период, что мы не можем точно определить его энергию,

протон легко может нарушить закон сохранения энергии, так

сказать, совершенно безнаказанно, поскольку никто не может

проконтролировать соблюдение этого закона.

К концу этого периода частица, которую испустил протон,

должна вернуться на свое место, и протон снова уже будет под-

чиниться закону сохранения энергии. Частица, испускание и

поглощение которой прошло так быстро, что ее невозможно

обнаружить,

называется виртуальной частицей. Теоретически

она должна существовать, но нет способа обнаружить ее на

практике.

No Comments »

Со временем стало ясно, что существует не один, а несколь­

ко различных мезонов и что мезон Андерсона не является ча­

стицей обмена, о которой говорил Юкава. Названиям различ­

ных типов мезонов присвоили различные приставки (обычно

буквы греческого алфавита), и обнаруженный Андерсоном

мезон получил название мю-мезон, вскоре сокращенное до

мюона.

В ходе изучения свойств мюона выяснилось, что мюон очень

похож на электрон. Обе частицы обладали одинаковым зарядом:

и у электрона, и у мюона частицей является разновидность с

отрицательным зарядом, а античастицей — с положительным.

Спин и магнитные свойства мюона и электрона также совпа­

дали. Отличались лишь масса и устойчивость.

Действительно, у любого взаимодействия с участием элект­

рона есть аналог с участием мюона. До своего распада мюон

может даже заменять электроны в атомах, образуя мезоатом.

В этом случае должен сохраняться угловой момент. Если мы

воспользуемся старомодным представлением об электроне как

о вращающейся вокруг ядра частице и заменим электрон на

мюон, то у вращающегося с той же скоростью, что и элект­

рон, мюона орбита должна быть ближе к ядру. Тогда большая

масса мюона компенсируется меньшим радиусом обращения и

угловой момент сохраняется (см. ч. I).

Так как мюон в 207 раз тяжлее электрона, расстояние от

ядра до мюона должно составлять ‘/

207

расстояния от ядра до

электрона. Это означает, что в тяжелых атомах орбита мюона

первого энергетического уровня должна быть внутри ядра! Тот

факт, что мюон свободно вращается внутри ядра, доказывает,

насколько мала тенденция мюона вступать во взаимодействие

с протонами и нейтронами.

Расстояние между мезонными энергетическими уровнями

таких мезоатомов намного больше, чем между электронными

энергетическими уровнями обычных атомов. Вместо испуска­

емых и поглощаемых обычными атомами фотонов видимого

света мезоатомы испускают и поглощают фотоны рентгено­

вских лучей.

Мюон является нестабильной частицей, превращающейся в

электрон спустя примерно 2,2 с. Однако по субатомным мер­

кам 2,2 с — это довольно долго, поэтому в этом плане мюон

не очень-то и отличается от абсолютно стабильного элек­

трона.

В общем, мюон — это не что иное, как «тяжелый электрон».

Но почему тяжелый электрон настолько тяжелее обычного, да

и почему он вообще существует, до сих пор неясно.

No Comments »

За время своей жизни виртуальная частица может удалиться от породившего ее протона, но на ограниченное расстояние, так как она должна успеть вернуться до окончания периода своего суще¬ ствования. Чем тяжелее частица (и больше ее энергия), тем выше погрешность измерения этой энергии и меньше период существо¬ вания виртуальной частицы, так как их произведение является константой при любых обстоятельствах. Значит, в случае увели¬ чения погрешности измерения одной единицы пропорциональ¬ но уменьшается погрешность измерения другой. Даже если виртуальная частица двигается со скоростью све¬ та, она не может далеко улететь от протона, так как значение постоянной Планка очень мало, соответственно время суще¬ ствования частицы крайне мало. Как правило, расстояние, на которое виртуальная частица уходит от протона, недостаточно для столкновения этой частицы с другой частицей, за исклю¬ чением ситуации, когда нейтроны и протоны находятся в не¬ посредственной близости друг от друга, как, например, внутри атомного ядра. В этом случае одна из испускаемых протоном частиц может быть поглощена нейтроном до ее возвращения к протону. Именно такое испускание и поглощение виртуальных частиц и приводит к возникновению ядерной силы. В 1935 году Юкава сделал предположение, что виртуальная частица является частицей обмена ядерной силы. В отличие от частиц обмена электромагнитной силы и силы гравитации час¬ тица обмена ядерной силы должна обладать массой, чтобы до¬ пустимое время ее существования было достаточно малым для ограничения радиуса ее действия до нужного значения. Юкава подсчитал, что масса такой виртуальной частицы должна быть примерно в 270 раз больше массы электрона. В этом случае допустимое время ее существования будет достаточно коротким, чтобы радиус ее действия был таким, каким, согласно наблю¬ дениям, и должен быть радиус действия ядерной силы. Так как масса виртуальной частицы — нечто среднее между массой легких электронов и тяжелых частиц, частица получила название «мезотрон» (от греч., означающего «средний»), кото¬ рое быстро сократили до мезон. Согласно теории Юкавы, в процессе обмена протон стано¬ вится нейтроном, а нейтрон — протоном. Другими словами, мезон, переходя от одной частицы к другой, должен нести с

собой электрический заряд. Получается, что такой мезон явля­

ется положительным. В случае с антипротоном и антинейтро­

ном ядро антивещества удерживает еще одна античастица —

отрицательный мезон.

Вскоре выяснилось, что обменные силы действуют и между

двумя протонами, и между двумя нейтронами, то есть должен

существовать еще и нейтральный мезон. Такой нейтральный

мезон является античастицей самого себя и связывает антипро­

тон с антипротоном или антинейтрон с антинейтроном.

Протонно-нейтронные обменные силы больше протонно-про-

тонных, а это значит, что коэффициент дефекта массы у ядра с

комбинацией р-п меньше, чем у ядра с комбинацией р-р. Поэто­

му для преобразования комбинации р-п в р-р внутри ядра необ­

ходима энергия.

При переходе п в р небольшое количество энергии высво­

бождается (самопроизвольный распад нейтрона), но этой энер­

гии не всегда достаточно для преобразования комбинации р-п

в р-р. Поэтому в ядрах некоторых элементов нейтрон не пре­

вращается в протон, а остается неизменным; в этом случае ядро

является стабильным.

Для доказательства мезонной теории Юкавы необходимо

было, собственно говоря, обнаружить мезон. Внутри ядра его об­

наружить невозможно, так как там мезоны являются лишь вир­

туальными частицами. Однако, если к ядру подвести достаточное

количество энергии, можно получить мезон и без нарушения за­

кона сохранения энергии. В этом случае мезон становится реаль­

ной частицей и может покинуть ядро.

Карл Андерсон, ранее обнаруживший среди оставленных

космическими лучами в камере Вильсона следов позитрон, в

1936 году обнаружил след еще одной частицы, траектория по­

лета которой отклонялась меньше, чем у электрона, но боль­

ше, чем у протона. Очевидно, что эта частица обладала средней

массой, и поначалу физики решили, что это и была предска­

занная Юкавой частица.

Но они ошиблись. Обнаруженная Андерсоном частица была

лишь в 207 раз тяжелее электрона, то есть намного легче мезона.

Кроме того, эта частица существовала лишь в двух вариантах — с

положительным зарядом и с отрицательным, причем исходными

частицами являются как раз последние; не было даже намека на

существование незаряженной разновидности. Но хуже всего то,

что частица не вступала во взаимодействие ни с протонами, ни с

нейтронами, а юкавская частица должна вступать во взаимодей­

ствие с любым встретившимся на пути нуклоном. Мезон же Ан­

дерсона практически не вступал ни в какие взаимодействия.

No Comments »