Техника - молодёжи 1955-05, страница 13

возникает кулоновская сила притяжения или отталкивания: фотоны являются переносчиками этой силы.

Не преувеличивая, можно сказать, что квантовая электродинамика оказалась наиболее точной теорией из всех теорий, которыми располагают физики. Эта теория, например, позволила с величайшей точностью рассчитать строение простейшей атомной системы — водородного атома, состоящего из ядра — протона — и одного электрона в оболочке.

Существует еще более простая атомная система, свойства которой точно предсказала квантовая электродинамика. Представим себе атом водорода, у которого тяжелый протон заменен на позитрон. Такой атом, состоящий из двух одинаково легких ча-стиц, получил название позитрония. Он прибли- £** зительно в 1 ООО раз легче атома водорода. и Подобно тому как электрон в атоме водорода ? обращается вокруг тяжелого ядра — протона, электрон и позитрон в позитронии также обращаются вокруг своего центра тяжести, расположенного посередине между ними. Поэтому радиус атома позитрония в два раза больше радиуса атома водорода, то-есть равен 10~~⁸ см, или 1 ангстрему.

Квантовые вычисления показывают, что в отличие от атома водорода позитроний не может существовать неограниченно долго. Через очень малое время, порядка 10 ¹⁰ сек., электрон и позитрон исчезнут, и позитроний перестанет существовать. Однако масса и энергия этих частиц исчезнуть не могут, и, следовательно, при исчезновении, или, как говорят, аннигиляции, позитрона и электрона они должны, очевидно, перейти в какую-то новую материальную форму. И действительно, оказалось, что при такой аннигиляции возникают фотоны, чаще всего два фотона. Процесс исчезновения атома позитрония может быть, следовательно, записан так: е^- -f- е+ фотон ■+■ фотон

Это превращение электрона (е~) и позитрона (е+) в два фотона электромагнитного поля показывает, что между заряженными частицами и их полем — фотонами — существует теснейшая связь. Эта связь проявляется еще и в том, что, кроме превращения зарядов в фотоны, может происходить и обратный процесс, когда из фотона возникает пара заряженных частиц — электрон и позитрон. Подобное явление, обнаруженное с помощью камеры Вильсона, показано на рисунке. Мы видим, как из свинцовой пластины, помещенной в камере, вылетают две заряженные частицы. Камера помещена в магнитное поле, которое отклоняет позитрон и электрон в разные стороны. Эти частицы созданы фотоном, попавшим

Здесь изображена модель атома урана. Вокруг плотного ядра, состоящего из 92 протонов и 143 нейтронов, обращаются электроны. Масштаб в рисунке этой модели не выдержан. Диаметр ядра на модели равен примерно 1 см. При таком размере ядра диаметр наиболее далеких от ядра злектронных орбит должен быть равен примерно ста метрам.

В атоме позитрония протон заменен позитроном. Такой атом в 918 раз легче атома водороя да. Электрон и позитрон в позитронии обращаются вокруг общего центра тяжести. Позитроний в два раза больше атома водорода. При аннигиляции электрона и позитрона возникают два фотона, показанные стрелками.

W."

Простейшая система из двух злементарных ча-стиц—^атом водорода. Вокруг ядра-протона обра-единственный который в раза легче протона.

ФОТОН

-ЛАг

в пластинку сверху. Фотон не заряжен и не оставляет поэтому следа в камере Вильсона.

Описанные простейшие атомные системы и элементарные явления характерны тем, что из всех элементарных частиц в них принимают участие только электроны, позитроны и фотоны. Это есть, следовательно, явления, обусловленные взаимодействием между электрическими зарядами и их электромагнитным полем — фотонами. Современная теория с большой точностью описывает эти явления.

протоны и нейтроны. ядерные силы

Теперь мы перейдем к гораздо менее изученной теоретически проблеме. С какими силами действуют друг на друга элементарные частицы, образующие ядро атома? В ядре нет электронов и позитронов. Оно состоит из протонов и нейтронов. Возникает вопрос, нельзя ли силы между протонами и нейтронами объяснить уже изученными силами, действующими между заряженными частицами? На этот вопрос следует ответить отрицательно. Силы между протонами и нейтронами, связывающие эти частицы в устойчивое ядро атома, не могут быть электрическими силами. Одинаково заряженные протоны должны отталкиваться. Повинуясь этим силам отталкивания, протоны должны были бы вылететь из ядра. Нельзя объяснить устойчивость ядра и силами всемирного тяготения, действующими между протонами и нейтронами. Эти силы хотя и существуют, но очень малы,— и чтобы они могли стянуть протоны и нейтроны в ядро, они должны были бы быть в 10³⁷ раз больше. Таким образом, никакие известные нам силы не могут соединить элементарные частицы в ядро, и остается предположить, что между протонами и нейтронами действуют силы другого рода. Они получили название ядерных сил. Чтобы решить проблему строения ядра, надо в первую очередь узнать: какова их величина, как зависят они от расстояния между частицами, от скорости и т. д.

Испытанным методом решения подобных задач является изучение рассеяния частиц. Так, например, изучение рассеяния альфа-частиц тонкими фольгами различных металлов, произведенное Резерфордом еще в 1910 году, показало, что в атоме имеется малая область, в которой заключен весь положительный заряд атома и почти вся его масса. Так было установлено существование в атоме ядра, измерены его заряд и размеры.

Чтобы узнать силы, действующие между протонами и нейтронами, необходимо изучить, как протоны рассеивают нейтроны. Для этого нужно направить пучок нейтронов на мишень, состоящую по возможности из одних протонов (лучше всего для этой цели подходит газообразный или жидкий водород). Такие опыты трудны: чтобы на нейтронах, рассеиваемых протонами, заметно сказалось действие ядерных сил, нужно, чтобы кинетическая энергия нейтронов была очень велика. Действительно, чтобы нейтрон сильно отклонился от своего пути при столкновении с протоном, нужно, чтобы это столкновение