Техника - молодёжи 1955-05, страница 14

Из свинцовой пластины, расположенной по диаметру камеры Вильсона, выходит пара заряженных частиц —

электрон и позитрон. Эта пара образована а свинцовой пластине фотоном космического излучения. Фотон не имеет заряда и не оставляет поэтому следа в камере.

было возможно более «тесным». Чем «теснее» оно будет, тем сильнее на нем скажутся характерные свойства ядерных сил. Поэтому для таких опытов нужны нейтроны с энергией в сотни миллионов электрон-вольт. Их можно получить с помощью современных ускорителей.

На пути пучка таких нейтронов можно установить камеру Вильсона, наполненную водородом. Разумеется, в этой камере следы нейтронов останутся невидимыми, но при столкновении с нейтроном протон получит часть его энергии и, двигаясь в камере, оставит в ней след. Зная направление движения пучка нейтронов и энергию протона (камера помещается в магнитное поле, и следы протонов искривляются тем больше, чем меньше энергия протонов), можно, на основании законов сохранения энергии и импульса сталкивающихся частиц, воссоздать картину столкновения и определить, как был рассеян невидимый нейтрон. Искривленные магнитным полем следы, видимые в камере, и будут следами протонов, получивших кинетическую энергию при столкновении с нейтроном. Анализ этого и многих других аналогичных по идее опытов позволяет сделать несколько важных выводов. Во-первых, в отличие от кулоновских сил, действующих и на больших расстояниях, силы между протоном и нейтроном действуют только на расстояниях, не больших 3»Ю^—13см. За пределами этого расстояния, условно называемого радиусом протона или нейтрона, силы взаимодействия быстро спадают до нуля. Этот вывод вытекает непосредственно из сравнения числа падающих на камеру нейтронов с числом образовавшихся в камере протонных следов. Действительно, каждый такой след возник от столкновения нейтрона с протоном. Для этого столкновения нужно, чтобы нейтрон подошел к протону на расстояние, меньшее радиуса действия ядерных сил R. Все нейтроны, не попавшие в сферу действия этих сил, свободно пройдут через камеру, а нейтроны, попавшие в «мишень»— сферу радиуса R, создадут быстрые протоны. Зная число таких «мишеней» в газе камеры, то-есть число протонов, и число «снарядов» — нейтронов, падающих на эти мишени в секунду, можно по числу попаданий, то-есть по наблюдаемому числу протонов, определить размеры мишеней, то-есть радиус действия ядерных сил. Таким образом и было найдено, что R S* 3 • 10~¹³см. На расстояниях, меньших 10~¹³ см, ядерные силы притяжения между нейтроном и протоном переходят в силы отталкивания, препятствующие взаимному проникновению частиц друг в друга. Силы, действующие между нейтроном и протоном, очень велики. Например, если, нейтрон и протон находятся на расстоянии 10~¹^см, то притягивающие их ядерные силы почти в 50 раз больше электрических сил отталкивания, действующих между двумя протонами на том же расстоянии.

между нейтроном и протоном действуют обменные силы

Наконец из этих опытов был сделан еще один, особенно важный вывод о ядерных силах.

При столкновении нейтронов с протонами часто возникают протоны, летящие в направлении нейтронного пучка. При этом нейтрон теряет почти всю свою энергию,

которая переходит к протону. Картина столкновения такова: до столкновения нейтрон двигался к покоящемуся протону. После столкновения нейтрон остановился, а протон продолжает его полет в том же направлении и с той же кинетической энергией. Возможно, что здесь произошло лобовое столкновение нейтрона с протоном, подобное столкновению двух биллиардных шаров. При таком столкновении налетающий шар останавливается, а первоначально покоившийся начинает двигаться со скоростью первого. Однако вероятность того, что произойдут именно такие лобовые столкновения, очень мала, И ими нельзя объяснить поведение всех наблюдаемых в камере протонов, летящих прямо вперед. Приходится допустить, что здесь происходит и другое явление: когда нейтрон сближается с протоном настолько, что они вступают в зону действия ядерных сил, нейтрон становится протоном и, почти не изменив энергии своего движения, продолжает свой путь, а первоначально покоившийся протон продолжает покоиться, превратившись в нейтрон. Это может произойти, если в момент столкновения положительный заряд протона перешел на нейтрон, который стал быстрым протоном. Протон, потерявший свой заряд, превратился в нейтрон. Этот факт выражают короче, говоря, что взаимодействие между протоном и нейтроном имеет обменный характер. Повидимому, ядерные силы, по крайней мере частично, являются обменными силами.

какими частицами обмениваются нейтроны и протоны

Сама эта идея для нас не нова, потому что мы видели, что квантовая электродинамика объясняет даже электрические силы между зарядами обменом фотонов. Именно по этому пути пошел советский физик И. Е. Тамм, высказавший мысль, что ядерные силы возникают между нейтроном и протоном в результате обмена какими-то частицами. Чем же должны обмениваться протоны и нейтроны, чтобы возникающие от этого обмена силы имели, во-первых, очень малый радиус действия, порядка 10~^J3 см, а во-вторых, были по величине достаточными для удержания протонов и нейтронов в объеме ядра? Вначале Тамм предположил, что обмениваемыми частицами являются электроны или позитроны. Но расчет, произведенный им еще в 1935 году, показал, что возникающие от такого обмена силы были бы во много раз меньше ядерных сил.

Японский физик Юкава высказал новые идеи о свойствах частиц, которыми обменивается протон и нейтрон. Он попытался выяснить, каковы должны быть свойства этих частиц, чтобы обмен ими привел к появлению больших и короткодействующих сил. Ответ на первую часть вопроса ясен. Эти частицы должны быть сами связаны с протонами и нейтронами большими силами. Выражаясь языком специалистов, мы скажем, что эти обменные частицы должны сильно взаимодействовать с протонами, нейтронами и ядрами. Ответ на вторую часть вопроса может быть получен с помощью общих принципов квантовой механики. Из этих принципов следует, что дально-действующие силы, подобные силам электрическим, могут переноситься частицами, не имеющими массы покоя. Такими частицами являются фотоны. Вся масса фотона связана с тем, что он движется со скоростью света. Массы покоя фотон не имеет. Что же касается коротко действующих сил, то из основных законов квантовой механики следует, что они должны передаваться частицами, которые даже в состоянии покоя имеют массу. Эта масса должна быть тем больше, чем короче радиус действия ядерных сил, и для сил с радиусом действия около Ю^-*¹³ см масса этих частиц должна в 100—200 раз превосходить массу электрона. Эти соображения Юкава, высказанные им в 1933 году, имели смысл некоторого предсказания: если силы между ядерными частицами вызваны обменом какими-то другими частицами, то эти другие частицы, получившие название мезонов, должны иметь массу около 200 электронных масс.

в космическом излучении открыты

р-мезоны, но это не мезоны ядерных сил

Через три года, в 1936 году, такие частицы были действительно обнаружены в космическом излучении. Теоретики рассматривали это открытие как триумф мезон-ной теории ядерных сил. Мезоны, обнаруженные в космическом излучении в 1936 году Андерсеном и Недер-майером, получили в дальнейшем название -мезонов. Их масса равна 207 массам электрона. Они нестабильны, и их среднее время жизни равно 2,2 миллионной доли секунды. В атомном масштабе это огромное время. Что же происходит, когда мезон распадается? При его рас

12