Техника - молодёжи 1958-07, страница 16

Но он мог быть создан совместно с отрицательным электроном при энергичных столкновениях. Позитрон был античастицей электрона, поскольку он аннигилирует с обычным электроном.

Для протона и нейтрона имеются аналогичные уравнения, так что каждый из них имеет свою античастицу. Эти античастицы были обнаружены только за последние три года. Даже фотон имеет в определенном математическом смысле свою античастицу. Однако в этом случае два решения уравнения могут быть истолкованы совершенно одинаковым образом, так что фотон и антифотон неразличимы. Выражаясь иначе, фотон является собственной античастицей.

ufyjeuniijuutir

Второе необходимое дополнение к списку частиц возникает из особенностей поведения нейтрона. Внутри ядра нейтрон может существовать неопределенно долго. Однако вне ядра нейтрон оказывается неустойчивой частицей. В среднем в течение 18 минут он самопроизвольно испускает бета-частицу (это означает то же самое, что и электрон) и превращается в протон. Протон и электрон, вместе взятые, обладают массой примерно на 1,5 электронной массы меньше, чем масса нейтрона, так что это количество массы при распаде теряется; такая потеря массы эквивалентна 780 ООО электроновольт энергии, которая должна проявиться в виде кинетической энергии продуктов распада, но на деле протон и электрон очень редко обладают таким большим количеством кинетической энергии. Для обеспечения такого расхождения Паули предположил, что в распаде возникает еще одна частица, с нулевой массой покоя и почти необнаружи-мая, которая и уносит с собой всю недостающую энергию. Энрико Ферми, который развил эту идею, назвал эту невидимую частицу нейтрино. Исходя в своих рассуждениях из прямой аналогии с дираковскими процессами для электронов и протонов, Ферми построил законченную теорию бета-распа-да. В этой теории фундаментальным процессом является непрерывная потеря и приобретение нейтроном через виртуальную эмиссию и абсорбцию (излучение и поглощение) двух частиц — электрона и нейтрино (строго говоря, нейтрино, о котором идет речь, является антинейтрино).

Последняя частица, которую следует добавить в наш список, была предсказана на основе другой аналогии с дираковскими процессами. Задача состояла в описании сил, связывающих протоны и нейтроны (которые иногда называют совместно нуклонами) в ядре. Так как электромагнитные силы были успешно объяснены с помощью фотонов (или квантов поля), было логично попытаться подойти к проблеме ядерных сил аналогичным образом. Такой шаг был сделан японским физиком Хидеки Юкава. Он предположил, что нуклоны, испускают и поглощают кванты ядерного поля, называемые мезонами, подобно тому как электроны испускают и поглощают фотоны. Из известных свойств ядерных сил Юкава смог получить некоторые характеристики мезонов. Тот факт, что ядерные силы являются короткодействующими, означал, что мезон в отличие от лишенного массы покоя фотона должен иметь некоторую конечную массу покоя. Имелись также различные доводы в пользу того, что должны существовать как заряженные, так и нейтральные мезоны.

Догадка Юкавы была полностью подтверждена, но это произошло только десять лет спустя. Частица, которую он предсказал, была обнаружена и носит теперь название пи-мезона, или пиона. Ее масса составляет около 270 масс электрона; частица обнаружена в трех видах: положительная, отрицательная и нейтральная.

Излучение пионов нуклонами должно быть, разумеется, виртуальным, так как пионы обладают энергией, включая сюда энергию в форме массы покоя. Согласно теории «сила» поля ядерных сил определяется числом квантов вне испускающей

12

го в одну, то в другую сторону. Эта сила порож-

их частицы. Ядерные силы настолько велики, что нуклоны должны испускать пионы очень часто; в одно и то же время вне нуклона должно быть больше одной частицы. И действительно, современное представление о протонах и нейтронах состоит в том, что они состоят из некоей сердцевины, окруженной пульсирующим облаком пионов. Так же как и в случае фотонов, если пионы получат достаточное количество энергии, они могут превратиться в реальные частицы. Поскольку массы пионов эквивалентны 135 миллионам электроновольт (Мэв) энергии, требуется по меньшей мере такое же количество энергии, чтобы создать один реальный пион.

Можно, стоя за глухим забором и видя лишь взлетающий над ним мяч, проследить за ходом и результатами игры в баскетбол. Выдавать ход игры будет сила ударов игроков, направляющая мяч дни, . Эг

дает то взаимодействие между игроками, которое проявляется в полете мяча, наблюдаемом зрителями. Физики, изучая механизм внутриатомных и внутриядерных взаимодействий, уподобились ~ наблюдающим за игрой

из-за забора. Налицо были взаимодействия: в одном случае электромагнитные, между электронами, в другом — ядерные, между нуклонами (протонами и нейтронами). Раз сyщecтвyюt взаимодействия, решили физики, значит существуют и какие-то силы, вызывающие их. Эти силы невидимы, но их можно представить в виде особых, так называемых виртуальных (возможных) частиц — квантов поля, — действующих примерно так, как действует... клей. Электроны, испускающие и поглощающие кванты, называемые фотонами, склеиваются «фотонным клеем»; нуклоны, испускающие и поглощающие кванты, называемые пи-мезонами, склеиваются «мезонным клеем». В такой пульсации электронов и нуклонов и проявляетем бурная «жизнедеятельность» частиц.

Итак, мы имеем довольно много «элементарных» частиц. Фактически большинство из них было предсказано теоретически, прежде чем они были открыты экспериментально. Отрицательный пион является античастицей положительного пиона и наоборот; нейтральный пион, подобно фотону, является собственной античастицей. Наконец реальные пионы, так же как и нейтрон, оказываются нестабильными. Они быстро распадаются, превращаясь в другие частицы (см. таблицу на стр. 13).

ЧаегЫлЛ^

М ы можем коротко назвать идеи, изложенные выше, теорией строения вещества из двенадцати частиц (см. таблицу в № 6 журнала за 1958 г.). Эта теория достаточно точна для объяснения свойств атомов. Но она оказывается весьма грубой, когда с ее помощью пытаются разобраться во внутренних процессах в ядре, хотя в общих чертах она позволяет дать им некоторое объяснение. В каждом частном явлении теория получает подтверждение для каждой из частиц. Все эти частицы играют в природе хорошо определенную роль и довольно естественно следуют из современных теоретических представлений.

Следует отметить, что все эти двенадцать частиц могут быть разбиты на четыре группы, отчетливо разделяющиеся между собой: 1) тяжелые частицы, включающие в себя нуклоны (протон и нейтрон) вместе с их античастицами; 2) мезоны или частицы промежуточной массы; 3) легкие частицы, включающие в себя электрон, нейтрино и их античастицы; 4) фотон, который сам по себе образует группу.