курс физики том 4. Курс физики ТОМ 4. Т. В. Стоянова, на. Тупицкая, Ю. И. Кузьмин курс физики том 4 квантовая механика. Физика твёрдого тела. Атомная и ядерная физика учебник санкт петербург 2014 удк 539. 1 530. 145(075. 8)
 Скачать 2.93 Mb.
|
2. Лептоны. Лептоны считаются истинно элементарными частицами, так как они, насколько известно, не распадаются на составные части, не обнаруживают никакой внутренней структуры и не имеют поддающихся определению размеров. В эту группу частиц входят мюоны ), электроны, позитроны ) и, наконец, электронные и мюонные нейтрино и антинейтрино ее. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Все лептоны обладают слабым взаимодействием и те из них, которые имеют электрический заряд (мюоны, электроны, обладают также электромагнитным взаимодействием. В таблице 6.1 приведены некоторые свойства лептонов. Среди лептонов шесть частиц стабильны (если учитывать и античастицы. Таблица 6.1 Частицы Анти- частицы 5 Масса МэВ Спин Зарядовое число Лептонное число Время жизни, с Электрон - + позитрон 0,51 1/2 -1 +1 Стабильный Мюон - + - 105,6 1/2 +1 -1 Нейтрино электронное е 1/2 0 +1 Стабильный Нейтрино мюонное - 0? 1/2 0 +1 Стабильный. Адроны. Сильному взаимодействию подвержена большая группа частиц, называемых адронами. Эта группа, в свою очередь, может быть разбита на две группы барионы и мезоны. Барионы отличаются от мезонов по своему спину барионы имеют полуцелый спин (в единицах ), мезоны - целый. Кроме этого, барионы отличаются от мезонов величиной барионного числа или барионного заряда. Это квантовое число для барионов равно единице антибарионов - минус единице, мезоны имеют нулевой барионный заряд. Величина барионного заряда связана с одним из законов сохранения, действующих в мире элементарных частиц. Самым легким из семейств адронов является протон, ион же является единственной стабильной частицей среди них. Среди адронов имеется весьма большое число частиц, распадающихся за время примерно 10 -22 - 10 -23 с, это так называемые резонансы. Адроны помимо сильного взаимодействия могут участвовать в слабом и электромагнитном взаимодействиях. Распад адронов идет, как правило, за счет слабого взаимодействия, и поэтому время их жизни порядка 10 -8 - 10 -10 c. Исключением являются o - мезон и о- гиперон, которые распадаются за счет электромагнитного взаимодействия, и поэтому время жизни у них значительно меньше и составляет 10 -14 - 10 -16 с. Все адроны активно взаимодействуют с атомными ядрами (сильное взаимодействие. Адроны оказались сложными частицами. Эксперименты показывают, что адроны обладают внутренней структурой. Внутренняя структура адронов может быть, в принципе, установлена либо выделением из адрона его "составных" частей, либо Для античастиц величины зарядового числа, барионного числа, лептонного числа, странности противоположны по знаку этих же величин для частиц по анализу свойств этих частиц. К сожалению, выделить "составные" части адронов не удается, и остается только второй из названных путей. Гипотезе Гелл-Манна и Цвейга, основанной на анализе законов сохранения, адроны состоят из субэлементарных частиц - кварков. Этим частицам приписываются дробные электрические заряды и другие параметры. Кварковая гипотеза М. Гелл-Манна основана наследующих принципах - всесильно взаимодействующие частицы состоят из кварков - по современным представлениям кварки бесструктурны; - кварки имеют внутренние квантовые числа электрический заряд Q, спин J, четность P, странность S, шарм C 7 или очарование, цвет (совокупность этих внутренних чисел, характеризующих определенный тип кварка, называется также ароматом) (см. табл. 6.2); Очарование Сведет себя подобно странности сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействии и не сохраняется в слабом взаимодействии- барионы (адроны с барионным числом B = 1) строятся из трех кварков - антибарионы (адроны с барионным числом B = -1) строятся из трех ан- тикварков; - мезоны (адроны с барионным числом B = 0) строятся из кварка и антикварка; - число цветов кварков равно трем - красный, синий, зеленый - все известные барионы и мезоны бесцветны - кварки в адронах связаны частицами, которые называются глюонами. Таблица 6.2 Тип (аромат) кварка Электри- ческий заряд Бари- онное число Очарова- ние (шарм) Цвет кварка U (up) Верхний +2/3 +1/3 0 Каждый кварк может иметь следующие цветовые модификации желтый, синий, красный. Набор этих цветов дает белый цвет. Любая элементарная частица, состоящая из кварков, должна быть бесцветной. D (down) Нижний -1/3 +1/3 0 S (strange) странный -1/3 +1/3 0 С (сharmed) очарованный +2/3 +1/3 +1 B (beauty) прелестный -1/3 +1/3 0 T (truth) истинный +2/3 +1/3 0 Подобно тому, как электрический заряд является источником фотонного поля, цветовые заряды являются источником глюонных полей. Имеются во Термин - "кварк" заимствован авторами кварковой гипотезы из научно-фантастического романа Джейса "Пробуждение Финнегана", в котором кварками названы химические существа, чудившиеся герою романа вовремя галлюцинаций. 7 Существует еще два квантовых числа bottomness b, topness t, (от английских слов bot- низ и top – верх. семь различных глюонов - все они электрически нейтральные частицы со спином равным единице и отличаются друг от друга комбинацией цветовых зарядов. При больших передачах импульса кварки (и глюоны) сталкиваются как практически свободные частицы (являются партонами). Это свойство называется асимптотической свободой. При удалении партона на большие расстояния, где он получил импульс, он превращается в струю летящих водном направлении адронов. При этом происходит обмен цветовыми зарядами с оставшимися кварками, так что и струя и остаток - белые. На опыте такие адронные струи наблюдались в ряде процессов. Существует ряд теоретических схем, в которых делается попытка создать единую теорию всех частиц и всех взаимодействий. В этих схемах на единой основе рассматриваются лептоны, кварки, промежуточные векторные бозоны и даже гравитоны. 6.3 Фундаментальные взаимодействия В настоящее время известны четыре типа фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами 1) сильное 2) электромагнитное 3) слабое 4) гравитационное. Рассмотрим их в порядке возрастания интенсивности взаимодействия. Если принять уровень сильного взаимодействия зато электромагнитное взаимодействие примерно враз слабее, а слабое взаимодействие сто тысяч раз слабее сильного. Самым слабым взаимодействием является гравитационное взаимодействие. 6.3.1 Гравитационное взаимодействие Гравитационное взаимодействие - универсальное взаимодействие (притяжение) между любыми видами материи (частицами и физическими полями. В гравитационном взаимодействии участвуют все классы элементарных частиц - фотоны, лептоны, адроны. Из всех физических взаимодействий (гравитационного, слабого, электромагнитного и сильного) гравитационное взаимодействие является самым слабыми в современной теории элементарных частиц обычно не учитывается. Подобно электромагнитному взаимодействию, гравитационное взаимодействие - дальнодействующее, те. радиус действия равен бесконечности. В макромире гравитационное взаимодействие играет важную роль. Если поле тяготения достаточно слабое и тела движутся медленно по сравнению со скоростью света c , то справедлив закон всемирного тяготения Ньютона 2 2 1 r m m G F , где F - модуль силы притяжения между двумя телами с массами 1 m и 2 m , расположенными на расстоянии r друг от друга, 2 3 11 10 67 , 6 с кг м G - гравитационная постоянная. В общем случае (включающем сильное тяготение и скорости, сравнимые со скоростью света) тяготение описывается общей теорией относительности А. Эйнштейна. Теория Эйнштейна описывает тяготение как воздействие физической материи на свойства четырехмерного пространства-времени, которые в свою очередь влияют на движение материи и другие физические процессы материя искривляет пространство-время, и это искривление, проявляемое как тяготение, влияет на движение материи. В таком пространстве- времени движение тел по инерции происходит уже не по прямым, а по искривленным линиями с переменной скоростью. Геометрия обычного трехмерного пространства оказывается уже неевклидовой: сумма углов треугольника неравна, отношение длины окружности к диаметру неравно, время в разных точках течет по разному, причем, чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее течет время. Общая теория относительности приводит к качественно новым эффектам существованию гравитационных волн, испускаемых ускоренно движущимися телами, гравитационному красному смещению (уменьшению длины волны света в сильном поле тяготения, возможности возникновения черных дыр и др. Многие предсказания общей теории относительности с хорошей точностью подтверждены экспериментально. Теория Эйнштейна - не квантовая теория. Однако, очевидно, что гравитационное поле должно подчиняться квантовым законам, как все остальные физические поля. В квантовой теории гравитации гравитационные волны можно рассматривать как поток квантов-гравитонов, представляющих собой электрически нейтральные частицы с нулевой массой и со спином 2. В подавляющем большинстве процессов во Вселенной квантовые эффекты гравитации чрезвычайно слабы. Но вблизи сильного искривления пространства- времени, квантовые эффекты должны быть существенными. Согласно теории, квантовые эффекты в гравитации должны быть определяющими, когда радиус кривизны пространства-времени становится равным величине 35 3 10 61 , 1 с G L Пл м. Расстояние Пл называют планковской длиной. Планковская длина накладывает фундаментальные ограничения на точность измерения длины. Невозможно измерение с точностью, которая превосходит планковскую длину. В таких условиях теория тяготения Эйнштейна неприменима. Особая ситуация возникает в условиях черной дыры. В поле ее тяготения происходят квантовые релятивистские процессы пар частица-античастица из вакуума. Хотя для массивной черной дыры эти процессы очень медленны, они приводят к постепенному уменьшению ее массы. Возможно, что трудности в построении теории элементарных частиц могут быть устранены учетом гравитационного взаимодействия на расстояниях м 10 . На таких расстояниях будет сказываться изменение геометрии про- странства-времени за счет гравитации. Кажется правдоподобным, что именно Планковская длина может быть фундаментальной длиной, определяющей размеры истинно элементарных частиц, и включение гравитационного взаимодействия устранит расходимости в квантовой теории поля. 6.3.2 Слабое взаимодействие Слабое взаимодействие - одно из четырех типов известных взаимодействий на пять порядков слабее не только сильного, но и примерно натри порядка слабее электромагнитного, однако гораздо сильнее гравитационного. Первым обнаруживаемым процессом, называемым слабым взаимодействием, является радиоактивный – - распад ядер - тип радиоактивности, открытый в 1896 г. А.А. Беккерелем. В процессе радиоактивного электронного – - распада один из нейтронов n 1 возбужденного ядра превращается в протон р 1 с испусканием электрона e 0 1 и электронного антинейтрино e 0 0 : ) ( 0 0 0 1 1 1 1 В результате этого ядро с массовым числом A и зарядом Z превращается в ядро с зарядом Z+1 и стем же A (в изобар. В процессе позитронного + - распада происходит перехода ядро превращается в изобар с зарядом Z–1 с испусканием позитрона e 0 и электронного нейтрино e 0 0 . С - распадом тесно связан процесс захвата атомного электрона протоном, входящим в состав ядра ) ( 0 0 1 0 0 1 1 е, что приводит к превращению ядра в изобар с Z–1. Если захват происходит с нижней K - оболочки, его называют K - захватом. Для свободного протона захват атомного электрона запрещен законом сохранения энергии, так как p e n m m m , m - массы соответствующих частиц. Впервой теории - распада, созданной в 1934 г. Э. Ферми, для объяснения этого явления потребовалось ввести гипотезу о существовании особых короткодействующих сил, которые вызывают распад нейтрона. На основе данных о времени - распада была оценена величина этих сил. Дальнейшие исследования показали, что введенное Ферми взаимодействие имеет универсальный характер и обуславливает распад всех нестабильных частиц, массы которых и правила отбора по квантовым числам не позволяют им распадаться за счет сильного или электромагнитного взаимодействия. Слабое взаимодействие обуславливает все процессы с участием нейтрино, поскольку нейтрино обладает лишь слабыми гравитационным взаимодействием. Ряд важнейших макроскопических явлений природы обязан своим существованием cлабого взаимодействия. Так благодаря слабому взаимодействию может происходить реакция р 0 0 1 2 1 1 1 1 1 , в которой один из протонов, испуская под действием слабого взаимодействия e 0 и е 0 , превращается в нейтрон, образующий в результате сильного взаимодействия с другим протоном ядро дейтерия. Эта реакция по современным представлениям - основной источник энергии Солнца. Любые другие реакции превращения четырех протонов в ядро атома гелия с выделением энергии также осуществляется за счет слабого взаимодействия. Испускание нейтрино в процессе слабого взаимодействия определяет эволюцию звезд, особенно на заключительных стадиях, инициирует взрывы сверхновых звезд и образованию пульсаров. Слабое взаимодействие присуще как адронам, таки лептонам, но отсутствует у фотонов. Все наблюдаемые процессы слабого взаимодействия могут быть объяснены на основе универсальности слабого взаимодействия, существующего между лептонами и кварками, из которых по современным представлениям состоят адроны. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что cлабое взаимодействие обладает очень малым радиусом действиям. В отличие от сильных и электромагнитных взаимодействий, обладающих зеркальной симметрией, слабое взаимодействие не обладает такой симметрией (зеркальность заключается в том, что любые процессы, являющиеся зеркальным отражением друг друга, происходят с одинаковой вероятностью. Это проявляется, например, в том, что спин электронов при - распаде преимущественно направлен против их импульса. Зеркальным изображение электрона со спином, направленным против импульса, является электрон со спином, направленным по импульсу. При отражении в зеркале, плоскость которого перпендикулярна импульсу, направление импульса меняется на противоположное, а спина не меняется, при этом, наблюдаемая в - распаде продольная поляризация электронов, указывает на отсутствие зеркальной симметрии слабого взаимодействия, те. пространственной четности в cлабом взаимодействии. Слабое взаимодействие также не обладает присущей сильными электромагнитным взаимодействиям зарядовой симметрией (те. симметрией замены всех частиц на античастицы. Так, в распаде положительного - мюона 0 0 0 0 0 1 е е позитроны вылетают преимущественно по направлению спина , в то время как электроны от распада отрицательного - мюона 0 0 0 0 0 ее- против направления спина. Л.Д. Ландау в 1956 г. показал, что в процессах слабого взаимодействия сохраняется комбинированная четность (одновременная замена частиц на античастицы и зеркальное отражение процесса. Иначе говоря, процессы слабого взаимодействия античастиц выглядят так, как зеркальные изображения соответствующих частиц. Основная идея Ферми, выдвинутая им для объяснения распада, заключалась в том, что электрон и антинейтрино, испускаемые в процесс распада нейтрона, не входят в состав нейтрона, а рождаются в результате взаимодействия, переводящего нейтрон в протон. 6.3.3 Электромагнитное взаимодействие Электромагнитное взаимодействие - это собирательный термин для обозначения самостоятельного типа взаимодействия между частицами. Электромагнитное взаимодействие ответственно за существование атомов и молекул и определяет взаимодействие положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов в этих микросистемах. Поэтому к электромагнитным взаимодействиям сводится большинство сил в макроскопических явлениях силы упругости, трения, поверхностного натяжения в жидкостях и др. Электромагнитную природу имеют явления сверхпроводимости и сверхтекучести, процессы излучения, распространения и поглощения радиоволн, света, рентгеновских лучей. Ионизация и возбуждение атомов среды электрическим полем быстро движущихся заряженных частиц приводит к свечению ионосферы при попадании в нее корпускулярных потоков от Солнца (северное сияние. Давление света, приводящее, в частности, к образованию хвоста у комет вовремя их прохождения вблизи Солнца - также следствия электромагнитного взаимодействия. Перенос энергии электромагнитного излучения играет важную роль в процессах, протекающих в оболочках звезд при ядерных взрывах. Явления, в которых участвуют слабые (Е, медленно меняющиеся (Е) электромагнитные поля, управляются законами классической электродинамики, которая описывается уравнениями Максвелла. Для сильных или быстроменяющихся полей определяющую роль играют квантовые явления. Кванты поля электромагнитного излучения (фотоны, или - кванты, характеризуют корпускулярные свойства электромагнитного поля Электромагнитное взаимодействие проявляется, например, в виде взаимодействия между заряженными частицами или частицами, обладающими магнитными моментами. Этот тип взаимодействия обеспечивает также связь атомов в молекулах, определяет оптические явления. Электромагнитное взаимодействие между частицами обусловлено – электромагнитным полем одной частицы – обменом фотонами, или - квантом. Проиллюстрировать данное взаимодействие можно с помощью диаграммы Фейнмана. Рассмотрим обмен одним фотоном. Одна из заряженных частиц испускает фотон и испытывает вследствие этого, по закону сохранения импульса, отталкивание, а вторая частица поглощает фотон. При таком взаимодействии происходит передача энергии и импульса от одной частицы к другой а “пере- е е носчиком” является фотон. Т.к. все это происходит за короткий промежуток времени, фотон ничем себя не обнаруживает, и поэтому его называют виртуальным, вот- личие от реальных свободных фотонов. Радиус электромагнитного взаимодействия неограничен. Уже на атомных расстояниях ( 10 -10 м) электромагнитные силы намного порядков превышают ядерные, радиус действия которых 10 -15 м. Взаимодействие электромагнитного поля с веществом используется для инициирования термоядерных реакций, при сверхсильном сжатии твердых мишеней сфокусированным лазерным излучением, а также при разогреве плазмы сильноточным разрядом, электронным ударом и др. Процессы расщепления ядер фотонами, реакции фоторождения мезонов, радиационные распады (распады с испусканием фотонов, элементарных частиц и возбужденных состояний ядер, упругое и неупругое рассеяние электронов, позитронов и мюонов обусловлены электромагнитным взаимодействием. Как фундаментальное электромагнитное взаимодействие изучается в явлениях наблюдаемых при малых расстояниях (обычно порядка или меньше атомных, где существуют квантовые эффекты. Взаимодействие между фотонами) и лептонами - электронами ( e 0 1 ), мюонами ( , ) описываются уравнениями квантовой электродинамики. При электромагнитном взаимодействии адронов и ядер существенную роль играет сильное взаимодействие. Интенсивность (или эффективное сечение) электромагнитных процессов в микромире пропорциональна безразмерному параметру , 137 1 4 1 2 называемому параметром тонкой структуры. |