ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Электрон и фотон. Протон и нейтрон. Позитрон и нейтрино из "Введение в ядерную физику " Историю открытия элементарных частиц и изучения их свойств можно разбить на два этапа. На первом этапе, окончившемся в 1932 г., были открыты шесть элементарных частиц фотон, электрон, протон, нейтрон, позитрон и нейтрино. История открытия и свойства этих частиц будут кратко охарактеризованы в 75. [c.542] Второй этап исследования элементарных частиц начался в 1938 г., когда был открыт р,-мезон. Этот период исследования насыщен интереснейшими открытиями новых элементарных частиц (я- и /С-мезоны, гипероны, антинуклоны, антигипероны) и резонансов и новых свойств старых частиц (структура нуклона, прямое взаимодействие нейтрино и антинейтрино с веществом, два сорта нейтрино и др.). В связи с особым значением этих вопросов в современной ядерной физике, они будут рассмотрены более подробно ( 76—86). [c.542] В 1904 г. Д. Д. Томсон высказал предположение о том, что атом представляет собой положительно заряженный шар размером примерно 10 см с плавающими в нем в равновесном состоянии электронами. Малые колебания электронов приводили к испусканию атомов электромагнитного излучения — фотонов. [c.543] Однако после классических опытов Резерфорда по аномальному рассеянию а-частиц (1911 г.) стало ясно, что наблюдающиеся при рассеянии а-частиц отклонения на большие углы не могут быть объяснены моделью Томсона. Для объяснения этих опытов Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, атом состоит из положительно заряженного ядра очень малых ( 10 2 см) размеров, вокруг которого на относительно больших расстояниях ( 10 см) вращаются электроны. Так как масса электронов очень мала, то практически вся масса атома сосредоточена в ядре. [c.543] Открытие протона позволило построить протонно-электрон-ную модель ядра, согласно которой в атомном ядре содержится А протонов и А — Z) электронов. В этой модели становилась понятной пропорциональность атомного веса массовому числу и порядкового номера — заряду, но модель имела существеннейшие недостатки (см. введение к книге). [c.544] Продолжая опыты Резерфорда, Боте и Беккер в 1930 г. обнаружили, что при облучении а-частицами некоторых легких элементов (Be, Li) последние вместо протонов испускают излучение, очень слабо поглощаемое свинцом. Детальное исследование этого излучения, проведенное в 1932 г. Чедвиком, позволило сделать вывод о том, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, приблизительно равной массе протона (см. 2). Вновь открытая элементарная частица была названа нейтроном. Напомним, что нейтрон, так же как и протон, имеет Б = 1, 7 = 1/2 (но 7с = —1/2), Р +1 его масса гПп = 1,00898 а. е. м. = 939,5 Мэе, спин /г/2, магнитный момент j, —1,91 1в. В отличие от протона нейтрон является нестабильной частицей. Период полураспада нейтрона 11,7 мин (см. 2, п. 3 4, п. 5 10, п. 6). [c.544] в которых это соотношение нарушено, являются радиоактивными, причем ядра с избытком нейтронов испускают электрон, а ядра с избытком протонов — позитрон, т. е. электрон с положительным зарядом (и положительным магнитным моментом). [c.545] Очевидно, что, кроме описанного процесса образования пары электронов с противоположными зарядами должен существовать и обратный процесс перехода электрона из области положительных энергий на свободный уровень в области отрицательных энергий. В этом процессе, названном аннигиляцией, одновременно исчезают обычный электрон и дырка , что в соответствии с законами сохранения энергии и импульса должно сопровождаться переходом энергии покоя обоих электронов в энергию излучения двух Y-квантов. Разумеется, термин аннигиляция (в переводе означает уничтожение ) нельзя понимать в буквальном смысле слова, так как никакого уничтожения материи и энергии не происходит, а имеет место превращение одних частиц (е+ и е-) в другие (у-кванты) и переход энергии из одной формы в другую. Открытие в 1932 г. Андерсоном позитрона в составе космических лучей блестяще подтвердило взгляды Дирака. Электрон и позитрон были названы соответственно частицей и античастицей. [c.546] На примере электрона и позитрона было показано, что законы природы симметричны относительно частицы и античастицы. Впоследствии это представление перенесли и на другие частицы как с полуцелым (фермионы), так и с целым (бозоны) спином. [c.546] Симметрия законов природы относительно частиц и античастиц, т. е. относительно изменения знака заряда частицы, называется принципом зарядового сопряжения. Согласно этому принципу, все частицы природы существуют парами. Каждой частице с положительным (отрицательным) зарядом соответствует античастица с отрицательным (положительным) зарядом и противоположным по знаку магнитным моментом. Частица и античастица имеют тождественные значения массы, спина и времени жизни. При встрече частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, сопровождающаяся образованием новых частиц и преобразованием энергии покоя обеих аннигилирующих частиц в другую форму энергии. [c.546] Принцип зарядового сопряжения распространяется также и на нейтральные частицы. В соответствии с этим должен существовать, например, не только антипротон, но и антинейтрон (подробнее см. 81), а также антинейтрино (см. 83). [c.547] Из релятивистской теории Дирака следует, что поглощение обычной частицы эквивалентно рождению античастицы (и наоборот). Действительно, если из состояния с отрицательной энергией изъять одну частицу (поглощение), то это будет равносильно уменьшению энергии на —ШеС , т. е. увеличению ее на При этом появляется дырка со свойствами античастицы (рождение). Таким образом, для частиц и античастиц существует своеобразная алгебра, которая позволяет переносить их из одной стороны уравнения, описывающего какой-либо процесс, в другую с одновременной заменой частицы на античастицу. Проиллюстрируем ее на примере образования (е+—е )-пары и фотоэффекта. [c.547] Таким образом, рождение античастицы эквивалентно уничтожению частицы. [c.547] Алгебра частиц и античастиц (так же как и принцип зарядового сопряжения) справедлива для всех известных элементарных частиц. Она помогает правильно записывать возможные процессы взаимодействия (в особенности для нейтральных частиц). [c.547] Кроме позитрона, теоретически была предсказана еще одна элементарная частица — нейтрино (Паули, 1931 г.), необходимость существования которой вытекает из анализа процесса радиоактивного распада ядер. Для выполнения законов сохранения энергии и момента пришлось допустить, что при р-распаде одновременно с электроном (позитроном) ядро испускает нейтральную частицу с массой, равной нулю, и с нолуцелым спином. Существование нейтрино было доказано экспериментально сначала в косвенных опытах (см. 10, п. 3), а затем и в прямом ( 83). [c.547] Таким образом, к 1932 г. было обнаружено шесть элементарных частиц электрон, фотон, протон, нейтрон, позитрон и нейтрино. Изучение этих частиц позволило получить правильные представления об устройстве атома и атомного ядра, объяснить целый ряд различных внутриатомных и внутриядерных процессов и, в частности, построить теорию р-распада. [c.548] Ввиду того что на свойствах всех перечисленных выше частиц мы достаточно подробно останавливались в разных частях нашего курса, здесь о них больше говорить не будем. Мы вернемся к ним в конце главы, где будет рассказано о структуре нуклонов и проблеме нейтрино — антинейтрино. [c.548] Вернуться к основной статье