Содержание
Ядерные силыявляютсякороткодействующими.Это заключениеосновано наопытах по рассеяниюзаряженныхи незаряженныхчастиц ядрами.
Приемлемыезначения размеровзеркальныхядер, полученныев предположении,что разностьих энергийсвязи обусловленатолько электростатическимвзаимодействием,свидетельствуют,по-видимому,о том, что гипотезазарядовойнезависимостиядерных сил не находитсяв противоречиис экспериментальнымифактами.
Мы уже обращаливнимание нато, что весьмаважным свойствомядерных силявляется свойствонасыщения,проявляющеесяв постоянствеплотностиядерного веществапочти во всехядрах и в линейномвозрастанииэнергии связис увеличениеммассовогочисла.
Существованиедейтрона —устойчивойсистемы протонаи незаряженногонейтрона –свидетельствуето наличиидействующихмежду ними силнеэлектрическогохарактера. Этисилы не могутбыть силамичисто магнитноговзаимодействия(хотя оно и неисключается),поскольку такоевзаимодействиене может обусловитьсреднюю энергиюсвязи нуклона,составляющуюоколо 7,5 Мэв.
Опыты порассеяниюнейтроновпротонамиуказывают назависимостьядерных силот спинов нуклонов.Существованиеэлектрическогоквадрупольногомомента дейтронаи неаддитивностьмагнитныхмоментов протонаи нейтрона вдейтроне указываютна тензорныйхарактер ядерныхсил. Кроме того,взаимодействиемежду нуклонамиможет зависетьи от скоростейнуклонов.
Все перечисленныефакты должныбыть учтеныпри изученииприроды ядерныхсил и должныбыть объясненытеорией.
Известно,что протон инейтрон являютсядвумя различнымизарядовымисостоянияминуклона. Зарядовоесостояние,описываетсяс помощью зарядовойкоординатыt,принимающейдва значения:+1/2 для протонного и -1/2 для нейтронногосостояния,подобно томукак спиноваяпеременнаяsможет приниматьдва значения,соответствующиедвум возможнымзначениямпроекции вектораспина на заданноенаправление.Эта аналогиямежду спиновойи зарядовойкоординатамипозволяетиспользоватьматематическийаппарат теорииспина.
В
подобно тому как оператор Паули
О
«Пространство
Операторам
В матричнойформе эти операторыимеют следующийвид:
Каждый нуклонописываетсядвухкомпонентнойфункцией, которуюможно представитьв виде матрицы-столбца.Протонное инейтронноесостояниянуклона описываютсясоответственнофункциями
Д
Такимобразом, оператор
Оператор
И
Ядро,состоящее изА нуклонов(A=Z+N),характеризуетсяоператоромизотопическогоспина
я
так каксумма
Абсолютнаявеличина Твектораизотопическогоспина не можетбыть меньшеабсолютнойвеличины проекцииего на ось Ј,т. е.
Это означает,что ядро можетиметь равныйнулю изотопическийспин Ттольков том случае,когда числопротонов Zравночислу нейтроновN.Изотопическийспин ядра можетбыть равенединице, либокогда числопротонов равночислу нейтронов,либо когдачисло протоновотличаетсяот числа нейтроновна единицу.
И
Такимобразом, приT=1возможны толькотакие состояниясистемы n– р, которыемогут иметьместо для систем,состоящихиз двух протоновили двух нейтронов:'S0,(3Po,3P
,3P
), т. е.только четныесинглеты инечетные триплеты.При T=0существуеттолько однозначение
Приведеннаяклассификациясостояний даетвозможностьболее четкосформулироватьсущность зарядовойнезависимости,т. е. изотопическойинвариантностиядерных сил,для системы,состоящей издвух нуклонов:ядерноевзаимодействиелюбой парынуклонов всостоянияхс Т= 1одинаково.
Гипотезаизотопическойинвариантностиядерных силоснована напредположении,что в изотопическомпространствеотсутствуютфизическивыделенныенаправления:трехмерноеизотопическоепространство
Представлениеоб изотопическойинвариантностилегко можетбыть обобщенона случай болеесложных систем,состоящих изZпротонов и Nнейтронов.В случае строгоговыполненияизотопическойинвариантностигамильтониансистемы недолжен менятьсяпри заменелюбого протонана нейтрон инаоборот. Всесостояниясистемы, в которойпроизведенатакая замена,должны совпадатьс состояниямипервоначальнойсистемы, еслитолько они незапрещеныпринципом Паули.
Заменапротона нейтрономозначает уменьшениеТ наединицу, т. е.поворот вектораТ визотопическомпространстве.Если в результатетакой заменыгамильтонианне изменится,то он инвариантенотносительновращения визотопическомпространстве.Изотопическийспин системыв этом приближенииявляется интеграломдвижения, т. е.он сохраняется.Каждому состояниюсистемы соответствуетопределенныйизотопическийспин Т,зависящийот изотопическихспинов всехчастиц, образующихсистему, и отих ориентациив изотопическомпространстве.
В действительностипротоны посвоим свойствам (по массе, электрическомузаряду, магнитномумоменту) несколькоотличаютсяот нейтронов,поэтому заменапротона нейтрономи наоборотдолжна приводитьк изменениюгамильтонианасистемы. Этоозначает, чтоизотопическийспин Т не являетсяточным «квантовымчислом. Вследствиекулоновскоговзаимодействияв гамильтониандолжны войтичлены, не инвариантныеотносительновращений визотопическомпространстве.Однако в легкихядрах, содержащихнебольшое числопротонов, кулоновскоевзаимодействиезначительнослабее ядерного, благодаря чемузарядово-неинвариантныечлены гамильтонианаможно рассматриватькак малое возмущение.Такое возмущениеприводит ктому, что состояниесистемы можетявляться смесьюсостояний сразличнымизначениямиизотопическогоспина. При оченьмалых зарядово-неинвариантныхчленах состояниесистемы можнохарактеризоватьизотопическимспином, играющимроль неточногоквантовогочисла. Из анализаэкспериментальныхданных следует,что для невозбужденныхсостояний ядеризотопическийспин имеетсмысл квантовогочисла вплотьдо Z
С увеличениемГ энергетическаяустойчивостьядер уменьшается,поэтому основнымсостояниямядер соответствуютмалые значенияизотопическогоспина: Т=0, 1/2 и 1. Взависимостиот значенияизотопическогоспина системыможно говоритьоб изобарныхсинглетах (Т= 0), дублетах(Т=1/2)итриплетах(Т=1). К изобарнымсинглетамотносятся такиеядра, как 2Не4и
Зеркальныеядра 1H3и 2Не3можно рассматриватькак ядра, образующиеизобарныйдублет. Дляэтих ядеризотопическийспин можетприниматьзначения 1/2или3/2,так как Т = ±1/2.Однакозначение Т=3/2должно бытьотброшено,поскольку приТ=3/2существовалибы устойчивыесистемы из трехпротонов илитрех нейтронов.Оказывается,что для основныхсостояний всехядер с нечетнымА вплотьдо 17Cl33T=1/2.
Такиеядра, как 4Ве10,5В10,6С10,образуютизотопическийтриплет, соответствующийтрем возможнымзначениямпроекцииизотопическогоспина Т=1, причемядру 4Ве10.соответствуетТ
Протони нейтрон можнорассматриватькак частицы,образующиенуклонныйдублет. Изотопическийспин tнуклонаравен 1/2, причемпротонномусостояниюсоответствуеткомпонентаТ
Эта формуламожет бытьобобщена наслучай, когдасистема состоитиз несколькихнуклонов,получим:
Такимобразом, зарядядра выражаетсячерез Т
Явлениенасыщения икороткодействующийхарактер ядерныхсил впервыебыли объясненына основепредположенияоб обменномхарактереядерных сил,т. е. что эти силывозникают междудвумя частицамиблагодаряобмену третьейчастицей. Такойчастицей вслучае взаимодействиянуклонов является,по-видимому,мезон. Еслисостояние двухвзаимодействующихнуклонов зависитот их пространственныхr1,r2и спиновых s1,s2координат, топодобный обменможет осуществлятьсятремя различнымиспособами.
1) Нуклонымогут обмениватьсяпространственнымикоординатами,сохраняя неизменнымиспиновые переменные.Эта возможностьбыла рассмотренаМайорана. Силы,возникающиепри такомвзаимодействии,получили названиесил Майорана.
2) Возможенобмен нуклоновспиновымипеременнымипри неизменныхпространственныхкоординатах.Этот вариантбыл рассмотренБартлеттом.Силы взаимодействиянуклонов притаком обменеполучили названиесил Бартлетта.
3) Возможенодновременныйобмен спиновымии пространственнымикоординатами.Возникающиепри этом обменныесилы известныпод названиемсил Гейзенберга.
Формальноеописание обменноговзаимодействияосуществляетсяпутем введенияв гамильтониансистемы такихоператоров,которые, действуяна волновуюфункцию, вызываютперестановкукоординат илиперестановкуспинов, либои тех и другиходновременнов зависимостиот характераобменных сил.
В случаеобменных силМайорана операторэнергии взаимодействияможет бытьпредставленв виде произведенияV(r)PM,где V(r)— функция,зависящая отрасстояниямежду нуклонами,а Pm— оператор,меняющий местамипространственныекоординаты,входящие вволновую функцию:
В случае,если системасостоит толькоиз двух нуклонов,операторМайорана Pmпредставляетсобой операторинверсии: Рм
Случаюсил Бартлеттасоответствуетоператор Рб,действующийна волновуюфункцию следующимобразом:
УравнениеШредингерадля системы,состоящей издвух частиц,в этом случаеможет бытьзаписано втаком виде:
Наконец,оператор силГейзенбергаРгобладаетследующим
свойством:
УравнениеШредингерадля двухнуклоннойсистемы в этомслучае имеетвид:
Отметим,между прочим,что обычные(не обменные)силы в теорииядра иногданазываютсясилами Вигнера.
Указываявид операторовМайорана, Бартлеттаи Гейзенберга,мы предполагали,что их координатнаячасть V(r)зависит толькоот расстояниямежду взаимодействующиминуклонами.В этом случаеобменные силыбудут центральными,благодаря чемуне смогут возникатьсостояния,являющиесясуперпозициейсостояний сразличными
Сами посебе тензорныесилы не приводятк насыщению, в то время какего могут объяснитьсилы Майоранаи Гейзенберга;поэтому тензорныесилы обычнокомбинируютсяс операторамиобменных сил).
Остановимсятеперь нарассмотрениисвойств различныхобменных сил.Рассмотримсначала силыМайорана, которымсоответствуетоператор Pм.Действие Pмна функцию
Из уравнения(4.17) следует, чтодля четныхзначений
При рассеяниинейтронов,энергиякоторыхне превосходитнесколькихМэв,практическинаблюдаетсятолько s-рассеяние,не позволяющееустановитьобменногохарактераядерных сил.Поэтому необходимоисследовать
рассеяниеболее высокихпорядков,наблюдающеесятолько при
высокихэнергиях частиц.
В случаесил Бартлетта,если допустить,что волноваяфункция можетбыть представленав виде произведениядвух функций,одна из которыхзависит отпространственныхкоординатнуклонов r=r
ПоэтомууравнениеШредингерав случае наличиясил Бартлеттаможет бытьпредставленов виде
и отличаетсяот уравненияс «обыкновенным»потенциаломтем, что потенциалимеет различныйзнак при s=0и при s=l.Из опытов порассеяниюнейтроновпротонамиизвестно, чтов три-плетноми в синглетномсостоянияхсистемы нейтрон— протон наблюдаетсярассеяние,которое можетбыть объясненосилами притяжения,хотя величинаэтих сил (глубинапотенциальнойямы) оказываетсяразличной. Этообстоятельствонаряду с тем,силы Бартлетта,не приводятк насыщению,позволяетутверждать,что ядерныесилы не могутбыть толькосилами Бартлетта.
Послезамечаний,сделанныхотносительносил Майоранаи Бартлетта, мы можем сразузаписать уравнениеШредингерадля сил Гейзенберга:
Отсюдавидно, что знакпотенциалазависит оттого, являетсяли l+sчетнымили нечетнымчислом. В частности,при s-рассеяниинейтроновпротонами (
Различноевзаимодействиев триплетноми синглетномсостоянияхсистемы протон— нейтрон можетбыть объяснено,если, например,предположить,что обменныесилы представляютсобой «смесь»сил Гейзенбергаи Майорана. Втаком случаеоператорпотенциальнойэнергии будетиметь вид
где g— некоторыйпараметр, которыйследует выбратьтак, чтобыполучалосьнеобходимоедля объяснениярассеяниявзаимодействиев триплетноми синглетномсостояниях.При использованиимодели прямоугольнойямы ее глубинаоказывается~20 Мэвдлятриплетногросостояния и~11,5 Мэвдлясинглетного.Легко убедиться,что для получениятакой глубиныследует положитьg
Однако последнеезамечание неозначает, чтокомбинациясил Гейзенбергаи Майоранаявляется единственновозможной. Вчастности,можно было быполучить подходящуювеличинувзаимодействияв триплетноми синглетномсостоянияхдейтрона,предположив,что ядерныесилы являютсякомбинациейсил Вигнераи Майорана.Опыты по рассеяниюбыстрых нуклоновзаставляютсомневатьсяв том, что комбинациятаких сил можетбыть использованадля описанияядерноговзаимодействия.
Покажем,как могут бытьвыражены операторыPМ,РВ,РГчерезоператоры Паулио и операторыизотопическогоспина
Если сноваограничитьсярассмотрениемсистемы из двухнуклонов, толегко видеть,что такие собственныезначения операторовобменных сил(±1) связаны ссимметриейили антисимметриейволновой функциисистемы относительноперестановкипеременных,характеризующихсистему.
Преждевсего установимсвязь междуоператоромрби операторамиПаули
Собственныезначения оператора
Представиманалогичнымобразом операторыМайорана и Гей-зенберга. Посколькукомпонентыоператоров
Введениезарядовойкоординатыtэквивалентнопризнаниюсуществованияу нуклона пятистепеней свободы(три пространственных,спиновая изарядовая координаты). Посколькусистема нуклонов, подчиняющихся статистике Ферми — Дирака,должна описыватьсяволновой функцией,антисимметричнойотносительноперестановкивсех координатлюбой парынуклонов, волноваяфункция системыиз двух нуклонов
Последнеесоотношениеможет бытьзаменено таким:
Это позволяетвыразить операторМайорана Рм черезоператоры P
Если жепринять вовнимание, чтооператор ргсвязанс опеаторамиРм и Рбсоотношением
PГ= PМPB, (4.21) , тoдля оператораГейзенбергаполучаем:
.
Перестановказарядовыхкоординат, каки следовалоожидать, эквивалентнаперестановкепространственныхкоординат испиновыхпеременныхнуклонов.
Системаиз двух одинаковыхчастиц — нейтроновили протонов— должна характеризоватьсяволновой функцией,симметричнойотносительнозарядовыхкоординат;поэтому синглетнымсостояниямтакой системы(антисимметричнымотносительноспиновых переменных)соответствуетчетная относительноперестановкипространственныхкоординатфункция, атриплет-нымсостояниям— нечетная.
Выше былоуказано, чтовключение вгамильтонианслагаемых,содержащихоператоры Рм,РБи Рг,не может привестик возникновениюсостояния,являющегосясуперпозициейсостоянийс различными
Тензорныесилы такжемогут бытьобычными иобменными. Приобычных тензорныхсилах в гамильтонианвходит S12(см(4.3) ) , а в случаеобменных силберется комбинацияPГSl2.Произведенияже PБSl2и PМSl2включатьв гамильтонианне имеет смыслав связи с тем,что по (4.6)
Таким образом,операторпотенциальнойэнергии, учитывающийзависимостьот пространственных,спиновых изарядовыхкоординат,может бытьпредставленв виде
Входящиев это выражениеоператорысоответствуютразличнымтипам взаимодействия.Оператор ( )соответствуетобмену спиновымипеременными,(
Следует,наконец, указать,что оператор(4.24) представляетнаиболее общийтип операторапотенциальнойэнергии, удовлетворяющийтребованию,инвариантностиотносительносмещений, вращенийи инверсиисистемы координат,при условии,что взаимодействиене зависит отсуммарногоспина, скоростейи заряда ядра.
Явлениенасыщенияядерных силсвидетельствуето том, что каждыйнуклон, входящийв состав сложногоядра, взаимодейетвуетс ограниченнымчислом частиц.В противномслучае, т. е., еслибы каждый нуклонвзаимодействовалсо всеми нуклонамив ядре,энергия связи,как уже отмечалось,была бы пропорциональнойчислу взаимодействующихпар нуклоновА (А — 1)/2. Используявариационныйпринцип, можнопоказать, что,независимоот формы потенциальнойфункции, обычныекороткодействующиесилы притяженияне могут привестикнасыщению.
По-видимому,насыщение можетвозникнутьв том случае, когда ядерныесилы, являющиесясилами притяжения,на малых расстоянияхпереходят всилы отталкивания,что соответствуетконечным размерамнуклонов.
Инаявозможностьобъяснениянасыщениязаключаетсяв предположении,что между нуклонамидействуютобменные силы.Однако, как мыувидим ниже,приводят кнасыщению неjлюбые силыэтого типа.
Выяснимсначала, могутли обусловитьнасыщение силыМайорана, длячего предположим,что состояниекаждого нуклонаможно описатьс помощью функции,зависящейтолько от егокоординат. Этодопущение ненаходится впротиворечиис опытнымифактами.
Потенциальнаяэнергия Wвзаимодействиялюбого протона, находящегосяв состоянииu(r
Еслипротон и нейтроннаходятся вразличныхсостояниях,функции и(r )и v(r
)будутортогональныдруг другу, аинтеграл W(этоочевидно, еслипредположить,что V(r)можноаппроксимироватьс помощьюпрямоугольнойпотенциальнойямы; тогда W=0).Энергия взаимодействиядвух частицбудет отличнаот нуля в томслучае, еслипротон и нейтроннаходятся водном же состоянии.При взаимодействииМайорана нейтронвзаимодействоватьс теми протонами,у которыхкоординатнаячасть волновойфункции совпадаетс соответствующейволновой функциинейтрона. Согласнопринципу Паулив ядре могутнаходитьсядва таких протона(с противоположноОриентированнымиспинами); поэтомупри силах Майоранакаждый нейтронможет взаимодействоватьс двумя протонамии, наоборот,каждый протон— с двумя нейтронами.
Отсюдаможно сделатьвывод, что втаких ядрах,как 2Не3,
Иначеобстоит дело,когда междунуклонамидействуют силыГейзенберга.В этом случаев операторпотенциальнойэнергии входятоператорыПаули, действующиена спиновуюпеременную,в результатечего знак потенциаларазличен припараллельныхи антипараллельныхнаправленияхспинов взаимодействующихчастиц. Поэтомунейтрон можетпритягиватьк себе толькоодин протон,а протон — толькоодин нейтрон.При силах Гейзенбергасистему с насыщеннымиядерными связямидолжен был быпредставлятьдейтрон. Большаяэнергия связи,приходящаясяна каждую частицув ядре
Однакорассеяниенейтронов ипротонов, обладающихбольшимиэнергиями,говорит о том,что ядерныесилы не могутбыть чистообменнымисилами, а являются,по-видимому,комбинациейобычных и обменныхсил. Присутствиеже в гамильтонианечленов, соответствующихобычным силам,вновь поднимаетвопрос объяснениянасыщенияядерных сил).
Для объяснениянасыщения вэтом случаепринимают, чтомежду нуклонами,помимо рассмотренныхвыше сил, действуюттак называемые«множественные»силы, сущностькоторых заключаетсяв их отсутствиипри взаимодействиидвух частици отталкиваниимежду тремяили большимчислом частиц.
Мезоныи ядерные силы
В предыдущемразделе былодано формальноеопределениеобменных сил,причем незатрагивалисьвопросы, связанныес осуществлениемобмена зарядами,спинами иликоординатами.Представлениео механизмеобмена базируетсяна соображениях,аналогичныхиспользованнымДираком припостроениитеории электромагнитноговзаимодействия.
В этойтеории двойственная,корпускулярно-волноваяприродаэлектромагнитныхявлений интерпретируетсяс помощью волновойаналогии, согласнокоторой впространстве,окружающемвзаимодействующиезаряды илитоки, существуетполе, характеризуемоев каждой точкепотенциаламиили векторамина пряженности.С другой стороны,те же явлениямогут бытьистолкованыс помощью понятияквантов. Иначеговоря, с электромагнитнымполем связываетсяпредставлениео фотонах —«квантах этогополя, являющихся«частицами»с равными нулюзарядом и массойпокоя и подчиняющихсястатистикеБозе — Эйнштейна.Фотоны могутиспускатьсяи поглощаться,т. е. возникатьи исчезать;взаимодействиеже между зарядамиможет бытьобъясненообменом квантамиэлектромагнитногополя.
Аналогичныепредставлениябыли использованыи при построениитеории взаимодействиянуклонов.Предполагалось,что каждыйнуклон характеризуетсяспецифическим«нуклоннымзарядом», создающимполе ядерныхсил. Этому полюсоответствуюткванты, которые,в отличие отквантов электромагнитногополя, могутиметь не равнуюнулю массупокоя. Впервыеэта идея былавысказана в1934 г. Д. Д. Иваненкои И. Е. Таммом,допускавшими,что квантамиядерного поляявляются электроныи нейтрино.Предположение,что ядерноевзаимодействиеосуществляетсячерез электронно-нейтринноеполе, позволилообъяснитькороткодействующийхарактер ядерныхсил, но привелобы к слишкоммалым значениямэнергии связинуклонов.
Эта идеянашла дальнейшееразвитие вработе Юкавы,который предположил,что «тяжелым»квантом поляядерных силявляется (в товремя ещегипотетическая)частица с массойпокоя, равнойпримерно 200электронныммассам. В 1937 г. всоставе космическогоизлучения былаобнаруженачастица с массой,близкой к 200 те,получившаяназвание мезона.Первоначальносчиталось, чтоквантом ядерногополя являетсяименно такоймезон; однакодальнейшиеисследованияпоказали ошибочностьэтого. Частицас m
Определеннаяк настоящемувремени массамюона m = 105,659 Мэв) . Обнаруженыположительныеи отельныемюоны, причемпо абсолютнойвеличине ихзаряд, по-видимому,не отличаетсяот заряда электрона.Спин мюонаравен Ѕ. Какположительные,так и отрицательныемюоны неустойчивы;их средняяпродолжительностьжизни в вакуумев системекоординат,связанной смюоном, равна
где е±обозначаетэлектрон илипозитрон, v и ve— нейтральныечастицы (мюонноеи электронноенейтрино) ; черточканад символом'обозначаетантичастицы.
Слабоевзаимодействиемюонов с нуклонамиподтверждается,в частности,тем, что
В 1947 г. всоставе космическогоизлучения былиобнаруженычастицы, сильновзаимодействующиес нуклонами.Их назвали
Такойраспад
В 1950 г. былиобнаружены нейтральные
Энергиякаждого кванта
И
Такаясвязь
В начале 50-хгодов былиоткрыты К-мезоны.
В начале60-х годов былаоткрыта новаяразновидностьчастиц, получившаяназвание резонансов(резонансныхсостояний). Насегодняшнийдень открытоболее 100 резонансов,причем ростих числа непредвещаетпока насыщения.
В 1932 г. всоставе космическогоизлучения былобнаруженпозитрон,существованиекоторого былопредсказанотеорией Диракаеще в 1929 г. Этотфакт имел оченьбольшое значениене только дляподтвержденияправильноститеории Дирака,но и потому,что позитронявился первойиз открытыхантичастиц.Последующееоткрытие другихантичастицпривело к мыслио том, что законыфизики симметричныотносительноизменениязнака электрическогозаряда частицы.В результатеэтого возниклопредставлениео зарядовомсопряжении,т. е. преобразовании,при которомчастицы заменяютсяантичастицамис одновременнымизменениемв уравненияхзнаков всехзарядов, магнитныхмоментов иэлектромагнитныхполей,причем самиуравнения,описывающиеповедениесистемы, остаютсянеизменными.
Первоначальнаяинтерпретацияпозитрона какдырки в сплошьзаполненномэлектронномфоне в настоящеевремя оставлена.Нецелесообразностьтакого объяснениястала очевиднойпосле того как в 1934 г. быласоздана релятивистскаятеория заряженныхчастиц со спином,равным нулю,применимая,в частности,к
Известныев настоящеевремя частицымогут бытьразделены начетыре группы:
1. Фотон.
2. Легкиечастицы (лептоны)с массой, меньшеймассы
3. Мезоныи мезонныерезонансы, ккоторым относятся
4. Барионыи барионныерезонансы . Кним относятсянуклоны и болеемассивныечастицы. Всеони являютсяфермионамии имеют полуцелыйспин.
После открытияпозитрона,являющегосяантичастицейпо отношениюк электрону,возник вопрос:существуютли античастицыу всех «элементарных»частиц?
Представление,что нейтриноимеет античастицу— антинейтрино,возникло почтиодновременнос первыми попыткамидать теоретическоеобъяснениеэлектронногои позитронногораспада (бета-распадаядер); однакотолько последниеисследованиядвойного бета-распададали правоутвердительноответить наэтот вопрос.
В 1955 г. былоткрыт антипротон,а в 1956 г. былоустановлено,что столкновенияантипротонас протономмогут привестилибо к их аннигиляции,либо к превращениюантипротонав антинейтронв результатеобменногоэффекта. Такимобразом, протонр и нейтрон nимеют античастицы:антипротон
В связи ссуществованиемантичастицу нейтрино инейтрона возникаетвопрос: чемотличаетсянезаряженнаячастица отсвоей античастицы?Можно предположить,что отличиепроявляетсяв знаке магнитногомомента. Однакоэто не всегдаправильно.Магнитныймомент антинейтронадействительнодолжен бытьпротивоположенпо знаку магнитномумоменту нейтрона;но этот критерийнеприменимпо отношениюк нейтрино,магнитныймомент которогоравен, по-видимому,нулю. Значит,различие междучастицами иантичастицамисвязано с каким-тоиным свойствомнезаряженныхчастиц, изменяющимсяпри переходек их античастицам.
Это свойствоможет бытьустановлено,если предположить,что все барионыхарактеризуютсяспецифическимбарионнымзарядом A.Он равен +1 длябарионов и —1для антибарионов.Для барионногочисла (заряда)выбрано обозначение,совпадающеес обозначениеммассовогочисла, посколькумассовое число— это фактическибарионное числоядра, состоящегоиз Апротонови нейтронов.Таким образом,можно считать,что основнымотличием протонаи нейтрона отсоответствующихим античастицявляется отличиев знаке барионногозаряда, ноне в знакеэлектрическогозаряда илимагнитногомомента. Соответственнолептоны и антилептоныотличаютсяпротивоположнымизнаками лептонногозаряда (числа),по модулю равногоединице . Длямезонов барионныйи лептонный,заряды равнынулю.
Cведенияо частицах,античастицахи их взаимных,превращенияхзначительнорасширилисьза последниегоды в результатеоткрытия иинтенсивногоизучения мезонов,барионов иих резонансов.За последнеевремя появилсяряд работ , вкоторых делаютсяпопытки классифицироватьнаблюдаемыефакты и явленияв рамках феноменологическойтеории..
ГеллМанн обратил вниманиена существованиеследующих типоввзаимодействиямежду элементарнымичастицами:(если не учитыватьгравитации):
1. Сильныевзаимодействия,возникающиемежду барионами,антибарионамии мезонами.Этими взаимодействиямиобусловленыядерные силымежду нуклонамии процессыобразованиямезонов и гипероновпри ядерныхстолкновениях.Однако учетодних лишьсильных взаимодействийследует рассматриватькак первоеприближение.
2. Электромагнитныевзаимодействия,возникающиепри воздействиифотонов назаряженныечастицы (второеприближение).
3. Слабыевзаимодействия,проявляющиесяпри
В этойтеории нуклоны,антинуклоныи
При учететолько сильноговзаимодействиясправедливзакон сохраненияизотопическогоспина: каждойчастице илисистеме частицсоответствуетизотопическийспин, являющийсяточным квантовымчислом. Состояниюс изотопическимспином Т отвечаеткратностьвырождения2Т+1, причем каждаякомпонентатакого мультиплетасоответствуетопределенномузарядовомусостояниючастицы илисистемы частиц.Как обычно,будем считать,что заряд возрастаетс увеличениемТ
ЗарядZсистемычастиц определяетсясоотношением
Центрмультиплета,соответствующеготакой системе,равен А/2.Преобразованиезарядовогосопряженияменяет знакиZ,T
При учетеэлектромагнитноговзаимодействияизотопическийспин теряетсвойства точногоквантовогочисла и вырождениепо изотопическомуспину снимается.Таквозникаетразличие междумассами частиц,находящихсяв разных зарядовыхсостояниях.
Процессы,в которых проявляютсятолько сильныевзаимодействия,называютсябыстрыми. К нимотносятсяпроцессы,происходящиепри столкновениинуклонов сбольшой энергией,например образование
Процессы,обусловленныеэлектромагнитнымвзаимодействием,называютэлектромагнитными.К ним относится,например, распад
Наконец,процессы, идущиепод влияниемтолько слабыхвзаимодействий,например лептонныйраспад, и требующие«больших»промежутковвремени (~10
В.ВМаляров «Основытеории атомногоядра» Издательство«Наука», М.1967г.
И.В.Савельев «курсобщей физики»том 3. Издательство«Наука», М.1982 г.
И.ВКорсунский«Атомное ядро».Издательство«Наука», М, 1968г
-
МинистерствообразованияРоссийскойФедерации
МосковскийГосударственныйОбластнойПедагогическийИнститут
Курсоваяработа по физикена тему: «Ядерныесилы»
Выполнил:студент 4 курса,группы 4-ф-1, физико-математическогофакультета
Удачин АндрейАнатольевич
Преподаватель: ГусевВ.Н.
2004 г.