В 1930-1932 гг. разыгрались полные драматизма события. Продолжая
начатые Резерфордом эксперименты по облучению тонких фольг из бериллия
[pic]-частицами, В. Боте и Г. Беккер обнаружили сильно проникающее
излучение, состоящее из нейтральных частиц. Первоначально выдвинутая
гипотеза о том, что это фотоны высоких энергий, не выдержала проверки. Лишь
в 1932 г. английский физик Д. Чедвик показал, что это новая, до сих пор
неизвестная нейтральная частица с массой, приблизительно равной массе
протона. Обнаруженная частица была названа нейтроном. Сразу после открытия
нейтрона Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо выдвинули гипотезу, что
атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Эта модель выдержала
испытания временем и, как показывают экспериментальнные наблюдения, в
обычных условиях отклонения от протонно-нейтронной модели, связанные с
внутренней структурой нуклонов, невелики. Протоны и нейтроны в атомном ядре
связаны особыми силами, для которых характерна большая величина и малый
радиус действия ~10-13 см. Ядерные силы существенно превосходят силы
электростатического кулоновского отталкивания протонов и обуславливают
большую плотность вещества ядра ~1014 г/см3. Этот новый тип взаимодействия,
связывающий нейтроны и протоны, назвали ядерным или сильным
взаимодействием. Эти два названия долгое время считали синонимами. Сегодня
мы знаем: сильное взаимодействие связывает кварки внутри нуклона, а ядерное
взаимодействие, связывающее нейтроны и протоны, является следствием
сильного взаимодействия. Ядерное взаимодействие меняет свойства нуклонов.
Так, например, свободный нейтрон, являясь нестабильной частицей, внутри
ядра может стать стабильным. По отношению к сильному взаимодействию протон
и нейтрон имеют одинаковые свойства. Это привело к открытию новой симметрии
- изотопической инвариантности сильных взаимодействий. Была введена новая
квантовая характеристика - изоспин.
С помощью изотопической инвариантности сильных взаимодействий в дальнейшем
удалось предсказать массы и электрические заряды некоторых новых
элементарных частиц. Протоны и нейтроны образуют атомные ядра всех
химических элементов.
Размеры ядра
Еще на ранней стадии изучения структуры атомных ядер эксперименты по
рассеянию [pic]-частиц на легких ядрах дали основание предполагать, что
плотность ядерного вещества у всех ядер приблизительно постоянна. Это
предположение было в дальнейшем детально исследовано в опытах Р. Хофштатера
по рассеянию электронов высокой энергии на сферических ядрах, расположенных
вблизи долины стабильности. Оказалось, что плотности распределения ядерной
материи и электрического заряда практически совпадают.
Для ядер, расположенных вблизи долины стабильности, были установлены
следующие закономерности.
. Плотность ядерной материи в центре ядра приблизительно одинакова у всех ядер и составляет ~ 0.17 нукл./Фм3 (см. рис.3).
. Толщина поверхностного слоя (спад плотности от 0.9[pic]0 до 0.1[pic]0) у всех ядер примерно одинакова d = 4.4a = 2.4·Фм.
. Величина радиуса ядра определяется числом нуклонов, R = 1.3A1/3 Фм.
Позитрон. Аннигиляция.
Взаимные превращения элементарных частиц
Открытие позитрона, частицы по своим характеристикам похожей на электрон, но имеющей в отличие от электрона положительный единичный заряд, было исключительно важным событием в физике. Еще в 1928 году П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики электрона. Оказалось, что уравнение Дирака имеет два решения, как с положительной, так и с отрицательной энергией. Состояние с отрицательной энергией описывает частицу аналогичную электрону, но имеющую положительный электрический заряд. Позитрон был первой открытой частицей из целого класса частиц, которые получили название античастиц. До открытия позитрона казалась необъяснимой неодинаковая роль положительных и отрицательных зарядов в природе. Открытие позитрона по существу восстановило зарядовую симметрию для легких частиц и поставило перед физиками проблему поиска античастицы для протона. Другая неожиданность - позитрон является стабильной частицей и может в пустом пространстве существовать бесконечно долго. Однако при столкновении электрона и позитрона происходит их аннигиляция. Электрон и позитрон исчезают, и вместо них рождаются два [pic]- кванта
[pic].
Происходит превращение частиц с массой покоя отличной от нуля (0.511 МэВ) в
частицы с нулевой массой покоя (фотоны), т.е. масса покоя не сохраняется.
Наряду с процессом аннигиляции был обнаружен и процесс рождения пары
электрон-позитрон. Электрон-позитронные пары легко рождались [pic]-квантами
с энергией в несколько МэВ в кулоновском поле атомного ядра. В классической
физике понятия частицы и волны резко разграничены - одни физические объекты
являются частицами, а другие - волнами. Превращение пары электрон-позитрон
в фотоны стало дополнительным подтверждением представления о том, что между
излучением и веществом много общего. Процессы аннигиляции и рождения пар
заставили по-новому осмыслить, что же такое элементарная частица.
Элементарная частица перестала быть неизменным "кирпичиком" в строении
материи. Возникла новая чрезвычайно глубокая концепция взаимного
превращения элементарных частиц. Оказалось, что элементарные частицы могут
рождаться и исчезать, превращаясь в другие элементарные частицы. Следующая
элементарная частица - нейтрино также вначале была предсказана теорией.
Открытие нейтрона, казалось, внесло ясность в строение вещества. Все
элементарные частицы, необходимые для построения атома: протон, нейтрон,
электрон - были известны. Если в составе атомного ядра нет электронов, то
откуда же берутся электроны, которые наблюдаются при радиоактивном распаде
ядер?
Парадоксы бета - распада. Нейтрино
Ответ на этот вопрос был дан в 1932 г. через год после открытия
нейтрона итальянским физиком Энрико Ферми в разработанной им теории [pic]-
распада. [pic]-Распад в определенном смысле аналогичен испусканию фотонов
возбужденными атомами. Ни электронов в ядре, ни фотонов в атоме нет до
момента излучения, и фотон, и электрон образуются в процессе распада.
Изучение процесса [pic]-распада показало, что испускание электронов вызвано
не электромагнитным взаимодействием и не ядерным взаимодействием, а новым
типом взаимодействия до сих пор неизвестным в физике. Это взаимодействие
было названо слабым взаимодействием. В будущем оно принесло в физику много
неожиданных и сенсационных открытий.
Изучение явления [pic]-распада поставило перед физиками серьезную проблему.
Экспериментальные факты казались несовместимыми с законами сохранения энергии, импульса и момента количества движения. Для того, чтобы спасти эти законы В. Паули в 1930 г. высказал предположение, что в процессе [pic]- распада наряду с электроном, который легко наблюдается, должна рождаться еще одна легкая частица с нулевым зарядом, нулевой массой покоя и спином
1/2. Поскольку нейтрино испускалось вместе с электроном в процессе [pic]- распада, оно могло уносить недостающую энергию, импульс и момент количества движения. Для того чтобы проверить гипотезу Паули, необходимо было обнаружить нейтрино экспериментально. Однако свойства нейтрино, предсказанные Паули, делали обнаружение ее чрезвычайно трудной задачей.
Дело в том, что нейтрино должно было очень слабо взаимодействовать с веществом. Оно могло пролетать тысячи километров вещества без взаимодействия. Сечение взаимодействия нейтрино с энергией несколько МэВ с атомными ядрами ~10-34 см2. Экспериментальные попытки непосредственно зарегистрировать нейтрино продолжались почти двадцать лет. Лишь в 1953 году в результате очень сложного эксперимента Ф. Райнесу и К. Коуэну удалось зарегистрировать антинейтрино. (Антинейтрино было зарегистрировано с помощью реакции [pic].
Источником антинейтрино служил атомный реактор, в котором антинейтрино
образуются в большом количестве.). Гипотеза Паули получила блестящее
подтверждение.
Пионы – кванты ядерного поля
Наличие в атомном ядре нейтронов и протонов поставило перед физиками
проблему изучения природы ядерных взаимодействий, связывающих эти частицы в
ядре. В 1934 году Х. Юкава предсказал новую частицу - квант ядерного поля.
Cогласно гипотезе Юкава взаимодействие между нуклонами возникает в
результате испускания и поглощения этих частиц. Они определяют ядерное поле
по аналогии с электромагнитным полем, которое возникает как следствие
обмена фотонами.
После предсказания свойств мезона начались энергичные поиски этой
частицы. И уже через два года в 1937 г. в космических лучах с помощью
камеры Вильсона была обнаружена частица с массой покоя равной примерно 200
массам покоя электрона. Вначале считалось, что это и есть предсказанный
Юкавой мезон. Однако более детальное исследование свойств этой частицы
показало, что обнаруженные в космических лучах мезоны взаимодействуют с
нейтронами и протонами не достаточно сильно, как это должно было быть для
переносчиков ядерного взаимодействия. Они не захватывались атомными ядрами,
а распадались с испусканием электронов. Первоначальный энтузиазм сменился
некоторым разочарованием. Наконец в 1947 году также в космических лучах
была обнаружена еще одна частица, которая сильно взаимодействовала с
протонами и нейтронами и была той самой частицей, которую предсказал Юкава.
Ее назвали [pic]-мезоном или пионом.
Пионы, нейтроны и протоны принадлежат к одному классу частиц, называемых адронами. Их отличительная черта - участие в сильных ядерных взаимодействиях.
Лептоны
Открытая в 1937 году частица тоже была названа мезоном, [pic]-мезоном.
Он имеет массу ~106 МэВ и существует в двух разновидностях - отрицательно
заряженная частица и положительно заряженная античастица. Сегодня [pic]-
мезон предпочитают называть мюоном.
На то, что электронные и мюонные нейтрино разные частицы, впервые было
указано в 1957 году М. Марковым и Ю. Швингером. Эта гипотеза была
подтверждена в 1962 году в экспериментах на ускорителе в Брукхейвене. Было
показано, что при взаимодействии мюонных нейтрино рождаются мюоны
[pic] и не рождаются электроны
[pic].
Мюоны, электроны и нейтрино относятся к семейству лептонов. Еще одна
частица этого семейства [pic]- лептон (таон) была открыта М. Перлом в 1979
году в реакции [pic]. Она почти в два раза тяжелее протона и может
распадаться не только подобно мюону на лептоны, но и на адроны.
Существует космологическое ограничение на суммарную массу всех типов
нейтрино m([pic]e) + m([pic]) + m([pic]) < 40 эВ.
Если нейтрино имеет массу, то возможны распады и осцилляции нейтрино,
смешивание нейтрино различных типов. Гипотеза об осцилляции нейтрино была
выдвинута в 1957 году Б. Понтекорво. В настоящее время интенсивно
проводятся эксперименты по измерению массы покоя нейтрино, обнаружению
осцилляций нейтрино. Если окажется, что масса нейтрино отлична от нуля, то
масса вещества во Вселенной должна в основном определяться массой нейтрино.
