Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
1°. Основной экспериментальный и теоретический метод исследования в физике элементарных частиц (и в ядерной физике) — метод рассеяния. В опытах по рассеянию сначала приготавливают два пучка частиц. Часто один из них формируется ускорителем (ІІІ.11.4), а вместо другого используется неподвижная мишень. В последнее время широко применяются встречные пучки, формируемые ускорителями и так называемыми накопительными кольцами, — протон-протонные, протон-антипротонные, электрон-электронные и электрон-по-зитронные. В некоторой области пучки пересекаются, и частицы из разных пучков вступают во взаимодействие. В результате они рассеиваются: изменяется состояние их движения или рождаются новые частицы. Затем с помощью детекторов регистрируются рассеянные частицы и измеряются их характеристики. По полученным экспериментальным данным судят о взаимодействии между частицами и их внутренней структуре. Основная динамическая характеристика любого процесса рассеяния — эффективное сечение с (VIII. 1.9.3°). Все процессы рассеяния управляются законами сохранения, из которых отметим законы сохранения энергии и импульса, а также электрического заряда (ІП. 1.1.3°). Некоторые другие законы сохранения обсуждаются в VIII.2.3.
2°. Взаимодействия между частицами обусловливают самые разнообразные процессы. Они делятся на три большие группы.
а) При упругом рассеянии
а + Ь-> а + Ь
(а и b — символы частиц) частицы не претерпевают превращений, а просто изменяют состояние своего движения. Примеры: комптоновское рассеяние (V.6.3), рассеяние а-частиц ядрами в опытах Резерфорда.
б) В неупругих процессах (реакциях)
a + b —> с j + ... + сп
сталкивающиеся частицы превращаются в частицы других сортов. Эти процессы подразделяются на экзотермические (энергия реакции Q > 0) и эндотермические (Q < О), причем для послед-
§ VIII.2.2. ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
663
них вводится понятие пороговой энергии Wnopor (VIIL 1.9.2°). В экзотермических реакциях часть начальной энергии покоя превращается в кинетическую энергию, в эндотермических реакциях происходит превращение начальной кинетической энергии в энергию покоя образующихся частиц1. В последнем случае благодаря закону сохранения импульса часть начальной кинетической энергии в общем случае должна затрачиваться на движение центра масс рождающихся частиц, а потому всегда Wnopor > > |Q|. Например, реакция рождения электрон-позитронной пары (VIII.2.1.70)— эндотермическая с |Q| = 2тес2 ~ 1,02 МэВ. Однако пороговая энергия этой реакции при покоящемся ядре X больше IQl лишь на сотые или даже тысячные доли процента, так как масса электрона во много раз меньше массы ядра X. Иначе обстоит дело в случае эндотермической реакции рождения антипротона:
р + р-> р + р + р + р с |Q| = 2трс2 «1,9 ГэВ. Если один из начальных протонов покоится, то Wnopor = 6трс2 ~ 5,6 ГэВ, что много больше |Q|, но если начальные протоны принадлежат встречным пучкам, то Wnopor = 2тпрс2 = IQl *1,9 ГэВ.
в) Частицы, рождающиеся в процессах рассеяния, за редкими исключениями нестабильны (VIII.2.1.6°) и претерпевают распады:
а —> Cj ... + C7J.
Распад — экзотермический процесс (Q > 0), и он может протекать только при условии
ZmCi-
і
Пример: свободный нейтрон — самая устойчивая из нестабильных частиц — претерпевает Р_-распад со средним временем жизни 898 ± 16 с (VIII. 1.6.1°) и с энерговыделением Q = = [mn - (тр + те)]с2 ~ 0,78 МэВ. С другой стороны, протон лег-
1 Случай Q = O соответствует упругому рассеянию.
664
ГЛ. VIII.2. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
че нейтрона, и он может претерпевать (3+-распад (VIII. 1.6.1°), только находясь в связанном состоянии внутри атомного ядра.
3°. Взаимопревращаемость элементарных частиц — одно из наиболее фундаментальных их свойств. Подчеркнем, что образующиеся частицы не входят в состав исходных частиц, а рождаются непосредственно в процессах их соударений или распадов. Для пояснения заметим, что фотон также не входит в состав атома, а рождается непосредственно при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой (VI. 2.1.6°).
4°. Именно в процессах взаимопревращений и открывают ранее неизвестные частицы (VIII.2.1.40). Для этого сталкивают друг с другом известные стабильные частицы с как можно большими энергиями, а затем исследуют продукты протекающих реакций и те фрагменты, на которые распались образовавшиеся частицы. В качестве примера приведем две реакции, в которых были открыты странные частицы (VIII.2.1.5°):
я + р —> K+ + Z , р + р —> K+ + A0 + р.
5°. До начала 50-х гг. основным источником частиц с высокими энергиями служили космические лучи, которые представляют собой стабильные ядра (в основном протоны), заполняющие космическое пространство. При попадании космического протона в атмосферу иногда порождается в общей сложности до миллиарда различного рода частиц, образующих космический ливень. Достоинство космических лучей как источника частиц — чрезвычайная широта энергетического диапазона (средняя энергия примерно IO10 эВ, максимальная
