Сила, приводящая к рождению электронов и нейтрино, очень слаба. Это можно видеть хотя бы из того факта, что среднее время жизни нейтрона в свободном состоянии составляет около 15 мин, затем нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино с выделением заметного количества энергии. По ядерным масштабам это фантастически большое время жизни; в частности, оно очень велико даже по сравнению с другими ядерными реакциями, которые вызываются при сопоставимых энергиях сильными взаимодействиями. В b-распаде проявляется новая для нас и чрезвычайно слабая сила; поэтому порождаемое ею взаимодействие называется слабым взаимодействием. Однако, прежде чем идти дальше, поясним, почему в большинстве атомных ядер связанные в них нейтроны устойчивы и не распадаются, как свободный нейтрон, в течение 15 мин. Причину этого следует искать в действии принципа Паули, который в равной мере применим также к протонам и нейтронам ядра; этот принцип очень сильно ограничивает (по существу, запрещает) распад нейтрона в ядре из-за отсутствия там незанятых (вакантных) состояний, доступных для протонов с низкой энергией, возникающих после распада нейтрона.
Итак, мы перечислили основные явления, происходящие в ядрах; однако следует более детально рассмотреть природу этих явлений, в частности сильного взаимодействия, связывающего воедино протоны и нейтроны. Как уже говорилось, мы не принимаем концепции «действия на расстоянии» и предпочитаем считать, что любая сила взаимодействия между частицами передается неким посредником, который мы называем полем. В таком случае и сильное взаимодействие, как бы ни был мал его радиус действия, должно переноситься неким полем. В современной квантовой теории любому полю ставится в соответствие некий квант (или частица), подобный фотону. Поэтому естественно предположить, что сильное ядерное взаимодействие должна переносить какая-то частица, подобно тому как ранее считалось, что электромагнитное взаимодействие переносится посредством излучения виртуального фотона одной частицей и его поглощения — другой.
Мы знаем, что сильное взаимодействие имеет очень короткий радиус действия, а это возможно только в том случае, если «обменная» частица является не безмассовой, как фотон, а имеет значительную массу. В таком случае для ее рождения требуется солидная порция энергии, которую, как было показано выше, можно «одолжить» лишь на очень короткое время. За столь короткое время частица не может уйти далеко от места своего рождения, и поэтому она вызывает определенный эффект лишь в непосредственной близости от него.
Радиус действия ядерных сил можно оценить с помощью следующих рассуждений. Если количество энергии, которое системе необходимо «занять», чтобы обеспечить рождение промежуточной частицы, равно Е, то «вернуть» эту энергию (согласно принципу неопределенности) она должна через время ħ/Е. Поскольку никакое воздействие не может распространяться со скоростью выше скорости света с, наибольшее расстояние, на котором оно еще может проявиться за это время, равно ħc/E. Для рождения «виртуальной» частицы массой т, согласно соотношению Эйнштейна, требуется энергия Е = тс2; следовательно, искомое расстояние равно ħ/mc. У фотонов отсутствует масса покоя, и поэтому «мягкие», т. е. длинноволновые, фотоны могут оказывать воздействие на очень больших расстояниях; отсюда следует, что электромагнитное поле может действовать на неограниченно большом расстоянии. Ядерная сила действует эффективно лишь на расстояниях порядка нескольких ферми (ферми — единица длины, равная 10~13 см, которой удобно пользоваться в ядерных масштабах). Согласно приведенному выше соотношению, это должно соответствовать переносу сильного взаимодействия виртуальной частицей, имеющей массу порядка 1/7 массы протона. Это предположение высказал в 1935 г. Юкава; причем оказалось, что элементарная частица примерно такой массы действительно существует: это пион, или p-мезон. Вследствие закона сохранения энергии эти частицы удерживаются «взаперти», в ядре, до тех пор, пока извне не поступит энергия, превосходящая тс2 (т — масса частиц). Это возможно, например, при столкновении двух ядер, ускоренных до высокой энергии; такое явление довольно часто происходит в атмосфере, которая непрерывно «бомбардируется» космическими лучами (состоящими из частиц очень высокой энергии, в основном протонов, которые приходят из космического пространства). Таким образом, теперь мы знаем, из чего состоит все вещество, в том числе и ядро. Мы знаем также кое-что о силах, связывающих воедино частицы в ядре. Мы еще не готовы, правда, дать полное количественное описание всех этих объектов, да и вообще структура материи в целом слишком сложна, чтобы дать ей простое объяснение. В своем рассказе мы дошли до того уровня знаний о структуре материи, который существовал к концу 40-х годов; вся имеющаяся в тот момент информация, казалось, говорила о том, что в основном мы достигли конечной цели — осталось лишь уточнить некоторые детали. Предполагалось, что для полного завершения общей картины строения материи больше ничего не понадобится.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.