Моделирование в физике элементарных частиц
? Нейтрон, испуская
отрицательный (--мезон, превращается в протон, а соседний протон, поглощая
этот (--мезон, превращается в нейтрон. Через мгновение нуклон,
«обернувшийся» протоном, испускает (+-мезон и вновь становится нейтроном.
В первоначальном варианте теории Юкава предполагалось, что существуют
мезоны с положительным и отрицательным зарядами, которые и определяют
взаимодействие между нуклонами. Но оказалось, что между одинаковыми
нуклонами (т.е. протон-протон и нейтрон-нейтрон) обменные процессы не могут
осуществляться заряженными пионами. Допустим, нейтрон испускает (--мезон,
тогда соседний нейтрон, поглощая его, должен был бы превратиться в
антипротон точно так же, как нейтрон, испустивший (+-мезон, превратился бы
в антипротон. Однако этого не происходит. Точно так же невозможен обмен
заряженными (-мезонами между протонами, так как при поглощении протоном (+-
мезона возникал бы протон с зарядом 2.
Оказалось, что процессы обмена у одинаковых нуклонов осуществляются при
помощи нейтральных (0-мезонов. Действительно, (0-мезон очень сильно
взаимодействует с ядрами. Он имеет массу 264 э.м., т.е. на 7 э.м. легче
заряженного (-мезона.
Как же представить картину взаимосвязи, если при этом учитывать изменение
массы нуклона? Неужели нейтрон, например, испуская (0-мезон, становится
легче (1838-264=1574 э.м.), а его сосед до испускания (0-мезона был тяжелее
(1838+264=2102 э.м.)? Ведь нейтрон имеет определенную массу, уменьшиться
она не может. Откуда же тогда берется энергия и масса (-мезона, излучаемого
нейтроном?
Дело в том, что численные значения для масс и энергий нуклонов являются
средними значениями масс и энергий за сравнительно большой, по сравнению со
временем обмена, промежуток времени.
Таким образом, среднее значение, массы нейтрона равно 1838,6 электронных
массы. Произведение массы нейтрона на квадрат скорости света определит его
энергию в 939,5Мэв. Так как промежуток времени между актами взаимодействия
очень мал, то, следовательно, на некоторые мгновения масса, соответственно
энергия, нуклонов может превышать свое среднее значение.
Промежуток времени между испусканием и поглощением (-мезона равен 4,7(10-
24с. На это короткое время энергия как бы заимствуется из собственных
ресурсов нуклонов.
На какое же расстояние может удалится (-мезон за время 4,7(10-24с, двигаясь
со скоростью, близкой к скорости света. Это будет расстояние, равное
радиусу действия ядерных сил – 1,4(10-15м, или 1,4 ферми[2]. Суммируя все
сказанное, можно записать процессы, происходящие в ядре в виде следующих
реакций:
Протон распадается на нейтрон и (+-мезон:
p ( n + (+
Нейтрон распадается на протон и (--мезон:
n ( p + (-
Кроме того, оба они могут испускать (0-мезоны:
p ( p + (0
n ( n + (0
Эти первичные взаимодействия частиц с мезонным полем могут стать причиной
взаимодействия между частицами. Так, взаимодействие нейтрона с протоном в
этой схеме изобразится следующим образом:
p + n ( n + (+ + n ( n + p
и для двух нейтронов:
n + n ( n + (0 + n ( n + n.
2.3 Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия
В настоящее время известно сотни субъядерных частиц, которые принято
называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются
нестабильными. Исключение составляют лишь фотон, электрон, протон,
нейтрино.
|Группа|Название |Символ |Масса (в |Эл. |Спин|Время |
| |частицы | |массах |заря| |жизни |
| | | |электрона) |д | | |
| | |Частица|Анитичасти| | | | |
| | | |ца | | | | |
|Фотоны|Фотон |Г |0 |0 |1 |Стабилен|
|Лептон|Нейтрино |[pic] |[pic] |0 |0 |Ѕ |Стабильн|
|ы |электронное | | | | | |о |
| |Нейтрино |[pic] |[pic] |0 |0 |Ѕ |Стабильн|
| |мюонное | | | | | |о |
| |Электрон |e- |e+ |1 |-1 |Ѕ |Стабилен|
| | | | | |1 | | |
|Ад|Ме|Мю-мезон |(- |(+ |206,8 |-1 |Ѕ |2,2(10-6|
|ро|зо|(мюон) | | | |1 | | |
|ны|ны| | | | | | | |
| | |Пи-мезон |(0 |264,1 |0 |0 |0,87(10-|
| | |(пион) | | | | |16 |
| | | |(+ |(- |273,1 |1 |0 |2,6(10-8|
| | | | | | |-1 | | |
| | |К-мезон |K+ |K- |966,4 |1 |0 |1,24(10-|
| | | | | | |-1 | |8 |
| | | |K0 |[pic] |974,1 |0 |0 |10-10-10|
| | | | | | | | |8 |
| | |Эта-нуль-мезо|[pic] |1074 |0 |0 |10-18 |
| | |н | | | | | |
| |Ба|Протон |p |[pic] |1836,1 |1 |Ѕ |Стабилен|
| |ри| | | | |-1 | | |
| |он| | | | | | | |
| |ы | | | | | | | |
| | |Нейтрон |n |[pic] |1838,6 |0 |Ѕ |898 |
| | |Лямбда-гиперо|(0 |[pic] |2183,1 |0 |Ѕ |2,63(10-|
| | |н | | | | | |10 |
| | |Сигма-гиперон|(+ |[pic] |2327,6 |1 |Ѕ |0,8(10-1|
| | |ы | | | |-1 | |0 |
| | | |(0 |[pic] |2333,6 |0 |Ѕ |7,4(10-2|
| | | | | | | | |0 |
| | | |(- |[pic] |2343,1 |-1 |Ѕ |1,48(10-|
| | | | | | |1 | |10 |
| | |Кси-гипероны |[pic]0 |[pic] |2572,8 |0 |Ѕ |2,9(10-1|
| | | | | | | | |0 |
| | | |[pic]- |[pic] |2585,6 |-1 |Ѕ |1,64(10-|
| | | | | | |1 | |10 |
| | |Омега-минус-г|[pic] |[pic] |3273 |-1 |Ѕ |0,82(10-|
| | |иперон | | | |1 | |11 |
В таблице представлены некоторые сведения о свойствах частиц с временем
жизни более 10–20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную
частицу, в здесь указаны масса частицы (в массах электрона), электрический
заряд (в единицах элементарного заряда), момент импульса в единицах
постоянной Планка ? = h/2? и среднее время жизни частицы.
К группе фотонов относится единственная частица – фотон, которая является
носителем электромагнитного взаимодействия.
Следующая группа состоит из наиболее легких частиц лептонов. В эту группу
входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и ?-мезон. К
лептонам относятся еще ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны
имеют спин Ѕ, обладают лептонным зарядом и не имеют барионного заряда.
Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами,
участвующие в сильных взаимодействиях. Эта группа делится на две подгруппы.
Более легкие составляют подгруппу мезонов. Наиболее легкие из них –
положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные ?-мезоны с
массами порядка 250 электронных масс. Пионы являются квантами ядерного
поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В
эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один ?0-мезон. Все мезоны
имеют спин, равный 0. Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые
частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов
являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые
гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это
тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс.
Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц.
Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, бесчисленны и
сильно отличаются по характерным временам их протекания и энергиям. По
современным представлениям, в природе есть четыре типа взаимодействий,
которые не могут быть сведены к другим: сильное, электромагнитное, слабое и
гравитационное. Их и называют фундаментальными.
Сильное (или ядерное) взаимодействие – это наиболее интенсивное из всех
видов взаимодействий. Они обуславливает исключительно прочную связь между
протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут
принимать участие только тяжелые частицы – адроны. Правда, именно адроны
составляют подавляющее большинство элементарных частиц. Кроме протона и
нейтрона, к семейству адронов принадлежат многочисленные мезоны и гипероны,
как долгоживущие, так и резонансы. Известно всего лишь шесть фермионов, не
участвующих в сильных взаимодействиях. Это так называемые лептоны –
электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие нейтрино. Сильное
взаимодействие проявляется на расстояниях порядка и менее 10–15 м. Поэтому
его называют короткодействующим.
Электромагнитное взаимодействие – в нем могут принимать
| |  скачать работу |
Моделирование в физике элементарных частиц |
