Бета-распад и слабые взаимодействия

Психология и физиология восприятия информации

После подтверждения гипотезы Паули о том, что при бета-распаде ядер вместе с электроном испускается и антинейтрино, а вместе с позитроном испускается нейтрино, возникла задача теоретического описания этого процесса. Теорию бета-распада построил в 1934 году Ферми. Он описывал бета-распад примерно так как в начале девятнадцатого века описывали взаимодействие двух электрических токов. Бета-распад - это распад внутри ядра одного из протонов или одного из нейтронов:

это нейтрино и антинейтрино; индекс е указывает, что это электронные нейтрино, он необходим, так как сейчас известны, как уже говорилось, два других типа нейтрино.

Такие процессы с первого взгляда не похожи на взаимодействие токов, и аналогия с электродинамикой здесь скрыта от глаз. Но ее можно обнаружить, если обратиться к замечательному свойству реакций с элементарными частицами. В символических формулах, которые описывают реакции, можно переносить слагаемые с одной стороны в другую (заменяя частицу на античастицу подобно тому, как в алгебре надо изменять знак слагаемого) и получать опять реальные процессы. Так в первой формуле, описывающей распад протона, можно перенести нейтрино из правой части в левую и получить, например, формулу

.

Новая формула описывает рассеяние антинейтрино протоном, при котором протон превращается в нейтрон, а антинейтрино в позитрон. Такая реакция наблюдается на самом деле, в свое время именно она послужила доказательством существования нейтрино, которые вызывали превращение протонов вблизи ядерного реактора. Сейчас процессы с нейтрино наблюдаются во многих лабораториях - антинейтрино малых энергий получают на реакторах, а нейтрино больших энергий-на ускорителях. Развитие нейтринной физики было первым этапом истории, о которой у нас идет речь.

Можно привести еще один пример: формулу рассеяния гамма-квантов электронами (этот процесс называется эффектом Комптона)

можно переписать так:

Здесь сталкиваются и аннигилируют электрон е^- и антиэлектрон (позитрон) е⁺, у фотона античастицы нет или, точнее, фотон совпадает с антифотоном - говорят, что фотон истинно нейтральная частица. Аннигиляция пары электрон - позитрон - это превращение ее в два фотона. Существование такого процесса, конечно, не есть просто следствие алгебраических преобразований, а вытекает из принципов квантовой механики. Поэтому здесь речь идет о фундаментальном законе природы, столь красиво описываемом простыми формулами.

Рассеяние антинейтрино протоном можно описывать в два этапа: захват антинейтрино протоном и испускание позитрона. Обычное рассеяние позитронов протонами, описываемое электродинамикой, можно записать так:

Протон захватывает позитрон и излучает его обратно с новым импульсом. В старых понятиях это процесс взаимодействия двух токов. То, что один ток состоит из протонов, а другой из электронов, для классической электродинамики неважно. Классическая электродинамика не интересуется, из чего "сделан" ток.

Сравнивая оба процесса - рассеяние позитронов и рассеяние нейтрино - мы видим, что и первый можно описывать как рассеяние (взаимодействие токов), при котором изменяется не только импульс частицы, но и ее название. Такое обобщение понятия взаимодействия токов естественно для квантовой механики. Оно и было исходной идеей в теории Ферми.

На современном графическом языке процесс превращения протона в нейтрон изображается диаграммой - графом, на котором все четыре луча выходят из одной точки:

Это значит: частицы взаимодействуют только тогда, когда они находятся очень близко друг от друга, взаимодействие, как и в случае ядерных сил, близкодействующее. Переход от распадов к рассеянию на языке диаграмм означает, что диаграммы можно расшифровать, читая с любой стороны. Это объяснено на рисунке, где стрелки означают поглощение или испускание.

Чтобы изобразить графом взаимодействие электрических токов по теории Ампера, и есть без привлечения электромагнитного поля, можно было бы нарисовать такую же диаграмму и добавить, что взаимодействие зависит от расстояния, но передается мгновенно. Оба заряда в теории Ампера изменяют свой импульс одновременно (без запаздывания). Это и объясняет, почему все четыре луча изображаются выходящими из одной точки. Различие между теориями Ампера и Максвелла можно представить двумя диаграммами (рис. В и Г), которые напоминают, что теория Ферми сделана по подобию теории Ампера.

Казалось, надо было бы сделать логически естественный второй шаг и перейти к диаграмме (Г) с промежуточной линией.

Такая идея высказывалась еще в тридцатые годы: Но время ее тогда еще не наступило. Рассеяние нейтрино никто не наблюдал и казалось даже, что такие опыты безнадежны: Паули ведь наделил нейтрино такими свойствами (вернее, отнял от него почти все свойства), чтобы частицу эту нельзя было наблюдать.

Более того, никто не знал, какой радиус взаимодействия в бета-распаде, похож ли он на-радиус взаимодействия ядерных сил или меньше его. Из-за отсутствия каких-либо данных физики сочли за благо считать его просто равным нулю. Теория бета-распада оказалась непохожей на теорию других сил, o и ее развитие остановилось. Главная трудность теории возникла в связи с постоянной взаимодействия, так называемой постоянной Ферми, которая определяла численную величину вероятности бета-распада. Ее наиболее точно измеряли, изучая распад свободного нейтрона. Малая ее величина и странная размерность, непохожая на размерность электрического заряда, приводили к принципиальным трудностям.

Пояснения к статье:
Ультрафиолетовая катастрофа. Так был назван парадокс, возникший при попытке применить термодинамику к электромагнитному излучению. Если электромагнитное поле рассматривать подобно колеблющейся непрерывной среде, то термодинамика приводит к выводу, что вся энергия этого поля стремится перейти в область более высоких частот (в частности, для света - в ультрафиолетовую часть спектра) и тепловое равновесие никогда не достигается.

Постоянная Планка Постоянная h, введенная в 1900 году Планком, связывающая частоту света v с энергией кванта е. е = h*v Физики пользуются вместо частоты v круговой частотой w = 2piv Соответственно постоянной Планка, обозначаемой сербской буквой h, называют теперь величину в 2pi раз меньшую h = = h/2pi, которая практически полностью вытеснила менее удобную величину h.

Виртуальный фотон Фотон, выполняющий роль передатчика взаимодействия и существующий лишь очень короткое время в период этого взаимодействия. Виртуальный фотон может излучаться и поглощаться с нарушением закона сохранения энергии и импульса, если только время его существования очень мало. В противном случае фотон становится реальным и может быть зарегистрирован измерительным прибором.

Закон Ампера Как известно, в классической теории электричества закон, связывающий силу взаимодействия двух элементов с током - с учетом их направления и расстояния между ними. В отличие от уравнений Максвелла закон Ампера не учитывает запаздывания взаимодействия, связанного с конечной скоростью распространения электромагнитного поля.

Главное меню

Зрительное восприятие

Слух, обоняние, вкус

О жажде

Что такое жажда

Головной мозг

Дополнительно