Максвелл ввел понятие полного тока,равного сумме токов проводимости (а также конвекционных токов) и смещения.Плотность полного тока 26 страница

Однако оказывается, что для протекания реакции синтеза атомных ядер достаточно температуры порядка 10⁷ К. Это связано с двумя факторами: 1) при температурах, характерных для реакций синтеза атомных ядер, любое вещество находится в состоя­нии плазмы, распределение частиц которой подчиняется закону Максвелла; поэтому всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение; 2) синтез ядер может происходить вследствие туннельного эффекта (см. § 221).

Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверх­высоких температурах (примерно 10⁷ К и выше), называются термоядерными реак­циями.

Термоядерные реакции являются, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд. В принципе высказаны два предположения о возможных способах протекания термоядерных реакций на Солнце:

1) протонно-протонный, или водородный, цикл, характерный для температур (приме­рно 10⁷ К):

2) углеродно-азотный, или углеродный, цикл, характерный для более высоких температур (примерно 2×10⁷ К):

В результате этого цикла четыре протона превращаются в ядро гелия и выделяется энергия, равная 26,7 МэВ. Ядра же углерода, число которых остается неизменным, участвуют в реакции в роли катализатора.

Термоядерные реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы «горю­чего», чем любые другие превращения, в том числе и деление тяжелых ядер. Например, количество дейтерия в стакане простой воды энергетически эквивалентно примерно 60 л бензина. Поэтому заманчива перспектива осуществления термоядерных реакций искусственным путем.

Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в нашей стране (1953), а затем (через полгода) в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бомбы, являющегося неуправляемой реакцией. Взрывчатым веществом служила смесь дей­терия и трития, а запалом — «обычная» атомная бомба, при взрыве которой возникает необходимая для протекания термоядерной реакции температура.

Особый интерес представляет осуществление управляемой термоядерной реакции, для обеспечения которой необходимо создание и поддержание в ограниченном объеме температуры порядка 10⁸ К. Так как при данной температуре термоядерное рабочее вещество представляет собой полностью ионизованную плазму (см. § 108), возникает проблема ее эффективной термоизоляции от стенок рабочего объема. На данном этапе развития считается, что основной путь в этом направлении — это удержание плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями специаль­ной формы.

Начало широкого международного сотрудничества в области физики высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза положено работами И. В. Курчатова.

Под руководством Л. А. Арцимовича коллектив ученых Института атомной энергии (ИАЭ) им. И. В. Курчатова осуществил широкий круг исследований, результатом которых явился пуск летом 1975 г. в ИАЭ крупневшей в мире термоядерной установки «Токамак-10» (Т-10).

В Т-10, как и во всех установках этого типа, плазма создается в тороидальной камере, находящейся в магнитном поле, а само плазменное образование — плазменный шнур — также имеет форму тора. В Т-10 плазма с температурой примерно (7¸8)×10⁶ К и плотностью примерно 10¹⁴ частиц/см³ создается в объеме, приблизительно равном 5 м³, на время около 1 с. Однако следует отметить, что до осуществления критерия Лоусона* — условия, необходимого для начала самоподдерживающейся термоядерной реакции, — еще остается значительный «путь»: примерно 20 раз по nt (произведение плотности частиц на время удержания плазмы) и примерно 10 раз по температуре. Результаты, полученные на Т-10, вместе с результатами, ожидаемыми на создаваемых установках (например, Т-20), по мере решения разного рода инженерно-технологи­ческих проблем служат базой для создания термоядерного реактора «Токамака».

* Дж. Лоусон (р. 1923) — английский физик.

Управляемый термоядерный синтез открывает человечеству доступ к неисчерпаемой «кладо­вой» ядерной энергии, заключенной в легких элементах. Наиболее заманчивой в этом смысле является возможность извлечения энергии из дейтерия, содержащегося в обычной воде. В самом деле, количество дейтерия в океанской воде составляет примерно 4×10¹³ т, чему соответствует энергетический запас 10¹⁷ МВт×год. Другими словами, эти ресурсы не ограничены. Остается только надеяться, что решение этих проблем — дело недалекого будущего.

Глава 33Элементы физики элементарных частиц

§ 269. Космическое излучение

Развитие физики элементарных частиц тесно связано с изучением космического излуче­ния — излучения, приходящего на Землю практически изотропно со всех направлений космического пространства. Измерения интенсивности космического излучения, прово­димые методами, аналогичными методам регистрации радиоактивных излучений и ча­стиц (см. § 261), приводят к выводу, что его интенсивность быстро растет с высотой, достигает максимума, затем уменьшается и с h »50 км остается практически постоян­ной (рис. 347).

Различаютпервичное и вторичное космические излучения. Излучение, приходящее непосредственно из космоса, называютпервичным космическим излучением. Исследова­ние его состава показало, что первичное излучение представляет собой поток элемен­тарных частиц высокой энергии, причем более 90% из них составляют протоны с энергией примерно 10⁹—10¹³ эВ, около 7%—a-частицы и лишь небольшая доля (около 1%) приходится на ядра более тяжелых элементов (Z>20). По со­временным представлениям, основанным на данных астрофизики и радиоастрономии, считается, что первичное космическое излучение имеет в основном галактическое происхождение. Считается, что ускорение частиц до столь высоких энергий может происходить при столкновении с движущимися межзвездными магнитными полями. При h³50 км (рис. 347) интенсивность космического излучения постоянна; на этих высотах наблюдается лишь первичное излучение.

С приближением к Земле интенсивность космического излучения возрастает, что свидетельствует о появлениивторичного космического излучения, которое образуется в результате взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов земной атмосферы. Во вторичном космическом излучении встречаются практически все известные элементарные частицы. При h<20 км космическое излучение является вто­ричным; с уменьшением h его интенсивность понижается, поскольку вторичные части­цы по мере продвижения к поверхности Земли испытывают поглощение.

В составе вторичного космического излучения можно выделить два компонента: мягкий (сильно поглощается свинцом) и жесткий (обладает в свинце большой проника­ющей способностью). Происхождение мягкого компонента объясняется следующим образом. В космическом пространстве всегда имеются g-кванты с энергией Е>2т_eс², которые в поле атомных ядер превращаются в электронно-позитронные пары (см. § 263). Образовавшиеся таким образом электроны и позитроны, тормозясь, в свою очередь, создают g-кванты, энергия которых еще достаточна для образования новых электронно-позитронных пар и т. д. до тех пор, пока энергия g-квантов не будет меньше 2т_eс² (рис. 348). Описанный процесс называетсяэлектронно-позитронно-фотонным (иликаскадным) ливнем. Хотя первичные частицы, приводящие к образованию этих ливней, и обладают огромными энергиями, но ливневые частицы являются «мягкими» — не проходят через большие толщи вещества. Таким образом, ливневые частицы — электроны, позитроны и g-кванты — и представляют собой мягкий ком­понент вторичного космического излучения. Природа жесткого компонента будет рассмотрена в дальнейшем (см. § 270).

Исследование космического излучения, с одной стороны, позволило на начальном этапе развития физики элементарных частиц получить основные экспериментальные данные, на которых базировалась эта область науки, а с другой — дало возможность и сейчас изучать процессы с частицами сверхвысоких энергий вплоть до 10²¹ эВ, которые еще не получены искусственным путем. С начала 50-х годов для исследования элементарных частиц стали применять ускорители (позволяют ускорить частицы до сотен гигаэлектрон-вольт; см. § 116), в связи с чем космическое излучение утратило свою исключительность при их изучении, оставаясь лишь основным «источником» частиц в области сверхвысоких энергий.

§ 270. Мюоны и их свойства

Японский физик X. Юкава (1907—1981), изучая природу ядерных сил (см. § 254) и развивая идеи отечественных ученых И. Б. Тамма и Д. Д. Иваненко об их обменном характере, выдвинул в 1935 г. гипотезу о существовании частиц с массой, в 200—300 раз превышающей массу электрона. Эти частицы должны, согласно Юкаве, выполнять роль носителей ядерного взаимодействия, подобно тому,как фотоны являются носи­телями электромагнитного взаимодействия.

К. Андерсон и С. Неддермейер, изучая поглощение жесткого компонента вторич­ного космического излучения в свинцовых фильтрах с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, действительно обнаружили (1936) частицы массой, близкой к ожидаемой (207m_e). Они были названы впоследствии мюонами. Доказано, что жесткий компонент вторичного космического излучения состоит в основном из мюонов, которые, как будет показано ниже, образуются вследствие распада более тяжелых заряженных частиц (p- и К-мезонов). Так как масса мюонов большая, то радиационные потери для них пренебрежимо малы, а поэтому жесткий компонент вторичного излучения обладает большой проникающей способностью.

Существуют положительный (m⁺) и отрицательный (m^–) мюоны; заряд мюонов равен элементарному заряду е. Масса мюонов (оценивается по производимому ими ионизационному действию) равна 206,8 т_e время жизни m⁺ и m^–-мюонов одинаково и равно 2,2×10^–6 с. Исследования изменения интенсивности жесткого компонента вторичного космического излучения с высотой показали, что на меньших высотах потоки мюонов менее интенсивны. Это говорит о том, что мюоны претерпевают самопроизвольный распад, являясь, таким образом, нестабильными частицами.

Распад мюонов происходит по следующим схемам:

(270.1)

(270.2)

где и — соответственно«мюонные» нейтрино и антинейтрино, которые, как предположил Б. М. Понтекорво (Россия, р. 1913 г.) и экспериментально доказал (1962) американский физик Л. Ледерман (р. 1922), отличаются от и — «электронных» нейтрино и антинейтрино, сопутствующих испусканию позитрона и электрона соответст­венно (см. § 263, 258). Существование и следует из законов сохранения энергии и спина.

Из схем распада (270.1) и (270.2) следует, что спины мюонов, как и электрона, должны быть равны 1/2 (в единицах ), так как спины нейтрино (1/2) и антинейтрино (–1/2) взаимно компенсируются.

Дальнейшие эксперименты привели к выводу, что мюоны не взаимодействуют или взаимодействуют весьма слабо с атомными ядрами, иными словами, являются ядерно-неактивными частицами. Мюоны, с одной стороны, из-за ядерной пассивности не могут рождаться при взаимодействии первичного компонента космического излучения с ядрами атомов атмосферы, а с другой — из-за нестабильности не могут находиться в составе первичного космического излучения. Следовательно, отождествить мюоны с частицами, которые, согласно X. Юкаве, являлись бы носителями ядерного взаимо­действия, не удалось, так как такие частицы должны интенсивно взаимодействовать с ядрами. Эти рассуждения и накопленный впоследствии экспериментальный материал привели к выводу о том, что должны существовать какие-то ядерно-активные частицы, распад которых и приводит к образованию мюонов. Действительно, в 1947 г. была обнаружена частица, обладающая свойствами, предсказанными Юкавой, которая рас­падается на мюон и нейтрино. Этой частицей оказался p-мезон.

§ 271. Мезоны и их свойства

С. Пауэлл (1903—1969; английский физик) с сотрудниками, подвергая на большой высоте ядерные фотоэмульсии действию космических лучей (1947), обнаружили ядер­но-активные частицы — так называемые p-мезоны (от греч. «мезос» — средний), или пионы. В том же году пионы были получены искусственно в лабораторных условиях при бомбардировке мишеней из Be, С и Сu a-частицами, ускоренными в синхроциклот­роне до 300 МэВ. p-Мезоны сильно взаимодействуют с нуклонами и атомными ядрами и, по современным представлениям, обусловливают существование ядерных сил.

Существуют положительный (p⁺), отрицательный (p^–) (их заряд равен элементар­ному заряду е) и нейтральный (p⁰) мезоны. Масса p⁺- и p^–-мезонов одинакова и равна 273,1m_e масса p⁰-мезона равна 264,1m_e. Все пионы нестабильны: время жизни соответ­ственно для заряженных и нейтрального p-мезонов составляет 2,6×10^–8 и 0,8×10^–16 с.

Распад заряженных пионов происходит в основном по схемам

(271.1)

(271.2)

где мюоны испытывают дальнейший распад по рассмотренным выше схемам (270.1) и (270.2). Из схем распада (271.1) и (271.2) следует, что спины заряженных p-мезонов должны быть либо целыми (в единицах ), либо равны нулю. Спины заряженных p-мезонов, по ряду других экспериментальных данных, оказались равными нулю.

Нейтральный пион распадается на два g-кванта:

Спин p⁰-мезона, так же как и спин p⁺-мезона, равен нулю.

Исследования в космических лучах методом фотоэмульсий (1949) и изучение реак­ций с участием частиц высоких энергий, полученных на ускорителях, привели к от­крытию К-мезонов, или каонов, — частиц с нулевым спином и с массами, приблизите­льно равными 970m_e. В настоящее время известно четыре типа каонов: положительно заряженный (К⁺), отрицательно заряженный (К^–) и два нейтральных ( и ). Время жизни K-мезонов лежит в пределах 10^–8—10^–10 с в зависимости от их типа.

Существует несколько схем распада K-мезонов. Распад заряженных K-мезонов происходит преимущественно по схемам

Распад нейтральных K-мезонов в основном происходит по следующим схемам (в порядке убывания вероятности распада):

§ 272. Типы взаимодействий элементарных частиц

Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа фун­даментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное, или ядерное, взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежа­щую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитное взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех элементар­ных частиц, за исключением нейтрино, антинейтрино и фотона. Электромагнитное взаимодействие, в частности, ответственно за существование атомов и молекул, обус­ловливая взаимодействие в них положительно заряженных ядер и отрицательно заря­женных электронов.

Слабое взаимодействие — наиболее медленное из всех взаимодействий, протека­ющих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с уча­стием нейтрино или антинейтрино (например, b-распад, m-распад), а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы (t 10^–10 с).

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и, по-видимому, в процессах микромира несущественно.

Сильное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит электромагнитное и в 10¹⁴ раз — слабое.Чем сильнее взаимодействие, тем с большей интенсивностью протекают процессы. Так, время жизни частиц, называемыхрезонансами, распад кото­рых описывается сильным взаимодействием, составляет примерно 10^–23 с; время жизни p⁰-мезона, за распад которого ответственно электромагнитное взаимодействие, составляет 10^–16 с; для распадов, за которые ответственно слабое взаимодействие, характерны времена жизни 10^–10—10^–8 с. Как сильное, так и слабое взаимодейст­вия — короткодействующие. Радиус действия сильного взаимодействия составляет примерно 10^–15 м, слабого — не превышает 10^–19 м. Радиус действия электромагнит­ного взаимодействия практически не ограничен.

Элементарные частицы принято делить на три группы:

1) фотоны; эта группа состоит всего лишь из одной частицы — фотона — кванта электромагнитного излучения;

2) лептоны (от греч. «лептос» — легкий), участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К лептонам относятся электронное и мюонное нейтрино, электрон, мюон и открытый в 1975 г. тяжелый лептон — t-лептон, или таон, с массой примерно 3487m_e, а также соответствующие им античастицы. Название лептонов связано с тем, что массы первых известных лептонов были меньше масс всех других частиц. К лептонам относится также таонное нейтрино, существование которого в последнее время также установлено;

3) адроны (от греч. «адрос» — крупный, сильный). Адроны обладают сильным взаимодействием наряду с электромагнитным и слабым. Из рассмотренных выше частиц к ним относятся протон, нейтрон, пионы и каоны.

Для всех типов взаимодействия элементарных частиц выполняются законы со­хранения энергии, импульса, момента импульса и электрического заряда.

Характерным признаком сильных взаимодействий является зарядовая независи­мость ядерных сил. Как уже указывалось (см. § 254), ядерные силы, действующие между парами р—р, п—п или р—п, одинаковы. Поэтому если бы в ядре осуществлялось только сильное взаимодействие, то зарядовая независимость ядерных сил привела бы к одинаковым значениям масс нуклонов (протонов и нейтронов) и всех p-мезонов. Различие в массах нуклонов и соответственно p-мезонов обусловлено электромагнит­ным взаимодействием: энергии взаимодействующих заряженных и нейтральных частиц различны, поэтому и массы заряженных и нейтральных частиц оказываются неодина­ковыми.

Зарядовая независимость в сильных взаимодействиях позволяет близкие по массе частицы рассматривать как различные зарядовые состояния одной и той же частицы. Так, нуклон образует дублет (нейтрон, протон), p-мезоны—триплет (p⁺, p^–, p⁰) и т. д. Подобные группы «похожих» элементарных частиц, одинаковым образом участвующих в сильном взаимодействии, имеющие близкие массы и отличающиеся зарядами, называют изотопическими мультиплетами. Каждый изотопический мультиплет характеризуют изотопическим спином (изоспином) — одной из внутренних харак­теристик адронов, определяющей число (n) частиц в изотопическом мультиплете: n=2I+1. Тогда изоспин нуклона I=½(число членов в изотопическом мультиплете нуклона равно двум), изоспин пиона I=1 (в пионном мультиплете n=3) и т. д. Изотопический спин характеризует только число членов в изотопическом мультиплете и никакого отношения к рассматриваемому ранее спину не имеет.

Исследования показали, что во всех процессах, связанных с превращениями элемен­тарных частиц, обусловленных зарядово-независимыми сильными взаимодействиями, выполняетсязакон сохранения изотопического спина. Для электромагнитных и слабых взаимодействий этот закон не выполняется. Так как электрон, позитрон, фотон, мюоны, нейтрино и антинейтрино в сильных взаимодействиях участия не принимают, то им изотопический спин не приписывается.

§ 273. Частицы и античастицы

Гипотеза об античастице впервые возникла в 1928 г., когда П. Дирак на основе релятивистского волнового уравнения предсказал существование позитрона (см. § 263), обнаруженного спустя четыре года К. Андерсеном в составе космического излучения. Электрон и позитрон не являются единственной парой частица — античастица. На основе релятивистской квантовой теории пришли к заключению, что для каждой элементарной частицы должна существовать античастица(принцип зарядового сопряже­ния). Эксперименты показывают, что за немногим исключением (например, фотона и p⁰-мезона), действительно, каждой частице соответствует античастица.

Из общих положений квантовой теории следует, что частицы и античастицы должны иметь одинаковые массы, одинаковые времена жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды (и магнитные момен­ты), одинаковые спины и изотопические спины, а также одинаковые остальные кван­товые числа, приписываемые элементарным частицам для описания закономерностей их взаимодействия (лептонное число (см. § 275), барионное число (см. § 275), стран­ность (см. § 274), очарование (см. § 275) и т. д.). До 1956 г. считалось, что имеется полная симметрия между частицами и античастицами, т. е. если какой-то процесс идет между частицами, то должен существовать точно такой же (с теми же характеристи­ками) процесс между античастицами. Однако в 1956 г. доказано, что подобная симмет­рия характерна только для сильного и электромагнитного взаимодействий и нарушает­ся для слабого.

Согласно теории Дирака, столкновение частицы и античастицы должно приводить к их взаимной аннигиляции, в результате которой возникают другие элементарные частицы или фотоны. Примером тому является рассмотренная реакция (263.3) ан­нигиляции пары электрон — позитрон ( e+ е®2g).

После того как предсказанное теоретически существование позитрона было подтве­рждено экспериментально, возник вопрос о существовании антипротона и антинейт­рона. Расчеты показывают, что для создания пары частица — античастица надо затра­тить энергию, превышающую удвоенную энергию покоя пары, поскольку частицам необходимо сообщить весьма значительную кинетическую энергию. Для создания -пары необходима энергия примерно 4,4 ГэВ. Антипротон был действительно обнаружен экспериментально (1955) при рассеянии протонов (ускоренных на крупней­шем в то время синхрофазотроне Калифорнийского университета) на нуклонах ядер мишени (мишенью служила медь), в результате которого рождалась пара .

Антипротон отличается от протона знаками электрического заряда и собственного магнитного момента. Антипротон может аннигилировать не только с протоном, но и с нейтроном:

(273.1)

(273.2)

(273.3)

Годом позже (1956) на том же ускорителе удалось получить антинейтрон ( ) и осуществить его аннигиляцию. Антинейтроны возникали в результате перезарядки антипротонов при их движении через вещество. Реакция перезарядки состоит в об­мене зарядов между нуклоном и антинуклоном и может протекать по схемам

(273.4)

(273.5)

Антинейтрон отличается от нейтрона n знаком собственного магнитного момен­та. Если антипротоны — стабильные частицы, то свободный антинейтрон, если он не испытывает аннигиляции, в конце концов претерпевает распад по схеме

Античастицы были найдены также для p⁺-мезона, каонов и гиперонов (см. § 274). Однако существуют частицы, которые античастиц не имеют, — это так называемые истинно нейтральные частицы. К ним относятся фотон, p⁰-мезон и h-мезон (его масса равна 1074m_e, время жизни 7×10^–19 с; распадается с образованием p-мезонов и g-квантов). Истинно нейтральные частицы не способны к аннигиляции, но испытыва­ют взаимные превращения, являющиеся фундаментальным свойством всех элементар­ных частиц. Можно сказать, что каждая из истинно нейтральных частиц тождественна со своей античастицей.

Большой интерес и серьезные трудности представляли доказательство существова­ния антинейтрино и ответ на вопрос, являются ли нейтрино и антинейтрино тождест­венными или различными частицами. Используя мощные потоки антинейтрино, полу­чаемые в реакторах (осколки деления тяжелых ядер испытывают b-распад и, согласно (258.1), испускают антинейтрино), американские физики Ф. Рейнес и К. Коуэн (1956) надежно зафиксировали реакцию захвата электронного антинейтрино протоном:

(273.6)

Аналогично зафиксирована реакция захвата электронного нейтрино нейтроном:

(273.7)

Таким образом, реакции (273.6) и (273.7) явились, с одной стороны, бесспорным доказательством того, что и , — реальные частицы, а не фиктивные понятия, введенные лишь для объяснения b-распада, а с другой — подтвердили вывод о том, что и — различные частицы.

В дальнейшем эксперименты по рождению и поглощению мюонных нейтрино показали, что и и — различные частицы. Также доказано, что пара , — различ­ные частицы, а пара , не тождественна паре , . Согласно идее Б. М. Понтекорво (см. § 271), осуществлялась реакция захвата мюонного нейтрино (получались при распаде p⁺®m⁺+n_m (271.1)) нейтронами и наблюдались возникающие частицы. Оказа­лось, что реакция (273.7) не идет, а захват происходит по схеме