Мезоны - Физика в школе
Главное меню:
статьи
Мезоны
Изучая структуру атома и различные явления микромира, ученые за несколько последних десятилетий открыли целый ряд так называемых «элементарных» частиц. На рубеже XIX и XX веков физики пришли к заключению о существовании фотонов и электронов. К 1911 - 1913 годам относится обнаружение протона. В 1932 году почти одновременно было доказано существование нейтронов и позитронов, а несколько позже - нейтрино. Все эти открытия расширили и углубили наши знания и представления о строении материи, позволили проникнуть внутрь атомного ядра и при ступить к практическому использованию его энергии.
Дальнейший прогресс физической науки привел к нахождению новой группы «элементарных» частиц - мезонов, масса которых больше, чем у электрона, но меньше, чем у протона. Выяснилось, что имеется несколько различных видов мезонов, отличающихся друг от друга по своим свойствам.
Экспериментальные данные, свидетельствующие о наличии мезонов в космических лучах, впервые были получены в 1937 году Андерсоном и Неддермайером. Произошло это следующим образом. Известно, что при прохождении заряженных частиц через вещество их энергия уменьшается. В случае не очень большой первоначальной энергии уменьшение это происходит в основном за счет ионизации или возбуждения атомов вещества, а при значительной величине энергии уменьшение ее связано главным образом с испусканием фотонов. Последние излучает всякая заряженная частица, если изменяется ее скорость. Такое излучение называется тормозным. Примером его могут служить рентгеновские лучи, образующиеся при ударах электронов об антикатод рентгеновской трубки. Когда через вещество проходят заряженные частицы космических лучей, обладающие большой энергией, также возникает тормозное излучение. Уменьшение энергии частицы при этом обратно пропорционально квадрату массы частицы. Поэтому чем больше масса:, там меньше энергетические потери частицы на тормозное излучение и тем длиннее путь, который она может пройти прежде, чем лишится всей своей энергии.
Частицы малой массы, испытывают большие потери на излучение. Испущенные ими фотоны образуют электронно - позитронные пары, причем электроны и позитроны, в свою очередь, тормозятся веществом и испускают фотоны, которые вновь порождают электронно - позитронные пары. Такой процесс «размножения» легких заряженных частиц в веществе обусловливает образование «лавины», или «ливня», частиц. Последнее приводит к тому, что легкая частица не может пройти через значительные толщи вещества.
Поскольку масса самого легкого из мезонов во много раз больше массы электрона, потери энергии мезонов на тормозное излучение ничтожны по сравнению с потерями энергии электронов. Если прохождение легких заряженных частиц через вещество, помещенное, например, в виде пластинки в камере Вильсона, обязательно сопровождается «ливнем», то мезоны практически не образуют ни тормозного излучения, ни «ливней», тратя энергию только на ионизацию среды. Потери эти сравнительно невелики, и поэтому мезоны обладают большей проникающей способностью. Различие в прохождении через толщу вещества частиц разных масс, входящих в состав космических лучей, и привело к открытию мезона.
Впервые величина массы мезона была измерена Андерсоном. Для этого он использовал свойство заряженных частиц отклоняться при движении в магнитном поле от своего первоначального направления и двигаться по окружности. Радиус последней зависит как от скорости, так и от массы частицы. При одной и той же скорости отклонение в магнитном поле тем меньше, чем больше масса. Если изучать следы заряженных частиц в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, то по отклонению их можно определить произведение массы частицы на ее скорость (то есть импульс частицы). В то же время скорость частицы находится по тому числу ионов, которое она создает на своем пути в камере Вильсона. Зная импульс и скорость, легко вычислить массу частицы. У мезонов она оказалась в 207 раз больше массы электрона. При этом было обнаружено, что в составе космических лучей присутствуют как положительно, так и отрицательно заряженные мезоны.
В 1939—1941 годах ряд исследователей установил важную особенность, отличающую мезон от таких «элементарных» частиц, как протоны и электроны. Если эти последние могут существовать в свободном виде неограниченно долго, не претерпевая изменений, то мезон, наоборот, «живет» в среднем всего лишь около 2х10-6 6 секунды, после чего распадается на более легкие частицы - электрон (или позитрон) и два нейтрино.
Свойство мезона распадаться было впервые найдено из сравнения характера: прохождения этих частиц в слое атмосферы и в слое твердого вещества. Толщина последнего подбиралась так, что потери энергии мезонов в нем должны были быть равными потерям энергии в воздухе. В действительности же оказалось, что в атмосфере поглощение данных частиц происходит быстрее, чем в твердом веществе. Так как единственным отличием обоих слоев является их толщина (для воздуха в тысячи раз большая, чем для твердого поглотителя), то причину разницы в поглощении надо искать в разном времени прохождения мезонов через эти слои. Если указанные частицы «живут» ограниченное время, меньшее, чем то, которое требуется для их прохождения через слой воздуха, то они и должны поглощаться здесь сильнее, чем в твердом веществе. Так был открыт распад мезонов.
Открытие мезона подтвердило теоретические предсказания физиков о существовании самопроизвольно распадающейся частицы с массой, промежуточной между массами электрона и протона. Согласно представлениям современной физики, электромагнитное взаимодействие заряженных частиц сводится к тому, что они непрерывно обмениваются фотонами. Однако при изучении строения атомного ядра выяснилось, что взаимодействие в нем протонов и нейтронов нельзя объяснить наличием только электромагнитных сил. Поэтому еще в 1934 году советские ученые И. Е. Тамм и независимо от него Д. Д. Иваненко выдвинули гипотезу о существовании особых, ядерных сил, связывающих нуклоны (то есть протоны и нейтроны) в ядре. Год спустя японский физик Юкава предположил, что взаимодействие между нуклонами также обусловлено постоянным обменом некоторыми частицами. Из величины расстояний, на которых действуют ядерные силы (они в сотни тысяч раз меньше, чем величина расстояний для электромагнитных сил), была вычислена масса этих гипотетических частиц. Расчеты указали, что она должна; быть в 200—300 раз больше массы электрона.
После открытия в космических лучах мезонов с массой в 207 электронных масс ученые решили, что это и есть та частица, которой обмениваются протоны и нейтроны в ядре. Отсюда следовало, что мезоны сильно взаимодействуют с ядрами атомов вещества. Однако дальнейшие исследования не подтвердили этого. Большим числом экспериментов было наглядно показано чрезвычайно слабое взаимодействие вновь открытых частиц с ядрами. Это поставило под сомнение гипотезу Юкавы. И только в последнее время ученые нашли разгадку возникшего противоречия. Это стало возможным благодаря использованию метода толстослойных фотоэмульсий, предложенного советским ученым Л. В. Мысовским.
Когда заряженная частица проходит через эмульсию фотопластинки, содержащую бромистое серебро, молекулы последнего вследствие ионизации разлагаются. При этом образуются так называемые «зародыши», на которых в результате проявления пластинки наиболее интенсивно выделяется чистое серебро. Так выявляется след частицы в виде цепочки темных зерен. Чем больше ионов образует пролетающая заряженная частица, тем больше возникает «зародышей» металлического серебра и тем жирнее получается оставленный частицей след. Чувствительность же современных фотопластинок такова, что они фиксируют не только сравнительно жирные следы медленно движущихся заряженных частиц, но и тончайшие следы от частиц, летящих со скоростью, близкой к скорости света.
В 1947 году английский ученый С. Ф. Поуэлл обнаружил в фотоэмульсии, подвергавшейся действию космических лучей, весьма характерные следы частиц. След частицы постепенно утолщался по мере уменьшения ее скорости; затем останавливающаяся частица в конце своего пути распадалась, и вылетавшая при этом новая частица давала другой след, идущий под углом к первому. По длине пробега и густоте оставляемого следа можно было найти массу обеих частиц. Исследование выяснило, что масса первичной частицы была в 273 раза больше массы электрона. Частица же, вылетающая при распаде, оказалась уже знакомым нам мезоном с массой, равной 207 электронным массам. Эти частицы получили соответственно названия пи-мезона и мю-мезона.
Кроме различия в массах, указанные частицы отличаются и другими свойствами. Пи-мезон распадается на мю-мезон и нейтрино, а мю-мезон распадается на электрон и два нейтрино. Неодинаково и время жизни пи- и мю-мезонов. Для пи-мезона оно примерно в 100 раз меньше, чем для мю-мезона.
Пи-мезон, как выяснилось далее, и является той частицей, которая в отличие от мю-мезона способна взаимодействовать с атомными ядрами. Отрицательно заряженный пи-мезон, останавливаясь в веществе, проникают в атомное ядро и разрушает его. Вылетающие при этом осколки ядра (протоны, альфа-частицы) дают в фотоэмульсии жирные следы в виде лучей «звезды».
Таким образом, не мю-мезон, а пи-мезон оказался частицей со свойствами, теоретически предсказанным и Юкавой. Однако открытием пи- и мю-мезонов дело не ограничилось.
В 1949 году учеными была найдена нейтральная (то есть ее обладающая электрическим зарядом) частица, близкая по массе к пи-мезону (263 электронных массы). Эта частица, получившая название пи- нуль-мезона, распадается в среднем за 5 х 10-15 секунды на два фотона. Пи-нуль-мезоны, так же как и заряженные пи-мезоны, сильно взаимодействуют с ядрами. Обмен этими частицами обеспечивает ядерные связи между одинаковыми нуклонами (нейтроном и нейтроном, протоном и протоном).
Несколько ранее, в 1946 году, советские ученые А. И. Алиханян и другие начали поиски частиц с массами, отличными от массы протона. Для этой цели использовался оригинальный прибор — масс-спектрометр. Он позволял определить импульс быстро летящей в магнитном поле заряженной частицы. Кроме того, по толщине пересекаемых частицей слоев свинца, помещенных в масс-спектрометре, определялась ее энергия. На основе всех этих данных вычислялась масса каждой частицы.
В настоящее время твердо установлено существование мезонов, масса которых больше, чем у пи-мезона, но меньше, чем у протона. Подобно мю- и пи- мезонам, они распадаются на более легкие частицы. Так, например, частица с массой, равной 967 электронным массам (тау-мезон), была найдена по характерной картине ее распада на три заряженных пи-мезона. Положительно и отрицательно заряженные к-мезоны (с массой около 1 000 электронных масс) порождают одну заряженную и одну или несколько нейтральных частиц. Время жизни этих мезонов составляет от 10 -8 до 10 -9 секунды. Нейтральные тета-нуль-мезоны распадаются на два пи-мезона и существуют всего 1,5х10-10 секунды.
В 1947 году Рочестер и Батлер обнаружили в газе камеры Вильсона следы, напоминающие вилку или перевернутую букву V. Впоследствии такие следы наблюдались также в эмульсии фотопластинок. Оказалось, что они возникают в результате распада новых, неизвестных до того нейтральных частиц, названных ламбда-нуль-частицами. Эти частицы распадаются на протон и отрицательно заряженный пи-мезон. Масса их примерно в 2 200 раз больше массы электрона (и, следовательно, значительно больше, чем у протона). Время жизни ламбда - нуль-частицы приблизительно 3,7 х 10 -10 секунды. Сравнительно недавно учеными были найдены также заряженные (положительно и отрицательно) частицы с массой большей, чем у протона. Они дают при распаде пи-мезон или протон и нейтральную частицу, природа которой еще не установлена: окончательно. Все частицы тяжелее протонов получили общее название гиперонов.
Таким образом, в результате упорных исследований физиков число известных нам «элементарных» частиц за последние годы намного увеличилось. К протонам, нейтронам, электронам, позитронам, нейтрино и фотонам прибавились положительно и отрицательно заряженные мю- и пи-мезоны, тау- и к-мезоны, нейтральные пи-нуль-мезон, тета-нуль-мезон и ламбда-нуль-частица, положительные и отрицательные гипероны. Все они тесно взаимосвязаны, что, в частности, выражается в превращениях более тяжелых мезонов в более легкие частицы. Изучение их свойств позволяет еще глубже проникнуть в тайны строения вещества и подтверждает известное положение марксистской философии о неисчерпаемости материального мира.
Дальнейший прогресс физической науки привел к нахождению новой группы «элементарных» частиц - мезонов, масса которых больше, чем у электрона, но меньше, чем у протона. Выяснилось, что имеется несколько различных видов мезонов, отличающихся друг от друга по своим свойствам.Экспериментальные данные, свидетельствующие о наличии мезонов в космических лучах, впервые были получены в 1937 году Андерсоном и Неддермайером. Произошло это следующим образом. Известно, что при прохождении заряженных частиц через вещество их энергия уменьшается. В случае не очень большой первоначальной энергии уменьшение это происходит в основном за счет ионизации или возбуждения атомов вещества, а при значительной величине энергии уменьшение ее связано главным образом с испусканием фотонов. Последние излучает всякая заряженная частица, если изменяется ее скорость. Такое излучение называется тормозным. Примером его могут служить рентгеновские лучи, образующиеся при ударах электронов об антикатод рентгеновской трубки. Когда через вещество проходят заряженные частицы космических лучей, обладающие большой энергией, также возникает тормозное излучение. Уменьшение энергии частицы при этом обратно пропорционально квадрату массы частицы. Поэтому чем больше масса:, там меньше энергетические потери частицы на тормозное излучение и тем длиннее путь, который она может пройти прежде, чем лишится всей своей энергии.
Частицы малой массы, испытывают большие потери на излучение. Испущенные ими фотоны образуют электронно - позитронные пары, причем электроны и позитроны, в свою очередь, тормозятся веществом и испускают фотоны, которые вновь порождают электронно - позитронные пары. Такой процесс «размножения» легких заряженных частиц в веществе обусловливает образование «лавины», или «ливня», частиц. Последнее приводит к тому, что легкая частица не может пройти через значительные толщи вещества.
Поскольку масса самого легкого из мезонов во много раз больше массы электрона, потери энергии мезонов на тормозное излучение ничтожны по сравнению с потерями энергии электронов. Если прохождение легких заряженных частиц через вещество, помещенное, например, в виде пластинки в камере Вильсона, обязательно сопровождается «ливнем», то мезоны практически не образуют ни тормозного излучения, ни «ливней», тратя энергию только на ионизацию среды. Потери эти сравнительно невелики, и поэтому мезоны обладают большей проникающей способностью. Различие в прохождении через толщу вещества частиц разных масс, входящих в состав космических лучей, и привело к открытию мезона.
Впервые величина массы мезона была измерена Андерсоном. Для этого он использовал свойство заряженных частиц отклоняться при движении в магнитном поле от своего первоначального направления и двигаться по окружности. Радиус последней зависит как от скорости, так и от массы частицы. При одной и той же скорости отклонение в магнитном поле тем меньше, чем больше масса. Если изучать следы заряженных частиц в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, то по отклонению их можно определить произведение массы частицы на ее скорость (то есть импульс частицы). В то же время скорость частицы находится по тому числу ионов, которое она создает на своем пути в камере Вильсона. Зная импульс и скорость, легко вычислить массу частицы. У мезонов она оказалась в 207 раз больше массы электрона. При этом было обнаружено, что в составе космических лучей присутствуют как положительно, так и отрицательно заряженные мезоны.
В 1939—1941 годах ряд исследователей установил важную особенность, отличающую мезон от таких «элементарных» частиц, как протоны и электроны. Если эти последние могут существовать в свободном виде неограниченно долго, не претерпевая изменений, то мезон, наоборот, «живет» в среднем всего лишь около 2х10-6 6 секунды, после чего распадается на более легкие частицы - электрон (или позитрон) и два нейтрино.Свойство мезона распадаться было впервые найдено из сравнения характера: прохождения этих частиц в слое атмосферы и в слое твердого вещества. Толщина последнего подбиралась так, что потери энергии мезонов в нем должны были быть равными потерям энергии в воздухе. В действительности же оказалось, что в атмосфере поглощение данных частиц происходит быстрее, чем в твердом веществе. Так как единственным отличием обоих слоев является их толщина (для воздуха в тысячи раз большая, чем для твердого поглотителя), то причину разницы в поглощении надо искать в разном времени прохождения мезонов через эти слои. Если указанные частицы «живут» ограниченное время, меньшее, чем то, которое требуется для их прохождения через слой воздуха, то они и должны поглощаться здесь сильнее, чем в твердом веществе. Так был открыт распад мезонов.
Открытие мезона подтвердило теоретические предсказания физиков о существовании самопроизвольно распадающейся частицы с массой, промежуточной между массами электрона и протона. Согласно представлениям современной физики, электромагнитное взаимодействие заряженных частиц сводится к тому, что они непрерывно обмениваются фотонами. Однако при изучении строения атомного ядра выяснилось, что взаимодействие в нем протонов и нейтронов нельзя объяснить наличием только электромагнитных сил. Поэтому еще в 1934 году советские ученые И. Е. Тамм и независимо от него Д. Д. Иваненко выдвинули гипотезу о существовании особых, ядерных сил, связывающих нуклоны (то есть протоны и нейтроны) в ядре. Год спустя японский физик Юкава предположил, что взаимодействие между нуклонами также обусловлено постоянным обменом некоторыми частицами. Из величины расстояний, на которых действуют ядерные силы (они в сотни тысяч раз меньше, чем величина расстояний для электромагнитных сил), была вычислена масса этих гипотетических частиц. Расчеты указали, что она должна; быть в 200—300 раз больше массы электрона.
После открытия в космических лучах мезонов с массой в 207 электронных масс ученые решили, что это и есть та частица, которой обмениваются протоны и нейтроны в ядре. Отсюда следовало, что мезоны сильно взаимодействуют с ядрами атомов вещества. Однако дальнейшие исследования не подтвердили этого. Большим числом экспериментов было наглядно показано чрезвычайно слабое взаимодействие вновь открытых частиц с ядрами. Это поставило под сомнение гипотезу Юкавы. И только в последнее время ученые нашли разгадку возникшего противоречия. Это стало возможным благодаря использованию метода толстослойных фотоэмульсий, предложенного советским ученым Л. В. Мысовским.
Когда заряженная частица проходит через эмульсию фотопластинки, содержащую бромистое серебро, молекулы последнего вследствие ионизации разлагаются. При этом образуются так называемые «зародыши», на которых в результате проявления пластинки наиболее интенсивно выделяется чистое серебро. Так выявляется след частицы в виде цепочки темных зерен. Чем больше ионов образует пролетающая заряженная частица, тем больше возникает «зародышей» металлического серебра и тем жирнее получается оставленный частицей след. Чувствительность же современных фотопластинок такова, что они фиксируют не только сравнительно жирные следы медленно движущихся заряженных частиц, но и тончайшие следы от частиц, летящих со скоростью, близкой к скорости света.
В 1947 году английский ученый С. Ф. Поуэлл обнаружил в фотоэмульсии, подвергавшейся действию космических лучей, весьма характерные следы частиц. След частицы постепенно утолщался по мере уменьшения ее скорости; затем останавливающаяся частица в конце своего пути распадалась, и вылетавшая при этом новая частица давала другой след, идущий под углом к первому. По длине пробега и густоте оставляемого следа можно было найти массу обеих частиц. Исследование выяснило, что масса первичной частицы была в 273 раза больше массы электрона. Частица же, вылетающая при распаде, оказалась уже знакомым нам мезоном с массой, равной 207 электронным массам. Эти частицы получили соответственно названия пи-мезона и мю-мезона.Кроме различия в массах, указанные частицы отличаются и другими свойствами. Пи-мезон распадается на мю-мезон и нейтрино, а мю-мезон распадается на электрон и два нейтрино. Неодинаково и время жизни пи- и мю-мезонов. Для пи-мезона оно примерно в 100 раз меньше, чем для мю-мезона.
Пи-мезон, как выяснилось далее, и является той частицей, которая в отличие от мю-мезона способна взаимодействовать с атомными ядрами. Отрицательно заряженный пи-мезон, останавливаясь в веществе, проникают в атомное ядро и разрушает его. Вылетающие при этом осколки ядра (протоны, альфа-частицы) дают в фотоэмульсии жирные следы в виде лучей «звезды».
Таким образом, не мю-мезон, а пи-мезон оказался частицей со свойствами, теоретически предсказанным и Юкавой. Однако открытием пи- и мю-мезонов дело не ограничилось.
В 1949 году учеными была найдена нейтральная (то есть ее обладающая электрическим зарядом) частица, близкая по массе к пи-мезону (263 электронных массы). Эта частица, получившая название пи- нуль-мезона, распадается в среднем за 5 х 10-15 секунды на два фотона. Пи-нуль-мезоны, так же как и заряженные пи-мезоны, сильно взаимодействуют с ядрами. Обмен этими частицами обеспечивает ядерные связи между одинаковыми нуклонами (нейтроном и нейтроном, протоном и протоном).Несколько ранее, в 1946 году, советские ученые А. И. Алиханян и другие начали поиски частиц с массами, отличными от массы протона. Для этой цели использовался оригинальный прибор — масс-спектрометр. Он позволял определить импульс быстро летящей в магнитном поле заряженной частицы. Кроме того, по толщине пересекаемых частицей слоев свинца, помещенных в масс-спектрометре, определялась ее энергия. На основе всех этих данных вычислялась масса каждой частицы.
В настоящее время твердо установлено существование мезонов, масса которых больше, чем у пи-мезона, но меньше, чем у протона. Подобно мю- и пи- мезонам, они распадаются на более легкие частицы. Так, например, частица с массой, равной 967 электронным массам (тау-мезон), была найдена по характерной картине ее распада на три заряженных пи-мезона. Положительно и отрицательно заряженные к-мезоны (с массой около 1 000 электронных масс) порождают одну заряженную и одну или несколько нейтральных частиц. Время жизни этих мезонов составляет от 10 -8 до 10 -9 секунды. Нейтральные тета-нуль-мезоны распадаются на два пи-мезона и существуют всего 1,5х10-10 секунды.
В 1947 году Рочестер и Батлер обнаружили в газе камеры Вильсона следы, напоминающие вилку или перевернутую букву V. Впоследствии такие следы наблюдались также в эмульсии фотопластинок. Оказалось, что они возникают в результате распада новых, неизвестных до того нейтральных частиц, названных ламбда-нуль-частицами. Эти частицы распадаются на протон и отрицательно заряженный пи-мезон. Масса их примерно в 2 200 раз больше массы электрона (и, следовательно, значительно больше, чем у протона). Время жизни ламбда - нуль-частицы приблизительно 3,7 х 10 -10 секунды. Сравнительно недавно учеными были найдены также заряженные (положительно и отрицательно) частицы с массой большей, чем у протона. Они дают при распаде пи-мезон или протон и нейтральную частицу, природа которой еще не установлена: окончательно. Все частицы тяжелее протонов получили общее название гиперонов.
Таким образом, в результате упорных исследований физиков число известных нам «элементарных» частиц за последние годы намного увеличилось. К протонам, нейтронам, электронам, позитронам, нейтрино и фотонам прибавились положительно и отрицательно заряженные мю- и пи-мезоны, тау- и к-мезоны, нейтральные пи-нуль-мезон, тета-нуль-мезон и ламбда-нуль-частица, положительные и отрицательные гипероны. Все они тесно взаимосвязаны, что, в частности, выражается в превращениях более тяжелых мезонов в более легкие частицы. Изучение их свойств позволяет еще глубже проникнуть в тайны строения вещества и подтверждает известное положение марксистской философии о неисчерпаемости материального мира.