Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте


предыдущая главасодержаниеследующая глава

Электронный десант

В 1954 году в Стеифордском университете США заработал новый линейный ускоритель электронов. В том же году группа экспериментаторов под руководством американского ученого Роберта Хофштадтера закончила подготовку к штурму нуклонов.

Энрико Ферми говорил: "На каждом этапе развития наук мы называем элементарными те частицы, строение которых не знаем и которые рассматриваем как точечные".

Однако уже в то время, пытаясь представить себе механизм ядерных сил, ученые подозревали, что элементарные частицы имеют весьма сложную структуру. Нуклоны представлялись физикам в виде "голых" собственно нуклонов, закутанных в "шубу" или облако из пи-мезонов. И эти, казалось бы, наивные представления имели под собой некоторые основания.

Играющие в войну мальчишки окружают себя валом из снежков, а потом забрасывают ими воображаемых врагов. Масса снежка определяет то расстояние, с которого можно попасть в "противника". На большем расстоянии игра будет неинтересной.

Точно так же масса пи-мезонов задает радиус действия ядерных сил - то расстояние, на котором могут общаться между собой протоны и нейтроны. А движение заряженных мезонов в облаке создает магнитный момент нуклонов. Уже и этого достаточно, чтобы считать нуклоны и мезоны "структурно" неотделимыми друг от друга. Удается ли быстрым электронам нащупать эту мезонную шубу?

И вот наступление началось. Электроны на ускорителе Стенфордского университета с энергией до 550 миллионов электрон-вольт погружались в неведомые глубины материи. Аппаратура принимала первые донесения электронного десанта из мишени.


Физики нетерпеливо расшифровывали сведения, переводя их на язык графиков и таблиц, записывали в виде формул. Где-то здесь, в пределах радиуса действия ядерных сил, равного как раз 10-13сантиметра, электронный десант должен был обнаружить передовые посты нуклонов - заряженное облако пи-мезонов.

Первые же результаты принесли разочарование: электроны рассеивались на протонах, как на точечном заряде. Но неудача первых опытов не заставила ученых отступить. Решено было перевооружиться, улучшив аппаратуру и сделав ее более точной.

И снова пучок электронов был направлен на мишень, снова - ожидание и волнение. Что происходило там, в кажущейся бесконечной глубине материи? С чем встретились электроны? С точкой, не имеющей размера, или же с протяженным заряженным образованием?

Да, настойчивость и высокое экспериментальное мастерство победили. Электроны обнаружили у протона мезонное облако. Это было фундаментальное открытие, крупнейшее достижение физики. Значит, элементарные частицы имеют внутреннюю структуру!

Нобелевская премия, присужденная Р. Хофштадтеру в 1963 году, увенчала его работы по обнаружению и исследованию электромагнитной структуры нуклонов.

Это, однако, не значило, что Р. Хофштадтеру сразу же удалось снять все вопросы. Далеко не все физики интерпретировали полученные им результаты как наличие размера и структуры у протона. Оставалось еще одно объяснение: а вдруг и сам электрон не точечный и законы электромагнитных взаимодействий меняются на расстояниях 10-13сантиметра между зарядами?

Окончательно поверить в протяженность нуклонов можно было лишь тогда, когда удалось бы наблюдать взаимодействие двух точечных зарядов, расположенных друг к другу ближе 10-13сантиметра.

И тогда вспомнили о мю-мезонах, этих неудачных претендентах на роль переносчиков ядерных сил. Как и электроны, мю-мезоны проявляют себя либо электромагнитным, либо слабым образом. Если пренебречь в тысячи раз меньшим влиянием слабого взаимодействия, то можно ожидать, что встреча мю-мезона с электроном произойдет по электромагнитным правилам, как встреча двух зарядов.

Рассеяние мю-мезонов на электронах атомов - вот где ключ к определению структуры нуклонов! В опытах, где электрон и мю-мезон сближались на расстояние, даже значительно меньше 10-14сантиметра, этикет, предписанный теорией электромагнитных взаимодействий для точечных зарядов, не нарушался.

Значит, эксперименты Р. Хофштадтера можно было объяснить только тем, что элементарные частицы - сложные образования с определенным размером. Какой же сейчас представляют себе ученые электромагнитную структуру протона и нейтрона?

От физиков, изучающих микромир, невозможно требовать воссоздания точной структуры элементарной частицы на основании экспериментальных данных по рассеянию.

По черепу можно восстановить детали лица. Наверное, многие видели оригинальные скульптуры Герасимова в Музее антропологии. Его скульптурные портреты очень достоверны потому, что существует строгая зависимость между размером и формой любой кости черепа и соответствующей ей мышцы лица.

Физик поступает скорее как палеонтолог, который по одной берцовой кости или челюсти вынужден воссоздать облик ископаемого существа. Разумеется, реконструированный облик какого-нибудь ящера может не совпадать в деталях с жившим миллионы лет назад существом. Да этого и трудно ожидать. Тем не менее в общих чертах мы получаем более или менее достоверную картину.


Что же, в сущности, удалось обнаружить Р. Хофштадтеру? "Элементарные" протоны и нейтроны имеют весьма сложную структуру. Большая часть их массы сосредоточена в области пространства с радиусом приблизительно 0,8⋅10-13сантиметра. Ее окружает рыхлая мезонная оболочка, которую физики именуют то мезонным облаком, то мезонной шубой. Плотность мезонной оболочки с удалением от центра уменьшается.

Заряд протона распределен тоже неоднородно. На центральную часть приходится чуть больше десяти процентов, остальная же размазана по мезонному облаку.

Раньше казалось, что нейтрон, в среднем нейтральный, имеет области, заряженные положительно и отрицательно. Но такая модель нейтрона потерпела фиаско. Электронный десант, подбираясь к нему, не обнаружил электрического форпоста - заряженного мезонного облака. Может быть, заряд прячется где-то глубже?

Сейчас электроны очень больших энергий проникают в нейтрон уже на расстояние 0,2⋅10-13сантиметра, а заряженной области пока еще не нашли. Неужели нейтрон точечный?

Нет, это не так. Нельзя сказать, что электроны, достигнув этой необыкновенной глубины, не встретили на пути никакого сопротивления. Напротив, как раз там, где должна находиться мезонная шуба, налетающие электроны вдруг почувствовали магнитное воздействие.

Значит, и у нейтрона есть мезонное облако? Да. Оно таких же, как и у протона, размеров, только облако это электрически нейтрально. Возможно, оно состоит из нейтральных пи-мезонов, а может быть, из пар отрицательных и положительных мезонов.

Результаты эти заставили физиков засомневаться в точечности остальных частиц. Но как это проверить? Одно дело - долгоживущий нуклон. Ну а как исследовать частицу, существующую меньше 10-10 секунды? Как быть с теми частицами, которые появляются на свет всего лишь на 10-19секунды? Как сделать из них мишень для электронов?

И все-таки в последнее время ученые нашли способ "измерить" пи-мезон. Оказалось, что и он не точечный, а имеет вполне определенный радиус, около 0,8⋅10-13сантиметра. Разумно предположить, что все частицы, испытывающие сильные взаимодействия, таких же размеров.

Ну а что сказать о мю-мезоне, электроне и нейтрино? Мю-мезон и электрон даже на расстоянии менее 10-14сантиметра ведут себя по отношению друг к другу как два точечных заряда. Из этого можно сделать только один вывод: если они все-таки имеют размеры, то размеры их меньше 10-14сантиметра.

предыдущая главасодержаниеследующая глава










© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2019
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://physiclib.ru/ 'Библиотека по физике'

Рейтинг@Mail.ru