Элементарные частицы

Драма идей в познании природы

"Год великих открытий" - 1932 год - завершил поворот в представлении об элементарных частицах. "Экономные" схемы строения микромира не выдерживали экспериментальной проверки. Число элементарных частиц расширялось. Каждой частице должна была соответствовать еще и своя античастица.

Открытие нейтрона означало открытие новой элементарной частицы. Такой же элементарной, как и протон. К этому выводу пришли в 1932 году Вернер Гейзенберг в Германии и Е.Н.Гапон и Д.Д.Иваненко в СССР. Итак, нейтрон входит в состав ядра. В ядрах нет "избыточных протонов" и ядерных электронов. Ядро с зарядом Z и массовым числом А состоит из двух типов элементарных частиц; из Z протонов и (A-Z) нейтронов. Сама по себе такая замена еще не меняла традиционных представлений об элементарности. Менялись кирпичики - не принцип построения здания. Но применительно к бета-распаду такая простая замена составляющих ядра содержала принципиально новый элемент. Электроны и нейтрино в ядре не содержатся, тогда в процессе бета-распада должны рождаться пары бета-частица-нейтрино подобно тому, как рождаются гамма-кванты при гамма-распаде. Исходя из этой аналогии, Энрико Ферми в 1934 году предлагает теорию бета-распада, согласно которой в ядре находятся протоны и нейтроны. В процессе бета⁺-распада ядра протон превращается в нейтрон, а в процессе бета^--распада нейтрон превращается в протон. При этом рождаются позитрон (или электрон) вместе с частицей Паули - нейтрино.

Комментарий: Свободный протон стабилен, а свободный нейтрон нестабилен и распадается на протон, электрон и антинейтрино. Распад нейтрона и стабильность протона следуют из того, что масса, а значит, и энергия нейтрона на 0,13 процента больше массы протона, на 0,08 процента больше суммы масс протона и электрона, так что еще остается избыток на энергию нейтрино и электрона. Распад свободного протона невозможен энергетически, масса протона меньше минимальной суммарной массы нейтрона, позитрона и нейтрино. Однако действие ядерных сил может привести к тому, что энергия связанного в ядре протона окажется больше, чем энергия связанного нейтрона. Тогда связанный в ядре протон становится нестабильным относительно распада на связанный в ядре нейтрон, позитрон и нейтрино. Например, ядро ¹³N (которое можно представить как систему ¹²С+р) нестабильно относительно распада на ядро ¹³С (система ¹²С+n), позитрон и нейтрино. При этом связанный в ¹³N протон нестабилен, а нейтрон, связанный в ¹³С, стабилен. Эти выводы можно получить как на языке эффективных масс нуклонов в ядрах (с учетом энергии связи нуклона в ядре), так и прямо исходя из масс этих ядер, поскольку масса ядра учитывает энергию связи нуклонов.

После открытия нейтрона "азотная катастрофа" больше не страшила. Массовое число 14 и заряд ядра 7 просто означали, что в ядре азота 7 протонов и 14-7=7 нейтронов. Спин нейтрона тоже 1/2. В ядре азота четное (14) число составляющих, и его спин должен быть целочисленным.

Концепция "элементарной частицы" как неизменной неуничтожаемой составляющей материи терпела крах. Электрон мог рождаться в бета-распаде. Электрон мог уничтожаться: в паре с позитроном он мог аннигилировать в гамма-кванты, в К-захвате атомный электрон мог захватываться ядром, уменьшая на единицу заряд и рождая нейтрино. В опытах с космическими лучами наблюдалось рождение пар: электрона и позитрона. Возникало представление о частицах, которые могут рождаться и уничтожаться. Частицы поля - фотоны и частицы материи - электроны могли превращаться друг в друга.

Комментарий: В популярной литературе иногда встречались замечания, что аннигиляция двух частиц (электрона и позитрона) ведет к рождению тоже двух частиц (двух фотонов). Из этого факта выводился "фундаментальный" закон сохранения 2=2. В действительности такого закона нет. В некоторых условиях одиночный гамма-квант рождает пару e⁺e^-, а при аннигиляции образуются не два, а три гамма-кванта. Поэтому действительные законы сохранения в аннигиляции иные.

Оказалось, что электрон не вечен. Он может рождаться и уничтожаться так же, как может рождаться фотон. Однако фотоны могут рождаться и поглощаться поодиночке, а электроны - нет. Или в паре с позитроном, или в паре с протоном. Отдельный электрон без сопровождения не рождается. Этому препятствует закон сохранения заряда.

Типы частиц множились. Частицы могли рождаться и уничтожаться. Но сквозь их превращение проступал новый уровень законов сохранения. Новый уровень понятий, на котором сохранилось представление о неизменных формах бытия. О формах, неподвластных рождению или уничтожению. На смену "вечным частицам" в физику приходят "вечные заряды".

Так в начале 1930-х годов в физику приходит целый ряд новых идей, определивших развитие теоретической физики последующего пятидесятилетия. Эти идеи (во всяком случае существенная их часть) лежат в основе современной теории микромира.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год