Ишханов Б.С., Капитонов И.М., Юдин Н.П. Частицы и атомные ядра Изд. 3, испр. и доп.

Оглавление

Предисловие

В этой книге содержится материал заключительного раздела курса общей физики. Ее цель – дать описание физики атомного ядра и физики частиц с единых позиций. В традиционных курсах общей физики изложение физики микромира обычно начинается с изложения строения атомного ядра, явления радиоактивности, ядерных моделей и лишь затем, по существу в отрыве от этого материала, излагается физика элементарных частиц. Развитие физики в XX веке показало, что, несмотря на многообразие физических явлений, в их основе лежит небольшое число фундаментальных частиц и взаимодействий, из которых и выстраивается физический мир. Взаимодействие фундаментальных степеней свободы описывается физической теорией, которая называется Стандартной моделью. Мы решили изложить материал, исходя из общих принципов формирования структуры материи, начиная с ее наиболее фундаментальных основ.

Книга написана на основе курса лекций, которые читаются на физическом факультете Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова. Содержание книги соответствует программе Государственного образовательного стандарта. Отбор материала, последовательность и форма изложения оригинальны и соответствуют стилю университетского физического образования и традициям физического факультета МГУ. Изложение базируется на современном фактическом материале. Приводится описание основных физических экспериментов. Теоретическое изложение материала сопровождается решением задач и примеров, что позволяет глубже усвоить изучаемый материал. Так как в книге основное внимание уделено физике явления, ряд материалов излагается не столь подробно. Однако необходимо иметь в виду, что в соответствии с программой изучение курса общей физики сопровождается семинарскими занятиями и практикумом. При написании книги было учтено, что студенты еще не знакомы с основами квантовой механики. Поэтому в одной из глав излагаются основные понятия и соотношения квантовой физики. При изложении материала мы старались разъяснить физическую суть явлений и по возможности избегать математических выводов уравнений и опустили некоторые детали, существенные для более углубленного изучения предмета.

Исследования в физике ядра и частиц породили принципиально новые глубокие концепции описания явлений, происходящих в микромире. На понимание их сущности и направлено основное содержание книги. В ней наряду с явлениями микромира рассматриваются некоторые вопросы эволюции Вселенной. Несмотря на огромное различие масштабов явлений физики микромира и космологии, последние нельзя понять без знания первых. Поэтому включение этого материала в книгу является необходимым. Углубленный курс современной астрофизики читается студентам физического факультета МГУ вслед за курсом "Физика ядра и частиц", что создает хорошие возможности для более глубокого усвоения студентами обсуждаемых в этих двух курсах общих вопросов.

В приложения вынесен ряд справочных материалов, среди которых таблицы изотопов, физические константы и единицы, наиболее важные открытия физики микромира, сформировавшие ее современное понимание, и список Нобелевских лауреатов по физике.

При написании книги многие наши коллеги оказали нам помощь в обсуждении отдельных вопросов, сообщили новые экспериментальные данные, прочитали отдельные места рукописи. В особенности нам хотелось поблагодарить Е.А.Романовского, В.В.Балашова, В.Г.Неудачина, А.Ф.Тулинова, И.В.Ракобольскую, Л.Д.Блохинцева, А.М.Черепащука, Н.В.Никитина, Н.Н.Калмыкова, Э.И.Кэбина, В.А.Ушканова.

Авторы признательны Д.В.Лосеву за большую помощь при подготовке рукописи к печати.

Из главы 1. Элементарные частицы

Вводные замечания

Окружающий нас мир – Вселенная – поражает, прежде всего, несоизмеримостью своих пространственных масштабов, непостижимой с точки зрения обычного человеческого опыта. Действительно, со стороны бесконечно больших величин, мы видим в настоящее время структуры, удаленные от Земли на 10–15 млрд световых лет, т.е. примерно на 10²⁸ см. Со стороны другой бесконечности, со стороны бесконечно малых, наша цивилизация может исследовать расстояния до 10^-17 см.

Таким образом, масштабы пространственных размеров исследуемых нами структур мира отличаются в 10⁴⁵ раз! В этом фантастическом интервале размеров располагаются фундаментальные частицы (на нижнем его уровне), адроны, атомные ядра, атомы и молекулы, макроскопические структуры и, наконец, космические и космологические объекты.

Второй поразительной чертой Вселенной является огромное разнообразие ее структур и явлений. Нет нужды специально иллюстрировать это разнообразие – достаточно, например, вспомнить практически бесконечное многообразие органического мира, мира минералов, земных структур, явлений атмосферы и, наконец, космических и космологических явлений. С большим трудом, даже обладая современной информацией, можно заставить себя поверить, что в основе всего этого удивляющего разнообразия лежит ограниченное число универсальных физических законов. Тем не менее это так. Мы увидим, что в основе этого бесконечного разнообразия лежит ограниченный набор фундаментальных частиц, взаимодействие между которыми приводит сначала к существованию адронов и атомных ядер, затем к миру атомов и молекул, бесчисленные соединения которых формируют многообразие органических структур и минералов, а бесконечное тиражирование атомов и молекул создает все многообразие макроскопических структур мира.

Вопрос о том, как устроен этот мир, был основным вопросом физики на протяжении всей истории человечества. Он имеет много граней, и если вдуматься, то оказывается, что совсем не просто даже грамотно поставить его. Огромной заслугой древних мыслителей явилась его конструктивная формулировка. Именно, среди его множества граней они вычленили основополагающую проблему – проблему конечной и бесконечной делимости материи. По этому кардинальному вопросу древние мыслители – в основном древние греки, – не имея способов его экспериментального решения, разделились на два лагеря. Одни из них считали, что мир является бесконечно делимым. Впоследствии эта концепция явилась основой введения в физику представления о непрерывной среде. В рамках второго течения мысли считалось, что в процессе деления материи мы неизбежно достигнем предела, дальше которого деление становится невозможным. Эти конечные кирпичики материи были названы Демокритом атомами. В настоящее время мы знаем, что в конечном счете прав оказался Демокрит, и непостижимое разнообразие мира основывается, как это ни странно, на конечном числе элементарных сущностей. Однако, скорее всего, в данном случае следует подчеркивать не победу одной из этих концепций, а чрезвычайную плодотворность обоих течений мысли. Достаточно, например, сказать, что математическое представление о "сплошной среде" – непрерывном пространстве – строится как предельное множество "атомов" – точек, не имеющих собственных размеров.

Весь девятнадцатый век прошел под знаком триумфального шествия атомизма. Было установлено существование атомов и молекул. Д.И.Менделеевым была открыта периодическая система химических элементов, которая впервые показала существование симметрии в микромире и, как мы теперь понимаем, в действительности указывала на более глубокие симметрийные свойства мира.

Второй гранью вопроса о строении мира является вопрос о движении (динамике) и взаимодействии конечных структурных единиц материи. В XIX в. основой рассмотрения этих вопросов была ньютоновская классическая физика. На микроскопическом уровне основной чертой классической физики является способ задания состояний точечных атомов – в любой момент времени они задаются значениями их координат и импульсов.

В настоящее время мы знаем, что атомы и молекулы, как последние структуры с определенными химическими свойствами, не являются конечными кирпичиками мироздания: есть более фундаментальные составляющие – атомные ядра, нуклоны и, в конце концов, кварки, лептоны и переносчики взаимодействий. Однако на рубеже XIX и XX столетий не было инструментов, с помощью которых можно было бы обнаружить эти более глубокие структурные объекты. Поэтому развитие физики происходило более естественным образом: началось интенсивное исследование структуры атомов и очень быстро были открыты атомные ядра и создана физическая теория – квантовая механика, без которой нельзя понять главных закономерностей структуры атомов и молекул.

Об авторах

Ишханов Борис Саркисович

Заслуженный работник высшей школы Российской Федерации, профессор, заведующий кафедрой физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, заведующий отделом Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына. Лауреат Ломоносовских премий, премий Совета Министров СССР и Правительства России, автор научного открытия. Область научных интересов — физика атомного ядра и элементарных частиц. В течение многих лет преподавал студентам физического факультета МГУ физику ядра и частиц.

Капитонов Игорь Михайлович

Заслуженный профессор Московского университета, лауреат Ломоносовской премии, автор научного открытия. Область научных интересов — физика атомного ядра. В течение многих лет преподает студентам физического факультета МГУ физику ядра и частиц.

Юдин Николай Прокофьевич

Был доцентом физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова. Автор научного открытия. Область научных интересов — физика атомного ядра и элементарных частиц. Более тридцати лет преподавал студентам физического факультета МГУ физику элементарных частиц.