Большая Советская Энциклопедия (СЛ) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" - Страница 2

  Наиболее распространённый процесс, обусловленный С. в., — (b-распад радиоактивных атомных ядер. Явление радиоактивности было обнаружено в 1896 А. А. Беккерелем . В течение первой трети 20 в. экспериментально исследовались энергетические спектры b-радиоактивных ядер (Э. Резерфорд , Дж. Чедвик , Л. Майтнер ). Результатом этого исследования явилась гипотеза (1931, В. Паули ) о том, что в b-распаде наряду с электроном (е^- ) испускается ещё одна лёгкая частица, получившая позднее название нейтрино. И хотя экспериментально свободное нейтрино было обнаружено лишь в 1956, уже в 1934, исходя из гипотезы Паули, Э. Ферми построил теорию (b-распада, которая (с некоторыми модификациями) лежит в основе современной теории С. в.

  Согласно теории Ферми, электрон и нейтрино (более точно: антинейтрино), вылетающие из (b-радиоактивного ядра, не находились в нём до этого, а возникают в момент распада. Это явление аналогично испусканию фотонов низкой энергии (видимого света) возбуждёнными атомами или фотонов высокой энергии (g-квантов) возбуждёнными ядрами. Как известно, свет испускается электроном при переходе с одного атомного уровня на другой, более низкий. Аналогично g-кванты испускаются нуклонами, переходящими с более высоких, возбуждённых уровней в ядре на более низкие. Первичной причиной этих процессов является взаимодействие электрических зарядов с электромагнитным полем: движущаяся заряженная частица —  электрон или протон —  возмущает электромагнитное поле, причём энергия частицы передаётся квантам поля —  фотонам. Движущийся заряд создаёт электромагнитный ток, и обычно говорят о взаимодействии фотонов с электромагнитным током. В квантовой электродинамике взаимодействие электрона с фотоном описывается выражением типа

.

  Здесь е — элементарный электрический заряд, являющийся константой электромагнитного взаимодействия (безразмерной константой, характеризующей интенсивность протекания электромагнитных процессов, является величина

 ¹ /₁₃₇ , где  — постоянная Планка, с — скорость света), y — оператор уничтожения электрона, находящегося в исходном состоянии,  — оператор рождения электрона в конечном состоянии, А — оператор рождения фотона. Т. о., вместо исходного электрона возникают две частицы: электрон, находящийся в другом состоянии (с меньшей энергией), и фотон.

  Более точно взаимодействие электрона с фотоном описывается выражением

.      (1)

  Индекс m в величине А_m принимает четыре значения: m = 0, 1, 2,3 и указывает, что величина А_m преобразуется как четырёхмерный вектор при Лоренца преобразованиях . [Напомним, что четырёхмерный вектор образуют, например, четырёхмерные координаты частицы х_m (x = ct, x₁ = х, x₂ = у, x₃ = z ) или её энергия и импульс р_m (p_o = Е/с, p₁ = p_x , p₂ = р_у , p₃ = p_z , где Е —   энергия частицы, p_x , p_y , p_z — компоненты её трёхмерного импульса).] Скалярное произведение двух четырёхмерных векторов определяется следующим образом: х_m р_m = x_o p_o — x₁ p₁ — x₂ p₂ — x₃p₃ (по одинаковым индексам m производится суммирование.; для краткости знак суммы опускается). Поскольку электромагнитное поле является векторным, то о кванте этого поля — фотоне — говорят как о векторной частице. Величина

 называется электромагнитным током. Чтобы взаимодействие (1) было лоренц-инвариантным, необходимо, чтобы электромагнитный ток  также являлся четырёхмерным вектором и взаимодействие тока с фотонным полем представляло собой скалярное произведение двух четырёхмерных векторов (именно на это указывает повторение индекса m). Четыре матрицы g_m (матрицы Дирака) введены для того, чтобы из операторов  и y, которые являются четырёхмерными спинорами относительно преобразований Лоренца, сконструировать четырёхмерный вектор — электромагнигный ток.

  Уточним теперь смысл операторов

 и y. Они описывают процессы не только с участием частиц (электронов), но и с участием античастиц (позитронов). Оператор y уничтожает электрон или рождает позитрон, а оператор  рождает электрон или уничтожает позитрон. Оператор А описывает как рождение, так и уничтожение фотонов, поскольку абсолютно нейтральная частица — фотон — сама является своей античастицей. Т. о., взаимодействие  описывает не только испускание и поглощение света электронами и позитронами, но и такие процессы, как рождение электрон-позитронных пар фотонами или аннигиляция этих пар в фотоны. Обмен фотоном (g) между двумя заряженными частицами приводит к взаимодействию этих частиц друг с другом. В результате возникает, например, рассеяние электрона протоном, которое схематически изображается Фейнмана диаграммой , представленной на рис. 1 . При переходе протона в ядре с одного уровня на другой это же взаимодействие может привести к рождению ядром электрон-позитронной пары (рис. 2 ).

  Теория b-распада Ферми по существу аналогична теории электромагнитных процессов. В основу теории Ферми положил взаимодействие двух «слабых токов», но взаимодействующих между собой не на расстоянии путём обмена частицей — квантом поля (фотоном в случае электромагнитного взаимодействия), а контактно. Это взаимодействие в современых обозначениях имеет вид:

     (2)

  Здесь G — константа Ферми, или константа С. в., экспериментальное значение которой G » 10^-49 эрг ×см³ ; величина

 имеет размерность квадрата длины, и в единицах , где M_p — масса протона;  — оператор рождения протона (уничтожения антипротона), n — оператор уничтожения нейтрона (рождения антинейтрона),  — оператор рождения электрона (уничтожения позитрона), n — оператор уничтожения нейтрино (рождения антинейтрино). [Здесь и в дальнейшем операторы рождения и уничтожения частиц обозначены символами соответствующих частиц, набранными полужирным шрифтом.] Ток  переводящий нейтрон в протон, получил впоследствии название нуклонного, а ток  — лептонного (электрон и нейтрино — лептоны ). Ферми постулировал, что, подобно электромагнитному току, слабые токи также являются четырёхмерными векторами. Поэтому фермиевское взаимодействие называется векторным. (Заметим, что первоначальная идея Ферми заключалась в том, что нуклонный ток  аналогичен электромагнитному току , а лептонный ток  — электромагнитному полю А_m. Однако в написанное им выражение нуклонный и лептонный токи вошли равноправно, и дальнейшее развитие теории всё в большей степени подчёркивало это равноправие.)