2 семестр (ЛЕКЦИИ)

Лекция № 18
Достижения и перспективы научных исследований в радиобиологии
Современные методы и возможности радионуклидной диагностики.
Области применения новых видов излучений (нейтроны, пи-мезоны и др.
тяжелые заряженные частицы).
Источники пионов. Одним из важнейших источников пионов в природе,
являются космические лучи. Под действием первичной компоненты космических
лучей пионы рождаются в верхних слоях атмосферы, но из-за ядерного
поглощения и распада до уровня моря доходит лишь их незначительная часть.
Однако количественное изучение свойств пионов выполняется преимущественно
на пучках частиц высокой энергии, получаемых на ускорителях протонов и
электронов. На ускорителях были установлены квантовые числа пионов,
произведены точные измерения масс, времён жизни, редких способов распада,
детально изучены реакции, вызываемые пионами. Современные ускорители
создают пучки пионов высокой энергии (десятки Гэв) с потоками ~ 107 пионов в 1
сек, а так называемые «мезонные фабрики» (сильноточные ускорители на энергии
~ 1 Гэв) должны давать потоки до 1010 пионов в 1 сек. Пучки быстрых заряженных
пионов, которые проходят до распада десятки и сотни м, обычно
транспортируются к месту изучения их свойств и взаимодействий по специальным
вакуумным каналам. На рис. 3 изображена схема установки для получения и
-мезонов.
-мезонов начинают применять в
лучевой терапии. Продукты распада пионов (мюоны, нейтрино, фотоны, электроны
и позитроны) используются для изучения слабых и электромагнитных
взаимодействий.
Взаимодействия пионов.
-мезонов является
сильное взаимодействие, которое характеризуется максимальной симметрией
(выполнением наибольшего числа законов сохранения), малым радиусом действия
-13
см) и большой константой взаимодействия (g). Так, безразмерная
константа, характеризующая связь пионов с нуклонами, g2/
превышает безразмерную константу электромагнитного взаимодействия
2
1
/
/137
(здесь — постоянная Планка).
К процессам сильного взаимодействия пионов относятся рассеяние пионов
нуклонами, рождение пионов в столкновениях адронов, аннигиляция антинуклонов
и нуклонов с образованием пионов, рождение пионами так называемых странных
частиц — К-мезонов и гиперонов и др. Неупругие взаимодействия адронов при
высоких энергиях (>109 эв) обусловлены преимущественно процессами
множественного рождения пионов (см. Множественные процессы). В области
меньших энергий (108—109 эв) при взаимодействии пионов с др. мезонами и
барионами наблюдается образование квазисвязанных систем — возбуждённых
состояний мезонов и барионов (так называемых резонансов) с временем жизни 1022
— 10-23 сек. Эти состояния могут проявляться, например, в виде максимумов в
энергетической зависимости полных сечений реакций (рис. 4).
Пионы, как и все адроны, испускают и поглощают виртуальные сильно
взаимодействующие частицы (или пары частиц-античастиц). Радиус создаваемого
таким образом облака виртуальных адронов, окружающего заряженные пионы,
-13
см.
Среди электромагнитных взаимодействий пионов наиболее полно изучены
-мезонов фотонами и электронами. Специфической чертой
электромагнитных процессов с участием пионов является определяющая роль
сильных взаимодействий. Так, характерный максимум в зависимости полного
сечения процесса е+ + ерис. 5) обусловлен
резонансным взаимодействием в системе трёх пионов (максимум соответствует
электромагнитное поле служит эффективным инструментом для исследования
-мезонов.
-мезонов,
обусловливая нестабильность заряженных пионов, а также распады странных
— ) отличается от
),
возникающего
при
бета-распаде
атомных
ядер
(см.
Нейтрино), в
e
слабом взаимодействии не сохраняется пространственная чётность (Р); в распадах
на пионы так называемых долгоживущих нейтральных К-мезонов ( ) нарушается
закон сохранения комбинированной чётности (см. Комбинированная инверсия).
Роль пионов в физике ядра и элементарных частиц. Исследование
процессов взаимодействия пионов с элементарными частицами и атомными ядрами
существенно для выяснения природы элементарных частиц и определения
структуры ядер.
В облаке виртуальных адронов, окружающем каждую сильно
взаимодействующую частицу, наиболее удалённую область занимают пионы (так
как они имеют наименьшую массу). Поэтому пионы определяют периферическую
часть сильных взаимодействий элементарных частиц, в частности наиболее
важную для теории ядра периферическую часть ядерных сил. На малых же
расстояниях между адронами ядерные силы обусловлены преимущественно
обменом пионными резонансами.
Электромагнитные свойства адронов — их аномальный магнитный момент,
поляризуемость, пространственное распределение электрического заряда адронов
и т.д.— определяются в основном облаком пионов, виртуально испускаемых и
поглощаемых адронами. Здесь также играют важную роль резонансные
взаимодействия пионов (см. Электромагнитные взаимодействия).
Наконец, влияние сильного взаимодействия на слабое также в значительной
степени
-мезонным полем.
-мезонов носят предварительный,
модельный характер. Принято считать, что масса пионов обусловлена сильным
взаимодействием, а различие масс заряженных и нейтральных пионов —
электромагнитным. Большое эвристическое значение имела гипотеза Э. Ферма и
Ян Чжэнь-нина (1949) о том, что пион представляет собой сильно связанную
систему (с энергией связи ~ 1740 Мэв) из нуклона и антинуклона. Согласно модели
кварков, пионы являются связанными состояниями кварка и антикварка. Однако
последовате
-мезонное поле и его взаимодействия с
другими полями, отсутствует. Таким образом, ещё нет ясности в сложных вопросах
-мезонов.
Электромагнитные взаимодействия, тип фундаментальных взаимодействий
(наряду с гравитационным, слабым и сильным), который характеризуется участием
электромагнитного поля в процессах взаимодействия. Электромагнитное поле (в
квантовой физике — фотоны) либо излучается или поглощается при
взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами. Так, притяжение
между
двумя
неподвижными
телами,
обладающими
разноимёнными
электрическими зарядами, осуществляется посредством электрического поля,
создаваемого этими зарядами; сила притяжения пропорциональна произведению
зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (закон
Кулона). Такая зависимость от расстояния определяет дальнодействующий
характер Э. в., его неограниченный (как и у гравитационного взаимодействия)
радиус действия. Поэтому даже в атомах (на расстояниях ~ 10-8 см)
электромагнитные силы на много порядков превышают ядерные, радиус действия
которых ~ 10-12 см. Э. в. ответственно за существование основных «кирпичиков»
вещества: атомов и молекул и определяет взаимодействие ядер и электронов в этих
микросистемах. Поэтому к Э. в. сводится большинство сил, наблюдающихся в
макроскопических явлениях: сила трения, сила упругости и др. Свойства
различных агрегатных состояний вещества (кристаллов, аморфных тел, жидкостей,
газов, плазмы), химические превращения, процессы излучения, распространения и
поглощения электромагнитных волн определяются Э. в. В детекторах частиц
высокой энергии используется явление ионизации атомов вещества электрическим
полем пролетающих частиц. Процессы расщепления ядер фотонами, реакции
фоторождения мезонов, радиационные (с испусканием фотонов) распады
элементарных частиц и возбуждённых состояний ядер, упругое и неупругое
рассеяние электронов, позитронов и мюонов и т. п. обусловлены Э. в. Проявления
Э. в. широко используются в электротехнике, радиотехнике, электронике, оптике,
квантовой электронике.
Т. о., Э. в. ответственно за подавляющее большинство явлений окружающего
нас мира. Явления, в которых участвуют слабые, медленно меняющиеся
электромагнитные поля (
— характерная круговая частота изменения
поля,
—
— энергия поля), управляются законами
классической электродинамики, которая описывается Максвелла уравнениями. Для
сильных или быстро меняющихся полей (
) существенны квантовые эффекты.
-кванты),
характеризующие корпускулярные свойства электромагнитного поля, имеют
энергию
, импульс
(n — единичный вектор в направлении
распространения электромагнитной волны, с — скорость света), спин J = 1 и
отрицательную зарядовую чётность (чётность относительно операции зарядового
сопряжения
ектронами (е-), позитронами
+
(е+
) описываются уравнениями квантовой электродинамики,
которая является наиболее последовательным образцом квантовой теории поля.
При Э. в. адронов (сильно взаимодействующих частиц) и атомных ядер
существенную роль играет сильное взаимодействие, теория которого пока
полностью не разработана.
Константой Э. в. в квантовых явлениях служит элементарный электрический
-10
заряд
ед. заряда СГСЭ; интенсивность электромагнитных процессов в
микромире
пропорциональна
безразмерному
параметру
1
/137,
-1
=
137,035987(23).
Характерные черты Э. в. Среди других типов взаимодействий Э. в. занимает
промежуточное положение как по «силе» и характерным временам протекания
процессов, так и по числу законов сохранения. Отношение безразмерных
параметров, пропорциональных квадратам констант сильного, электромагнитного,
слабого и гравитационного взаимодействий и характеризующих «силу»
взаимодействия протона с протоном при энергии ~ 1 Гэв в системе их центра масс,
составляет по порядку величин 1:10-2:10-10:10-38. Характерные времена
электромагнитных распадов элементарных частиц и возбуждённых состояний ядер
(10-12—10-21 сек) значительно превосходят «ядерные» времена (10-22 —10-24 сек) и
много меньше времён распадов, обусловленных слабым взаимодействием (103—1011
сек). Помимо строгих законов сохранения, справедливых для всех типов
взаимодействий
(энергии,
импульса,
момента
количества
движения,
электрического заряда и др.), при Э. в., в отличие от слабых взаимодействий,
сохраняется пространств. чётность, зарядовая чётность и странность. С хорошей
степенью точности установлено, что Э. в. инвариантно по отношению к
обращению времени. Э. в. адронов нарушает присущие сильному взаимодействию
законы сохранения изотопического спина и G-чётности, при этом изотопический
спин адронов может измениться при испускании или поглощении фотона не более
чем на 1 (см., например, Пи-мезоны). Унитарная симметрия адронов (SU (3)симметрия; см. Элементарные частицы) приводит к определённым соотношениям
между электромагнитными характеристиками (например, магнитными моментами)
частиц, принадлежащих к одному и тому же унитарному мультиплету.
Законы сохранения и свойства фотонов в значит, степени определяют
специфические черты Э. в. Так, равенство нулю массы покоя фотона обусловливает
дальнодействующий характер Э. в. между заряженными частицами, а его
отрицательная зарядовая чётность — возможность радиационного распада
абсолютно нейтральных частиц или связанных систем частиц [т. е. частиц (систем),
тождественных своим античастицам], обладающих положит. зарядовой чётностью,
— 0-мезона, парапозитрония (см. Позитроний) лишь на чётное число фотонов.
Возможность описания (в соответствующем пределе) Э. в. в рамках классической
(а не только квантовой) физики и его макроскопические проявления обусловлены
дальнодействующим характером Э. в. и тем, что фотоны подчиняются Бозе —
Эйнштейна статистике. Малая величина се определяет малость сечений
электромагнитных процессов с участием адронов по сравнению с сечениями
аналогичных процессов, протекающих за счёт сильных взаимодействий; например,
-30
+
см2, что примерно в 105
-мезона на протоне при
соответствующей полной энергии сталкивающихся частиц в системе их центра
масс.
Тот факт, что электрический заряд определяет «силу» взаимодействия и в то
же время является сохраняющейся величиной — уникальное свойство Э. в.;
вследствие этого Э. в. зависят только от электрического заряда частиц и не зависят
от типа частиц или электромагнитных процессов. При описании
электромагнитного поля 4-мерным вектором-
А), А —
— скалярный потенциалы] плотность лагранжиана L Э. в.
поля с зарядом записывается в виде скалярного произведения:
,
где: j — 4-
—
— плотность заряда. При градиентном преобразовании векторпотенциала, которое называется также калибровочным преобразованием (2-го
рода):
,
где j (x, t) — произвольная функция координат х и времени t, наблюдаемые
физические величины (напряжённости полей, вероятности электромагнитных
процессов и т. п.) остаются неизменными. Это свойство, специфическое для Э. в.,
получило название принципа калибровочной инвариантности — одного из
принципов симметрии в природе (см. Симметрии в физике), выражающего в
наиболее общей форме факт существования электромагнитного поля (фотона) и Э.
в. Обобщение калибровочной инвариантности на слабые взаимодействия
позволило сформулировать единую теорию слабых и электромагнитных
взаимодействий лептонов (см. Слабые взаимодействия).
Эффекты квантовой электродинамики. К ним относятся рассеяние фотонов
на электронах (Комптона эффект), тормозное излучение, фоторождение пар е+е+ на кулоновском поле ядер, сдвиг уровней энергии атомов из-за
поляризации электрон-позитронного вакуума (см. Вакуум физический) и другие
эффекты, в которых можно пренебречь структурой заряда (его отличием от
точечности) при взаимодействии с ним электромагнитного поля. Развитая для
описания атомных явлений квантовая электродинамика оказалась справедливой
для значительно меньших, чем атомные, расстояний. Изучение рассеяния
+
электронов друг на друге и аннигиляции е++епри больших энергиях
сталкивающихся частиц (до ~ 6 Гэв в системе центра масс), фоторождения пар
+
е++ес большими относительными импульсами, а также прецизионные
измерения уровней энергии электронов в атомах и аномальных магнитных
моментов электрона и мюона установили справедливость квантовой
электродинамики вплоть до очень малых расстояний: ~ 10-15 см. Её предсказания с
высокой степенью точности согласуются с экспериментальными данными. Так, не
найдено расхождения между теоретическим и экспериментальным значениями
магнитного момента мюона на уровне 10-7%.
Характерной чертой электродинамических процессов при высоких энергиях Е
(Е >> mc2, где m — масса электрона или мюона) является острая направленность
) — продуктов процессов:
2
большая их часть вылетает в пре
/E относительно направления
налетающих частиц.
Основной вычислительный метод квантовой электродинамики — теория
возмущений: благодаря слабости Э. в. матрицу рассеяния процессов с участием
при вычислениях ограничиться рассмотрением небольшого числа первых членов
этого ряда (обычно не более четырёх).
В диаграммной технике теории возмущений (см. Фейнмана диаграммы)
простейший процесс квантовой электродинамики — взаимодействие фотона с
бесструктурной (точечной) заряженной частицей входит как составной элемент в
любой электродинамический процесс. Избольшого числа таких взаимодействий менее вероятны. Однако они доступны
наблюдению и проявляются в т. н. радиационных поправках, в эффектах
поляризации электрон-позитронного вакуума, в многофотонных процессах. В
частности, поляризация вакуума приводит к рассеянию света на свете (рис. 1, а) —
эффекту, который отсутствует в классической электродинамике; этот эффект
наблюдается при рассеянии фотонов на кулоновском поле тяжёлого ядра (рис. 1,
б).
В характере Э. в. для электронов (позитронов) и для мюонов не обнаружено
отличия несмотря на значит, разницу в их массах; э
-еуниверсальности, пока не получившей теоретического объяснения.