Все известные науке взаимодействия связаны всего с четырьмя типами полей: сильными (ядерными), электромагнитными, электрослабыми и гравитационными. Например, все химические реакции относятся к классу электромагнитных взаимодействий, так как осуществляются электрическими силами электронных оболочек атомов. В частности, любые проявления жизни на Земле также имеют электромагнитный характер. Сильное (ядерное) взаимодействие удерживает нуклоны в ядре и проявляется в различных ядерных реакциях. Слабое взаимодействие ответственно за b-распад и распады мезонов. Гравитационное поле проявляется в макроскопических и космических масштабах. Если расположить все эти взаимодействия по их относительной интенсивности, то получим следующую картину:
сильное 1
электромагнитное ~ 10-2
электрослабое ~ 10-14
гравитационное ~ 10-40.
Не следует думать, что этими
цифрами определяется роль соответствующих взаимодействий (полей) в природе.
Они равно фундаментальны, то есть без любогоиз них невозможно существование
Вселенной.
Теория Ферми позволила рассчитать b-спектры и влияние на форму b-спектров кулоновского поля ядра и электронной оболочки атома. При малой энергии вылетающей заряженной частицы форма любого β-спектра искажается кулоновским взаимодействием между ядром и вылетающей из него β-частицей ядра (рис. 3.5.5). Кулоновское поле ядра оказывает на b--частицы тормозящее действие. В результате спектр в «мягкой» (низкоэнергетической) области энергий оказывается обогащенными частицами. β--Спектры с граничной энергией меньше 1 МэВ у средних и тяжелых ядер вообще не имеют максимума, а монотонно спадают. В спектрах b+-распада мягкая область спектра, наоборот, оказывается обедненной. Поле электронной оболочки атома оказывает на спектр незначительное влияние.
При изучении b-распадных
явлений было сделано одно из фундаментальных открытий ядерной физики - несохранение
четности в слабых взаимодействиях. Гипотезу о несохранение четности в слабых
взаимодействиях выдвинули в 1956 г. Ли и Янг, которые показали, что в отличие
от теории Ферми, опирающуюся на закон сохранения четности, можно построить
теорию b-распада
без учета этого закона, которая не противоречила всем известным к тому времени
экспериментальным фактам. Они же предложили эксперимент по обнаружению несохранения
четности при b-распаде,
который был поставлен в 1957 г. Ву. Принципиальные черты этого
эксперимента следующие (рис. 3.5.7). b‑Активный
образец 60Со, ядра которого имеют большой спин и магнитный момент
(I= 5, m
= 3,78 mБ),
помещался в магнитное поле кругового тока и охлаждался до очень низких (~
10-2К) температур. Это было необходимо для ориентирования
магнитных моментов и, следовательно, спинов ядер 60Со в определенном
направлении (поляризации) и уменьшения влияния тепловых колебаний ядер. У
поляризованного таким образом образца 60Со регистрировались b-частицы,
летящие под углом q
и p-qпо
отношению к направлению поляризующего магнитного поля, то есть по отношению
к направлению спина ядра. При выполнении закона сохранения четности для квадрата
модуля волновой функции выполняется условие
(3.5.11)
или в сферических координатах
,
(3.5.12)
т.е. инверсия системы координат
не может изменить вероятность обнаружения частицы. От азимутального угла jв
опыте ничего не зависит. Следовательно, если четность сохраняется, то вероятность
зарегистрировать b-частицу
под углом q(«вперед»)
и p-q
(«назад») одинакова. Опыт же показал существенное различие счета частиц под
этими углами. «Вперед» (в направлении вектора
напряженности
магнитного поля) двигалось существенно (~ на 40 %) больше b-частиц,
чем «назад». Таким образом, закон сохранения четности, который казался столь
же фундаментальным и нерушимым, как и остальные законы сохранения, в случае
слабых взаимодействий оказался нарушенным. Это привело к пересмотру и уточнению
теория слабых взаимодействий.