Номер 4, страница 304 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Глава 12. Физика атомного ядра. Параграф 79. Обменная модель ядерного взаимодействия. Обсудить в классе - номер 4, страница 304.

Условие.

Как вы думаете, почему $\pi$-мезоны были обнаружены только спустя 12 лет после предсказания их существования?

Решение.

Решение 2.

Существование π-мезонов (или пионов) было теоретически предсказано японским физиком Хидэки Юкавой в 1935 году. Он предположил, что эти частицы являются переносчиками сильного ядерного взаимодействия, которое удерживает протоны и нейтроны вместе в атомном ядре. Однако экспериментальное подтверждение этой гипотезы состоялось лишь 12 лет спустя, в 1947 году, благодаря работам группы под руководством Сесила Пауэлла. Такая значительная задержка была вызвана несколькими серьезными техническими и историческими причинами.

Во-первых, π-мезоны — это достаточно массивные частицы. Их масса покоя составляет около $140 \text{ МэВ/с}^2$, что примерно в 270 раз превышает массу электрона. Согласно принципу эквивалентности массы и энергии Эйнштейна, выраженному формулой $E = mc^2$, для рождения такой частицы требуется сконцентрировать очень большую энергию. В 1930-х и начале 1940-х годов еще не существовало ускорителей элементарных частиц, способных достичь таких энергий. Единственным доступным для физиков источником частиц с необходимой энергией были космические лучи, бомбардирующие верхние слои атмосферы Земли.

Во-вторых, π-мезоны являются чрезвычайно нестабильными и имеют очень короткое время жизни. Например, заряженные пионы ($π^+$ и $π^−$) распадаются в среднем за $2.6 \cdot 10^{-8}$ секунды, а нейтральный пион ($π^0$) — за еще более короткое время, порядка $8.4 \cdot 10^{-17}$ секунды. Из-за этого они практически мгновенно исчезают после своего рождения, пролетая лишь ничтожное расстояние. Это делало их обнаружение с помощью существовавших на тот момент детекторов, таких как камера Вильсона или счетчик Гейгера, крайне затруднительным.

В-третьих, прорыв в обнаружении стал возможен только с развитием и усовершенствованием технологии ядерных фотографических эмульсий. Группа Пауэлла использовала специальные толстослойные фотопластинки, которые размещались высоко в горах, где интенсивность космических лучей значительно выше. Частицы, проходя через эмульсию, оставляли в ней видимые под микроскопом следы (треки). Анализируя эти треки, ученые смогли идентифицировать характерное событие: рождение π-мезона и его последующий распад на другую, более легкую частицу (мюон) и невидимое нейтрино.

Наконец, нельзя сбрасывать со счетов исторические факторы. В 1936 году была открыта частица со схожей массой — мюон. Ее ошибочно приняли за предсказанный Юкавой мезон. Однако позже выяснилось, что мюон не участвует в сильном взаимодействии, что вызвало путаницу в научном сообществе и отвлекло исследователей от целенаправленного поиска "настоящего" мезона. Кроме того, Вторая мировая война (1939–1945) существенно замедлила темпы фундаментальных научных исследований, поскольку усилия многих физиков были переключены на проекты военного назначения.

Ответ: π-мезоны были обнаружены спустя 12 лет после их теоретического предсказания из-за совокупности факторов: 1) для их рождения требовалась очень высокая энергия, недоступная в лабораторных условиях того времени (только в космических лучах); 2) они обладают чрезвычайно коротким временем жизни, что сильно затрудняло их регистрацию; 3) необходимые для их обнаружения технологии (ядерные фотоэмульсии) были разработаны и применены не сразу; 4) исторические события, такие как ошибочная идентификация мюона и Вторая мировая война, замедлили исследования.