Cтраница 2
Полное барионное число сохраняется в природе с высокой точностью: именно по причине сохранения барионного и лептонного чисел протон - легчайшая частица с ненулевым барионным числом - стабилен ( экспериментально показано, что время жизни протона превышает 1032 лет. [16]
На опыте сохранение электрического заряда проверено с гораздо худшей точностью, чем сохранение барионного заряда: нижняя граница времени жизни электрона по отношению к распадам типа е - vy порядка 10м лет, в то время как нижняя граница времени жизни протона по отношению к распадам типа р - ел порядка 1082 лет. Естественно задать вопрос: какое ограничение на величину константы / во взаимодействии V 2 f ( evtp v p) налагает то обстоятельство, что тв 10м лет. Ответ на этот вопрос оказывается неожиданным. А именно, оказывается, что теория спонтанного нарушения локальной [ / ( 1) - симметрии, рассматриваемая в этом и предыдущем разделах, вообще не может служить реалистической моделью несохранения электрического заряда, не может быть навязана природе. [17]
Из изотопных данных известно, что в растворах водород очень быстро обменивается между связями О - Н различных соединений. Для измерения скорости этого обмена особенно пригоден ядерный магнитный резонанс ЯМР, где время жизни протона в данном окружении находят из формы его сигнала. Нами предпринято изучение зависимости кинетики водородного обмена в гидроперекисях от их строения. В этой работе изучен обмен в водных растворах трете-бутилгидроперекиси. [18]
I) нарушается, когда частота внутреннего вращения повышается с температурой и тем самым вызывает уменьшение времени жизни протонов метальных групп в положениях с разными ларморовыми частотами. Это справедливо и для взаимопревращения валентных таутомеров - 2-метилоксепина и 2-метилбензолокси-да. В этом случае высокие скорости реакции при комнатной температуре сокращают время жизни ниже допустимого предела. И в случае метанола наблюдение спин-спинового расщепления эквивалентно измерению очень малых разностей энергий. Гидроксильные протоны связаны с остатками ОСНз, которые в разных молекулах имеют различные значения полного спина ( 3 / 2, 1 / 2, - 1 / 2, - 3 / 2), что и приводит к появлению разных ларморовых частот. Для разрешения соответствующих разностей энергий время жизни протона ОН-группы в каждом из положений должно удовлетворять уравнению ( VIII. Для этого межмолекулярный обмен через водородные связи должен быть медленным. В противном случае различия между индивидуальными сигналами исчезают и регистрируется только усредненный по времени спектр. [19]
Двухфазная природа Tz и однофазная природа Ti связаны с продолжительностью времени, которое протон проводит в данной фазе. Это время жизни обычно велико по сравнению с величиной Т2 и мало по сравнению с 7Y Фаза, связанная с малым временем поперечной релаксации Т2 ( рис. Юа), обусловлена водой, которая имеет наибольшую теплоту адсорбции, поскольку эта фаза превалирует при низких степенях заполнения поверхности. Время жизни протона в этой фазе с коротким временем релаксации при х / пг 0 104 равно 1 10 - 2 сек, а в фазе с большим временем поперечной релаксации ( Тщ) равно 2 5 10 - 3 сек. [20]
Двухфазная природа Tz и однофазная природа Ti связаны с продолжительностью времени, которое протон проводит в данной фазе. Фаза, связанная с малым временем поперечной релаксации Т2 ( рис. Юа), обусловлена водой, которая имеет наибольшую теплоту адсорбции, поскольку эта фаза превалирует при низких степенях заполнения поверхности. Время жизни протона в этой фазе с коротким временем релаксации при х / пг 0 104 равно 1 10 - 2 сек, а в фазе с большим временем поперечной релаксации ( T2i) равно 2 5 10 - 3 сек. [21]
Однако кварки обладают барионным зарядом ( см. с. Отсюда следует, что в кварк-лептонных взаимных превращениях нарушается закон сохранения барионного заряда. Оценки показывают, что время жизни протона tp 1031 1 лет. Это время значительно превышает возраст Вселенной ( 10 - 20 млрд. лет), но значение факта нестабильности протона преуменьшить нельзя. Из него вытекает нестабильность вещества Вселенной. Несмотря на чрезвычайно большое значение ip, ученые всего мира сейчас ищут следы распада протона. Для этого вовсе не нужно ждать столько лет, достаточно взять большое количество водородсодержащего вещества, чтобы наблюдать распады. Например, в 10 т воды содержится 1031 нуклонов, а это значит, что в год в среднем может распасться один протон. Поиски распада протона идут в США, Индии, СССР. Для уменьшения вредного фона исследования ведутся глубоко под землей. [22]
Следует отметить также некоторые неиспользованные возможности рассматриваемого метода. К ним относится изучение кинетики обмена протонов между молекулами воды в зависимости от состава растворов и условий. С обыкновенной водой этого нельзя сделать описанным путем, так как ядра О1 и О18 не имеют спина и связанные с ними протоны не дают сверхтонкого спин-спинового расщепления. Вероятно, этим же путем можно было бы выяснить механизм аномальной подвижности ионов, так как согласно расчетам [10] видно, что при прохождении тока время жизни протона в Н3О находится в измеримой области. [23]
Следует отметить также некоторые неиспользованные возможности рассматриваемого метода. К ним относится изучение кинетики обмена протонов между молекулами воды в зависимости от состава растворов и условий. С обыкновенной водой этого нельзя сделать описанным путем, так как ядра О1в и О18 не имеют спина и связанные с ними протоны не дают сверхтонкого спин-спинового расщепления. Вероятно, этим же путем можно было бы выяснить механизм аномальной подвижности ионов, так как, согласно расчетам [391], видно, что при прохождении тока время жизни протона в Н3О находится в измеримой области. [24]
При увеличении рН начинаются быстрые обменные реакции и полосы СН3, Н2О и NH начинают уширяться. В конечном счете при рН около 5 остаются два пика без тонкой структуры: один пик протонов группы СН3 и второй - широкий пик, включающий все усредненные химические сдвиги. При повышении рН до 8 широкий пик снова сужается. Уширение пика СНз позволяет найти скорость обмена протонов у азота; уширение линии воды является мерой продолжительности жизни протона у воды, а уширение триплета NHs - мерой времени жизни протона у азота. [25]
Линии ядерного магнитного резонанса в жидкостях обычно очень узки благодаря усреднению диполь-дипольного взаимодействия тепловым движением молекул. Динамические процессы, связанные с обменом протонов, изменяют вид спектра ЯМР. При ускорении обмена оба пика, постепенно уширяясь и сближаясь, превращаются в один широкий сигнал, который затем сужается в острый пик. Все фазы таких превращений вследствие обмена охватывают изменение времени жизни ТА протона в данном положении примерно от 1 до 10 - - сек. Таким образом, метод ЯМР позволяет по форме сигналов от протонов исследовать кинетику быстрых протолитических реакций, недоступную измерениям обычными способами. [26]
Ядро со спином, как и электрон, имеет магнитный момент, связанный с осью спина, и в магнитном поле он будет располагаться в какой-то степени подобно магнитной стрелке, причем его момент займет одну из некоторых определенных ориентации по отношению к полю. Эти ориентации различаются энергиями. Можно перевести ядро из одной ориентации в другую, прикладывая второе магнитное поле, обычно перпендикулярное первому, меняющееся с определенной резонансной частотой. Если основное поле имеет напряженность порядка 1011 гаусс, резонансная частота находится в радиодиапазоне. Такой ядерный магнитный резонанс аналогичен электронному парамагнитному резонансу ( гл. Они зависят от времени жизни протона ( или другого ядра) в данном окружении и меняются, если соединение участвует в реакции, которая меняет это время жизни. [27]
I) нарушается, когда частота внутреннего вращения повышается с температурой и тем самым вызывает уменьшение времени жизни протонов метальных групп в положениях с разными ларморовыми частотами. Это справедливо и для взаимопревращения валентных таутомеров - 2-метилоксепина и 2-метилбензолокси-да. В этом случае высокие скорости реакции при комнатной температуре сокращают время жизни ниже допустимого предела. И в случае метанола наблюдение спин-спинового расщепления эквивалентно измерению очень малых разностей энергий. Гидроксильные протоны связаны с остатками ОСНз, которые в разных молекулах имеют различные значения полного спина ( 3 / 2, 1 / 2, - 1 / 2, - 3 / 2), что и приводит к появлению разных ларморовых частот. Для разрешения соответствующих разностей энергий время жизни протона ОН-группы в каждом из положений должно удовлетворять уравнению ( VIII. Для этого межмолекулярный обмен через водородные связи должен быть медленным. В противном случае различия между индивидуальными сигналами исчезают и регистрируется только усредненный по времени спектр. [28]
Его специфической особенностью является возможность исследовать обменные реакции, в том числе и между одинаковыми группами, в равновесных условиях. Однако несмотря на многие уникальные достоинства метод ЯМР не может считаться универсальным. Одна из его слабых сторон - низкая по сравнению с оптической спектроскопией чувствительность. Именно поэтому подавляющее число работ в ЯМР относится к изучению жидких систем при достаточно больших концентрациях активных протонов. Кроме того, отсутствие во многих молекулах спин-спинового расщепления сигнала от активного протона осложняет работу с этими объектами. Наконец, в тех случаях, когда предметом исследования является кинетика протонного обмена между разными молекулами RXH, R. H, в измеряемое па опыте время жизни протона вносит вклад также реакция обмена между одинаковыми молекулами. Наряду с методами ЯМР большими возможностями при изучении водородного обмена обладает инфракрасная спектроскопия, которая позволяет работать с концентрациями до - 10 - 4 моль / л в растворах и до - 10 - 7 моль / л в газовой фазе. [29]
Энергия, необходимая для прямой проверки теории большого объединения путем реакций между частицами ( - 1015 ГэВ), столь велика, что вряд ли будет достигнута на ускорителях в обозримое время. Однако имеется способ косвенной проверки. Дело в том, что простейший вариант теории большого обединения предсказывает распад протона. Нестабильность протона ( если ома есть) крайне мала. Столь большое время жизни не исключает возможности экспериментальной проверки предсказания теории. Если время жизни составляет 1030 лет, то в одном кубическом метре воды должен в течение года распадаться один протон. Из экспериментальных данных вытекает, что время жизни протона превышает 1031 лет. [30]