В 1932 г. в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица - позитрон.
Еще в 1899 г. М. Склодовская-Кюри, пытаясь объяснить происхождение радиоактивности, выдвинула гипотезу о существовании излучения, заполняющего все мировое пространство. Утверждение, что «мы погружены в непрерывно действующее излучение, избежать которого мы не можем», высказал в 1906 г. Гейтель, описывая свои и Эльстера опыты по измерению ионизации в глубоких шахтах. Гейтель ссылался на утверждение Кука, высказанное в 1903 г., что «над Землей существует сильное проникающее излучение». Однако со всей определенностью существование космического излучения было доказано австрийским физиком Виктором Гессом, поднявшимся с электроскопом на воздушном шаре 7 августа 1912 г. О результатах своего эксперимента он сообщил в статье, опубликованной в ноябрьском номере «Physikalische Zeitschrift». Здесь он писал: «Результаты моих наблюдений лучше всего объясняются предположением, что из мирового пространства на границу атмосферы падает излучение большой проникающей способности». Так были открыты космические лучи. В 1936 г. Гессу за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике.
Последующими работами ученых, в особенности американского физика Милладсена и советского физика Л. В. Мысовского (1888-1939), было подтверждено предположение Гесса и изучены свойства космического излучения.
Милликен и Мысовский, проведя измерения под водой, показали огромную проникающую способность этих лучей. Милликен считал космическое излучение чрезвычайно жесткими у-лучами, и эта точка зрения была общепринятой до 30-х годов XX в.
В 1929 г. советский физик Д. В. Скобельцын применил для исследования космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Метод Скобельцына сразу привел к важному открытию. Скобельцын неопровержимо доказал, что в составе космического излучения имеются заряженные частицы-электроны. Он обнаружил слабо изогнутые магнитным полем следы таких электронов. На его фотографиях были и следы, слабо изогнутые в противоположную электронам сторону, однако с уверенностью сказать что-либо определенное о частицах, оставивших эти следы, Скобельцын не мог.
В 1932 г. американский физик К. Андерсон ввел усовершенствование в метод Скобельцына: он применил магнитное поле, в десять раз сильнее поля, применявшегося Скобельцыным. При этом он сразу обнаружил изогнутые следы, принадлежащие отрицательно и положительно заряженным частицам: электронам и протонам, как он думал вначале.
Чтобы с уверенностью судить о направлении движения частицы, Андерсон разделил камеру на две части свинцовой пластинкой. Частица, пройдя через свинцовую пластинку, замедляется, и ее путь искривляется магнитным полем сильнее. Андерсон получил фотографию частицы, изогнутой в противоположную электронам сторону. Радиус кривизны и характер трека показали, что эта частица обладает массой электрона и положительным зарядом, равным заряду электрона. Эту частицу Андерсон назвал позитрон.
Открытие позитрона заставило вспомнить о теории Дирака. В 1928 г. Дирак получил релятивистское уравнение для электрона. Это уравнение приводило к выводу о существовании спина у электрона и давало точное значение для тонкой структуры энергетических уровней водорода. Однако в теории Дирака была неприятная вещь, получившая название «плюс-минус трудность». В теории относительности существует для энергии соотношение:
Обычно знак минус отбрасывается как не имеющий физического смысла. Область положительных и отрицательных значений энергии была разделена конечным промежутком +m0с 2 - (-m0с 2) = 2m0с 2 . Поскольку в классической теории энергия меняется непрерывно, отрицательные значения энергии отбрасываются. В квантовой теории скачок энергии от отрицательных к положительным значениям допустим. «В квантовой теории, - писал Дирак в 1930 г. в своей книге «Основы квантовой механики», - могут происходить и прерывные переходы, и если электрон первоначально находится в состоянии с положительной кинетической энергией, то он может перескочить в состояние с отрицательной кинетической энергией. Поэтому уже нельзя игнорировать существование состояний с отрицательной энергией, как можно было поступить в классической теории».
В поисках выхода Дирак предложил странную идею. Он предположил, что все электроны Вселенной занимают уровни с отрицательной энергией, согласно принципу Паули, образуя ненаблюдаемый фон Наблюдаем^ только электроны с положительной энергией. «Электроны, - пишет Дирак, -распределены по всему миру с большой плотностью в каждой точке. Совершенная пустота есть та область, где все состояния с отрицательной энергией заняты». «Незаполненные состояния с отрицательной энергией представятся как нечто с положительной энергией, потому что для того, чтобы они исчезли, необходимо внести туда один электрон с отрицательной энергией. Мы предполагаем, что эти незанятые состояния с отрицательной энергией суть протоны».
Теория Дирака была встречена скептически. Вызвал недоверие гипотетический фон электронов, кроме того, теория Дирака, по его словам, «была очень симметрична по отношению к электронам и протонам»-
Но протон отличается от электрона не только знаком заряда, но и массой Открытие позитрона, частицы действительно симметричной электрону, заставило по-новому оценить теорию Дирака, которая по существу предсказывала существование позитрона и других античастиц. На Ленинградской конференции 1933 г. Дирак следующим образом излагал сущность теории позитрона: «Допустим, что в том мире, который мы знаем, почти все электронные состояния с отрицательной энергией заняты электронами. Эта совокупность электронов, сидящих на отрицательных уровнях энергии, вследствие своей однородности не может восприниматься нашими чувствами и измерительными приборами, и только лишь не занятые электронами уровни, являясь чем-то исключительным, каким-то нарушением однородности, могут быть замечены нами совершенно таким же образом, как мы замечаем занятые состояния электронов с положительными Энергиями. Незанятые состояния с отрицательной энергией, т.е. «дырки» в распределении электронов с отрицав тельной энергией, будут восприниматься нами как частицы с положительной энергией; ведь отсутствие отрицательной кинетической энергии равносильно присутствию положительной кинетической энергии, так как минус на минус дает плюс... Представляется разумным отождествить такую «дырку» с позитроном, т. е. утверждать, что позитрон есть «дырка» в распределении электронов с отрицательной энергией».
Естественно, что на незанятый уровень отрицательной энергии может переходить электрон с положительной энергией, излучая избыточную энергию 2m0с 2 в виде квантов у-лучей.
«Согласно теории Дирака, - писал Ф. Жолио, - положительный электрон при столкновении со свободным или слабо связанным отрицательным электроном может исчезать, образуя два фотона, испускаемых в противоположных направлениях. Энергия каждого из фотонов составляет 0,5 10е эВ; сумма этих энергий, равная 106 эВ, соответствует аннигиляции массы двух электронов».
Существует и обратный процесс - «материализация» фотонов, когда «фотоны с достаточно большой энергией при столкновении с тяжелыми ядрами могут создавать положительные электроны... фотон, взаимодействуя с ядром, может создать два электрона с противоположными зарядами».
На Ленинградской конференции Жолио демонстрировал фотографию в камере Вильсона, на которой было зарегистрировано рождение пары электрон - позитрон.
Космические лучи. Открытие позитрона
В 1932 г. в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица - позитрон.
Еще в 1899 г. М. Склодовская-Кюри, пытаясь объяснить происхождение радиоактивности, выдвинула гипотезу о существовании излучения, заполняющего все мировое пространство. Утверждение, что «мы погружены в непрерывно действующее излучение, избежать которого мы не можем», высказал в 1906 г. Гейтель, описывая свои и Эльстера опыты по измерению ионизации в глубоких шахтах. Гейтель ссылался на утверждение Кука, высказанное в 1903 г., что «над Землей существует сильное проникающее излучение». Однако со всей определенностью существование космического излучения было доказано австрийским физиком Виктором Гессом, поднявшимся с электроскопом на воздушном шаре 7 августа 1912 г. О результатах своего эксперимента он сообщил в статье, опубликованной в ноябрьском номере «Physikalische Zeitschrift». Здесь он писал: «Результаты моих наблюдений лучше всего объясняются предположением, что из мирового пространства на границу атмосферы падает излучение большой проникающей способности». Так были открыты космические лучи. В 1936 г. Гессу за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике.
Последующими работами ученых, в особенности американского физика Милладсена и советского физика Л. В. Мысовского (1888-1939), было подтверждено предположение Гесса и изучены свойства космического излучения.
Милликен и Мысовский, проведя измерения под водой, показали огромную проникающую способность этих лучей. Милликен считал космическое излучение чрезвычайно жесткими у-лучами, и эта точка зрения была общепринятой до 30-х годов XX в.
В 1929 г. советский физик Д. В. Скобельцын применил для исследования космических лучей камеру Вильсона, помещенную в магнитное поле. Метод Скобельцына сразу привел к важному открытию. Скобельцын неопровержимо доказал, что в составе космического излучения имеются заряженные частицы-электроны. Он обнаружил слабо изогнутые магнитным полем следы таких электронов. На его фотографиях были и следы, слабо изогнутые в противоположную электронам сторону, однако с уверенностью сказать что-либо определенное о частицах, оставивших эти следы, Скобельцын не мог.
В 1932 г. американский физик К. Андерсон ввел усовершенствование в метод Скобельцына: он применил магнитное поле, в десять раз сильнее поля, применявшегося Скобельцыным. При этом он сразу обнаружил изогнутые следы, принадлежащие отрицательно и положительно заряженным частицам: электронам и протонам, как он думал вначале.
Чтобы с уверенностью судить о направлении движения частицы, Андерсон разделил камеру на две части свинцовой пластинкой. Частица, пройдя через свинцовую пластинку, замедляется, и ее путь искривляется магнитным полем сильнее. Андерсон получил фотографию частицы, изогнутой в противоположную электронам сторону. Радиус кривизны и характер трека показали, что эта частица обладает массой электрона и положительным зарядом, равным заряду электрона. Эту частицу Андерсон назвал позитрон.
Открытие позитрона заставило вспомнить о теории Дирака. В 1928 г. Дирак получил релятивистское уравнение для электрона. Это уравнение приводило к выводу о существовании спина у электрона и давало точное значение для тонкой структуры энергетических уровней водорода. Однако в теории Дирака была неприятная вещь, получившая название «плюс-минус трудность». В теории относительности существует для энергии соотношение:
Обычно знак минус отбрасывается как не имеющий физического смысла. Область положительных и отрицательных значений энергии была разделена конечным промежутком +m0с 2 - (-m0с 2) = 2m0с 2 . Поскольку в классической теории энергия меняется непрерывно, отрицательные значения энергии отбрасываются. В квантовой теории скачок энергии от отрицательных к положительным значениям допустим. «В квантовой теории, - писал Дирак в 1930 г. в своей книге «Основы квантовой механики», - могут происходить и прерывные переходы, и если электрон первоначально находится в состоянии с положительной кинетической энергией, то он может перескочить в состояние с отрицательной кинетической энергией. Поэтому уже нельзя игнорировать существование состояний с отрицательной энергией, как можно было поступить в классической теории».
В поисках выхода Дирак предложил странную идею. Он предположил, что все электроны Вселенной занимают уровни с отрицательной энергией, согласно принципу Паули, образуя ненаблюдаемый фон Наблюдаем^ только электроны с положительной энергией. «Электроны, - пишет Дирак, -распределены по всему миру с большой плотностью в каждой точке. Совершенная пустота есть та область, где все состояния с отрицательной энергией заняты». «Незаполненные состояния с отрицательной энергией представятся как нечто с положительной энергией, потому что для того, чтобы они исчезли, необходимо внести туда один электрон с отрицательной энергией. Мы предполагаем, что эти незанятые состояния с отрицательной энергией суть протоны».
Теория Дирака была встречена скептически. Вызвал недоверие гипотетический фон электронов, кроме того, теория Дирака, по его словам, «была очень симметрична по отношению к электронам и протонам»-
Но протон отличается от электрона не только знаком заряда, но и массой Открытие позитрона, частицы действительно симметричной электрону, заставило по-новому оценить теорию Дирака, которая по существу предсказывала существование позитрона и других античастиц. На Ленинградской конференции 1933 г. Дирак следующим образом излагал сущность теории позитрона: «Допустим, что в том мире, который мы знаем, почти все электронные состояния с отрицательной энергией заняты электронами. Эта совокупность электронов, сидящих на отрицательных уровнях энергии, вследствие своей однородности не может восприниматься нашими чувствами и измерительными приборами, и только лишь не занятые электронами уровни, являясь чем-то исключительным, каким-то нарушением однородности, могут быть замечены нами совершенно таким же образом, как мы замечаем занятые состояния электронов с положительными Энергиями. Незанятые состояния с отрицательной энергией, т.е. «дырки» в распределении электронов с отрицав тельной энергией, будут восприниматься нами как частицы с положительной энергией; ведь отсутствие отрицательной кинетической энергии равносильно присутствию положительной кинетической энергии, так как минус на минус дает плюс... Представляется разумным отождествить такую «дырку» с позитроном, т. е. утверждать, что позитрон есть «дырка» в распределении электронов с отрицательной энергией».
Естественно, что на незанятый уровень отрицательной энергии может переходить электрон с положительной энергией, излучая избыточную энергию 2m0с 2 в виде квантов у-лучей.
«Согласно теории Дирака, - писал Ф. Жолио, - положительный электрон при столкновении со свободным или слабо связанным отрицательным электроном может исчезать, образуя два фотона, испускаемых в противоположных направлениях. Энергия каждого из фотонов составляет 0,5 10е эВ; сумма этих энергий, равная 106 эВ, соответствует аннигиляции массы двух электронов».
Существует и обратный процесс - «материализация» фотонов, когда «фотоны с достаточно большой энергией при столкновении с тяжелыми ядрами могут создавать положительные электроны... фотон, взаимодействуя с ядром, может создать два электрона с противоположными зарядами».
На Ленинградской конференции Жолио демонстрировал фотографию в камере Вильсона, на которой было зарегистрировано рождение пары электрон - позитрон.
Из книги Звезды: их рождение, жизнь и смерть [Издание третье, переработанное] автора Шкловский Иосиф СамуиловичГлава 4 Космические мазеры Довольно скоро после открытия первых радиолиний межзвездного гидроксила, при выполнении рутинной программы наблюдений различных облаков межзвездного газа на волне 18 см (линия ОН!) совершенно неожиданно было обнаружено новое, исключительное
Из книги Тайны пространства и времени автора Комаров Виктор Из книги Атомы и электроны автора Бронштейн Матвей ПетровичГлава третья. Электроны и рентгеновские лучи В конце XVIII века знаменитый американец Бенджамин Франклин, прославившийся не только своим участием в борьбе британских колоний в Америке за независимость, но и своими- электрическими опытами и в особенности изобретением
Из книги Беседы автора Дмитриев Алексей Николаевич Из книги Пять нерешенных проблем науки автора Уиггинс АртурСпасительные космические лучи Мало предсказать существование новых частиц, нужно подтвердить это в опытах. А поскольку ни у кого не было свидетельств существования позитрона, оно представлялось сомнительным. В начале 1930-х годов американский физик Карл Андерсон привлек
Из книги НИКОЛА ТЕСЛА. ЛЕКЦИИ. СТАТЬИ. автора Тесла НиколаРЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ ИЛИ ПОТОКИ* В первом отчете о своих эпохальных открытиях Рентген выразил убеждение, что те явления, которые он наблюдал, - следствие неких новых возмущений в эфире. Эта точка зрения требует более тщательного рассмотрения, поскольку, вероятно, она
Из книги О чем рассказывает свет автора Суворов Сергей ГеоргиевичIV - ВСЕ ЛУЧИ ОДНОГО ВИДА В предыдущем параграфе объясняется кажущееся существование лучей разного вида, т. е., как утверждают, с различными частотами колебания. По моему мнению, различны и скорость, и, возможно, размер частиц, что полностью объясняет противоречивые
Из книги История лазера автора Бертолотти МариоКАК КОСМИЧЕСКИЕ СИЛЫ ФОРМИРУЮТ НАШИ СУДЬБЫ* Каждое живое существо - это механизм, Хотя как кажется, влияет на него лишь непосредственное окружение, сфера внешнего воздействия простирается на бесконечное расстояние. Нет такого созвездия, туманности, солнца или планеты
Из книги Твиты о вселенной автора Чаун МаркусКак физики различают цветные лучи Открытие волновых свойств света дало возможность точно характеризовать отдельные цветные лучи света. Два различных цветных луча, как бы ни казались они нам близкими по цвету, отличаются друг от друга длиной волны или частотой.Из опытов
Из книги Распространненость жизни и уникальность разума? автора Мосевицкий Марк ИсааковичКосмические мазеры Здесь читатель может подумать, что мазер это человеческое изобретение. Однако Природа, как часто бывает, показала, что ничто не ново под Луной! Несколько лет назад в радиоастраномии ученые стали проводить наблюдения на частоте 1420 МГц, которая
Из книги Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей автора Дмитриев Александр Станиславович138. Что такое космические лучи? Это не лучи, а быстрые заряженные частицы из космоса, происхождение которых еще плохо изучено.В 1912, летая на воздушном шаре на высоте 5300 м, австрийский физик Виктор Гесс обнаружил, что атомы в воздухе на больших высотах лишены большей части
Из книги Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра автора Шустов Борис Михайлович139. Что космические нейтрино говорят нам о Вселенной? Нейтрино - субатомные частицы, практически не имеющие массы. Они редко взаимодействуют с другими частицами, что затрудняет их обнаружение.Нейтрино были постулированы в 1930 Вольфгангом Паули для объяснения
Из книги Мария Кюри. Радиоактивность и элементы [Самый сокровенный секрет материи] автора Паес Адела Муньос Из книги автора36 Ловим лучи в мутной воде Для опыта нам потребуются: увеличительное стекло (возможно, подойдут дедушкины или бабушкины очки), трехлитровая банка, свечка, пол чайной ложки муки. Возьми совсем немного обычной муки, пол чайной ложки. Разведи в воде, чтобы она была
Из книги автора4.3. Негравитационные эффекты. Космические экспедиции к ядрам комет То, что сегодня наука, Завтра - техника. Эдвард Теллер В отличие от астероидов, кометы обнаруживают в своем движении характерные особенности, которые принято называть негравитационными эффектами. Под
Из книги автораЛУЧИ В ТЕМНОТЕ Первый вопрос, которым задались супруги, был о предмете исследований Марии. Пьер уже был известным ученым, когда познакомился с Марией, что она прекрасно понимала, несмотря на отсутствие признания со стороны официальных научных учреждений во Франции, таких
| Позитрон ( e + {\displaystyle e^{+}} ) | |
|---|---|
 Трек позитрона в камере Вильсона, полученный в эксперименте Андерсона в 1932 году. Частица движется снизу вверх (это видно из того, что она теряет энергию, проходя через свинцовую пластинку, и трек в магнитном поле становится более закрученным), её заряд положителен (из направления поворота трека) |
|
| Состав | фундаментальная частица |
| Семья | Фермион |
| Группа | Лептон |
| Поколение | первое |
| Участвует во взаимодействиях | гравитационное , слабое и электромагнитное |
| Античастица | Электрон |
| Теоретически обоснована | П. Дирак (1928) |
| Обнаружена | К. Д. Андерсон (1932) |
| Масса | 5,48579909070(16)⋅10 −4 а.е.м. |
| Время жизни | ∞ |
| Квантовые числа | |
| Электрический заряд |
+1
+1,6021766208(98)⋅10 −19 Кл |
| Барионное число | 0 |
| Лептонное число | −1 |
| B−L | +1 |
| Спин | 1/2 ħ |
| Магнитный момент | +9,274009994(57)⋅10 −24 Дж /Тл |
| Внутренняя чётность | −1 |
| Изотопический спин | 0 |
| Третья компонента слабого изоспина |
+1/2 (правая хиральность), 0 (левая хиральность) |
| Слабый гиперзаряд |
+1 (правая хиральность), +2 (левая хиральность) |
Позитроны возникают в одном из видов радиоактивного распада (позитронная эмиссия), а также при взаимодействии фотонов , энергия которых больше 1,022 МэВ, с веществом . Последний процесс называется «рождением пар », ибо при его осуществлении фотон, взаимодействуя с электромагнитным полем ядра , образует одновременно электрон и позитрон. Также позитроны способны возникать в процессах рождения электрон-позитронных пар в сильном электрическом поле .
Открытие
Существование позитрона впервые было предположено в 1928 году Полем Дираком . Теория Дирака описывала не только электрон с отрицательным электрическим зарядом , но и аналогичную частицу с положительным зарядом. Отсутствие такой частицы в природе рассматривалось как указание на «лишние решения» уравнений Дирака. Зато открытие позитрона явилось триумфом теории.
В соответствии с теорией Дирака электрон и позитрон могут рождаться парой, и на этот процесс должна быть затрачена энергия, равная энергии покоя этих частиц, 2×0,511 МэВ . Поскольку были известны естественные радиоактивные вещества , испускавшие γ-кванты с энергией больше 1 МэВ , представлялось возможным получить позитроны в лаборатории, что и было сделано. Экспериментальное сравнение свойств позитронов и электронов показало, что все физические характеристики этих частиц, кроме знака электрического заряда, совпадают.
Название «позитрон» придумал сам Андерсон. Андерсон также предлагал переименовать электроны в «негатроны»; этот термин в отношении электронов по-прежнему используют в случаях, когда электроны и позитроны рассматриваются совместно ; в этих случаях термин «электрон» часто относят к обеим частицам - электрону (негатрону) и позитрону .
Позитрон оказался первой открытой античастицей . Существование античастицы электрона и соответствие суммарных свойств двух античастиц выводам теории Дирака, которая могла быть обобщена на другие частицы, указывали на возможность парной природы всех элементарных частиц и ориентировало последующие физические исследования. Такая ориентация оказалась необычайно плодотворной, и в настоящее время парная природа элементарных частиц является точно установленным законом природы, обоснованным большим числом экспериментальных фактов.
Аннигиляция
Из теории Дирака следует, что электрон и позитрон при столкновении должны аннигилировать с освобождением энергии, равной полной энергии сталкивающихся частиц. Оказалось, что этот процесс происходит главным образом после торможения позитрона в веществе, когда полная энергия двух частиц равна их энергии покоя 1,0221 МэВ. На опыте были зарегистрированы пары γ-квантов с энергией по 0,511 МэВ, разлетавшихся в прямо противоположных направлениях от мишени, облучавшейся позитронами. Необходимость возникновения при аннигиляции электрона и позитрона не одного, а как минимум двух γ-квантов вытекает из закона сохранения импульса . Суммарный импульс в системе центра масс позитрона и электрона до процесса превращения равен нулю, но если бы при аннигиляции возникал только один γ-квант, он бы уносил импульс, который не равен нулю в любой системе отсчёта .
В 2007 году экспериментально доказано существование связанной системы из двух позитронов и двух электронов (молекулярный позитроний). Такая молекула распадается ещё быстрее, чем атомарный позитроний.
Позитроны в природе
Считается, что в первые мгновения после Большого взрыва количество позитронов и электронов во Вселенной было примерно одинаково, однако при остывании эта симметрия нарушилась. Пока температура Вселенной не понизилась до 1 МэВ, тепловые фотоны постоянно поддерживали в веществе определённую концентрацию позитронов путём рождения электрон-позитронных пар (такие условия существуют и сейчас в недрах горячих звёзд). После охлаждения вещества Вселенной ниже порога рождения пар оставшиеся позитроны аннигилировали с избытком электронов.
В космосе позитроны рождаются при взаимодействии с веществом гамма-квантов и энергичных частиц космических лучей , а также при распаде некоторых типов этих частиц (например, положительных мюонов). Таким образом, часть первичных космических лучей составляют позитроны, так как в отсутствие электронов они стабильны. В некоторых областях Галактики обнаружены аннигиляционные гамма-линии 511 кэВ, доказывающие присутствие позитронов.
В солнечном термоядерном pp-цикле (а также в CNO-цикле) часть реакций сопровождается эмиссией позитрона, который немедленно аннигилирует с одним из электронов окружения; таким образом, часть солнечной энергии выделяется в виде позитронов, и в ядре Солнца всегда присутствует некоторое их количество (в равновесии между процессами образования и аннигиляции).
Некоторые природные радиоактивные ядра (первичные, радиогенные, космогенные) испытывают бета-распад с излучением позитронов . Например, часть распадов природного изотопа 40 K происходит именно по этому каналу. Кроме того, гамма-кванты с энергией более 1,022 МэВ, возникающие при радиоактивных распадах, могут рождать электрон-позитронные пары.
При взаимодействии электронного антинейтрино (с энергией больше 1,8 МэВ) и протона происходит реакция обратного бета-распада с образованием позитрона: p + + ν ¯ e → n 0 + e + . {\displaystyle p^{+}+{\bar {\nu }}_{e}\rightarrow n^{0}+e^{+}.}
>> Открытие позитрона. Античастицы
§ 115 ОТКРЫТИЕ ПОЗИТРОНА. АНТИЧАСТИЦЫ
Существование двойника электрона - позитрона - было предсказано теоретически английским физиком П. Дираком в 1931 г.
Одновременно он предсказал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны исчезнуть, породив фотоны большой энергии. Может протекать и обратный процесс - рождение электронно-позитронной пары, например при столкновении фотона достаточно большой энергии (его масса должна быть больше суммы масс покоя рождающихся частиц) с ядром.
Спустя два года позитрон был обнаружен с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле. Направление искривления трека частицы указывало знак к ее заряда. По радиусу кривизны и энергии частицы было определено отношение ее заряда к массе. Оно оказалось по модулю таким же, как и у электрона. На рисунке 14.2 вы видите первую фотографию, доказавшую существование позитрона. Частица двигалась снизу вверх и, пройдя спинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии. Из за этого кривизна траектории увеличилась.
Процесс рождения пары электрон - позичрон -квантом в свинцовой пластинке показан на фотографии, приведенной на рисунке 14.3. В камере Вильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет характерньгй смед и виде двурогой вилки.
Исчезновение (аннигиляция) одних частиц и появление других при реакциях между элементарными частицами является именно превращением, а не просто возникновением новой комбинации cocтавныx частей старых частиц. Особенно наглядно обнаруживается это при аипигиляции пары электрон - позитрон. Обо частицы обладают определенной массой в состоянии покоя и электричсекими зарядами. Фотоны же, которые при этом рождаются, не имеют зарядов и не обладают массой покоя, так как не могут существовать в состоянии покоя.
В свое время открытие рождения и аннигиляции электронно-позитронных пар вызвало настоящую сенсацию в науке. До того никто не предполагал, что электрон, старейшая из частиц, важнейший строительный материал атомов, может оказаться не вечным. Впоследствии двойники - античастицы - были найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам именно потому, что при встрече любой частицы с соответствующей античастицей происходит их аннигиляция. Обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.
Сравнительно недавно обнаружены антипротон и антинейтрон. Электрический заряд антипротона отрицателен.
Сейчас хорошо известно, что рождение пары частица- античастица и их аннигиляция не составляют монополии электронов и позитронов.
Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка - из позитронов, образуют антивещество. В 1969 г. в нашей стране был впервые получен антигелий.
При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в кинетическую энергию образующихся -квантов.
Энергия покоя - самый грандиозный и концентрированный резервуар энергии во Вселенной. И только при аннигиляции она полностью высвобождается, превращаясь в другие виды энергии. Поэтому антивещество - самый совершенный источник энергии, самое калорийное «горючее». В состоянии ли будет человечество когда-либо это «горючее» использовать, сейчас сказать трудно.
Можно надеяться, что недалеко то время, когда будет решена основная задача физики элементарных частиц и всей физики вообще. Будет получен спектр масс элементарных частиц и будет выяснено, чем определяются значения электрического заряда и других констант взаимодействия.
1. в чем различие трех этапов развития физики элементарных частиц!
2. Электрон - самая легкая из заряженных частиц. Какой из известных вам законов сохранения запрещает превращение электрона в фотоны или нейтрино!
3. Перечислите все стабильные элементарные частицы.
4. Какова частота -квантов, возникающих при аннигиляции медленно движущихся электрона и позитрона!
5. Можно ли в пузырьковой камере наблюдать трек заряженной частицы с временем жизни 10 -23 с!
6. Что такое кварк!
Мякишев Г. Я., Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. В. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. - 17-е изд., перераб. и доп. - М. : Просвещение, 2008. - 399 с: ил.
Помощь школьнику онлайн , Физика и астрономия для 11 класса скачать , календарно-тематическое планирование
Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные урокиИ была открыта новая частица. По сути дела, это открытие было предсказано
физиками-теоретиками. Занимаясь математическими расчетами свойств элементарных частиц, П. Дирак пришел к выводу, что у каждой частицы должен быть свой антипод, или античастица, (Ученым вообще нравится, когда природа устроена не только просто, но и симметрично.) Таким образом, должен существовать антиэлектрон, тот же электрон, но с положительным зарядом, и антипротон - отрицательно заряженная частица, в остальном полностью эквивалентная протону.
Гипотеза Дирака, которую он сформулировал в 1930 году, вначале оставалась без особого внимания ученого мира. Однако два года спустя и в самом деле появилось сообщение о реально зафиксированном антиэлектроне. В ходе этого эксперимента американцы К. Андерсон и Р. Милликен работали над выяснением природы космических лучей: что это - волны или частицы?
К тому времени большинство ученых склонялись к мнению Комптона, утверждавшего, что это поток частиц. Но Милликен упорно не соглашался с этой идеей, считая, что еще ничего не доказано. Вместе с Андерсоном они с помощью камеры Вильсона решили проверить, отклоняются ли космические лучи в сильном магнитном поле. Максимально замедлив поток лучей с помощью большой массы свинца, они обнаружили, что траектория лучей в камере искривляется. Но при этом выяснился еще один странный момент. При прохождении через свинец космические лучи выбили из него непонятные частицы. Причем траектория такой частицы напоминала след от электрона, но отклонялась в противоположном направлении! У нее была та же масса, но противоположный по знаку заряд. Это и был предсказанный Дираком антиэлектрон, который по предложению Андерсона окрестили позитроном . Это как раз один из примеров вторичного космического излучения, хотя в 1963 году было экспериментально установлено, что позитроны имеются и в составе первичного излучения.
Позитрон не уступает по устойчивости электрону (а почему бы и нет, если он полностью совпадает с последним, за исключением знака заряда?) и в.одиночестве может существовать неопределенно долго. Но такой возможности ему судьба не предоставляет, поскольку вся Вселенная буквально набита электронами, и сразу после "появления на свет" (буквально за миллионную долю секунды) он неизбежно сближается с одним из них.
На один миг происходит электронно-позитронная ассоциация - когда обе частицы проникают друг в друга, образуя общий силовой центр. В 1945 году американский физик А. Рур к предложил назвать такую ассоциированную систему из двух частиц позитроний , а в 1951 году австриец Мартин Дейч сумел зафиксировать позитроний по характеристическому гамма-излучению.
Но даже в форме позитрония система устойчива не более 10-миллионной доли секунды. Два противоположных вида материи, соединившись на неуловимо краткий миг, неизбежно взаимоуничтожают друг друга, что приводит к их полному материальному исчезновению (аннигиляции); остается лишь энергетический след в форме гамма-излучения. Это явление подтверждает теорию А. Эйнштейна, что материя переходит в энергию и наоборот. И действительно, вскоре тот же Андерсон зафиксировал обратный процесс - внезапное исчезновение гамма-излучения и появление пары позитрон-электрон. Этот эффект получил название образование пары . Вместе с Гессом Андерсон был удостоен Нобелевской премии по изике за 1936 год.
