Главная > Физика > Физика для средних специальных учебных заведений
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

§ 38.6. Античастицы. Взаимные превращения вещества и поля.

Из релятивистской квантовой теории следует, что для каждой частицы должна существовать античастица, т. е. сходная с ней частица, с такой же массой, спином, временем жизни, но отличающаяся от нее знаком заряда, взаимным расположением вектора магнитного момента и спина и некоторыми другими характеристиками.

Рис. 38.4.

Первой обнаруженной на опыте античастицей был «положительный электрон» — позитрон. Примерами таких пар частица — античастица являются также отрицательный и положительный мюоны, положительные и отрицательные пионы и каоны. Название других античастиц получается прибавлением к названию соответствующих частиц приставки «анти», а для их обозначения используются те же символы, но с чертой наверху (табл. 38.1). У фотона, нейтрального пиона и эта-мезона нет античастиц (можно сказать, что в этих случаях частица и античастица совпадают).

Как и соответствующие частицы, антипротон, позитрон и антинейтрино устойчивы, остальные античастицы нестабильны. В табл. 38.1 приведены способы распада для частиц. Античастицы распадаются на соответствующие античастицы.

При изучении поглощения у-квантов с энергией более 1 МэВ было обнаружено образование пар электрон — позитрон. Когда -квант пролетает в сильном электрическом поле вблизи ядра, он превращается в пару электрон — позитрон:

Возникновение пар электрон — позитрон можно наблюдать при пропускании у-излучения сквозь свинцовую пластинку, перегораживающую камеру Вильсона. Следы позитронов и электронов в магнитном поле симметрично искривляются в разные стороны и расходятся в виде буквы V. Траектории трех электронно-позитронных пар показаны на рис. 38.4 (магнитное поле направлено от читателя).

Так как энергия, соответствующая массе покоя электрона или позитрона, составляет 0,511 МэВ, то превращение у-квантов в пару электрон — позитрон может произойти только в том случае,

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

когда энергия у-кванта больше 1,02 МэВ. Если энергия -кванта превышает 1,02 МэВ, то избыток энергии составляет кинетическую энергию электрона и позитрона.

Образующиеся при распаде нейтральных пионов во вторичном космическом излучении у-кванты очень высоких энергий генерируют электроны и позитроны, которые также обладают высокой энергией и при взаимодействии с веществом атмосферы испускают тормозное Уизлучение, что в свою очередь приводит к генерации новых пар, и т. д. Так происходит образование так называемой мягкой компоненты вторичного космического излучения, сильно поглощаемой атмосферой.

Если электроны и позитроны могут возникать из у-квантов, то они, очевидно, могут и исчезать, превращаясь в у-кванты. Опыты, выполненные супругами Жолио-Кюри, подтвердили, что при встрече позитрон и электрон исчезают, как говорят, аннигилируют, превращаясь в большинстве случаев в два у-кванта с энергиями 0,51 МэВ, разлетающиеся в противоположные стороны (иногда образуется три у-кванта с общей энергией 1,02 МэВ):

Можно привести и другие примеры таких превращений. При распаде нейтрального пиона образуется два у-кванта:

при этом происходит превращение энергии, соответствующей массе покоя пиона, в энергию электромагнитного излучения.

При столкновении у-кванта большой энергии с протоном могут образоваться нейтрон и пион:

и за счет энергии электромагнитного излучения увеличивается масса покоя.

Эти опыты доказывают, что электромагнитное излучение, частицы которого (фотоны) не имеют массы покоя, может превращаться в частицы вещества и обратно.

Все изложенное подтверждает, что материя существует в виде вещества и поля и эти два вида материи могут превращаться друг в друга. Это превращение может происходить с участием кинетической энергии. Например, протон может приобрести энергию в электрическом поле ускорителя, а затем при его столкновении с другим протоном за счет кинетической энергии могут образоваться новые частицы.

Американский физик Э. Лоуренс и его сотрудники получили в 1955 г. антипротон, а в 1956 г. антинейтрон. Эти античастицы были получены в мощном ускорителе при бомбардировке протонов протонами с энергией МэВ. При столкновениях протонов рождались пары протон — антипротон и нейтрон — антинейтрон:

При встрече антипротона с протоном или антинейтрона с нейтроном происходит их аннигиляция: нуклон и антинуклон исчезают, а вместо них образуется несколько нейтральных и заряженных пионов (в среднем около 5). На рис. 38.5 показана аннигиляция антипротона и протона в пузырьковой камере. Движущийся снизу антипротон встречается с протоном. В результате аннигиляции в этом случае образовались 4 положительных и 4 отрицательных пиона, разлетающихся в разные стороны (магнитное поле направлено от читателя). Излом одного следа в нижней части рисунка означает распад пиона: (нейтрино следа не оставляет).

Рис. 38.5.

Нейтральные пионы распадаются на -кванты. Заряженные пионы распадаются с образованием мюонов и нейтрино, мюоны в свою очередь распадаются с образованием электронов, позитронов и нейтрино. Аннигиляция позитронов заканчивает превращение пары нуклон — антинуклон. В результате образуются несколько у-квантов и несколько нейтрино.

Открытие антинуклонов указывает на возможность существования антивещества, целиком состоящего [из античастиц. Так, отрицательно заряженный антипротон вращающимся вокруг него позитроном представляет собой антиводород. Антинуклоны могут образовать ядра других антиатомов. Пока удалось получить только антидейтрон и ядро антигелия. Ясно, что получение антивещества встречает огромные трудности, поскольку при его контакте с веществом происходит аннигиляция. Возможно, что где-нибудь во Вселенной существуют целые антимиры, состоящие из антивещества. Но установить это в настоящее время не удается.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление