ДОКЛАД Частицы и Античастицы. Частицы и античастицы
 Скачать 66.24 Kb.
|
 МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» РЕФЕРАТ на тему: «Частицы и античастицы» Выполнил: студент 1-ИНГТ-110 Арекаев Иван Александрович Проверил: Дубас Е.В Дата итоговой проверки:_________ Оценка:_________ САМАРА 2022 Античастицы Античастицы в физике — это субатомные частицы, имеющие ту же массу, что и одна из частиц обычной материи, но с противоположным электрическим зарядом и магнитным моментом. У каждого типа частиц в природе есть соответствующая античастица. Таким образом, позитрон (положительно заряженный электрон) является античастицей отрицательно заряженного электрона. Вращающийся антинейтрон, как и обычный нейтрон, имеет суммарный электрический заряд, равный нулю, но его магнитная полярность противоположна полярности аналогично вращающегося нейтрона. Нейтрино — незаряженная частица, которая движется очень близко к скорости света, вращается против часовой стрелки, если смотреть сзади, в то время как антинейтрино вращается по часовой стрелке, если смотреть сзади. Частица и ее античастица взаимно реагируют с образованием энергии путем аннигиляции. В физике элементарных частиц, соответствующей большинству видов частиц, существует соответствующая античастица. Античастица имеет одинаковую массу и противоположный заряд (включая электрический заряд. История открытия античастиц В 1927 году английский теоретик П.А.М. Дирак представил надежную теоретическую основу для концепции электронного вращения. Чтобы описать поведение электрона в электромагнитном поле, Дирак ввел в квантовую механику специальную теорию относительности физика немецкого происхождения Альберта Эйнштейна. Релятивистская теория Дирака показала, что электрон должен обладать вращением и магнитным моментом, но она также сделала то, что казалось странным. Базовое уравнение, описывающее допустимые энергии для электрона, допускало бы два решения, одно положительное и одно отрицательное. Положительное решение, по-видимому, описывало нормальные электроны. Отрицательное решение было скорее загадкой; казалось, оно описывало электроны с положительным, а не отрицательным зарядом. Какая античастица была открыта первой Загадка была разрешена в 1932 году, когда американский физик Карл Андерсон открыл частицу, называемую позитроном. Позитроны очень похожи на электроны: они имеют одинаковую массу и одинаковое вращение, но имеют противоположный электрический заряд. Таким образом, позитроны — это частицы, предсказанные теорией Дирака, и они были первыми из так называемых обнаруженных античастиц. Теория Дирака, фактически, применима к любой субатомной частице с вращением 1/2; следовательно, все частицы с вращением 1/2 должны иметь соответствующие античастицы. Однако материя не может быть создана как из частиц, так и из античастиц. Когда частица встречает соответствующую ей античастицу, они исчезают в акте взаимного уничтожения, известном как аннигиляция. Однако позитроны действительно встречаются в природе, и именно так Андерсон обнаружил их существование. Высокоэнергетические субатомные частицы в форме космических лучей непрерывно падают в атмосферу Земли из космоса, сталкиваясь с атомными ядрами и создавая потоки частиц, которые каскадом падают на землю. В этих ливнях огромная энергия входящего космического луча преобразуется в материю в соответствии с теорией специальной теории относительности Эйнштейна, которая гласит, чтоspace E space equals space m c subscript 2, где E — энергия, m — масса, а c — скорость света. Среди созданных частиц есть пары электронов и позитронов. Позитроны выживают в течение крошечной доли секунды, пока они не приблизятся достаточно близко к электронам, чтобы аннигилировать. Общая масса каждой пары электрон-позитрон затем преобразуется в энергию в виде гамма-фотонов. Используя ускорители частиц, физики могут имитировать действие космических лучей и создавать столкновения с высокой энергией. В 1955 году команда, возглавляемая ученым итальянского происхождения Эмилио Сегре и американцем Оуэном Чемберленом, нашла первые доказательства существования антипротонов при столкновениях протонов высокой энергии, производимых беватроном — ускорителем в Национальной лабораторией Лоуренса Беркли в Калифорнии. Вскоре после этого другая команда, работавшая над тем же ускорителем, открыла антинейтрон. Электроны и позитроны, образующиеся одновременно из отдельных гамма-лучей, закручиваются в противоположных направлениях в магнитном поле пузырьковой камеры. В приведенном выше примере гамма-луч потерял некоторую энергию атомному электрону, который оставляет длинный след, изгибающийся влево. Гамма-лучи не оставляют следов в камере, так как у них нет электрического заряда. С 1960-х годов физики обнаружили, что протоны и нейтроны состоят из кварков с вращением 1/2, а антипротоны и антинейтроны состоят из антикварков. Нейтрино тоже имеют вращение 1/2 и, следовательно, имеют соответствующие античастицы, известные как антинейтрино. Действительно, это антинейтрино, а не нейтрино, которое возникает, когда нейтрон превращается в результате бета-распада в протон. Это отражает эмпирический закон, касающийся образования и распада кварков и лептонов: при любом взаимодействии общее количество кварков и лептонов, по-видимому, всегда остается постоянным. Таким образом, появление лептона при распаде нейтрона должно быть уравновешено одновременным появлением антилептона, в данном случае антинейтрино. Античастицы и фундаментальные законы природы Ежедневно на ускорителях частиц генерируется ничтожное количество античастиц — общее искусственное производство составляет всего несколько нанограммов. В естественных процессах, таких как столкновения космических лучей и некоторые виды радиоактивного распада, но лишь крошечная часть из них была успешно связана в экспериментах с образованием антиатомов. Никакое макроскопическое количество антивещества никогда не было собрано из-за чрезвычайной стоимости и сложности производства и обращения. Частицы антивещества имеют ту же массу, что и их аналоги из материи, но такие качества, как электрический заряд, противоположны. Положительно заряженный позитрон, например, является античастицей отрицательно заряженного электрона. Частицы материи и антивещества всегда образуются в паре и, если они вступают в контакт, аннигилируют друг с другом, оставляя после себя чистую энергию. В течение первых долей секунды Большого взрыва горячая и плотная вселенная гудела от пар частица-античастица, появляющихся и исчезающих. Если материя и антивещество создаются и уничтожаются вместе, то, похоже, вселенная не должна содержать ничего, кроме остатков энергии. Тем не менее крошечной частице материи, примерно одной частице на миллиард удалось выжить. Это то, что мы видим сегодня. За последние несколько десятилетий эксперименты по физике элементарных частиц показали, что законы природы не применимы в равной степени к материи и антивеществу. Физики стремятся выяснить причины этого. Исследователи наблюдали спонтанные превращения между частицами и их античастицами, происходящие миллионы раз в секунду, прежде чем они распадутся. Какая-то неизвестное вещество, вмешавшееся в этот процесс в ранней Вселенной, могла привести к тому, что эти «колеблющиеся» частицы распадались как материя чаще, чем они распадались как антивещество. Частицы Элементарной частицей считают первичную или неразложимую частицу, из которой состоит вся материя. Однако, в современной физике, термин «элементарная частица» употребляют для наименования большой группы мельчайших частиц материи. В эту группу входят протоны, нейтроны, электроны, фотоны, пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны, нейтрино трех типов, странные частицы (К-мезоны, гипероны), разнообразные резонансы, «очарованные» частицы, ипсилон-частицы, «красивые» частицы, промежуточные бозоны (W±, Z0). Всего более 500 частиц. Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, называют «истинно элементарными частицами». В истории науки, первой открытой частицей был электрон – носитель отрицательного электрического заряда. Электрон впервые был обнаружен английским физиком Джозефом Томсоном, в 1897 г. В 1919 году английский физик Эрнест Резерфорд обнаружил протон – частицу, входящую в состав атомных ядер с положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающую массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра – нейтрон, была открыта в 1932 г. английским физиком Джеймсом Чедвиком. Представление о фотоне, как частицы, берет свое начало с работы немецкого физика Макса Планка, выдвинувшего в 1900 г. предположение о квантованности энергии электромагнитного излучения. В развитии идеи Планка, Эйнштейн в 1905 г. установил, что электромагнитное излучение является потоком отдельных квантов (фотонов) и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были осуществлены американскими физиками Робертом Милликеном (1912г.) и А. Комптоном (1922г.). Связь характеристик частицы и античастицы Частица относится к количеству материи, которое используется учеными для построения теорий об их области исследования. При определении частицы не существует особых ограничений по размеру. Астрономы могут определить частицы как звезды в ночном небе, в то время как физики могут определить частицы как электроны. В основном это зависит от научной области и разрабатываемой теории. Если частица и античастица рекомбинируют (соединятся) до того, как их обнаружат, дыра в энергетическом ландшафте заполнится, и никто не заметит разницы. Другими словами, квантовая механика позволяет «заимствовать» энергию для создания пары частица–античастица до тех пор, пока энергия не будет возвращена до того, как пара частица-античастица может быть обнаружена. В пустоте наблюдается квантовая активность, соответствующая созданию и уничтожению пар частица-античастица. Создание пары частица–античастица. Пара частица–античастица может быть «создана из ничего» до тех пор, пока интервал времени t2–t1 слишком мал для проведения каких-либо измерений. Чем отличается частица от античастицы Кварки и электроны являются одними из элементарных частиц. В ходе различных экспериментов был обнаружен ряд фундаментальных частиц. Так много, что исследователям пришлось систематизировать их. Это обобщено в теоретической модели (касающейся электромагнитных, слабых и сильных ядерных взаимодействий), называемой Стандартной моделью. В физике элементарных частиц элементарная частица или фундаментальная частица — это частица, субструктура которой неизвестна, поэтому неизвестно, состоит ли она из других частиц. В физике элементарных частиц, соответствующей большинству видов частиц, существует соответствующая античастица. Античастица имеет одинаковую массу и противоположный заряд (включая электрический заряд). Например, для каждого кварка существует соответствующий тип античастицы. Антикварки имеют ту же массу, среднее время жизни и вращение, что и их соответствующие кварки, но электрический заряд и другие заряды имеют противоположный знак. Аннигиляция частиц и античастиц Аннигиляция в физике — это реакция, при которой частица и ее античастица сталкиваются и исчезают, высвобождая энергию. Наиболее распространенная аннигиляция на Земле происходит между электроном и его античастицей, позитроном. Позитрон, который может образовываться при радиоактивном распаде или, чаще всего, при взаимодействии космических лучей с веществом, обычно ненадолго соединяется с электроном, образуя квазиатом, называемый позитронием. Квазиатом состоит из двух частиц, вращающихся друг вокруг друга, прежде чем они аннигилируют. После аннигиляции из точки столкновения исходят два или три гамма-излучения. Количество энергии (E), полученное в результате аннигиляции, равно массе (m), которая исчезает, умноженной на квадрат скорости света в вакууме (c), т.е. E space equals space m c subscript 2. Таким образом, аннигиляция является примером эквивалентности массы и энергии и подтверждением специальной теории относительности, которая предсказывает эту эквивалентность. Происходят и другие реакции аннигиляции. Нуклоны (протоны и нейтроны), например, аннигилируют антинуклоны (антипротоны и антинейтроны), и энергия также уносится в виде частиц, таких как пи-мезоны и К-мезоны и соответствующие им античастицы. |