Открытие позитрона. античастицы

36 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

4.3. 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

ЛУЧИ 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

>> 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

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 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 270 вы видите первую фотографию, доказавшую существование позитрона. Частица двигалась снизу вверх и, пройдя свинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии. Из-за этого кривизна траектории увеличилась. Слово адрон образовано от греческого hadros, что означает «большой», «сильный». Процесс рождения пары электрон - позитрон у-квантом в свинцовой пластинке виден на фотографии, приведенной на рисунке 271. В камере Вильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет характерный след в виде двурогой вилки. Исчезновение (аннигиляция) одних частиц и появление других при реакциях между элементарными частицами является именно превращением, а не просто возникновением новой комбинации составных частей старых частиц. Особенно наглядно обнаруживается это при аннигиляции пары электрон - позитрон. Обе частицы обладают определенной массой в состоянии покоя и электрическими 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-по-зитронных пар вызвало настоящую сенсацию в науке. До того никто не предполагал, что электрон, старейшая из частиц, важнейший строительный материал атомов, может оказаться невечным. 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. Обнаружены сравнительно недавно 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 у-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, трудно сейчас сказать. 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 взаимодействий. ^ 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 у-кван-тов, возникающих при аннигиляции медленно движущихся электрона и позитрона! S. Можно ли в пузырьковой камере наблюдать трек заряженной частицы с временем жизни 10~" с! 6. Что такое кварк!

Позитрон (от англ. positive - положительный и «-трон» ) - античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электронный заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд -1 и массу, равную массе электрона. При аннигиляции позитрона с электроном их масса преобразуется в энергию в форме 2-ух (и еще пореже - трёх и поболее) гамма-квантов.

Позитроны появляются в одном из видов радиоактивного распада (позитронная эмиссия), также при содействии фотонов с энергией больше 1,022 МэВ с веществом. Последний процесс именуется «рождением пар», ибо при его осуществлении фотон, взаимодействуя с электрическим полем ядра, образует вместе с этим электрон и позитрон.

Открытие позитрона

Существование позитрона в первый раз было предположено в 1928 Полем Дираком. Теория Дирака обрисовывала не только лишь электрон с отрицательным электронным зарядом, да и аналогичную частичку с положительным зарядом. Отсутствие таковой частички в природе рассматривалось как указание на «лишние решения» уравнений Дирака. Зато открытие позитрона явилось триумфом теории.

В согласовании 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. Так как были известны естественные радиоактивные вещества, испускавшие γ-кванты с энергией больше 1 МэВ, представлялось вероятным получить позитроны в лаборатории, что и было изготовлено. Экспериментальное сопоставление параметров позитронов и электронов показало, что все физические свойства этих частиц, не считая знака электронного заряда, совпадают.

Позитрон был открыт в 1932 г. американским физиком Андерсоном при наблюдении галлактического излучения при помощи камеры Вильсона, помещённой в магнитное поле. Заглавие «позитрон» выдумал сам Андерсон. Любопытно, что Андерсон также предлагал, правда неудачно, переименовать электроны в «негатроны». Он сфотографировал следы частиц, которые очень напоминали следы электронов, однако имели извив под действием магнитного поля, обратный следам электронов, что свидетельствовало о положительном электронном заряде найденных частиц. Скоро после этого открытия, также при помощи камеры Вильсона, были получены фото, проливавшие свет на происхождение позитронов: под действием γ-квантов вторичного галлактического излучения позитроны рождались в парах с обыкновенными электронами. Такие характеристики вновь открытой частички оказались в поразительном согласии с уже имевшейся релятивистской теорией электрона Дирака. В 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри во Франции открыли ещё один источник позитронов - β+-радиоактивность.

Позитрон оказался первой открытой античастицей. Существование античастицы электрона и соответствие суммарных параметров 2-ух античастиц выводам теории Дирака, которая имела возможность быть обобщена на другие частички, указывало на возможность парной природы всех простых частиц и ориентировало следующие физические исследования. Такая ориентация оказалась необыкновенно плодотворной, и в текущее время парная природа простых частиц является точно установленным законом природы, обоснованным огромным 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 приемущественно после торможения позитрона в веществе, когда полная энергия 2-ух частиц равна их энергии покоя 1,022 МэВ. На опыте были зарегистрированы пары γ-квантов с энергией по 0,511 МэВ, разлетавшихся в прямо обратных направлениях от мишени, облучавшейся позитронами.

Необходимость появления при аннигиляции электрона и позитрона не 1-го, как минимум 2-ух γ-квантов вытекает из закона сохранения импульса. Суммарный импульс в системе центра тяжести позитрона и электрона до процесса перевоплощения равен нулю, однако если б при аннигиляции появлялся только один γ-квант, он бы уносил импульс, который не равен нулю в хоть какой системе отсчёта.

С 1951 г. понятно, что в неких бесформенных телах, жидкостях и газах позитрон после торможения в значимом числе случаев сходу не аннигилирует, а образует на куцее время связанную с электроном систему, получившую заглавие позитроний. Позитроний в смысле собственных хим параметров аналогичен атому водорода, потому что представляет собой систему, состоящую из единичных положительного и отрицательного электронных зарядов, и может вступать в хим реакции. Так как электрон и позитрон - различные частички, то в связанном состоянии с наинизшей энергией они могут находиться не только лишь с антипараллельными, да и с параллельными спинами. В первом случае полный спин позитрония s = 0, что соответствует парапозитронию , а во 2-м - s = 1, что соответствует ортопозитронию . Любопытно, что аннигиляция электрон-позитронной пары в составе ортопозитрония не может сопровождаться рождением 2-ух γ-квантов. Два γ-кванта уносят друг относительно друга механические моменты, равные 1, и могут составить полный момент, равный нулю, однако не единице. Потому аннигиляция в данном случае сопровождается испусканием трёх γ-квантов с суммарной энергией 1,022 МэВ. Образование ортопозитрония втрое более возможно, чем парапозитрония, потому что отношение статистических весов (2s +1) обоих состояний позитрония 3:1. Но даже в телах с огромным процентом (до 50 %) аннигиляции пары в связанном состоянии, т. е. после образования позитрония, в основном возникают два γ-кванта и только очень изредка три. Дело в том, что время жизни парапозитрония около 10-10 сек, а ортопозитрония - около 10-7 сек. Долгоживущий ортопозитроний, безпрерывно взаимодействующий с атомами среды, не успевает аннигилировать с испусканием трёх γ-квантов до этого, чем позитрон, вводящий в его состав, аннигилирует с сторонним электроном в состоянии с антипараллельными спинами и с испусканием 2-ух γ-квантов.

Возникающие при аннигиляции остановившегося позитрона два гамма-кванта несут энергию по 511 кэВ и разлетаются в строго обратных направлениях. Данный факт позволяет установить положение точки, в какой произошла аннигиляция, и употребляется в позитрон-эмиссионной томографии.

В 2007 экспериментально подтверждено существование связанной системы из 2-ух позитронов и 2-ух электронов (молекулярный позитроний). Такая молекула распадается ещё резвее, чем атомарный позитроний.

Позитроны в природе

Считается, что в 1-ые мгновения после Огромного Взрыва количество позитронов и электронов во Вселенной было приблизительно идиентично, но при остывании эта симметрия нарушилась. Пока температура Вселенной не понизилась до 1 МэВ, термические фотоны повсевременно поддерживали в веществе определённую концентрацию позитронов путём рождения электрон-позитронных пар (такие условия есть и на данный момент в недрах жарких звёзд). После остывания вещества Вселенной ниже порога рождения пар оставшиеся позитроны аннигилировали с излишком электронов.

В космосе позитроны появляются при содействии с веществом гамма-квантов и энергичных частиц галлактических лучей, также при распаде неких типов этих частиц (к примеру, положительных мюонов). Следовательно, часть первичных галлактических лучей составляют позитроны, потому что в отсутствие электронов они размеренны. В неких областях Галактики обнаружены аннигиляционные гамма-линии 511 кэВ, доказывающие присутствие позитронов.

В солнечном термоядерном pp-цикле (также в CNO-цикле) часть реакций сопровождается эмиссией позитрона, который немедля аннигилирует с одним из электронов окружения; следовательно, часть солнечной энергии выделяется в виде позитронов, и в ядре Солнца всегда находится некое их количество (в равновесии меж процессами образования и аннигиляции).

Некие природные радиоактивные ядра (первичные, радиогенные, космогенные) испытывают бета-распад с излучением позитронов. К примеру, часть распадов природного изотопа 40K происходит конкретно по этому каналу. Не считая того, гамма-кванты с энергией более 1,022 МэВ, возникающие при радиоактивных распадах, могут рождать электрон-позитронные пары.

При содействии электрического антинейтрино (с энергией больше 1,8 МэВ) и протона происходит реакция оборотного бета-распада с образованием позитрона. Такая реакция происходит в природе, так как существует поток антинейтрино с энергией выше порога оборотного бета-распада, возникающих, к примеру, при бета-распаде природных радиоактивных ядер.

Глядеть также:

Фотография, по которой был открыт позитрон (здесь прерывистый след его проходит через свинцовую пластину в камере Вильсона), получила в ядерной физике большую известность, чем любой другой снимок. Впервые опубликованная (в виде негатива) в журнале Physical Review семь месяцев спустя после открытия позитрона, она произвела сенсацию в научном мире.

То было недолгое, но блаженное время, когда физики могли убедить себя, что фундаментальные "кирпичики" вещества образуют знакомую ныне любому школьнику троицу: отрицательно заряженная частица (электрон, открытый в 1897 г.), положительно заряженная частица (протон, обнаруженный в 1911 г.) и электрически нейтральная частица (нейтрон, открытый в 1932 г.). Однако вслед за открытием нейтрона Чедвиком на фотоснимках стали обнаруживать серии треков, явно говоривших о существовании еще одной частицы, похожей на электрон, но с положительным электрическим зарядом. Это была первая античастица, и хотя сейчас мы принимаем как должное, что каждой частице соответствует античастица, в то время эта мысль была еще непривычной. Представление об античастицах намного опередило их открытие, так как Поль Дирак еще в 1928 г. теоретически предсказал возможность существования положительно заряженного аналога электрона. Однако лишь после открытия "положительного электрона" стало ясно, что за математической абстракцией стоит физическая реальность. "Открытие позитрона, - вспоминал в 1961 г. Карл Андерсон, - было совершенной случайностью. Несмотря на то что релятивистская электронная теория Дирака предсказывала существование позитрона и об этой теории хорошо знали почти все физики, она не сыграла никакой роли в открытии позитрона".

Летом 1932 г. Карл Андерсон и его руководитель Роберт Милликен начали в Калифорнийском технологическом институте (Калтех) работу по изучению космических лучей с помощью камеры Вильсона. Существование проникающего излучения, приходящего из космоса, было известно еще с 1912 г., когда его открыл Виктор Гесс, совершив полет на воздушном шаре; в 1927 г. это излучение зарегистрировал с помощью камеры Вильсона Д. В. Скобельцын. Новым в опытах Андерсона было использование более мощного электромагнита, способного вызывать отклонение частиц со значительно более высокими энергиями (до 4-5 БэВ), чем прежде. Из 1300 полученных фотографий треков космических лучей 15 убедительно свидетельствовали о существовании новой частицы.

Конечно, физики из Калтеха не спешили с выводами. В отсутствие свинцовой пластины (на снимке - горизонтальная черта посередине) можно было допустить, что трек принадлежит движущемуся вниз электрону. Однако увеличение кривизны траектории над пластиной говорило о потере кинетической энергии, а вряд ли можно было предположить, что электрон приобрел энергию, пройдя через 6-миллиметровый слой свинца. Таким образом, трек должен был начинаться в нижней части снимка, и, следовательно, направление отклонения частицы в магнитном поле указывало на ее положительный заряд. (Может показаться странным, что частица из космических лучей движется снизу вверх, - дело в том, что первоначальное направление движения могло измениться в результате рассеяния.) Далее следовало исключить предположение, что трек принадлежит протону; об этом говорили как длина и кривизна трека, так и его толщина: более тяжелые и медленные частицы (такие, как протоны) создают значительно больше сконденсировавшихся капель воды на единицу длины трека. Так что слабый след, зарегистрированный на фотографии, мог принадлежать лишь легкой частице, подобной электрону.

Оставалось признать, что Андерсон обнаружил новую частицу. В конце статьи, где сообщалось об открытии, он писал, что если природа допускает существование положительных электронов, то она должна была позаботиться и о наличии отрицательных протонов; однако эта симметрия получила свое экспериментальное подтверждение лишь через 24 года.

Вскоре подтверждения существования позитрона последовали от П. М. С. Блэкетта и Дж. С. Оккиалини, которые впервые использовали автоматическую камеру Вильсона, управляемую счетчиками Гейгера. Всего через шесть месяцев после открытия Андерсона они предложили удовлетворительное объяснение образования позитронов в космичесих лучах - спонтанное рождение электронно-позитронных пар из гамма-квантов космических лучей. Работая с прибором, аналогичным тому, с помощью которого они едва не открыли нейтрон, супруги Жолио-Кюри несколько месяцев спустя после открытия Андерсона наблюдали рождение электронно- позитронной пары в лабораторных условиях.