Antičestice. Kosmičke zrake. Otkriće pozitrona

Proučava interakciju γ kvanta sa elektronskom ljuskom atoma. Da bi posmatrao tragove elektrona, on je prvi koristio komoru za oblake smeštenu u magnetsko polje. Ova metoda snimanja omogućila je mjerenje energije elektrona iz zakrivljenosti staze. Izvor γ kvanta nalazio se pored komore oblaka. Analizirajući dobijene fotografije, D. Skobeltsyn je po prvi put došao do niza novih rezultata o mehanizmu interakcije γ-kvanta s atomom: izmjerio je poprečne presjeke za interakciju γ-kvanta sa različitim atomima i izmjerio ionizaciju gubitke pri kretanju nabijene čestice u mediju. Međutim, putanje visokoenergetskih elektrona uočenih u komori oblaka, koja nije zakrivljena u magnetnom polju, izazvale su mnogo više interesovanja. D. Skobeltsyn je zaključio da ove putanje pripadaju elektronima po veličini jonizacije duž putanje čestice koja leti u komori oblaka. Skobeltsyn je zaključio da ovi tragovi pripadaju elektronima kosmičkog zračenja, ali nisu savijeni, jer imaju odličnu energiju. Ova hipoteza je ubrzo potvrđena – tragovi nisu nestali nakon uklanjanja izvora γ-zračenja. Energija kosmičkih elektrona, prema Skobeltsynovim procjenama, iznosila je ~1 GeV. Neočekivano se pokazalo da nisu sve čestice savijene u istom smjeru u magnetskom polju. Neke čestice su se skretale kao da imaju pozitivan naboj. U početku su ovi tragovi pogrešno nabijeni za pozitivno nabijene protone. Međutim, priroda ionizacije duž staze bila je ista kao i u slučaju elektrona. Da bi se razumjela priroda ovih čestica, bilo je potrebno izmjeriti smjer kretanja čestica i izmjeriti njihovu energiju.
Rezultati D. Skobeltsyna i metoda koju je razvio za detekciju čestica kosmičkog zračenja izazvali su veliko interesovanje među fizičarima. Nekoliko laboratorija počelo je stvarati slične instalacije. U laboratoriji Cavendish, P. Blackett i J. Occhialini preuzeli su ovaj zadatak, a u SAD-u je eksperimente s komorom oblaka u magnetskom polju započeo mladi istraživač
K. Andersona, koji je radio pod vodstvom nobelovca J. Millikana. Do 1932. K. Anderson je napravio nekoliko stotina fotografija kosmičkih čestica u komori oblaka u magnetnom polju. Baš kao D. Skobeltsyn, K. Anderson je uočio tragove i negativno i pozitivno nabijenih čestica.
Godine 1932. u časopisu Science pojavila se bilješka K. Andersona u kojoj je izvijestio o otkriću nove čestice u kosmičkim zracima. Ova čestica imala je istu masu kao i prethodno otkriveni elektron, ali, za razliku od elektrona, nije imala negativan, već pozitivan električni naboj. Ovo zapažanje je napravio Anderson iz posmatranja putanja čestica u komori oblaka u jakom magnetnom polju.
Ispostavilo se da su čestice kosmičkih zraka koje je posmatrao K. Anderson savijene u komori oblaka koja se nalazi u magnetnom polju u suprotnim smerovima, tj. Među česticama snimljenim u komori oblaka bilo je i negativno i pozitivno nabijenih čestica.

Rice. 3.1. Tragovi kosmičkih čestica koje je Anderson dobio u komori oblaka smještenoj u magnetskom polju od 20.000-25.000 ersteda.

Nakon pokusa Blacketta i Occhialinija, više nije bilo sumnje da je pozitron nova čestica. Osim toga, po prvi put su uspjeli pouzdano registrirati rođenje para elektron-pozitron tokom interakcije γ kvanta sa materijom. Blackett i Occhialini prvi su istakli da je pozitron upravo ona čestica koju je P. Dirac predvidio neposredno prije.
Ubrzo je postalo jasno da se pozitroni mogu proizvesti ne samo u kosmičkim zracima, već i pod uticajem γ kvanta sa energijama većim od 1 MeV. Ako olovnu ploču postavite u komoru za oblak i ozračite je γ-kvantima iz radioaktivnog izvora sa energijom γ-kvanta >1 MeV, tada možete uočiti dvije čestice rođene u jednoj tački, koje se odbijaju u suprotnim smjerovima pomoću magnetnog polja, to su elektron i pozitron. Rođenje pozitrona se uvijek događa u paru s elektronom.

γ → e + + e - .

Na sl. Slika 3.3 prikazuje rođenje para elektron-pozitron u komori oblaka ispunjenoj kriptonom.

Rice. 3.3. Rođenje para elektron-pozitron u komori oblaka.

Otkriće pozitrona, čestice čije su karakteristike identične elektronu osim predznaka električnog naboja (za pozitron je pozitivan), bio je izuzetno važan događaj u fizici. Davne 1928. P. Dirac je predložio jednačinu koja opisuje relativističku kvantnu mehaniku elektrona. Pokazalo se da Diracova jednadžba ima dva rješenja, sa pozitivnom i negativnom energijom. Stanje negativne energije opisuje česticu sličnu elektronu, ali s pozitivnim električnim nabojem.

P. Blackett, G. Occhialini: “Prema Andersonovom izvještaju, pronašli su nekoliko tragova koje treba pripisati pozitivno nabijenim česticama zanemarljive mase. Anderson daje detaljne opise ovih fotografija, iako se same fotografije ne reproduciraju. Na jednoj od njih, smjer kretanja se može nedvosmisleno zaključiti iz promjene zakrivljenosti puta nakon prolaska kroz olovnu ploču. Na drugoj fotografiji, dva traga koji izlaze iz ploče zakrivljena su u suprotnim smjerovima. Na trećem, dvije čestice napuštaju ploču, odstupajući u smjeru gdje bi odstupili pozitivni naboji. Dužina puta i karakteristična jonizacija – sve to, zajedno sa prethodnom, daje Andersonu osnovu da tvrdi da smo suočeni s pozitivno nabijenim česticama čija je masa znatno manja od mase protona.”

P. Blackett, G. Occhialini. "Uništavanje atoma kosmičkim zracima i pozitivnim elektronom".

Pozitron je bio prva otkrivena čestica iz čitave klase čestica tzv antičestice. Prije otkrića pozitrona, različite uloge pozitivnih i negativnih naboja u prirodi djelovale su misteriozno. Zašto postoji težak, pozitivno nabijen proton, ali ne i teška čestica mase protona i negativnog naboja? Ali postoji svjetlosni negativno nabijen elektron. Otkriće pozitrona je u suštini obnovilo simetriju naboja za svjetlosne čestice. U kvantnoj teoriji polja, elektron i pozitron su potpuno jednake čestice. Pozitron je stabilna čestica i može postojati u praznom prostoru, baš kao i elektron, neograničeno. Međutim, kada se sudare elektron i pozitron, oni se anihiliraju. Elektron i pozitron nestaju, a umjesto njih se rađaju dva γ ‑ kvantni (foton):

e - + e + → 2γ.

Dolazi do transformacije čestica mase različite od nule (masa elektrona mc 2 = 0,511 MeV) u čestice nulte mase (fotone).
Uz proces anihilacije, otkriven je i proces rađanja para čestica - elektrona i pozitrona. Parovi elektron-pozitron proizvedeni su γ-kvantima sa energijom od nekoliko MeV u Kulonovom polju atomskog jezgra.
Kada visokoenergetske čestice stupaju u interakciju sa materijom, procesi stvaranja i uništavanja čestica i antičestica dovode do rađanja velikog broja sekundarnih čestica koje generiše primarna čestica visoke energije - kaskadni pljusak (sl. 3.4, 3.5, 3.6) .

1. Opisana je metoda kojom je moguće natjerati čestice sa ogromnom energijom da fotografišu tragove vlastitih putanja u komori oblaka.
2. Na nekim od 500 uspješnih fotografija nacrtana je slika najupečatljivijih, karakterističnih fenomena snimljenih ovom metodom; Raspravljalo se o pitanju prirode "tuševa" koji se sastoje od čestica koje na fotografijama daju kombinaciju nekoliko ili čak mnogo puta odjednom.
3. Razmatranje opsega, ionizacije, zakrivljenosti i smjera kretanja čestica dovodi do potvrde stava, koji je prvi iznio Anderson, da moraju postojati čestice s pozitivnim nabojem, ali s masom koja je uporediva s masom elektrona od trci...
4. Ispituje se pitanje porijekla pozitivnih i negativnih elektrona u pljusku... Naknadno ponašanje pozitivnih elektrona razmatra se u svjetlu Diracove teorije “rupa”.

Nobelova nagrada za fiziku

1948 − P. Blackett. Za unapređenje metode oblaka komore i otkrića u vezi s tim u oblasti nuklearne fizike i kosmičkog zračenja.

Rice. 3.4. Pozitron stvoren gama zracima u olovnoj ploči i prošao kroz aluminijsku ploču debljine 0,55 mm. Energija pozitrona iznad aluminijumske ploče je 820 keV, ispod aluminijumske ploče je 520 keV.

P. Blackett, G. Occhialini: “Učiniti prvi korak u otkrivanju ovih složenih fenomena znači prije svega utvrditi, kroz identifikaciju, prirodu čestica koje generiraju tragove. S ovim se nije baš lako nositi, jer su podaci prikupljeni sa fotografija i korišteni za donošenje zaključaka često kontradiktorni. Međutim, očito je neizbježno doći do divnog, razbijajućeg zaključka koji je Anderson već napravio dešifrirajući slične fotografije. Sastoji se u tome da se neki od tragova moraju pripisati česticama koje nose pozitivan naboj, ali imaju zanemarljivu masu u odnosu na masu protona.”

Rice. 3.5. Izrada tuša u olovnim pločama.

Rice. 3.6. Izrada tuša u olovnim pločama.

P. Blackett, G. Occhialini:“Da biste odredili predznak naboja čestice, morate znati u kojem smjeru se kretala duž staze. Postoje četiri načina da saznate o tome iz fotografija:

Čestica prodire u dovoljno debelu metalnu ploču, tako da je prilikom izlaska iz nje čestica izgubila primjetan dio svoje energije. Očigledno je da se u ovom slučaju kretanje odvija od strane veće vrijednosti Hρ prema manjoj. U suprotnom, morali bismo pretpostaviti postojanje povećanja energije unutar ploče, a ta mogućnost je toliko mala da je imamo pravo odbaciti. Ako se prilikom fotografisanja naiđe na vrlo sporu česticu, tada postoji mogućnost da se otkrije promjena Hρ uzrokovana stalnim gubitkom energije tokom prolaska čestice kroz plin.

1. S druge strane, ako čestica izazove pojavu bilo koje sekundarne čestice s dovoljno energije, recimo, u sudaru sa slobodnim elektronom, tada će kut između sekundarne staze i primarnog ukazati na smjer kretanja čestica.
2. Ako grupa tragova odstupi od neke zajedničke tačke ili nekog malog područja prostora, onda postoji vrlo velika vjerovatnoća - iako ne i sigurnost - da se svaka čestica takve grupe udaljava od ovog područja.
3. Ako se trag promatra u gotovo vertikalnom smjeru, onda je vjerovatnije da se čestica kretala prema dolje, a ne prema gore. Posljednja pretpostavka zasniva se na neospornoj činjenici da se jonizacija pod utjecajem kosmičkog zračenja povećava od dubina do visina. Međutim, teško je numerički procijeniti ovu vjerovatnoću, budući da je ponovljivost takvih pojava kao što je zabilježeno na Sl. 13, gdje postoji barem jedna čestica reflektirana prema gore."

U klasičnoj fizici, koncepti čestica i valova su oštro diferencirani - neki fizički objekti su čestice, dok su drugi valovi. Transformacija parova elektron-pozitron u fotone pružila je dodatnu potvrdu ideje da postoji mnogo zajedničkog između zračenja i materije.

P. Blackett, G. Occhialini:„Jasno je da postoji nekoliko različitih procesa koji dovode do složenih puteva padavina. U malom broju slučajeva ovaj proces je prilično jednostavan. Dolazna čestica – obično negativni ili pozitivni elektron – izbacuje, po svoj prilici, tri ili više čestica iz jednog jezgra. Rice. 17 jasno potvrđuje da upadna čestica izbacuje 2 elektrona iz jezgra bakra (oba sa E e ≈ 13 10 6 V ) zajedno sa jednim protonom. Erupciju su mogle pratiti i druge čestice, ali one očigledno nisu imale dovoljnu udaljenost da prevladaju debljinu ploče i izađu iz nje. Rice. 13 daje sliku dva elektrona (E e ≈ 10 10 6 i 13 10 6 V) oborenih iz olovnog jezgra, i dva druga sa većom energijom ( E e > 100 10 6 V ), nokautiran na vrhu. Moguće je da je jedan od posljednja dva upadna čestica koja eksplodira u jezgro, a onda je drugi elektron jedan od fragmenata koji lete prema gore tokom eksplozije. Također je moguće da su obje gornje čestice produkti razaranja jezgra; onda će se u ovom slučaju samouništenje morati pripisati nekom nejonizujućem agensu.
Međutim, oba ova slučaja su relativno jednostavna u poređenju sa složenom slikom obilnih padavina. U ovom najtipičnijem procesu dolazi do simultane erupcije većeg broja čestica koje izlete sa ogromnom energijom. Ove čestice se obično izbacuju u pravcima koji se nalaze unutar prilično uskog konusa, ali postoje slučajevi (slika 12) kada je ovaj konus prilično širok. Sasvim je prirodno tražiti objašnjenje za uski konus disperzije čestica u impulsu koji im u trenutku udara daje upadna čestica koja ima izuzetno veliku energiju. Još nije moguće utvrditi prirodu svih čestica izbačenih iz jezgra, ali, očigledno, među njima prevladavaju negativni i pozitivni elektroni; Postoje neke, iako još uvijek nedostatne, indicije da su u određenom broju slučajeva oba elektrona nokautirana u približno istoj količini.
Pojava ovih čestica je od velikog interesa; posebno, oni nesumnjivo često nastaju unutar materijala male i srednje atomske težine, budući da se emitivni centri nalaze u zraku, staklu, aluminijumu i bakru. Prema najnovijim idejama o strukturi jezgra, takva laka jezgra ne bi trebala imati slobodne negativne elektrone. I već su pronađeni barem pozitivni i negativni elektroni koji izlaze iz odvojenog tačkastog centra zračenja u staklu, bakru ili olovu (sl. 12, 11 i 10) i, prema tome, po svoj prilici, iz odvojenog jezgra.
Postoje tri moguće hipoteze koje imamo pravo da postavimo u vezi sa pojavom ovih čestica: one bi mogle postojati u uništenom jezgru od samog početka, čak i pre sudara; mogu postojati u incidentnoj čestici; konačno, mogu nastati tokom procesa kolizije. U nedostatku bilo kakvog nezavisnog dokaza o nezavisnom postojanju čestica prije nego što se jezgro potrese, razumno je prihvatiti posljednju od ove tri hipoteze. Zatim, s obzirom na dobro poznate poteškoće koje nastaju kada se elektroni unutar jezgri tretiraju kao nezavisni mehanički objekti, potonja hipoteza možda ima veću prednost u tom smislu. Zatim, prema ovoj hipotezi, sve pljuskove (zajedno sa običnim β-raspadom) treba zamisliti kao proces nastanka čestice u doslovnom smislu riječi.
Ovo pitanje je izuzetno blisko povezano sa problemom strukture neutrona. Prema viđenju neutrona kao složene čestice, negativni elektroni u pljuskovima mogu se dobiti cijepanjem svakog od neutrona na negativni elektron i proton, ali ova shema ne objašnjava pojavu pozitivnih elektrona. Osim toga, to dovodi do činjenice da treba očekivati ​​više protonskih tragova na fotografijama nego što se stvarno uočava."

P. Blackett, G. Occhialini:“Postojanje pozitivnih elektrona u ovim pljuskovima odmah postavlja prirodno pitanje: zašto su do sada izbjegli promatranje? Jasno je da oni mogu imati samo ograničen životni vijek kao slobodne čestice, budući da se u normalnim uvjetima ne pojavljuju ni u jednoj tvari.
Sasvim je moguće da se mogu kombinovati s drugim elementarnim česticama i formirati stabilna jezgra, a da pritom prestanu biti slobodni. Ali čini se prihvatljivijim da oni nestanu u interakciji s negativnim elektronom, oslobađajući 2 ili više kvanta.
Ovaj posljednji mehanizam dat je direktno u Diracovoj teoriji elektrona Prema ovoj teoriji, kvantna stanja u području negativne kinetičke energije, koja su ranije predstavljala nepremostivu prepreku fizičkoj interpretaciji, gotovo su sva, uz nekoliko izuzetaka, ispunjena negativnim elektronima. . Nekoliko nezauzetih stanja ponašaju se kao obične čestice s pozitivnom kinetičkom energijom i pozitivnim nabojem. Dirac je i sam razmišljao o poistovjećivanju ovih “rupa” s protonima, ali je to moralo biti napušteno kada je ustanovljeno da te “rupe” trebaju imati istu masu kao negativni elektroni. Neposredan i važan zadatak koji predstoji je eksperimentalno određivanje mase pozitivnog elektrona preciznim mjerenjima njegove ionizacije i Hρ . Sada možemo samo reći da odsustvo razlike između ionizacije tragova negativnih i pozitivnih elektrona u isto vrijeme Hρ je postala izvjesnost, a to posredno služi kao privremeni dokaz jednakosti njihovih masa.
Prema Diracovoj teoriji, pozitivni elektroni imaju samo vrlo kratak prosječni životni vijek sve dok neki negativni elektron odozgo s lakoćom ne skoči dolje u nenaseljeno stanje. Tako će “rupa” biti popunjena, a i pozitivni i negativni elektroni će nestati u isto vrijeme; u ovom slučaju će se emitovati 2 kvanta energije.
Osjećamo obavezu da prof. Dirac-a ne samo za vrlo vrijednu i ponovljenu raspravu o ovim pitanjima, već i za dozvolu da predstavi rezultate svojih proračuna kako bi se utvrdila stvarna vjerovatnoća ovog procesa “uništenja” (nestanka) elektrona. Dimenzije poprečnog presjeka elektrona tokom anihilacije (u jedinicama površine) su:

i γ = (1 − v2/c2) -1/2, a v je brzina pozitivnog elektrona.”

U stabilnim atomskim jezgrama postoji određena ravnotežna veza između broja protona Z i broja neutrona u jezgru N

gdje je A + Z + N. Ako broj protona prelazi ovu ravnotežnu vrijednost, tada se proton p u jezgru može, kao rezultat β + raspadanja, pretvoriti u neutron n, pozitron e + i elektronski neutrino ν e

p → n + e + + ν e .

Pozitroni nastaju tokom β + -raspada atomskih jezgara. Po prvi put, pozitrone proizvedene tokom β + raspada su opazili F. Joliot i I. Curie.
Takav raspad se dešava samo unutar atomskog jezgra. Slobodni proton je stabilna čestica jer njegova masa m(p) je manja od zbira masa neutrona m(n), pozitrona m(e +) i neutrina m(ν e). Slična situacija se dešava u slučaju jezgara preopterećenih neutronima u odnosu na ravnotežnu vrijednost. Neutron n unutar jezgra se raspada, pretvarajući se u proton p, elektron e - i elektronski antineutrino e

n → p + e - + e.

Međutim, za razliku od protona, raspad slobodnog neutrona je moguć, jer masa mirovanja neutrona m(n) veća je od zbira masa protona m(p), elektrona m(e -) i elektrona antineutrina m(e). Raspad protona i neutrona u atomskom jezgru doveo je do pojave izuzetno dubokog koncepta fizike čestica - kao rezultat raspadanja pojavljuju se nove čestice koje nisu bile u početnom stanju. Proton, elektron i elektronski antineutrino ne postoje unutar neutrona, oni nastaju tokom beta raspada neutrona. Ovaj koncept je prvi razvio E. Fermi u svojoj teoriji β-raspada.
Procesi β-raspada, anihilacije i stvaranja parova natjerali su nas da ponovo razmislimo šta je to elementarna čestica. Elementarna čestica je prestala da bude nepromenljiva „cigla“ u strukturi materije. Pojavio se novi, izuzetno dubok koncept međusobne transformacije elementarnih čestica. Pokazalo se da se elementarne čestice mogu rađati i nestajati, pretvarajući se u druge elementarne čestice.

Izvori pozitrona

Pozitroni nastaju tokom raspada β + -radioaktivnih jezgara, od kojih se većina proizvodi umjetno ili ostaje na Zemlji kao produkti nukleosinteze u zvijezdama.

22 Na – izvor pozitrona

Izotop 22 Na se široko koristi kao izvor pozitrona. Poluživot izotopa 22 Na je 2,6 godina. U 90% slučajeva do raspadanja dolazi kao rezultat β+ raspada

22 Na → 22 Ne + e + + ν e,

sa formiranjem stabilnog izotopa 22 Ne (slika 3.7).
U 10% slučajeva, raspad 22 Na nastaje kao rezultat e-capture

22 Na + e - → 22 Ne + ν e.

Rice. 3.7. Radioaktivni izvor pozitrona 22 Na.

Gotovo 100% raspada se dešava u prvom pobuđenom stanju od 22 Ne sa energijom E* = 1,27 MeV, J P = 2 + . Propadanje u osnovno stanje 22 Ne J P = 0 + je 0,05%. Stoga je β + raspad 22 Na gotovo uvijek praćen pojavom γ-kvanta s energijom od 1,27 MeV.

ANTI-ČESTICA Antičestica je čestica blizanka neke druge elementarne čestice, koja ima istu masu i isti spin, ali se od nje razlikuje po znacima svih ostalih karakteristika interakcije (naboja, kao što su električni naboji i naboji u boji, barionski i leptonski kvantni brojevi). Sama definicija onoga što nazvati "čestica" u paru čestica-antičestica je uglavnom proizvoljna. Međutim, za dati izbor „čestice“, njena antičestica je određena jedinstveno. Očuvanje barionskog broja u procesima slabe interakcije omogućava određivanje “čestice” u bilo kojem paru barion-antibarion iz lanca raspada bariona. Izbor elektrona kao “čestice” u paru elektron-pozitron fiksira (zbog očuvanja leptonskog broja u procesima slabe interakcije) određivanje stanja “čestice” u paru elektron neutrino-antineutrino. Prijelazi između leptona različitih generacija nisu uočeni, tako da se definicija „čestice“ u svakoj generaciji leptona, općenito govoreći, može dati nezavisno. Obično se, po analogiji s elektronom, negativno nabijeni leptoni nazivaju "česticama", koje, uz očuvanje leptonskog broja, određuju odgovarajuće neutrine i antineutrine. Za bozone, koncept "čestice" može se fiksirati definicijom, na primjer, hipernaboja.

POSTOJANJE ANTI-ČESTICA Postojanje antičestica je predvidio P. A. M. Dirac. Kvantna relativistička jednačina kretanja elektrona (Diracova jednačina) koju je dobio 1928. nužno je sadržavala rješenja s negativnim energijama. Kasnije se pokazalo da nestanak elektrona sa negativnom energijom treba tumačiti kao pojavu čestice (iste mase) sa pozitivnom energijom i pozitivnim električnim nabojem, odnosno antičestice u odnosu na elektron. Ova čestica, pozitron, otkrivena je 1932. godine. U kasnijim eksperimentima je ustanovljeno da ne samo elektron, već i sve ostale čestice imaju svoje antičestice. Godine 1936. otkriveni su mion (μ−) i μ+ njegova antičestica u kosmičkim zracima, a 1947. godine - π− i π+ - mezoni, koji čine par čestica-antičestica; 1955. u eksperimentima na akceleratorima otkriven je antiproton, 1956. - antineutron, 1966. - antideuterijum, 1970. - antihelijum, 1998. - antivodonik, itd.

ROĐANJE ANTI-ČESTICA Rađanje antičestica nastaje u sudarima čestica materije ubrzanih do energija koje prelaze prag za rađanje para čestica-antičestica (vidi Rađanje parova). U laboratorijskim uslovima, antičestice se rađaju u interakcijama čestica na akceleratorima; Rezultirajuće antičestice se skladište u skladišnim prstenovima pod visokim vakuumom. U prirodnim uslovima, antičestice se rađaju tokom interakcije primarnih kosmičkih zraka sa materijom, na primer, Zemljinom atmosferom, a trebalo bi da se rađaju i u blizini pulsara i aktivnih galaktičkih jezgara. Teorijska astrofizika razmatra nastanak antičestica (pozitrona, antinukleona) tokom akrecije materije na crne rupe. U okviru moderne kosmologije razmatra se rađanje antičestica prilikom isparavanja primarnih crnih rupa male mase. Na temperaturama iznad energije mirovanja čestica date vrste (u energetskom sistemu jedinica), parovi čestica-antičestica su prisutni u ravnoteži sa materijom i elektromagnetnim zračenjem. Takvi uslovi se mogu ostvariti za parove elektron-pozitron u vrućim jezgrama masivnih zvijezda. Prema teoriji vrućeg svemira, u vrlo ranim fazama širenja svemira, parovi čestica-antičestica svih vrsta bili su u ravnoteži sa materijom i zračenjem. U skladu sa modelima velikog ujedinjenja, efekti narušavanja C- i CP invarijantnosti u neravnotežnim procesima uz neočuvanje barionskog broja mogli su u vrlo ranom Univerzumu dovesti do barionske asimetrije Univerzuma čak i pod uslovima stroge početne jednakosti Univerzuma. broj čestica i antičestica. Ovo pruža fizičko opravdanje za nedostatak opservacijskih podataka o postojanju objekata napravljenih od antičestica u Univerzumu.

POSITRON Positron (od engleskog pozitivno - pozitivan) je antičestica elektrona. Pripada antimateriji, ima električni naboj od +1, spin 1/2, leptonski naboj od -1 i masu jednaku masi elektrona. Kada se pozitron i elektron anihiliraju, njihova masa se pretvara u energiju u obliku dva (i mnogo rjeđe, tri ili više) gama kvanta. Pozitroni nastaju u jednoj od vrsta radioaktivnog raspada (pozitronska emisija), kao i pri interakciji fotona sa energijama većim od 1,022 Me. U suštini. Posljednji proces se naziva "proizvodnja para", jer tokom njegove implementacije foton, u interakciji s elektromagnetnim poljem jezgre, formira i elektron i pozitron. Pozitroni mogu nastati i u procesima stvaranja parova elektron-pozitron u jakom električnom polju.

OTKRIĆE POZITRONA Postojanje pozitrona prvi je predložio Paul Dirac 1928. godine. Diracova teorija opisuje ne samo elektron s negativnim električnim nabojem, već i sličnu česticu s pozitivnim nabojem. Odsustvo takve čestice u prirodi smatrano je pokazateljem “dodatnih rješenja” Diracovih jednačina. Ali otkriće pozitrona bio je trijumf teorije. Pozitron je 1932. otkrio američki fizičar Anderson dok je posmatrao kosmičko zračenje pomoću komore oblaka smještene u magnetskom polju. Fotografirao je tragove čestica koje su vrlo ličile na tragove elektrona, ali su imale magnetsko polje koje se savijalo u suprotnom smjeru od tragova elektrona, što ukazuje na pozitivan električni naboj na detektovanim česticama. Ubrzo nakon ovog otkrića, takođe pomoću oblačne komore, napravljene su fotografije koje bacaju svetlo na poreklo pozitrona: pod uticajem γ kvanta iz sekundarnog kosmičkog zračenja, pozitroni su rođeni u paru sa običnim elektronima. Pokazalo se da su takva svojstva novootkrivene čestice u zapanjujućem slaganju sa već postojećom relativističkom teorijom Diracovog elektrona. Godine 1934. Irene i Frederic Joliot-Curie u Francuskoj su otkrili još jedan izvor pozitrona - β+ radioaktivnost.

PONIŠTENJE Iz Diracove teorije slijedi da se elektron i pozitron u sudaru moraju anihilirati uz oslobađanje energije jednake ukupnoj energiji sudarajućih čestica. Pokazalo se da se ovaj proces odvija uglavnom nakon usporavanja pozitrona u materiji, kada je ukupna energija dvije čestice jednaka njihovoj energiji mirovanja od 1,022 Me. B. Eksperimentalno su snimljeni parovi γ-kvanta sa energijom od 0,511 Me. B, rasipanje u direktno suprotnim smjerovima od mete ozračene pozitronima. Potreba za pojavom ne jednog, već najmanje dva γ-kvanta tokom anihilacije elektrona i pozitrona proizilazi iz zakona održanja impulsa. Ukupni impuls u sistemu centra mase pozitrona i elektrona prije procesa transformacije jednak je nuli, ali kada bi se tokom anihilacije pojavio samo jedan γ-kvant, on bi odnio impuls, koji nije jednak nuli ni u jednom referentni okvir.

Sporazum

Pravila za registraciju korisnika na web stranici "ZNAK KVALITETA":

Zabranjena je registracija korisnika sa nadimcima sličnim: 111111, 123456, ytsukenb, lox, itd.;

Zabranjena je ponovna registracija na sajtu (kreiranje duplikata naloga);

Zabranjeno je koristiti tuđe podatke;

Zabranjeno je korištenje tuđih e-mail adresa;

Pravila ponašanja na stranici, forumu i u komentarima:

1.2. Objavljivanje ličnih podataka drugih korisnika u profilu.

1.3. Bilo kakve destruktivne radnje u vezi sa ovim resursom (destruktivne skripte, pogađanje lozinke, kršenje sigurnosnog sistema, itd.).

1.4. Upotreba opscenih riječi i izraza kao nadimka; izrazi koji krše zakone Ruske Federacije, etičke i moralne standarde; riječi i fraze slične nadimcima administracije i moderatora.

4. Prekršaji 2. kategorije: kažnjivi potpunom zabranom slanja bilo koje vrste poruka do 7 dana. 4.1 Objavljivanje informacija koje potpadaju pod Krivični zakon Ruske Federacije, Upravni zakonik Ruske Federacije i suprotne su Ustavu Ruske Federacije.

4.2. Propaganda u bilo kom obliku ekstremizma, nasilja, okrutnosti, fašizma, nacizma, terorizma, rasizma; raspirivanje međunacionalne, međureligijske i društvene mržnje.

4.3. Netačna diskusija o radu i vređanje autora tekstova i beleški objavljenih na stranicama "ZNAKA KVALITETA".

4.4. Prijetnje učesnicima foruma.

4.5. Objavljivanje namjerno lažnih informacija, kleveta i drugih informacija koje diskredituju čast i dostojanstvo kako korisnika tako i drugih ljudi.

4.6. Pornografija u avatarima, porukama i citatima, kao i linkovi na pornografske slike i resurse.

4.7. Otvorena diskusija o postupanju administracije i moderatora.

4.8. Javna rasprava i ocjena važećih pravila u bilo kojem obliku.

5.1. Psovke i psovke.

5.2. Provokacije (lični napadi, lična diskreditacija, formiranje negativne emocionalne reakcije) i maltretiranje učesnika diskusije (sistemska upotreba provokacija u odnosu na jednog ili više učesnika).

5.3. Provociranje korisnika da se međusobno sukobljavaju.

5.4. Bezobrazluk i bezobrazluk prema sagovornicima.

5.5. Dobivanje ličnih i razjašnjavanje ličnih odnosa na temama foruma.

5.6. Flooding (identične ili besmislene poruke).

5.7. Namjerno pogrešno napisane nadimke ili imena drugih korisnika na uvredljiv način.

5.8. Uređivanje citiranih poruka, iskrivljavanje njihovog značenja.

5.9. Objavljivanje lične prepiske bez izričitog pristanka sagovornika.

5.11. Destruktivno trolovanje je svrsishodna transformacija rasprave u okršaj.

6.1. Preveliko citiranje (pretjerano citiranje) poruka.

6.2. Upotreba crvenog fonta namijenjenog za ispravke i komentare moderatora.

6.3. Nastavak diskusije o temama koje je zatvorio moderator ili administrator.

6.4. Kreiranje tema koje nemaju semantički sadržaj ili su provokativnog sadržaja.

6.5. Kreiranje naslova teme ili poruke u cijelosti ili djelimično velikim slovima ili na stranom jeziku. Izuzetak su naslovi stalnih tema i teme koje otvaraju moderatori.

6.6. Napravite potpis u fontu većem od fonta za objavu i koristite više od jedne boje palete u potpisu.

7. Sankcije koje se primjenjuju na prekršioce Pravila Foruma

7.1. Privremena ili trajna zabrana pristupa Forumu.

7.4. Brisanje naloga.

7.5. IP blokiranje.

8. Napomene

8.1 Sankcije mogu primijeniti moderatori i administracija bez objašnjenja.

8.2. Mogu se izvršiti izmjene ovih pravila, o čemu će svi učesnici stranice biti obaviješteni.

8.3. Korisnicima je zabranjeno korištenje klonova u periodu kada je glavni nadimak blokiran. U tom slučaju, klon je blokiran na neodređeno vrijeme, a glavni nadimak će dobiti dodatni dan.

8.4 Poruku koja sadrži nepristojan jezik može urediti moderator ili administrator.

9. Administracija Administracija sajta "ZNAK KVALITETA" zadržava pravo brisanja bilo koje poruke i teme bez objašnjenja. Administracija sajta zadržava pravo da uređuje poruke i profil korisnika ako informacije u njima samo delimično krše pravila foruma. Ova ovlaštenja se odnose na moderatore i administratore. Administracija zadržava pravo da po potrebi izmijeni ili dopuni ova Pravila. Nepoznavanje pravila ne oslobađa korisnika odgovornosti za njihovo kršenje. Administracija stranice nije u mogućnosti provjeriti sve informacije objavljene od strane korisnika. Sve poruke odražavaju samo mišljenje autora i ne mogu se koristiti za procjenu mišljenja svih učesnika foruma u cjelini. Poruke zaposlenih i moderatora sajta su izraz njihovog ličnog mišljenja i možda se ne podudaraju sa mišljenjima urednika i menadžmenta sajta.

Otkriće pozitrona. Antičestice

Postojanje čestice identične elektronu, ali sa suprotnim električnim nabojem predvidio je Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984) na osnovu jednačine koju je uveo 1928. Diracova jednadžba opisuje nabijenu česticu sa spinom uzimajući u obzir relativističke efekte, tj., na primjer, relativistički elektron. Međutim, zanimljivo je da je Dirac pokušao da izvede ovu jednačinu na osnovu potpuno drugačijih razmatranja: pokušao je da se nosi sa problemom negativne gustoće verovatnoće. Ovaj problem je bio u tome što se pokušava generalizirati Schrödingerova jednadžba za valnu funkciju kvantne čestice

za relativistički slučaj dobijena je Klein–Gordonova jednačina,

za koje je bilo nemoguće konstruisati nenegativnu očuvanu veličinu koja ima značenje gustine verovatnoće. Drugim riječima, ili se čestica mogla roditi i nestati, ili je koncept negativne vjerovatnoće morao biti protumačen. Obje alternative bile su destruktivne za kvantnu mehaniku.

Dirac je pretpostavio da je pojava negativnih vjerovatnoća posljedica činjenice da Klein–Gordonova jednadžba sadrži drugi izvod valne funkcije s obzirom na vrijeme, te je pokušao konstruirati jednačinu s prvim izvodom, koji u nerelativističkoj granici pretvara u Schrödingerovu jednačinu ili njenu sličnost. Ispostavilo se da za to funkcija ne bi trebala biti kompleksan broj, kao prije, već skup od četiri kompleksna broja:

Za Diracovu jednačinu postojala je nenegativna gustina vjerovatnoće jednaka , a ukupna vjerovatnoća pronalaženja Diracove čestice barem negdje u prostoru ne mijenja se s vremenom. Drugim riječima, čestica ne nestaje sama.

Pokazalo se da rezultirajuća jednačina ima neočekivana svojstva. Prvo, u nerelativističkoj granici opisuje česticu sa energijom spin i magnetni moment, što odgovara g-faktoru jednakom dva. Stanje ove čestice određuju dvije od četiri komponente Diracove valne funkcije. Drugo, opisane su dvije preostale komponente elektron sa negativnom energijom . Da bi se izbjeglo spontano upadanje čestica u ovo negativan kontinuum , Dirac je predložio da ovaj kontinuum kvantnih stanja već uzeto, a elektroni ne mogu prodrijeti u njega zbog Paulijevog principa. Ovaj potpuno okupirani kontinuum država naziva se Diracovo more(vidi sliku ispod).

Ako je čestici iz negativnog kontinuuma data energija veća od , ona će preći u pozitivnu, a u negativnom kontinuumu će se formirati nezauzeto kvantno stanje - rupa. Ova rupa će imati pozitivan naboj i masu jednaku elektronu. Dakle, kada elektron uđe u pozitivni kontinuum, on se fizički posmatra rođenje paračestice: elektron i njegov antičestice- pozitron. Ovo je upravo skok prikazan na gornjoj slici.

Postojanje predviđene pozitivno nabijene čestice eksperimentalno je potvrdio Carl David Anderson (1905-1991) 1932. godine. Ova čestica je otkrivena u kosmičkim zracima njenim skretanjem u magnetnom polju u komori oblaka. Prema tome da li je putanja čestice savijena u smjeru kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu, mogao bi se suditi o znaku njenog naboja. Ovo je direktna posljedica jednadžbe kretanja čestica u magnetskom polju:

(radi jednostavnosti, napisali smo nerelativističku jednačinu). Međutim, iz fotografije traga u komori oblaka nemoguće je direktno odrediti smjer kretanja čestica duž njega. Dva istočestice koje se kreću u suprotnim smjerovima će se u magnetskom polju skretati u jednom smjeru. Da bi odredio pravi smjer kretanja čestice, Anderson je podijelio komoru oblaka na dvije polovine sa olovnom pregradom. Kao rezultat prolaska kroz particiju, čestica je izgubila brzinu, pa je radijus zakrivljenosti njene putanje

smanjen, kao što se vidi na fotografiji. Tako je Anderson rekonstruisao “početak” i “kraj” traga čestice i zaključio da ima pozitivan naboj. Polumjer zakrivljenosti putanje također je dao omjer mase i naboja za otvorenu česticu - ispostavilo se da je po veličini jednak istom omjeru za elektron.

U modernoj kvantnoj teoriji polja, sve čestice sa bilo kojim nabojem imaju antičestice. Foton, Higsov bozon, -mezon i neke druge čestice su identične sebi. Osim toga, razvoj kvantne teorije polja, koji je u suštini započeo Diracovom jednačinom, rehabilitirao je Klein–Gordonovu jednačinu i riješio problem negativnih vjerovatnoća na potpuno drugačiji način – kroz tzv. sekundarna kvantizacija. Međutim, Diracov pristup je važan sam po sebi kao prvi način za opisivanje procesa stvaranja i uništavanja čestica. Diracova jednačina je osnovna jednačina teorijske fizike i opisuje prirodu na fundamentalnom nivou. Algebarsko značenje koje je Dirac stavio u ovu jednačinu u fazi njenog izvođenja navodi nas na razmišljanje o fundamentalnoj ulozi matematike (i algebre, posebno) u strukturi Univerzuma.

Positron(sa engleskog pozitivno - pozitivno I "-tron") je antičestica elektrona. Pripada antimateriji, ima naelektrisanje elektrona od +1, spin od 1/2, leptonski naboj od -1 i masu jednaku masi elektrona. Prilikom anihilacije pozitrona elektronom, njihova se masa pretvara u energiju u obliku dva (a još rjeđe - tri ili više) gama kvanta.

Pozitroni se javljaju u jednoj od vrsta radioaktivnog raspada (pozitronska emisija), takođe uz pomoć fotona sa energijama većim od 1,022 MeV sa materijom. Potonji proces se naziva "rađanje u paru", jer kada se dogodi, foton, u interakciji s električnim poljem jezgre, formira elektron i pozitron.

Otkriće pozitrona

Postojanje pozitrona prvi je postavio Paul Dirac 1928. godine. Diracova teorija je ocrtala ne samo elektron s negativnim elektronskim nabojem, već i sličnu česticu s pozitivnim nabojem. Odsustvo takve čestice u prirodi smatrano je pokazateljem “dodatnih rješenja” Diracovih jednačina. Ali otkriće pozitrona bio je trijumf teorije.

U skladu sa Diracovom teorijom, elektron i pozitron se mogu roditi kao par, a za taj proces mora biti potrebna energija jednaka energiji mirovanja ovih čestica, 2-0,511 MeV. Pošto su poznate prirodne radioaktivne supstance koje emituju γ-kvantove sa energijama većim od 1 MeV, izgledalo je verovatno da će se pozitroni dobiti u laboratoriji, što je i učinjeno. Eksperimentalno poređenje parametara pozitrona i elektrona pokazalo je da su sva fizička svojstva ovih čestica, osim predznaka elektronskog naboja, ista.

Pozitron je 1932. otkrio američki fizičar Anderson dok je posmatrao kosmičko zračenje pomoću komore oblaka smještene u magnetskom polju. Naziv "pozitron" izmislio je sam Anderson. Zanimljivo je da je Anderson također predložio, neuspješno, da se elektroni preimenuju u negatrone. Fotografirao je tragove čestica koje su vrlo ličile na tragove elektrona, ali su se pod utjecajem magnetskog polja zaokrenule, suprotno tragovima elektrona, što je ukazivalo na pozitivan elektronski naboj pronađenih čestica. Ubrzo nakon ovog otkrića, takođe pomoću oblačne komore, napravljene su fotografije koje bacaju svetlo na poreklo pozitrona: pod uticajem γ kvanta sekundarnog kosmičkog zračenja, pozitroni su rođeni u paru sa običnim elektronima. Pokazalo se da su takve karakteristike novootkrivene čestice u zapanjujućem slaganju sa već postojećom relativističkom teorijom Diracovog elektrona. Godine 1934. Irene i Frederic Joliot-Curie u Francuskoj su otkrili još jedan izvor pozitrona - β+ radioaktivnost.

Pokazalo se da je pozitron prva otkrivena antičestica. Postojanje elektronske antičestice i korespondencija ukupnih parametara dviju antičestica sa zaključcima Diracove teorije, koji bi se mogli generalizirati na druge čestice, ukazalo je na mogućnost parne prirode svih jednostavnih čestica i usmjerilo sljedeća fizikalna istraživanja. Ova orijentacija se pokazala neobično plodnom, a u današnje vrijeme uparena priroda jednostavnih čestica je precizno utvrđen zakon prirode, potkrijepljen ogromnim brojem eksperimentalnih činjenica.

Uništenje

Iz Diracove teorije slijedi da bi elektron i pozitron u sudaru trebali anihilirati uz oslobađanje energije jednake ukupnoj energiji sudarajućih čestica. Pokazalo se da se ovaj proces odvija uglavnom nakon usporavanja pozitrona u materiji, kada je ukupna energija dvije čestice jednaka njihovoj energiji mirovanja od 1,022 MeV. Eksperimentalno su zabilježeni parovi γ-kvanta s energijom od 0,511 MeV koji se raspršuju u direktno suprotnim smjerovima od mete ozračene pozitronima.

Potreba za pojavom ne 1, već najmanje 2 γ-kvanta tokom anihilacije elektrona i pozitrona proizilazi iz zakona održanja impulsa. Ukupni zamah u sistemu težišta pozitrona i elektrona pre procesa reinkarnacije jednak je nuli, ali ako bi se tokom anihilacije pojavio samo jedan γ-kvant, on bi odneo zamah, koji nije jednak nuli ni u jednom referentni sistem.

Od 1951. godine postalo je jasno da u nekim bezobličnim telima, tečnostima i gasovima pozitron, nakon kočenja, u značajnom broju slučajeva ne anihilira odmah, već za kratko vreme formira sistem povezan sa elektronom, nazvan pozitronijum. Pozitronijum je po sopstvenim hemijskim parametrima sličan atomu vodonika, jer je sistem koji se sastoji od pojedinačnih pozitivnih i negativnih elektronskih naelektrisanja i može da ulazi u hemijske reakcije. Pošto su elektron i pozitron različite čestice, oni mogu biti u vezanom stanju sa najnižom energijom ne samo sa antiparalelnim, već i sa paralelnim spinovima. U prvom slučaju, ukupni spin pozitronijuma je s = 0, što odgovara parapozitronijum, au 2. - s = 1, što odgovara ortopozitonija. Zanimljivo je da anihilacija elektron-pozitronskog para u ortopozitronijumu ne može biti praćena stvaranjem dva γ kvanta. Dva γ-kvanta odnose jedan prema drugom mehaničke momente jednake 1 i mogu iznositi ukupan moment jednak nuli, ali ne i jedinicu. Stoga je anihilacija u ovom slučaju praćena emisijom tri γ-kvanta sa ukupnom energijom od 1,022 MeV. Formiranje ortopozitonija je tri puta veće od parapozitonija, jer je odnos statističkih težina (2 s+1) oba stanja pozitronijuma 3:1. Ali čak i u tijelima s ogromnim postotkom (do 50%) anihilacije para u vezanom stanju, odnosno nakon formiranja pozitronijuma, pojavljuju se uglavnom dva γ kvanta, a vrlo rijetko tri. Činjenica je da je životni vijek parapozitonija oko 10-10 sekundi, a ortopozitronijuma oko 10-7 sekundi. Dugovječni ortopozitronij, koji kontinuirano djeluje s atomima medija, nema vremena da se anihilira emisijom tri γ-kvanta prije nego što se pozitron uveden u njegov sastav anihilira sa vanjskim elektronom u stanju s antiparalelnim spinovima i emisijom od dva γ-kvanta.

Dva gama kvanta koja nastaju prilikom anihilacije zaustavljenog pozitrona nose energiju od 511 keV svaki i raspršuju se u strogo suprotnim smjerovima. Ova činjenica omogućava utvrđivanje položaja tačke u kojoj je došlo do anihilacije i koristi se u pozitronskoj emisionoj tomografiji.

2007. godine eksperimentalno je potvrđeno postojanje vezanog sistema od 2 pozitrona i 2 elektrona (molekularni pozitronijum). Takav molekul se raspada čak i brže od atomskog pozitronijuma.

Pozitroni u prirodi

Vjeruje se da je u prvim trenucima nakon Velike eksplozije broj pozitrona i elektrona u Univerzumu bio približno identičan, ali je tokom hlađenja ova simetrija narušena. Sve dok temperatura Univerzuma nije pala na 1 MeV, termalni fotoni su konstantno održavali određenu koncentraciju pozitrona u materiji kroz rađanje parova elektron-pozitron (takvi uslovi još uvek postoje u unutrašnjosti vrućih zvezda). Nakon što se materija Univerzuma ohladila ispod praga proizvodnje para, preostali pozitroni su anihilirani sa viškom elektrona.

U svemiru se pozitroni pojavljuju kroz interakciju sa materijom gama zraka i energetskim česticama kosmičkih zraka, kao i tokom raspada određenih vrsta ovih čestica (na primjer, pozitivnih miona). Shodno tome, dio primarnih galaktičkih zraka se sastoji od pozitrona, jer se u nedostatku elektrona oni mjere. U nekim regijama Galaksije otkrivene su anihilacijske gama linije na 511 keV, što je dokazalo prisustvo pozitrona.

U solarnom termonuklearnom pp ciklusu (također u CNO ciklusu), neke reakcije su praćene emisijom pozitrona, koji se odmah anihilira s jednim od elektrona u okolini; Posljedično, dio sunčeve energije se oslobađa u obliku pozitrona, a u jezgri Sunca ih uvijek postoji određena količina (u ravnoteži između procesa formiranja i anihilacije).

Neka prirodna radioaktivna jezgra (primarna, radiogena, kosmogena) prolaze kroz beta raspad sa pozitronskim zračenjem. Na primjer, neki od raspada prirodnog izotopa 40K nastaju upravo kroz ovaj kanal. Osim toga, gama kvanti s energijom većom od 1,022 MeV, nastali radioaktivnim raspadom, mogu proizvesti parove elektron-pozitron.

Uz pomoć električnog antineutrina (s energijom većom od 1,8 MeV) i protona, javlja se reverzna reakcija beta raspada sa formiranjem pozitrona. Ova reakcija se dešava u prirodi, jer postoji tok antineutrina sa energijom iznad praga cirkulišućeg beta raspada, koji nastaje, na primer, tokom beta raspada prirodnih radioaktivnih jezgara.

Positron - Wikipedia

Sve poznate karakteristike pozitrona sistematizovane su u pregledu Particle Data Group (.pdf)

Klimov A.N. Nuklearna fizika i nuklearni reaktori. -M. Atomizdat, 1971.

Vidi također:

Šta je antimaterija?

Šta je anihilacija?