Jak odkryto pozyton? Promieniowanie kosmiczne. Odkrycie pozytonu

Zdjęcie, na podstawie którego odkryto pozyton (tutaj jego sporadyczny ślad przechodzi przez ołowianą płytkę w komorze chmurowej) stało się bardziej znane w fizyce jądrowej niż jakakolwiek inna fotografia. Opublikowana po raz pierwszy (w formie negatywowej) w czasopiśmie Physical Review siedem miesięcy po odkryciu pozytonu, wywołała sensację w świecie naukowym.

To był krótki, ale błogi czas, kiedy fizycy mogli przekonać samych siebie, że podstawowe „cegiełki” materii tworzą trójcę znaną teraz każdemu dziecku w wieku szkolnym: cząstka naładowana ujemnie (elektron, odkryty w 1897 r.), cząstka naładowana dodatnio (proton , odkryta w 1911 r.) .) i cząstkę elektrycznie obojętną (neutron, odkrytą w 1932 r.). Jednak po odkryciu neutronu przez Chadwicka na zdjęciach zaczęto odkrywać serię śladów, które wyraźnie wskazywały na istnienie innej cząstki, podobnej do elektronu, ale o dodatnim ładunku elektrycznym. Była to pierwsza antycząstka i chociaż obecnie przyjmujemy za pewnik, że każda cząstka ma antycząstkę, w tamtym czasie pomysł ten był jeszcze niezwykły. Idea antycząstek znacznie wyprzedziła ich odkrycie, ponieważ Paul Dirac teoretycznie przewidział możliwość istnienia dodatnio naładowanego analogu elektronu już w 1928 roku. Jednak dopiero po odkryciu „elektronu dodatniego” stało się jasne, że za abstrakcją matematyczną kryje się rzeczywistość fizyczna. „Odkrycie pozytonu” – wspominał Karl Anderson w 1961 roku – „było całkowitym przypadkiem, mimo że relatywistyczna teoria elektronu Diraca przewidywała istnienie pozytonu i prawie wszyscy fizycy doskonale zdawali sobie z tego sprawę, nie odegrało to żadnego znaczenia. rolę w odkryciu pozytonu.”

Latem 1932 roku Carl Anderson i jego przełożony Robert Millikan rozpoczęli pracę w Kalifornijskim Instytucie Technologii (Caltech), aby badać promienie kosmiczne za pomocą komory chmurowej. Istnienie przenikającego promieniowania pochodzącego z kosmosu jest znane od 1912 roku, kiedy to Victor Hess odkrył je w balonie na ogrzane powietrze; w 1927 r. promieniowanie to zarejestrowano za pomocą komory chmurowej D.V. Skobeltsyna. Nowością w eksperymentach Andersona było zastosowanie mocniejszego elektromagnesu, zdolnego do powodowania odchylania cząstek o znacznie wyższych niż dotychczas energiach (do 4-5 BeV). Spośród 1300 uzyskanych zdjęć śladów promieniowania kosmicznego 15 dostarczyło przekonujących dowodów na istnienie nowej cząstki.

Oczywiście fizycy z Caltech nie spieszyli się z wyciąganiem wniosków. W przypadku braku płytki ołowianej (na zdjęciu pośrodku znajduje się pozioma linia) można przypuszczać, że tor należy do poruszającego się w dół elektronu. Jednakże wzrost krzywizny trajektorii nad płytką wskazywał na utratę energii kinetycznej i trudno było założyć, że elektron zyskał energię przechodząc przez 6-milimetrową warstwę ołowiu. Zatem ślad musiał zaczynać się na dole obrazu, a zatem kierunek odchylenia cząstki w polu magnetycznym wskazywał jej ładunek dodatni. (Może wydawać się dziwne, że cząstka promieni kosmicznych porusza się od dołu do góry - faktem jest, że pierwotny kierunek ruchu mógł ulec zmianie w wyniku rozproszenia.) Następnie należało wykluczyć założenie, że tor należy do jakiegoś proton; Wskazywała na to zarówno długość i krzywizna toru, jak i jego grubość: cięższe i wolniejsze cząstki (takie jak protony) tworzą znacznie więcej kropel skondensowanej wody na jednostkę długości toru. Zatem słaby ślad zarejestrowany na zdjęciu może należeć jedynie do lekkiej cząstki, takiej jak elektron.

Pozostało tylko przyznać, że Anderson odkrył nową cząstkę. Na koniec artykułu informującego o odkryciu napisał, że skoro natura dopuszcza istnienie elektronów dodatnich, to powinna była zadbać o obecność protonów ujemnych; jednak symetria ta została eksperymentalnie potwierdzona dopiero po 24 latach.

Potwierdzenie istnienia pozytonu wkrótce otrzymali P. M. S. Blackett i J. S. Occhialini, którzy byli pionierami w zastosowaniu automatycznej komory chmurowej sterowanej licznikami Geigera. Zaledwie sześć miesięcy po odkryciu Andersona zaproponowali zadowalające wyjaśnienie wytwarzania pozytonów w promieniowaniu kosmicznym - spontaniczne tworzenie par elektron-pozyton z promieni gamma promieniowania kosmicznego. Pracując z instrumentem podobnym do tego, za pomocą którego prawie odkryli neutron, Joliot-Curies kilka miesięcy po odkryciu Andersona zaobserwowali w laboratorium narodziny pary elektron-pozyton.

Pozyton(z angielskiego pozytywny - pozytywny I "-tron") jest antycząstką elektronu. Należy do antymaterii, ma ładunek elektronu +1, spin 1/2, ładunek leptonu -1 i masę równą masie elektronu. Podczas anihilacji pozytonu z elektronem ich masa zamieniana jest na energię w postaci dwóch (a jeszcze rzadziej - trzech lub więcej) kwantów gamma.

Pozytony pojawiają się w jednym z rodzajów rozpadu promieniotwórczego (emisji pozytonów), także za pomocą fotonów o energiach większych niż 1,022 MeV z materią. Ten ostatni proces nazywa się „narodzinami pary”, ponieważ gdy do niego dochodzi, foton oddziałując z polem elektrycznym jądra, tworzy elektron i pozyton.

Odkrycie pozytonu

Po raz pierwszy hipotezę o istnieniu pozytonu postawił w 1928 roku Paul Dirac. Teoria Diraca zarysowała nie tylko elektron z ujemnym ładunkiem elektronowym, ale także podobną cząstkę z ładunkiem dodatnim. Brak takiej cząstki w przyrodzie uznano za oznakę „dodatkowych rozwiązań” równań Diraca. Ale odkrycie pozytonu było triumfem teorii.

Zgodnie z teorią Diraca elektron i pozyton mogą narodzić się jako para, a proces ten musi wymagać energii równej energii spoczynkowej tych cząstek, 2-0,511 MeV. Ponieważ znane były naturalne substancje radioaktywne, które emitują kwanty γ o energii większej niż 1 MeV, wydawało się prawdopodobne, że w laboratorium uda się uzyskać pozytony, co też uczyniono. Eksperymentalne porównanie parametrów pozytonów i elektronów wykazało, że wszystkie właściwości fizyczne tych cząstek, z wyjątkiem znaku ładunku elektronowego, są takie same.

Pozyton został odkryty w 1932 roku przez amerykańskiego fizyka Andersona podczas obserwacji promieniowania kosmicznego za pomocą komory chmurowej umieszczonej w polu magnetycznym. Nazwę „pozyton” wymyślił sam Anderson. Co ciekawe, Anderson zaproponował także, bezskutecznie, zmianę nazwy elektronów na „negatrony”. Fotografował ślady cząstek, które bardzo przypominały ślady elektronów, ale pod wpływem pola magnetycznego ulegały skręceniu, co było przeciwieństwem śladów elektronów, co wskazywało na dodatni ładunek elektronowy znalezionych cząstek. Wkrótce po tym odkryciu, także przy użyciu komory chmurowej, wykonano zdjęcia, które rzuciły światło na pochodzenie pozytonów: pod wpływem kwantów γ wtórnego promieniowania kosmicznego pozytony rodziły się w parach ze zwykłymi elektronami. Takie cechy nowo odkrytej cząstki okazały się uderzająco zgodne z istniejącą już relatywistyczną teorią elektronu Diraca. W 1934 roku Irena i Frederic Joliot-Curie we Francji odkryli kolejne źródło pozytonów – radioaktywność β+.

Pierwszą odkrytą antycząstką był pozyton. Istnienie antycząstki elektronowej oraz zgodność parametrów całkowitych dwóch antycząstek z wnioskami teorii Diraca, które można uogólnić na inne cząstki, wskazały na możliwość parowego charakteru wszystkich prostych cząstek i ukierunkowały dalsze badania fizyczne. Orientacja ta okazała się niezwykle owocna i obecnie sparowana natura prostych cząstek jest precyzyjnie ustalonym prawem natury, potwierdzonym ogromną liczbą faktów eksperymentalnych.

Unicestwienie

Z teorii Diraca wynika, że ​​elektron i pozyton w zderzeniu powinny anihilować z wyzwoleniem energii równej całkowitej energii zderzających się cząstek. Okazało się, że proces ten zachodzi głównie po spowolnieniu pozytonu w materii, gdy energia całkowita dwóch cząstek jest równa ich energii spoczynkowej wynoszącej 1,022 MeV. Eksperymentalnie zarejestrowano pary kwantów γ o energii 0,511 MeV, rozpraszających się w dokładnie przeciwnych kierunkach od celu napromieniowanego przez pozytony.

Konieczność pojawienia się nie 1, ale co najmniej 2 kwantów γ podczas anihilacji elektronu i pozytonu wynika z prawa zachowania pędu. Całkowity pęd w układzie środka ciężkości pozytonu i elektronu przed procesem reinkarnacji jest równy zeru, ale gdyby podczas anihilacji pojawił się tylko jeden kwant γ, zabrałby on pęd, który w żadnym wypadku nie jest równy zeru układu odniesienia.

Od 1951 roku wiadomo, że w niektórych ciałach bezkształtnych, cieczach i gazach pozyton po rozbiciu w znacznej liczbie przypadków nie ulega natychmiastowej anihilacji, ale przez krótki czas tworzy układ związany z elektronem, zwany pozytonem. Pozyton pod względem własnych parametrów chemicznych jest podobny do atomu wodoru, ponieważ jest układem składającym się z pojedynczych dodatnich i ujemnych ładunków elektronowych i może wchodzić w reakcje chemiczne. Ponieważ elektron i pozyton to różne cząstki, mogą znajdować się w stanie związanym o najniższej energii nie tylko ze spinami antyrównoległymi, ale także równoległymi. W pierwszym przypadku całkowity spin pozytu wynosi s = 0, co odpowiada parapozytonium, a w drugim - s = 1, co odpowiada ortopozytron. Co ciekawe, anihilacji pary elektron-pozyton w ortopozytonie nie może towarzyszyć wytworzenie dwóch kwantów γ. Dwa kwanty γ przenoszą względem siebie momenty mechaniczne równe 1 i mogą wynieść moment całkowity równy zeru, ale nie jedności. Dlatego anihilacji w tym przypadku towarzyszy emisja trzech kwantów γ o łącznej energii 1,022 MeV. Powstawanie ortoposytronium jest trzykrotnie bardziej prawdopodobne niż parapositronium, ponieważ stosunek wag statystycznych (2 S+1) oba stany pozytonu 3:1. Ale nawet w ciałach, w których występuje duży procent (do 50%) anihilacji pary w stanie związanym, czyli po utworzeniu pozytu, pojawiają się głównie dwa kwanty γ, a bardzo rzadko trzy. Faktem jest, że czas życia parapositronium wynosi około 10-10 sekund, a ortopositronium około 10-7 sekund. Długożyciowe ortoposytronium, oddziałujące w sposób ciągły z atomami ośrodka, nie ma czasu na anihilację z emisją trzech kwantów γ, zanim wprowadzony do jego składu pozyton anihiluje z zewnętrznym elektronem w stanie o antyrównoległych spinach i emisją dwóch kwantów γ.

Dwa kwanty gamma powstające podczas anihilacji zatrzymanego pozytonu niosą energię 511 keV każdy i rozpraszają się w ściśle przeciwnych kierunkach. Fakt ten umożliwia ustalenie położenia punktu, w którym nastąpiła anihilacja i jest wykorzystywany w pozytonowej tomografii emisyjnej.

W 2007 roku potwierdzono eksperymentalnie istnienie związanego układu 2 pozytonów i 2 elektronów (pozytonu cząsteczkowego). Taka cząsteczka rozpada się jeszcze szybciej niż atomowy pozyton.

Pozytony w przyrodzie

Uważa się, że w pierwszych chwilach po Wielkiej Eksplozji liczba pozytonów i elektronów we Wszechświecie była w przybliżeniu identyczna, jednak podczas chłodzenia symetria ta została zerwana. Dopóki temperatura Wszechświata nie spadła do 1 MeV, fotony termiczne stale utrzymywały określoną koncentrację pozytonów w materii poprzez narodziny par elektron-pozyton (takie warunki nadal istnieją we wnętrzach gorących gwiazd). Po ochłodzeniu się materii Wszechświata poniżej progu wytwarzania par, pozostałe pozytony uległy anihilacji wraz z nadmiarem elektronów.

W kosmosie pozytony pojawiają się poprzez oddziaływanie z materią promieni gamma i energetycznymi cząsteczkami promieniowania kosmicznego, a także podczas rozpadu niektórych typów tych cząstek (np. mionów dodatnich). W związku z tym część pierwotnych promieni galaktycznych składa się z pozytonów, ponieważ przy braku elektronów są one mierzone. W niektórych rejonach Galaktyki odkryto linie anihilacji gamma przy 511 keV, co świadczy o obecności pozytonów.

W słonecznym termojądrowym cyklu pp (także w cyklu CNO) niektórym reakcjom towarzyszy emisja pozytonu, który natychmiast anihiluje z jednym z elektronów otoczenia; W rezultacie część energii słonecznej uwalniana jest w postaci pozytonów, których w jądrze Słońca zawsze znajduje się pewna ilość (w równowadze pomiędzy procesami powstawania i anihilacji).

Niektóre naturalne jądra promieniotwórcze (pierwotne, radiogenne, kosmogeniczne) ulegają rozpadowi beta pod wpływem promieniowania pozytonowego. Na przykład niektóre rozpady naturalnego izotopu 40K zachodzą właśnie przez ten kanał. Ponadto kwanty gamma o energii większej niż 1,022 MeV powstające w wyniku rozpadów promieniotwórczych mogą wytwarzać pary elektron-pozyton.

Przy pomocy antyneutrina elektrycznego (o energii większej niż 1,8 MeV) i protonu zachodzi reakcja odwrotnego rozpadu beta z utworzeniem pozytonu. Reakcja ta zachodzi w przyrodzie, gdyż następuje przepływ antyneutrin o energii powyżej progu krążącego rozpadu beta, które powstają np. podczas rozpadu beta naturalnych jąder promieniotwórczych.

Pozyton – Wikipedia

Wszystkie znane cechy pozytonu usystematyzowano w przeglądzie Particle Data Group (.pdf)

Klimov A. N. Fizyka jądrowa i reaktory jądrowe. -M. Atomizdat, 1971.

Zobacz też:

Co to jest antymateria?

Co to jest anihilacja?

Bada oddziaływanie kwantów γ z powłoką elektronową atomu. Do obserwacji śladów elektronów jako pierwszy zastosował komorę chmurową umieszczoną w polu magnetycznym. Ta metoda rejestracji umożliwiła pomiar energii elektronów na podstawie krzywizny toru. Źródło kwantów γ znajdowało się obok komory chmurowej. Analizując uzyskane fotografie, D. Skobeltsyn po raz pierwszy uzyskał szereg nowych wyników na temat mechanizmu oddziaływania kwantów γ z atomem: zmierzył przekroje poprzeczne oddziaływania kwantów γ z różnymi atomami oraz zmierzył jonizację straty podczas ruchu naładowanej cząstki w ośrodku. Znacznie większe zainteresowanie wzbudziły jednak trajektorie wysokoenergetycznych elektronów zaobserwowane w komorze chmurowej, a nie zakrzywione w polu magnetycznym. D. Skobeltsyn doszedł do wniosku, że te trajektorie należą do elektronów z wielkości jonizacji wzdłuż toru cząstki lecącej w komorze chmurowej. Skobeltsyn doszedł do wniosku, że ścieżki te należą do elektronów promieniowania kosmicznego, ale nie są wygięte, ponieważ mieć świetną energię. Hipoteza ta wkrótce została potwierdzona – ślady nie zniknęły po usunięciu źródła promieniowania γ. Według szacunków Skobelcyna energia kosmicznych elektronów wynosiła ~1 GeV. Nieoczekiwanie okazało się, że nie wszystkie cząstki były wyginane w polu magnetycznym w tym samym kierunku. Niektóre cząstki zostały odbite tak, jakby miały ładunek dodatni. Początkowo ślady te mylono z dodatnio naładowanymi protonami. Jednakże charakter jonizacji wzdłuż toru był taki sam jak w przypadku elektronów. Aby zrozumieć naturę tych cząstek, konieczne było zmierzenie kierunku ruchu cząstek i zmierzenie ich energii.
Wyniki D. Skobelcyna i opracowana przez niego metoda wykrywania cząstek promieniowania kosmicznego wzbudziły duże zainteresowanie wśród fizyków. Kilka laboratoriów zaczęło tworzyć podobne instalacje. W Cavendish Laboratory P. Blackett i J. Occhialini podjęli się tego zadania, a w USA eksperymenty z komorą chmurową w polu magnetycznym rozpoczął młody badacz
K. Andersona, który pracował pod przewodnictwem noblisty J. Millikana. Do 1932 roku K. Anderson wykonał kilkaset zdjęć cząstek kosmicznych w komorze chmurowej w polu magnetycznym. Podobnie jak D. Skobeltsyn, K. Anderson obserwował ślady cząstek zarówno ujemnie, jak i dodatnio naładowanych.
W 1932 r. w czasopiśmie Science ukazała się notatka K. Andersona, w której doniósł o odkryciu nowej cząstki w promieniowaniu kosmicznym. Cząstka ta miała tę samą masę co wcześniej odkryty elektron, lecz w przeciwieństwie do elektronu nie miała ujemnego, lecz dodatniego ładunku elektrycznego. Obserwacji tej dokonał Anderson na podstawie obserwacji trajektorii cząstek w komorze chmurowej w silnym polu magnetycznym.
Okazało się, że obserwowane przez K. Andersona cząstki promieniowania kosmicznego zaginają się w komorze chmurowej umieszczonej w polu magnetycznym o przeciwnych kierunkach, tj. Wśród cząstek zarejestrowanych w komorze chmurowej znajdowały się zarówno cząstki naładowane ujemnie, jak i dodatnio.

Ryż. 3.1. Ślady cząstek kosmicznych uzyskane przez Andersona w komorze chmurowej umieszczonej w polu magnetycznym o wartości 20 000–25 000 oerstedów.

Po eksperymentach Blacketta i Occhialiniego nie było już wątpliwości, że pozyton jest nową cząstką. Ponadto po raz pierwszy udało im się wiarygodnie zarejestrować narodziny pary elektron-pozyton podczas oddziaływania kwantów γ z materią. Blackett i Occhialini jako pierwsi wskazali, że pozyton jest tą samą cząstką, którą wkrótce wcześniej przewidział P. Dirac.
Wkrótce stało się jasne, że pozytony można wytwarzać nie tylko w promieniach kosmicznych, ale także pod wpływem kwantów γ o energiach większych niż 1 MeV. Jeśli umieścisz płytkę ołowianą w komorze chmurowej i napromieniujesz ją kwantami γ ze źródła radioaktywnego o energii kwantów γ > 1 MeV, możesz zaobserwować dwie cząstki powstałe w jednym punkcie, które są odchylane w przeciwnych kierunkach przez polu magnetycznym, są to elektron i pozyton. Narodziny pozytonów zawsze zachodzą w parach z elektronem.

γ → mi + + e - .

Na ryc. Rysunek 3.3 przedstawia narodziny pary elektron-pozyton w komorze chmurowej wypełnionej kryptonem.

Ryż. 3.3. Narodziny pary elektron-pozyton w komorze chmurowej.

Odkrycie pozytonu, cząstki, której charakterystyka jest identyczna z elektronem, z wyjątkiem znaku ładunku elektrycznego (dla pozytonu jest on dodatni), było niezwykle ważnym wydarzeniem w fizyce. Już w 1928 roku P. Dirac zaproponował równanie opisujące relatywistyczną mechanikę kwantową elektronu. Okazało się, że równanie Diraca ma dwa rozwiązania, zarówno o energii dodatniej, jak i ujemnej. Ujemny stan energetyczny opisuje cząstkę podobną do elektronu, ale z dodatnim ładunkiem elektrycznym.

P. Blackett, G. Occhialini: „Według raportu Andersona znaleźli kilka śladów, które należy przypisać dodatnio naładowanym cząstkom o znikomej masie. Anderson podaje szczegółowe opisy tych fotografii, chociaż same fotografie nie są reprodukowane. Na jednym z nich kierunek ruchu można jednoznacznie wywnioskować ze zmiany krzywizny toru po przejściu przez płytkę ołowianą. Na innej fotografii dwa ślady wychodzące z płyty są zakrzywione w przeciwnych kierunkach. W trzecim dwie cząstki opuszczają płytkę, odchylając się w kierunku, w którym odchyliłyby się ładunki dodatnie. Długość ścieżki i charakterystyczna jonizacja – to wszystko w połączeniu z poprzednią daje Andersonowi podstawy do twierdzenia, że ​​mamy do czynienia z cząstkami naładowanymi dodatnio, o masie znacznie mniejszej niż masa protonu.”

P. Blackett, G. Occhialini. „Niszczenie atomów przez promienie kosmiczne i elektron dodatni”.

Pozyton był pierwszą odkrytą cząstką z całej klasy cząstek zwanych antycząstki. Przed odkryciem pozytonu odmienna rola ładunków dodatnich i ujemnych w przyrodzie wydawała się tajemnicza. Dlaczego istnieje ciężki, dodatnio naładowany proton, ale nie ma ciężkiej cząstki o masie protonu i ładunku ujemnym? Ale istnieje lekki, ujemnie naładowany elektron. Odkrycie pozytonu zasadniczo przywróciło symetrię ładunku lekkim cząstkom. W kwantowej teorii pola elektron i pozyton są cząstkami całkowicie równymi. Pozyton jest cząstką stabilną i może istnieć w pustej przestrzeni, podobnie jak elektron, w nieskończoność. Jednakże, gdy elektron i pozyton zderzają się, ulegają anihilacji. Elektron i pozyton znikają, a zamiast nich rodzą się dwa γ ‑ kwant (foton):

e - + mi + → 2γ.

Następuje przemiana cząstek o masie różnej od zera (masa elektronów mc 2 = 0,511 MeV) w cząstki o masie zerowej (fotony).
Wraz z procesem anihilacji odkryto także proces narodzin pary cząstek - elektronu i pozytonu. Pary elektron-pozyton wytworzono za pomocą kwantów γ o energii kilku MeV w polu kulombowskim jądra atomowego.
Kiedy cząstki wysokoenergetyczne oddziałują z materią, procesy tworzenia i anihilacji cząstek i antycząstek prowadzą do narodzin dużej liczby cząstek wtórnych generowanych przez wysokoenergetyczną cząstkę pierwotną - pęków kaskadowych (ryc. 3.4, 3.5, 3.6) .

1. Opisano metodę, za pomocą której można zmusić cząstki o ogromnej energii do fotografowania śladów ich własnych ścieżek w komorze chmurowej.
2. Na niektórych z 500 udanych fotografii sporządzono obraz najbardziej uderzających, charakterystycznych zjawisk uchwyconych tą metodą; Poruszono kwestię natury „deszczów” składających się z cząstek dających na fotografiach kombinację kilku lub nawet wielu ścieżek jednocześnie.
3. Uwzględnienie zasięgu, jonizacji, krzywizny i kierunku ruchu cząstek prowadzi do potwierdzenia poglądu wyrażonego po raz pierwszy przez Andersona, że ​​muszą istnieć cząstki o ładunku dodatnim, ale o masie bardziej porównywalnej z masą elektronu niż uruchomić...
4. Rozważane jest pytanie o pochodzenie elektronów dodatnich i ujemnych w roju... Rozważa się późniejsze zachowanie elektronów dodatnich w świetle teorii „dziur” Diraca.

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki

1948 - P. Blackett. Za udoskonalenie metody komory chmurowej i dokonanych z nią odkryć w dziedzinie fizyki jądrowej i promieniowania kosmicznego.

Ryż. 3.4. Pozyton wytworzony przez promienie gamma w płycie ołowianej i przechodzący przez płytę aluminiową o grubości 0,55 mm. Energia pozytonów nad płytą aluminiową wynosi 820 keV, pod płytą aluminiową wynosi 520 keV.

P. Blackett, G. Occhialini: „Postawienie pierwszego kroku w kierunku ujawnienia tych złożonych zjawisk oznacza przede wszystkim ustalenie, poprzez identyfikację, natury cząstek, które generują ślady. Nie jest to do końca łatwe do rozwiązania, gdyż dane zaczerpnięte ze zdjęć i użyte do wyciągnięcia wniosków są często sprzeczne. Jednak najwyraźniej nieuniknione jest dojście do wspaniałego, rozpierającego wniosku, jaki Anderson wyciągnął już podczas rozszyfrowywania podobnych fotografii. Polega ona na tym, że część śladów należy przypisać cząstkom, które niosą ładunek dodatni, ale mają masę znikomą w porównaniu z masą protonu.”

Ryż. 3.5. Opracowanie prysznica w płytach ołowianych.

Ryż. 3.6. Opracowanie prysznica w płytach ołowianych.

P. Blackett, G. Occhialini:„Aby określić znak ładunku cząstki, trzeba wiedzieć, w jakim kierunku poruszała się ona po torze. Można się o tym dowiedzieć na cztery sposoby ze zdjęć:

Cząstka penetruje wystarczająco grubą metalową płytkę, tak że po wyjściu z niej cząstka traci zauważalną część swojej energii. Jest oczywiste, że w tym przypadku ruch następuje od strony większej wartości Hρ w stronę mniejszej. W przeciwnym razie musielibyśmy założyć istnienie przyrostu energii wewnątrz płyty, a możliwość ta jest na tyle mało prawdopodobna, że ​​mamy prawo ją odrzucić. Jeśli podczas fotografowania napotkamy bardzo powolną cząstkę, istnieje możliwość wykrycia zmiany Hρ spowodowanej ciągłą utratą energii podczas przejścia cząstki przez gaz.

1. Z drugiej strony, jeśli cząstka powoduje pojawienie się jakiejkolwiek cząstki wtórnej o wystarczającej energii, powiedzmy w zderzeniu ze swobodnym elektronem, wówczas kąt między ścieżką wtórną a ścieżką pierwotną będzie wskazywał kierunek ruchu cząstek.
2. Jeżeli grupa śladów odbiega od jakiegoś wspólnego punktu lub małego obszaru przestrzeni, wówczas istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo – chociaż nie jest to pewne – że każda cząstka takiej grupy oddala się od tego obszaru.
3. Jeśli ślad obserwuje się w kierunku prawie pionowym, jest bardziej prawdopodobne, że cząstka poruszała się w dół, a nie w górę. To ostatnie założenie opiera się na niepodważalnym fakcie, że jonizacja pod wpływem promieniowania kosmicznego wzrasta z głębokości do wysokości. Trudno jednak oszacować to prawdopodobieństwo liczbowo, gdyż powtarzalność takich zjawisk, jak zanotowano na ryc. 13, gdzie co najmniej jedna cząstka jest odbita w górę.”

W fizyce klasycznej pojęcia cząstek i fal są ostro zróżnicowane - niektóre obiekty fizyczne są cząstkami, inne zaś falami. Przekształcenie par elektron-pozyton w fotony dodatkowo potwierdziło tezę, że promieniowanie i materia mają ze sobą wiele wspólnego.

P. Blackett, G. Occhialini:„Jest oczywiste, że istnieje kilka różnych procesów, które prowadzą do złożonych ścieżek opadów. W niewielkiej liczbie przypadków proces ten jest dość prosty. Nadchodząca cząstka – zwykle elektron ujemny lub dodatni – najprawdopodobniej wybija trzy lub więcej cząstek z pojedynczego jądra. Ryż. 17 wyraźnie potwierdza, że ​​padająca cząstka wyrzuca 2 elektrony z jądra miedzi (oba z mi mi ≈ 13 10 6 V ) wraz z jednym protonem. Erupcji mogły również towarzyszyć inne cząstki, ale najwyraźniej miały one zbyt niewystarczającą odległość, aby pokonać grubość płyty i opuścić ją. Ryż. 13 daje obraz dwóch elektronów (E e ≈ 10 10 6 i 13 10 6 V) wytrąconych z jądra ołowiu oraz dwóch innych o wyższej energii ( E e > 100 10 6 V ), znokautowany na górze. Możliwe, że jeden z dwóch ostatnich to cząstka padająca eksplodująca jądro, a wówczas drugi elektron to jeden z fragmentów unoszących się w górę podczas eksplozji. Możliwe jest również, że obie górne cząstki są produktami zniszczenia rdzenia; wówczas w tym przypadku samozniszczenie będzie musiało zostać przypisane jakiemukolwiek czynnikowi niejonizującemu.
Jednakże oba te przypadki są stosunkowo proste w porównaniu ze złożonym obrazem ulewnych opadów. W tym najbardziej typowym procesie następuje jednoczesna erupcja wielu cząstek wylatujących z ogromną energią. Cząstki te są zwykle wyrzucane w kierunkach zawartych w dość wąskim stożku, ale zdarzają się przypadki (ryc. 12), gdy stożek ten jest dość szeroki. Wyjaśnienia wąskiego stożka rozproszenia cząstek szuka się w pędzie nadawanym im w momencie uderzenia przez padającą cząstkę o niezwykle dużej energii. Nie jest jeszcze możliwe ustalenie natury wszystkich cząstek wyrzucanych z jądra, ale najwyraźniej dominują wśród nich elektrony ujemne i dodatnie; Istnieją pewne, choć wciąż niewystarczające, przesłanki wskazujące, że w wielu przypadkach oba elektrony są wybijane w mniej więcej tej samej ilości.
Wygląd tych cząstek jest bardzo interesujący; w szczególności niewątpliwie często zarodkują się w materiale o lekkiej i średniej masie atomowej, ponieważ centra emisji znajdują się w powietrzu, szkle, aluminium i miedzi. Według najnowszych pomysłów na temat budowy jądra, takie lekkie jądra nie powinny posiadać wolnych elektronów ujemnych. Stwierdzono już, że przynajmniej elektrony dodatnie i ujemne pochodzą z oddzielnego punktowego środka promieniowania w szkle, miedzi lub ołowiu (ryc. 12, 11 i 10), a zatem najprawdopodobniej z oddzielnego jądra.
Istnieją trzy możliwe hipotezy, które mamy prawo postawić odnośnie wyglądu tych cząstek: mogły one istnieć w zniszczonym rdzeniu od samego początku, jeszcze przed zderzeniem; mogą istnieć w cząstce padającej; w końcu mogą powstać podczas procesu zderzenia. Wobec braku niezależnych dowodów na niezależne istnienie cząstek przed wstrząśnięciem jądra, rozsądne jest przyjęcie ostatniej z trzech hipotez. Następnie, biorąc pod uwagę dobrze znane trudności, jakie pojawiają się przy traktowaniu elektronów wewnątrz jąder jako niezależnych obiektów mechanicznych, być może ta druga hipoteza ma w tym sensie większą przewagę. Następnie, zgodnie z tą hipotezą, wszystkie roje (wraz ze zwykłym rozpadem β) należy sobie wyobrazić jako proces powstawania cząstki w dosłownym tego słowa znaczeniu.
To pytanie jest niezwykle ściśle powiązane z problemem budowy neutronu. Zgodnie z poglądem, że neutron jest cząstką złożoną, elektrony ujemne w pękach można otrzymać poprzez rozbicie każdego z neutronów na elektron ujemny i proton, ale schemat ten nie wyjaśnia pojawienia się elektronów dodatnich. W dodatku prowadzi to do tego, że na zdjęciach należy spodziewać się większej liczby śladów protonów, niż widać w rzeczywistości.”

P. Blackett, G. Occhialini:„Istnienie dodatnich elektronów w tych rojach natychmiast rodzi naturalne pytanie: dlaczego do tej pory umykały one obserwacji? Oczywiste jest, że mogą one mieć ograniczoną żywotność jako wolne cząstki, ponieważ w normalnych warunkach nie występują w żadnej substancji.
Całkiem możliwe, że mogą łączyć się z innymi cząstkami elementarnymi i tworzyć stabilne jądra, przestając jednocześnie być wolne. Jednak bardziej akceptowalne wydaje się to, że znikają one podczas interakcji z elektronem ujemnym, uwalniając 2 lub więcej kwantów.
Ten ostatni mechanizm wynika bezpośrednio z teorii elektronów Diraca. Zgodnie z tą teorią, stany kwantowe w obszarze ujemnej energii kinetycznej, które wcześniej stanowiły przeszkodę nie do pokonania w interpretacji fizycznej, są prawie wszystkie, z nielicznymi wyjątkami, wypełnione elektronami ujemnymi. . Nieliczne niezajęte stany zachowują się jak zwykłe cząstki z dodatnią energią kinetyczną i dodatnim ładunkiem. Sam Dirac myślał o utożsamieniu tych „dziur” z protonami, jednak trzeba było z tego zrezygnować, gdy ustalono, że te „dziury” powinny mieć tę samą masę co elektrony ujemne. Bezpośrednim i ważnym zadaniem stojącym przed nami jest eksperymentalne określenie masy elektronu dodatniego poprzez dokładne pomiary jego jonizacji i Hρ . Teraz możemy tylko powiedzieć, że brak różnicy pomiędzy jonizacją śladów elektronów ujemnych i dodatnich jednocześnie Hρ stało się pewnością, co pośrednio służy jako tymczasowy dowód równości ich mas.
Zgodnie z teorią Diraca, elektrony dodatnie mają bardzo krótką średnią długość życia, dopóki jakiś ujemny elektron z góry nie zeskoczy z łatwością do stanu niezajętego. W ten sposób „dziura” zostanie wypełniona, a elektrony dodatnie i ujemne znikną w tym samym czasie; w tym przypadku wyemitowane zostaną 2 kwanty energii.
Czujemy się zobowiązani wobec prof. Diracowi nie tylko za bardzo cenne i wielokrotne omówienie tych zagadnień, ale także za pozwolenie na przedstawienie wyników swoich obliczeń mających na celu określenie rzeczywistego prawdopodobieństwa wystąpienia tego procesu „anihilacji” (znikania) elektronów. Wymiary przekroju poprzecznego elektronów podczas anihilacji (w jednostkach powierzchni) to:

oraz γ = (1 − v2/c2) -1/2, a v jest prędkością elektronu dodatniego.”

W stabilnych jądrach atomowych istnieje pewna równowaga pomiędzy liczbą protonów Z i liczbą neutronów w jądrze N

gdzie A + Z + N. Jeśli liczba protonów przekroczy tę wartość równowagi, wówczas proton p w jądrze może w wyniku rozpadu β + zamienić się w neutron n, pozyton e + i neutrino elektronowe ν e

p → n + mi + + ν mi .

Pozytony powstają podczas rozpadu β+ jąder atomowych. Po raz pierwszy pozytony powstałe podczas rozpadu β + zaobserwowali F. Joliot i I. Curie.
Rozpad taki zachodzi tylko wewnątrz jądra atomowego. Wolny proton jest cząstką stabilną, ponieważ jego masa m(p) jest mniejsza od sumy mas neutronu m(n), pozytonu m(e +) i neutrina m(ν e). Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku jąder przeciążonych neutronami w stosunku do wartości równowagi. Neutron n wewnątrz jądra rozpada się, zamieniając się w proton p, elektron e - i antyneutrino elektronowe e

n → p + mi - + mi.

Jednak w przeciwieństwie do protonu możliwy jest rozpad wolnego neutronu, ponieważ masa spoczynkowa neutronu m(n) jest większa niż suma mas protonu m(p), elektronu m(e -) i antyneutrina elektronowego m(e). Rozpad protonów i neutronów w jądrze atomowym doprowadził do powstania niezwykle głębokiej koncepcji fizyki cząstek elementarnych - w wyniku rozpadu pojawiają się nowe cząstki, które nie były w stanie początkowym. Proton, elektron i antyneutrino elektronowe nie istnieją wewnątrz neutronu; powstają podczas rozpadu beta neutronu. Koncepcję tę po raz pierwszy rozwinął E. Fermi w swojej teorii rozpadu β.
Procesy rozpadu β, anihilacji i tworzenia par zmusiły nas do ponownego przemyślenia, czym jest cząstka elementarna. Cząstka elementarna przestała być niezmienną „cegłą” w strukturze materii. Pojawiła się nowa, niezwykle głęboka koncepcja wzajemnego przekształcenia cząstek elementarnych. Okazało się, że cząstki elementarne mogą rodzić się i znikać, zamieniając się w inne cząstki elementarne.

Źródła pozytonów

Pozytony powstają podczas rozpadu jąder β + -radioaktywnych, z których większość powstaje sztucznie lub pozostaje na Ziemi jako produkty nukleosyntezy w gwiazdach.

22 Na – źródło pozytonów

Izotop 22 Na jest szeroko stosowany jako źródło pozytonów. Okres półtrwania izotopu 22 Na wynosi 2,6 roku. W 90% przypadków rozpad następuje w wyniku rozpadu β+

22 Na → 22 Ne + e + + ν e,

z utworzeniem stabilnego izotopu 22 Ne (ryc. 3.7).
W 10% przypadków rozpad 22 Na następuje w wyniku e-wychwytu

22 Na + e - → 22 Ne + ν mi.

Ryż. 3.7. Radioaktywne źródło pozytonów 22 Na.

Prawie 100% rozpadów zachodzi w pierwszym stanie wzbudzonym 22 Ne o energii E* = 1,27 MeV, J P = 2 + . Rozpad do stanu podstawowego 22 Ne J P = 0 + wynosi 0,05%. Dlatego rozpadowi β + 22 Na prawie zawsze towarzyszy pojawienie się kwantu γ o energii 1,27 MeV.

Promieniowanie kosmiczne. Odkrycie pozytonu

W 1932 roku w promieniach kosmicznych odkryto kolejną cząstkę elementarną - pozyton.

Już w 1899 roku M. Skłodowska-Curie, próbując wyjaśnić pochodzenie promieniotwórczości, wysunęła hipotezę o istnieniu promieniowania wypełniającego całą przestrzeń kosmiczną. Stwierdzenie, że „jesteśmy zanurzeni w ciągłym promieniowaniu, którego nie możemy uniknąć”, wyraził w 1906 roku Geitel, opisując swoje i Elstera eksperymenty dotyczące pomiaru jonizacji w głębokich kopalniach. Geitel nawiązał do stwierdzenia Cooka z 1903 r., że „nad ziemią występuje silne promieniowanie przenikliwe”. Jednakże istnienie promieniowania kosmicznego udowodnił z całą pewnością austriacki fizyk Victor Hess, który 7 sierpnia 1912 roku wzniósł się w powietrze z elektroskopem w balonie. Wyniki swojego eksperymentu opisał w artykule opublikowanym w listopadowym numerze Physikalische Zeitschrift. Tutaj napisał: „Wyniki moich obserwacji najlepiej wytłumaczyć założeniem, że promieniowanie o dużej mocy przenikania spada z przestrzeni kosmicznej na granicę atmosfery”. W ten sposób odkryto promienie kosmiczne. Za to odkrycie Hess otrzymał w 1936 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Późniejsze prace naukowców, zwłaszcza amerykańskiego fizyka Milladsena i radzieckiego fizyka L.V. Mysowskiego (1888-1939), potwierdziły założenia Hessa i zbadały właściwości promieniowania kosmicznego.

Millikan i Mysovsky, przeprowadzając pomiary pod wodą, wykazali ogromną zdolność penetracji tych promieni. Millikan uważał promieniowanie kosmiczne za niezwykle twarde promienie Y i ten punkt widzenia był powszechnie akceptowany aż do lat 30. XX wieku.

W 1929 roku radziecki fizyk D.V. Skobeltsyn użył komory Wilsona umieszczonej w polu magnetycznym do badania promieni kosmicznych. Metoda Skobelcyna natychmiast doprowadziła do ważnego odkrycia. Skobeltsyn niezbicie udowodnił, że promieniowanie kosmiczne zawiera naładowane cząstki elektronów. Odkrył ślady takich elektronów słabo uginanych przez pole magnetyczne. Na jego fotografiach były też ślady lekko zakrzywione w kierunku przeciwnym do elektronów, jednak Skobeltsyn nie był w stanie nic konkretnego powiedzieć o cząstkach, które te ślady pozostawiły.

W 1932 roku amerykański fizyk K. Anderson wprowadził udoskonalenie metody Skobelcyna: przyłożył pole magnetyczne dziesięciokrotnie silniejsze od pola stosowanego przez Skobelcyna. Jednocześnie natychmiast odkrył zakrzywione ślady należące do cząstek naładowanych ujemnie i dodatnio: elektronów i protonów, jak początkowo sądził.

Aby z całą pewnością ocenić kierunek ruchu cząstek, Anderson podzielił komorę na dwie części za pomocą ołowianej płyty. Cząstka przechodząc przez płytkę ołowianą zwalnia, a jej tor jest bardziej zakrzywiony przez pole magnetyczne. Anderson uzyskał fotografię cząstki wygiętej w kierunku przeciwnym do elektronów. Promień krzywizny i charakter toru wykazały, że cząstka ta ma masę elektronu i ładunek dodatni równy ładunkowi elektronu. Anderson nazwał tę cząstkę pozytonem.

Odkrycie pozytonu przywodziło na myśl teorię Diraca. W 1928 roku Dirac uzyskał relatywistyczne równanie elektronu. Równanie to doprowadziło do wniosku, że elektron miał spin i dało dokładną wartość drobnej struktury poziomów energii wodoru. Jednak w teorii Diraca istniała nieprzyjemna rzecz zwana „trudnością plus lub minus”. W teorii względności istnieje zależność dla energii:

Zwykle znak minus jest odrzucany, ponieważ nie ma fizycznego znaczenia. Obszar dodatnich i ujemnych wartości energii został oddzielony skończoną szczeliną +m0с 2 - (-m0с 2) = 2m0с 2. Ponieważ w teorii klasycznej energia zmienia się w sposób ciągły, ujemne wartości energii są odrzucane. W teorii kwantowej dopuszczalny jest skok energii z wartości ujemnych do dodatnich. „W teorii kwantowej” – napisał Dirac w swojej książce „Podstawy mechaniki kwantowej” w 1930 r., „mogą wystąpić przejścia nieciągłe i jeśli elektron znajduje się początkowo w stanie o dodatniej energii kinetycznej, może przeskoczyć do stanu o ujemnej kinetyce energia. Dlatego nie można już ignorować istnienia stanów o energii ujemnej, jak mogłoby to zrobić w teorii klasycznej.

Szukając wyjścia, Dirac zaproponował dziwny pomysł. Zasugerował, że wszystkie elektrony we Wszechświecie zajmują poziomy o energii ujemnej, zgodnie z zasadą wykluczenia Pauliego, tworząc nieobserwowalne tło. Obserwuje się tylko elektrony o energii dodatniej. „Elektrony” – pisze Dirac – „są rozmieszczone na całym świecie i charakteryzują się dużą gęstością w każdym punkcie. Doskonała pustka to ten obszar, w którym zajęte są wszystkie stany o ujemnej energii. „Stany niewypełnione o energii ujemnej będą pojawiać się jako coś o energii dodatniej, bo żeby zniknęły, trzeba tam wprowadzić jeden elektron o energii ujemnej. Zakładamy, że te niezajęte stany o energii ujemnej to protony.”

Teoria Diraca spotkała się ze sceptycyzmem. Hipotetyczne tło elektronów wywołało nieufność; ponadto teoria Diraca, jego słowami, „była bardzo symetryczna w odniesieniu do elektronów i protonów” -

Ale proton różni się od elektronu nie tylko znakiem ładunku, ale także masą. Odkrycie pozytonu, cząstki rzeczywiście symetrycznej do elektronu, wymusiło nową ocenę teorii Diraca, która w istocie przewidywała istnienie pozytonu. pozyton i inne antycząstki. Na konferencji leningradzkiej w 1933 r. Dirac w następujący sposób nakreślił istotę teorii pozytonów: „Załóżmy, że w świecie, który znamy, prawie wszystkie stany elektronowe o energii ujemnej są zajęte przez elektrony. Ten zbiór elektronów znajdujących się na ujemnych poziomach energii, ze względu na swoją jednorodność, nie może zostać odebrany przez nasze zmysły i przyrządy pomiarowe, a jedynie poziomy nie zajęte przez elektrony, będące czymś wyjątkowym, pewnym naruszeniem jednorodności, mogą zostać przez nas zauważone dokładnie w ten sam sposób, jak zauważamy zajęte stany elektronów o dodatnich energiach. Stany niezamieszkane o energii ujemnej, tj. „Dziury” w rozkładzie elektronów o energii ujemnej będą przez nas postrzegane jako cząstki o energii dodatniej; w końcu brak ujemnej energii kinetycznej jest równoznaczny z obecnością dodatniej energii kinetycznej, ponieważ minus na minus daje plus... Rozsądne wydaje się utożsamienie takiej „dziury” z pozytonem, czyli stwierdzenie, że pozyton to „dziura” w rozkładzie elektronów o energii ujemnej.

Naturalnie elektron o energii dodatniej może przejść na niezajęty poziom energii ujemnej, emitując nadwyżkę energii 2m0c 2 w postaci kwantów promieni y.

„Według teorii Diraca” – napisał F. Joliot – „elektron dodatni, zderzając się ze swobodnym lub słabo związanym elektronem ujemnym, może zniknąć, tworząc dwa fotony emitowane w przeciwnych kierunkach. Energia każdego fotonu wynosi 0,5 · 10 eV; suma tych energii równa 106 eV odpowiada anihilacji masy dwóch elektronów.”

Istnieje również proces odwrotny - „materializacja” fotonów, kiedy „fotony o odpowiednio dużej energii zderzając się z ciężkimi jądrami, mogą wytworzyć elektrony dodatnie… foton oddziałując z jądrem, może wytworzyć dwa elektrony o przeciwnych ładunkach .”

Na konferencji w Leningradzie Joliot pokazał fotografię w komorze chmurowej, w której zarejestrowano narodziny pary elektron-pozyton.

Z książki Gwiazdy: ich narodziny, życie i śmierć [wydanie trzecie, poprawione] autor Szkłowski Józef Samuilovich

Rozdział 4 Kosmiczne masery Niedługo po odkryciu pierwszych linii radiowych międzygwiazdowego hydroksylu, realizując rutynowy program obserwacji różnych obłoków gazu międzygwiazdowego na długości fali 18 cm (linia OH!), pojawił się nowy, wyjątkowy

Z książki Sekrety przestrzeni i czasu autor Komarow Wiktor

Z książki Atomy i elektrony autor Bronsztein Matwiej Pietrowicz

Rozdział trzeci. Elektrony i promienie rentgenowskie Pod koniec XVIII wieku słynny Amerykanin Benjamin Franklin, który zasłynął nie tylko dzięki udziałowi w walce kolonii brytyjskich w Ameryce o niepodległość, ale także eksperymentom elektrycznym, a zwłaszcza wynalazkowi

Z książki Rozmowy autor Dmitriew Aleksiej Nikołajewicz

Z książki Pięć nierozwiązanych problemów nauki przez Wigginsa Arthura

Oszczędzanie promieni kosmicznych Nie wystarczy przewidzieć istnienie nowych cząstek, trzeba to potwierdzić eksperymentami. A ponieważ nikt nie miał dowodów na istnienie pozytonu, wydawało się to wątpliwe. Na początku lat trzydziestych XX wieku zainteresował się amerykański fizyk Carl Anderson

Z książki NIKOLA TESLA. WYKŁADY. ARTYKUŁY. przez Teslę Nikolę

PROMIENIE X LUB PRZEPŁYWY* W pierwszym sprawozdaniu ze swoich epokowych odkryć Roentgen wyraził przekonanie, że obserwowane przez niego zjawiska są konsekwencją jakichś nowych zaburzeń w eterze. Ten punkt widzenia wymaga dokładniejszego rozważenia, ponieważ jest prawdopodobny

Z książki O czym mówi światło autor Suworow Siergiej Georgiewicz

IV – WSZYSTKIE PROMIENIE TEGO SAMEGO RODZAJU Poprzedni akapit wyjaśnia pozorne istnienie promieni różnego rodzaju, czyli, jak to się mówi, o różnych częstotliwościach wibracji. Moim zdaniem zarówno prędkość, jak i być może wielkość cząstek są różne, co całkowicie wyjaśnia sprzeczność

Z książki Historia lasera autor Mario Bertolottiego

JAK SIŁY KOSMICZNE KSZTAŁTUJĄ NASZE LOSY* Każda żywa istota jest mechanizmem Choć wydaje się, że wpływa na nią jedynie bezpośrednie otoczenie, sfera wpływów zewnętrznych rozciąga się na nieskończoną odległość. Nie ma takiej konstelacji, mgławicy, słońca czy planety

Z książki Tweety o wszechświecie przez Chauna Marcusa

Jak fizycy rozróżniają promienie kolorowe Odkrycie falowych właściwości światła umożliwiło dokładne scharakteryzowanie poszczególnych kolorowych promieni światła. Dwa różne kolorowe promienie, niezależnie od tego, jak bardzo mogą nam się wydawać kolorowe, różnią się od siebie długością fali lub częstotliwością

Z książki Powszechność życia i wyjątkowość umysłu? autor Mosewicki Marek Izaakowicz

Kosmiczne masery Czytelnik może pomyśleć, że maser jest wynalazkiem człowieka. Jednak Natura, jak to często bywa, pokazała, że ​​pod Księżycem nie ma nic nowego! Kilka lat temu w radioastronomii naukowcy zaczęli prowadzić obserwacje na częstotliwości 1420 MHz, co

Z książki Jak zrozumieć złożone prawa fizyki. 100 prostych i zabawnych eksperymentów dla dzieci i ich rodziców autor Dmitriew Aleksander Stanisławowicz

138. Czym są promienie kosmiczne? Nie są to promienie, ale szybko naładowane cząstki z kosmosu, których pochodzenie jest wciąż słabo poznane. W 1912 roku, lecąc balonem na ogrzane powietrze na wysokości 5300 m, austriacki fizyk Victor Hess odkrył, że atomy w powietrzu znajdują się na dużych wysokościach. wysokości są pozbawione większości

Z książki Zagrożenie asteroidą-kometą: wczoraj, dziś, jutro autor Szustow Borys Michajłowicz

139. Co kosmiczne neutrina mówią nam o Wszechświecie? Neutrina to cząstki subatomowe, które praktycznie nie mają masy. Rzadko oddziałują z innymi cząstkami, co utrudnia ich wykrycie w 1930 r. Wolfgang Pauli postulował wyjaśnienie

Z książki Marie Curie. Radioaktywność i pierwiastki [najpilniej strzeżona tajemnica materii] autor Paes Adela Muñoz

Z książki autora

36 Łapanie promieni w mętnej wodzie Do doświadczenia potrzebne będą: szkło powiększające (może wystarczą okulary dziadka lub babci), trzylitrowy słoik, świeca, pół łyżeczki mąki. Weź trochę zwykłej mąki, pół łyżeczki. Rozcieńczyć go w wodzie, tak aby był

Z książki autora

4.3. Efekty niegrawitacyjne. Kosmiczne wyprawy do jąder komet To, co dzisiaj jest nauką, jutro będzie technologią. Edward Teller W przeciwieństwie do asteroid, komety wykazują charakterystyczne cechy w swoim ruchu, które powszechnie nazywane są efektami niegrawitacyjnymi. Pod

Z książki autora

PROMIENIE W CIEMNOŚCI Pierwsze pytanie, jakie zadała sobie para, dotyczyło przedmiotu badań Mary. Pierre był już znanym naukowcem, gdy poznał Marię, co ona doskonale rozumiała, pomimo braku uznania ze strony oficjalnych instytucji naukowych we Francji, takich jak

−1 i równa masie elektronu. Kiedy pozyton oddziałuje z elektronem, ich masa zamienia się w energię w postaci dwóch (a znacznie rzadziej trzech lub więcej).

Pozytony powstają w jednym z typów (emisja pozytonów), a także podczas oddziaływania z energiami większymi niż 1,022 MeV s. Ten ostatni proces nazywa się „narodzinami pary”, ponieważ podczas jego realizacji foton oddziałując z polem elektromagnetycznym tworzy jednocześnie pozyton.

Otwarcie

Istnienie pozytonu zostało po raz pierwszy zaproponowane w r. Teoria Diraca opisywała nie tylko elektron o ujemnym ładunku elektrycznym, ale także podobną cząstkę o ładunku dodatnim. Brak takiej cząstki w przyrodzie uznano za oznakę „dodatkowych rozwiązań” równań Diraca. Ale odkrycie pozytonu było triumfem teorii.

Zgodnie z teorią Diraca elektron i pozyton mogą narodzić się jako para, a proces ten musi wymagać energii równej energii spoczynkowej tych cząstek, 2 × 0,511 MeV. Ponieważ wiadomo było, że naturalne kwanty emitują kwanty γ o energii większej niż 1 MeV, wydawało się możliwe otrzymanie pozytonów w laboratorium, co zostało zrobione. Eksperymentalne porównanie właściwości pozytonów i elektronów wykazało, że wszystkie cechy fizyczne tych cząstek, z wyjątkiem znaku ładunku elektrycznego, są zbieżne.

Unicestwienie

Z teorii Diraca wynika, że ​​gdy elektron i pozyton zderzają się, muszą wyzwolić energię równą całkowitej energii zderzających się cząstek. Okazało się, że proces ten zachodzi głównie po spowolnieniu pozytonu w materii, gdy energia całkowita dwóch cząstek jest równa ich energii spoczynkowej wynoszącej 1,022 MeV. Eksperymentalnie zarejestrowano pary kwantów γ o energii 0,511 MeV, rozpraszających się w dokładnie przeciwnych kierunkach od celu napromieniowanego przez pozytony. Wynika z tego potrzeba pojawienia się nie jednego, ale dwóch kwantów γ podczas anihilacji elektronu i pozytonu. Całkowity pęd zatrzymanego pozytonu i elektronu przed procesem transformacji jest równy zeru, ale nie może wynosić zero, gdy w wyniku anihilacji powstaje tylko jeden kwant γ.

Konsekwencje odkrycia pozytonu

Jako pierwszy odkryto pozyton. Istnienie antycząstki elektronowej oraz zgodność całkowitych właściwości dwóch antycząstek z wnioskami teorii Diraca, które można uogólnić na inne cząstki, wskazywały na możliwość parowego charakteru wszystkich cząstek elementarnych i ukierunkowały późniejsze badania fizyczne. Orientacja ta okazała się niezwykle owocna i obecnie sparowana natura cząstek elementarnych jest ściśle ustalonym prawem natury, potwierdzonym dużą liczbą faktów eksperymentalnych.

Literatura

• Klimov A.N. Fizyka jądrowa i reaktory jądrowe. M. Atomizdat, 1971.