Antiparticule. Raze cosmice. Descoperirea pozitronului

Studiază interacțiunea cuantelor γ cu învelișul de electroni a unui atom. Pentru a observa urmele electronilor, el a fost primul care a folosit o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic. Această metodă de înregistrare a făcut posibilă măsurarea energiei electronilor din curbura pistei. Sursa de γ quanta a fost situată lângă camera cu nori. Analizând fotografiile obținute, D. Skobeltsyn a obținut pentru prima dată o serie de rezultate noi despre mecanismul de interacțiune a γ-quanta cu un atom: a măsurat secțiunile transversale pentru interacțiunea γ-quanta cu diferiți atomi și a măsurat ionizarea pierderi în timpul mișcării unei particule încărcate într-un mediu. Cu toate acestea, traiectoriile electronilor de înaltă energie observați într-o cameră cu nori, necurbată într-un câmp magnetic, au trezit mult mai mult interes. D. Skobeltsyn a concluzionat că aceste traiectorii aparțin electronilor din magnitudinea ionizării de-a lungul traseului unei particule care zboară într-o cameră cu nori. Skobeltsyn a concluzionat că aceste urme aparțin electronilor radiației cosmice, dar nu sunt îndoite, deoarece au mare energie. Această ipoteză a fost în curând confirmată - urmele nu au dispărut după ce sursa de radiație γ a fost îndepărtată. Energia electronilor cosmici, conform estimărilor lui Skobeltsyn, a fost de ~ 1 GeV. În mod neașteptat, s-a dovedit că nu toate particulele au fost îndoite în aceeași direcție în câmpul magnetic. Unele particule au fost deviate ca și cum ar avea o sarcină pozitivă. La început, aceste urme au fost confundate cu protoni încărcați pozitiv. Cu toate acestea, natura ionizării de-a lungul pistei a fost aceeași ca și în cazul electronilor. Pentru a înțelege natura acestor particule, a fost necesar să se măsoare direcția de mișcare a particulelor și să se măsoare energia lor.
Rezultatele lui D. Skobeltsyn și metoda pe care a dezvoltat-o ​​pentru detectarea particulelor de radiații cosmice au trezit un mare interes în rândul fizicienilor. Mai multe laboratoare au început să creeze instalații similare. La Laboratorul Cavendish, P. Blackett și J. Occhialini au preluat această sarcină, iar în SUA, experimentele cu o cameră cu nori într-un câmp magnetic au fost începute de un tânăr cercetător
K. Anderson, care a lucrat sub conducerea laureatului Nobel J. Millikan. Până în 1932, K. Anderson făcuse câteva sute de fotografii ale particulelor cosmice într-o cameră cu nori într-un câmp magnetic. La fel ca D. Skobeltsyn, K. Anderson a observat urme ale particulelor încărcate atât negativ, cât și pozitiv.
În 1932, în revista Science a apărut o notă a lui K. Anderson, în care a raportat descoperirea unei noi particule în razele cosmice. Această particulă avea aceeași masă ca și electronul descoperit anterior, dar, spre deosebire de electron, nu avea o sarcină electrică negativă, ci pozitivă. Această observație a fost făcută de Anderson din observațiile traiectoriilor particulelor într-o cameră cu nori într-un câmp magnetic puternic.
S-a dovedit că particulele de raze cosmice observate de K. Anderson sunt îndoite într-o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic în direcții opuse, adică. Printre particulele înregistrate în camera de nor au fost atât particule încărcate negativ, cât și pozitive.

Orez. 3.1. Urme de particule cosmice obținute de Anderson într-o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic de 20.000–25.000 de oersted.

După experimentele lui Blackett și Occhialini, nu mai exista nicio îndoială că pozitronul era o nouă particulă. În plus, pentru prima dată au reușit să înregistreze în mod fiabil nașterea unei perechi electron-pozitron în timpul interacțiunii cuantei γ cu materia. Blackett și Occhialini au subliniat pentru prima dată că pozitronul este tocmai particula pe care P. Dirac o prezisese cu puțin timp înainte.
Curând a devenit clar că pozitronii pot fi produși nu numai în raze cosmice, ci și sub influența cuantelor γ cu energii mai mari de 1 MeV. Dacă plasați o placă de plumb într-o cameră cu nori și o iradiați cu γ-quanta dintr-o sursă radioactivă cu o energie γ-quanta > 1 MeV, atunci puteți observa două particule născute într-un punct, care sunt deviate în direcții opuse de un câmp magnetic, acestea sunt un electron și un pozitron. Nașterea pozitronilor are loc întotdeauna în perechi cu un electron.

γ → e + + e - .

În fig. Figura 3.3 arată nașterea unei perechi electron-pozitron într-o cameră cu nori umplută cu cripton.

Orez. 3.3. Nașterea unei perechi electron-pozitron într-o cameră cu nori.

Descoperirea pozitronului, o particulă ale cărei caracteristici sunt identice cu electronul cu excepția semnului sarcinii electrice (pentru pozitron este pozitiv), a fost un eveniment extrem de important în fizică. În 1928, P. Dirac a propus o ecuație pentru a descrie mecanica cuantică relativistă a electronului. S-a dovedit că ecuația lui Dirac are două soluții, ambele cu energie pozitivă și negativă. O stare de energie negativă descrie o particulă similară cu un electron, dar cu o sarcină electrică pozitivă.

P. Blackett, G. Occhialini: „Potrivit raportului lui Anderson, au găsit mai multe urme care ar trebui atribuite particulelor încărcate pozitiv cu masă neglijabilă. Anderson oferă descrieri detaliate ale acestor fotografii, deși fotografiile în sine nu sunt reproduse. Pe una dintre ele, direcția de mișcare poate fi dedusă fără ambiguitate din modificarea curburii căii după trecerea prin placa de plumb. Într-o altă fotografie, două urme care ies din placă sunt curbate în direcții opuse. Pe al treilea, două particule părăsesc placa, deviând în direcția în care sarcinile pozitive s-ar abate. Lungimea traseului și ionizarea caracteristică - toate acestea, împreună cu cea anterioară, îi oferă lui Anderson motive să afirme că ne confruntăm cu particule încărcate pozitiv cu o masă semnificativ mai mică decât masa unui proton.”

P. Blackett, G. Occhialini. „Distrugerea atomilor de către razele cosmice și electronul pozitiv”.

Pozitronul a fost prima particulă descoperită dintr-o întreagă clasă de particule numite antiparticule. Înainte de descoperirea pozitronului, diferitele roluri ale sarcinilor pozitive și negative din natură păreau misterioase. De ce există un proton greu, încărcat pozitiv, dar nu o particulă grea cu masa unui proton și o sarcină negativă? Dar există un electron ușor încărcat negativ. Descoperirea pozitronului a restabilit în esență simetria sarcinii pentru particulele de lumină. În teoria câmpului cuantic, electronul și pozitronul sunt particule complet egale. Un pozitron este o particulă stabilă și poate exista în spațiul gol, la fel ca un electron, la infinit. Cu toate acestea, atunci când un electron și un pozitron se ciocnesc, ei se anihilează. Electronul și pozitronul dispar, iar în locul lor se nasc doi γ ‑ cuantică (foton):

e - + e + → 2γ.

Există o transformare a particulelor cu masă diferită de zero (masa electronilor mc 2 = 0,511 MeV) în particule cu masă zero (fotoni).
Odată cu procesul de anihilare, a fost descoperit și procesul de naștere a unei perechi de particule - un electron și un pozitron. Perechile electron-pozitron au fost produse de γ-quanta cu o energie de câțiva MeV în câmpul Coulomb al nucleului atomic.
Atunci când particulele de înaltă energie interacționează cu materia, procesele de creare și anihilare a particulelor și antiparticulelor conduc la nașterea unui număr mare de particule secundare generate de o particulă primară de mare energie - averse în cascadă (Fig. 3.4, 3.5, 3.6) .

1. Este descrisă o metodă prin care este posibil să forțezi particulele cu o energie enormă să fotografieze urmele propriilor căi într-o cameră cu nori.
2. Este desenată o imagine a fenomenelor cele mai izbitoare și caracteristice surprinse prin această metodă în unele dintre cele 500 de fotografii reușite; A fost discutată problema naturii „dușurilor” care constau din particule care oferă o combinație de mai multe sau chiar mai multe căi simultan în fotografii.
3. Luarea în considerare a intervalului, ionizării, curburii și direcției de mișcare a particulelor conduce la confirmarea concepției, exprimată mai întâi de Anderson, că trebuie să existe particule cu o sarcină pozitivă, dar cu o masă mai comparabilă cu masa unui electron decât cu cea a unui electron. alerga...
4. Se examinează problema originii electronilor pozitivi și negativi într-un duș... Comportarea ulterioară a electronilor pozitivi este considerată în lumina teoriei Dirac a „găurilor”.

Premiul Nobel pentru Fizică

1948 − P. Blackett. Pentru îmbunătățirea metodei camerei cu nori și a descoperirilor făcute în legătură cu aceasta în domeniul fizicii nucleare și al radiațiilor cosmice.

Orez. 3.4. Un pozitron creat de razele gamma într-o placă de plumb și trecut printr-o placă de aluminiu de 0,55 mm grosime. Energia pozitronilor deasupra plăcii de aluminiu este de 820 keV, sub placa de aluminiu este de 520 keV.

P. Blackett, G. Occhialini: „A face primul pas în dezvăluirea acestor fenomene complexe înseamnă, în primul rând, a stabili, prin identificare, natura particulelor care generează urmele. Acest lucru nu este complet ușor de rezolvat, deoarece datele culese din fotografii și folosite pentru a trage concluzii sunt adesea contradictorii. Cu toate acestea, aparent, este inevitabil să ajungem la concluzia minunată, risipitoare, pe care Anderson a făcut-o deja când a descifrat fotografii similare. Constă în faptul că unele dintre urme trebuie atribuite unor particule care poartă o sarcină pozitivă, dar au o masă neglijabilă în comparație cu masa protonului.”

Orez. 3.5. Dezvoltarea dușului în plăci de plumb.

Orez. 3.6. Dezvoltarea dușului în plăci de plumb.

P. Blackett, G. Occhialini:„Pentru a determina semnul sarcinii unei particule, trebuie să știți în ce direcție s-a deplasat de-a lungul pistei. Există patru moduri de a afla despre asta din fotografii:

Particula pătrunde într-o placă de metal suficient de groasă, astfel încât, la ieșirea din ea, particula și-a pierdut o parte notabilă din energie. Este evident că în acest caz mișcarea are loc dinspre partea valorii mai mari a lui Hρ spre cea mai mică. Altfel, ar trebui să presupunem existența unui câștig de energie în interiorul plăcii, iar această posibilitate este atât de improbabilă încât avem dreptul să o respingem. Dacă, la fotografiere, se întâlnește o particulă foarte lentă, atunci există posibilitatea de a detecta o modificare a Hρ cauzată de pierderea constantă de energie în timpul trecerii particulei prin gaz.

1. Pe de altă parte, dacă particula provoacă apariția oricărei particule secundare cu energie suficientă, de exemplu, într-o coliziune cu un electron liber, atunci unghiul dintre pista secundară și primar va indica direcția de mișcare a particulelor.
2. Dacă un grup de piste diverge de la un punct comun sau o regiune mică a spațiului, atunci există o probabilitate foarte mare - deși nu o certitudine - ca fiecare particulă a unui astfel de grup să se îndepărteze de această regiune.
3. Dacă traseul este observat într-o direcție aproape verticală, atunci este mai probabil ca particula să se miște mai degrabă în jos decât în ​​sus. Ultima presupunere se bazează pe faptul incontestabil că ionizarea sub influența radiației cosmice crește de la adâncimi la înălțimi. Cu toate acestea, este dificil să se estimeze numeric această probabilitate, deoarece repetabilitatea unor astfel de fenomene, așa cum este înregistrată în Fig. 13, unde există cel puțin o particulă reflectată în sus.”

În fizica clasică, conceptele de particule și unde sunt puternic diferențiate - unele obiecte fizice sunt particule, în timp ce altele sunt unde. Transformarea perechilor electron-pozitron în fotoni a oferit o confirmare suplimentară a ideii că există multe în comun între radiație și materie.

P. Blackett, G. Occhialini:„Este clar că există mai multe procese diferite care dau naștere unor căi complexe de precipitații. Într-un număr mic de cazuri, acest proces este destul de simplu. O particulă care intră - de obicei un electron negativ sau pozitiv - elimină, după toate probabilitățile, trei sau mai multe particule dintr-un singur nucleu. Orez. 17 confirmă clar că particula incidentă ejectează 2 electroni din nucleul de cupru (ambele cu E e ≈ 13 10 6 V ) împreună cu un proton. Erupția ar fi putut fi însoțită și de alte particule, dar aparent aveau o distanță de parcurs prea insuficientă pentru a depăși grosimea plăcii și a ieși din ea. Orez. 13 oferă o imagine a doi electroni (E e ≈ 10 10 6 și 13 10 6 V) doborâți din nucleul plumb și alți doi cu energie mai mare ( E e > 100 10 6 V ), eliminat în vârf. Este posibil ca unul dintre ultimele două să fie o particulă incidentă care explodează nucleul, iar apoi celălalt electron să fie unul dintre fragmentele care zboară în sus în timpul exploziei. De asemenea, este posibil ca ambele particule superioare să fie produse ale distrugerii miezului; atunci în acest caz autodistrugerea va trebui să fie atribuită unui agent neionizant.
Cu toate acestea, ambele cazuri sunt relativ simple în comparație cu imaginea complexă a ploilor abundente. În acest proces cel mai tipic are loc o erupție simultană a unui număr de particule care zboară cu o energie enormă. Aceste particule sunt de obicei ejectate în direcții cuprinse într-un con destul de îngust, dar există cazuri (Fig. 12) când acest con este destul de lat. Este destul de firesc să căutăm o explicație pentru conul îngust de dispersie a particulelor în impulsul care le-a fost transmis în momentul impactului de către o particulă incidentă care are o energie extrem de mare. Nu este încă posibil să se stabilească natura tuturor particulelor ejectate din nucleu, dar, aparent, printre ele predomină electronii negativi și pozitivi; Există unele indicii, deși încă insuficiente, că, într-un număr de cazuri, ambii electroni sunt eliminați în aproximativ aceeași cantitate.
Aspectul acestor particule este de mare interes; în special, fără îndoială, ele se nucleează adesea într-un material cu greutate atomică ușoară și medie, deoarece centrii emitenți se găsesc în aer, sticlă, aluminiu și cupru. Conform celor mai recente idei despre structura nucleului, astfel de nuclee ușoare nu ar trebui să aibă electroni negativi liberi. Și cel puțin electroni pozitivi și negativi au fost deja găsiți provenind dintr-un centru punctual separat de radiație din sticlă, cupru sau plumb (Fig. 12, 11 și 10) și, prin urmare, după toate probabilitățile, dintr-un nucleu separat.
Există trei ipoteze posibile pe care avem dreptul să le facem cu privire la apariția acestor particule: ele ar putea exista în miezul distrus de la bun început, chiar înainte de coliziune; ele ar putea exista în particula incidentă; în cele din urmă, acestea ar putea apărea în timpul procesului de coliziune. În absența oricărei dovezi independente a existenței independente a particulelor înainte ca nucleul să fie agitat, este rezonabil să acceptăm ultima dintre aceste trei ipoteze. Apoi, având în vedere dificultățile binecunoscute care apar atunci când se tratează electronii din interiorul nucleelor ​​ca obiecte mecanice independente, ipoteza din urmă are poate un avantaj mai mare în acest sens. Apoi, conform acestei ipoteze, toate ploile (împreună cu dezintegrarea β obișnuită) ar trebui imaginate ca procesul de apariție a unei particule în sensul literal al cuvântului.
Această întrebare este extrem de strâns legată de problema structurii neutronului. Conform viziunii neutronului ca o particulă complexă, electronii negativi în averse pot fi obținuți prin împărțirea fiecărui neutron într-un electron negativ și un proton, dar această schemă nu explică apariția electronilor pozitivi. În plus, aceasta duce la faptul că ar trebui să ne așteptăm la mai multe urme de protoni în fotografii decât se observă de fapt.”

P. Blackett, G. Occhialini:„Existența electronilor pozitivi în aceste averse ridică imediat o întrebare firească: de ce au scăpat de observație până acum? Este clar că ele pot avea doar o durată de viață limitată ca particule libere, deoarece nu apar în nicio substanță în condiții normale.
Este foarte posibil ca acestea să se poată combina cu alte particule elementare și să formeze nuclee stabile, încetând în același timp să fie libere. Dar pare mai acceptabil ca acestea să dispară atunci când interacționează cu un electron negativ, eliberând 2 cuante sau mai multe.
Acest ultim mecanism este dat direct în teoria Dirac a electronilor.Potrivit acestei teorii, stările cuantice din regiunea energiei cinetice negative, care reprezentau anterior un obstacol de netrecut în calea interpretării fizice, sunt aproape toate, cu puține excepții, pline cu electroni negativi. . Cele câteva stări neocupate se comportă ca niște particule obișnuite cu energie cinetică pozitivă și sarcină pozitivă. Dirac însuși s-a gândit să identifice aceste „găuri” cu protoni, dar acest lucru a trebuit să fie abandonat când s-a stabilit că aceste „găuri” ar trebui să aibă aceeași masă cu electronii negativi. Sarcina imediată și importantă care urmează este de a determina experimental masa electronului pozitiv prin măsurători precise ale ionizării și Hρ . Acum putem spune doar că absența unei diferențe între ionizarea urmelor de electroni negativi și pozitivi în același timp Hρ a devenit certitudine, iar aceasta servește indirect ca dovadă temporară a egalității maselor lor.
Conform teoriei lui Dirac, electronii pozitivi au doar o durată de viață medie foarte scurtă până când un electron negativ de sus sare cu ușurință într-o stare neocupată. Astfel, „gaura” va fi umplută, iar electronii pozitivi și negativi vor dispărea în același timp; în acest caz vor fi emise 2 cuante de energie.
Ne simțim obligați prof. Dirac nu numai pentru o discuție foarte valoroasă și repetată a acestor probleme, ci și pentru permisiunea de a prezenta rezultatele calculelor sale pentru a determina probabilitatea reală a acestui proces de „anihilare” (dispariție) a electronilor. Dimensiunile secțiunii transversale ale electronilor în timpul anihilării (în unități de suprafață) sunt:

și γ = (1 − v2/c2) -1/2, iar v este viteza electronului pozitiv.”

În nucleele atomice stabile există o anumită relație de echilibru între numărul de protoni Z și numărul de neutroni din nucleul N

unde A + Z + N. Dacă numărul de protoni depășește această valoare de echilibru, atunci protonul p din nucleu se poate transforma, ca urmare a dezintegrarii β +, într-un neutron n, un pozitron e + și un neutrin electronic ν e

p → n + e + + ν e .

Pozitronii se formează în timpul dezintegrarii β + a nucleelor ​​atomice. Pentru prima dată, pozitronii produși în timpul dezintegrarii β + au fost observați de F. Joliot și I. Curie.
O astfel de dezintegrare are loc numai în interiorul nucleului atomic. Un proton liber este o particulă stabilă deoarece masa sa m(p) este mai mică decât suma maselor neutronului m(n), pozitronului m(e +) și neutrinului m(ν e). O situație similară apare și în cazul nucleelor ​​supraîncărcate cu neutroni în raport cu valoarea de echilibru. Neutronul n din interiorul nucleului se descompune, transformându-se într-un proton p, un electron e - și un electron antineutrin e

n → p + e - + e.

Cu toate acestea, spre deosebire de un proton, dezintegrarea unui neutron liber este posibilă, deoarece masa în repaus a unui neutron m(n) este mai mare decât suma maselor unui proton m(p), electronului m(e -) și electronului antineutrin m(e). Dezintegrarea protonilor și neutronilor din nucleul atomic a dus la apariția unui concept extrem de profund al fizicii particulelor - ca urmare a descompunerii, apar noi particule care nu erau în starea inițială. Antineutronul proton, electroni și electroni nu există în interiorul neutronului; ele se formează în timpul dezintegrarii beta a neutronului. Acest concept a fost dezvoltat pentru prima dată de E. Fermi în teoria sa despre dezintegrarea β.
Procesele de dezintegrare β, anihilare și crearea perechilor ne-au forțat să regândim ce este o particulă elementară. O particulă elementară a încetat să mai fie o „cărămidă” imuabilă în structura materiei. A apărut un nou concept extrem de profund al transformării reciproce a particulelor elementare. S-a dovedit că particulele elementare pot să se nască și să dispară, transformându-se în alte particule elementare.

Surse de pozitroni

Pozitronii se formează în timpul dezintegrarii nucleilor β + -radioactivi, majoritatea fiind produși artificial sau au rămas pe Pământ ca produse ale nucleosintezei în stele.

22 Na – sursă de pozitroni

Izotopul 22 Na este utilizat pe scară largă ca sursă de pozitroni. Timpul de înjumătățire al izotopului 22 Na este de 2,6 ani. În 90% din cazuri, dezintegrarea apare ca urmare a dezintegrarii β+

22 Na → 22 Ne + e + + ν e,

cu formarea izotopului stabil 22 Ne (fig. 3.7).
În 10% din cazuri, dezintegrarea 22 Na are loc ca urmare a capturii electronice

22 Na + e - → 22 Ne + ν e.

Orez. 3.7. Sursă radioactivă de pozitroni 22 Na.

Aproape 100% din dezintegrari apar în prima stare excitată de 22 Ne cu energie E* = 1,27 MeV, J P = 2 + . Dezintegrarea la starea fundamentală 22 Ne J P = 0 + este 0,05%. Prin urmare, dezintegrarea β + a 22 Na este aproape întotdeauna însoțită de apariția unui cuantum γ cu o energie de 1,27 MeV.

ANTI-PARTICULA O antiparticulă este o particulă geamănă a unei alte particule elementare, având aceeași masă și același spin, dar care diferă de aceasta prin semnele tuturor celorlalte caracteristici de interacțiune (sarcini, cum ar fi sarcinile electrice și de culoare, cuantica barionului și leptonului). numere). Însăși definiția a ceea ce să numiți „particulă” într-o pereche particule-antiparticule este în mare măsură arbitrară. Cu toate acestea, pentru o anumită alegere de „particulă”, antiparticula acesteia este determinată în mod unic. Conservarea numărului de barion în procesele de interacțiune slabă face posibilă determinarea „particulei” din orice pereche barion-antibarion din lanțul dezintegrarilor barionului. Alegerea unui electron ca „particulă” în perechea electron-pozitron fixează (datorită conservării numărului de leptoni în procesele de interacțiune slabă) determinarea stării „particulei” în perechea electron neutrino-antineutrino. Nu s-au observat tranziții între leptoni din diferite generații, astfel încât definiția unei „particule” în fiecare generație de leptoni, în general vorbind, se poate face independent. De obicei, prin analogie cu un electron, leptonii încărcați negativ sunt numiți „particule”, care, păstrând numărul de leptoni, determină neutrinii și antineutrinii corespunzători. Pentru bosoni, conceptul de „particulă” poate fi fixat prin definiția, de exemplu, a unei hiperîncărcări.

EXISTENTA ANTI-PARTICULELOR Existenta antiparticulelor a fost prezisa de P. A. M. Dirac. Ecuația relativistă cuantică a mișcării electronilor (ecuația Dirac) pe care a obținut-o în 1928 conținea în mod necesar soluții cu energii negative. S-a demonstrat ulterior că dispariția unui electron cu energie negativă ar trebui interpretată ca apariția unei particule (de aceeași masă) cu energie pozitivă și sarcină electrică pozitivă, adică o antiparticulă față de electron. Această particulă, pozitronul, a fost descoperită în 1932. În experimentele ulterioare s-a stabilit că nu numai electronul, ci și toate celelalte particule au propriile lor antiparticule. În 1936, muonul (μ−) și μ+ antiparticula lui au fost descoperite în raze cosmice, iar în 1947 - mezonii π− și π+ -, formând o pereche particule-antiparticule; în 1955, un antiproton a fost detectat în experimentele cu accelerator, în 1956 - un antineutron, în 1966 - antideuteriu, în 1970 - antiheliu, în 1998 - antihidrogen etc.

NAȘTEREA ANTI-PARTICULElor Nașterea antiparticulelor are loc în ciocnirile de particule de materie accelerate până la energii care depășesc pragul de naștere a unei perechi particule-antiparticule (vezi Nașterea perechilor). În condiții de laborator, antiparticulele se nasc în interacțiunile particulelor la acceleratori; Antiparticulele rezultate sunt stocate în inele de stocare sub vid înalt. În condiții naturale, antiparticulele se nasc în timpul interacțiunii razelor cosmice primare cu materia, de exemplu, atmosfera Pământului, și ar trebui să se nască, de asemenea, în vecinătatea pulsarilor și a nucleelor ​​galactice active. Astrofizica teoretică are în vedere formarea de antiparticule (pozitroni, antinucleoni) în timpul acreției de materie pe găurile negre. În cadrul cosmologiei moderne, nașterea antiparticulelor este luată în considerare în timpul evaporării găurilor negre primare de masă mică. La temperaturi peste energia de repaus a particulelor de un anumit tip (în sistemul energetic al unităților), perechile particule-antiparticule sunt prezente în echilibru cu materia și radiația electromagnetică. Astfel de condiții pot fi realizate pentru perechile electron-pozitron din nucleele fierbinți ale stelelor masive. Conform teoriei universului fierbinte, în primele etape ale expansiunii universului, perechile particule-antiparticule de tot felul erau în echilibru cu materia și radiația. În conformitate cu modelele de mare unificare, efectele încălcării invarianței C- și CP în procesele de neechilibru cu neconservarea numărului de barion ar putea duce în Universul foarte timpuriu la asimetria barionică a Universului chiar și în condiții de egalitate inițială strictă a numărul de particule și antiparticule. Aceasta oferă o justificare fizică a lipsei de date observaționale privind existența obiectelor formate din antiparticule în Univers.

POZITRON Pozitronul (din engleza pozitiv - pozitiv) este antiparticula electronului. Aparține antimateriei, are o sarcină electrică de +1, un spin de 1/2, o sarcină leptonică de - 1 și o masă egală cu masa unui electron. Când un pozitron și un electron se anihilează, masa lor este convertită în energie sub forma a două (și mult mai rar, trei sau mai multe) cuante gamma. Pozitronii apar într-unul dintre tipurile de dezintegrare radioactivă (emisia de pozitroni), precum și în timpul interacțiunii fotonilor cu energii mai mari de 1,022 Me. În substanță. Ultimul proces se numește „producție de perechi”, deoarece în timpul implementării sale, un foton, interacționând cu câmpul electromagnetic al nucleului, formează atât un electron, cât și un pozitron. Pozitronii pot apărea și în procesele de creare a perechilor electron-pozitron într-un câmp electric puternic.

DEscoperirea pozitronului Existența pozitronului a fost propusă pentru prima dată în 1928 de Paul Dirac. Teoria lui Dirac a descris nu numai un electron cu o sarcină electrică negativă, ci și o particulă similară cu o sarcină pozitivă. Absența unei astfel de particule în natură a fost considerată ca o indicație a „soluțiilor suplimentare” la ecuațiile Dirac. Dar descoperirea pozitronului a fost un triumf al teoriei. Pozitronul a fost descoperit în 1932 de către fizicianul american Anderson în timp ce observa radiația cosmică folosind o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic. El a fotografiat urme de particule care semănau îndeaproape cu urmele de electroni, dar aveau un câmp magnetic îndoit în direcția opusă pistelor de electroni, indicând o sarcină electrică pozitivă pe particulele detectate. La scurt timp după această descoperire, folosind tot o cameră cu nori, au fost făcute fotografii care au făcut lumină asupra originii pozitronilor: sub influența γ cuante din radiația cosmică secundară, pozitronii s-au născut în perechi cu electronii obișnuiți. Astfel de proprietăți ale particulei nou descoperite s-au dovedit a fi în acord izbitor cu teoria relativistă deja existentă a electronului Dirac. În 1934, Irene și Frederic Joliot-Curie din Franța au descoperit o altă sursă de pozitroni - radioactivitatea β+.

ANIHILAREA Din teoria lui Dirac rezultă că un electron și un pozitron într-o coliziune trebuie să se anihileze odată cu eliberarea de energie egală cu energia totală a particulelor care se ciocnesc. S-a dovedit că acest proces are loc în principal după decelerația unui pozitron în materie, când energia totală a două particule este egală cu energia lor de repaus de 1,022 Me. B. Au fost înregistrate experimental perechi de γ-quante cu o energie de 0,511 Me. B, împrăștiere în direcții direct opuse față de ținta iradiată cu pozitroni. Necesitatea apariției nu a unei, ci a cel puțin două γ-quante în timpul anihilării unui electron și a unui pozitron rezultă din legea conservării impulsului. Momentul total din sistemul centrului de masă al pozitronului și electronului înainte de procesul de transformare este egal cu zero, dar dacă în timpul anihilării ar apărea un singur cuantum γ, acesta ar duce la distanță impulsul, care nu este egal cu zero în niciun caz. cadru de referință.

Acord

Reguli de înregistrare a utilizatorilor pe site-ul „MARCA DE CALITATE”:

Este interzisă înregistrarea utilizatorilor cu porecle similare cu: 111111, 123456, ytsukenb, lox etc.;

Este interzisă reînregistrarea pe site (crearea de conturi duplicate);

Este interzisă utilizarea datelor altor persoane;

Este interzisă utilizarea adreselor de e-mail ale altor persoane;

Reguli de conduită pe site, forum și în comentarii:

1.2. Publicarea datelor personale ale altor utilizatori în profil.

1.3. Orice acțiuni distructive în legătură cu această resursă (scripturi distructive, ghicirea parolei, încălcarea sistemului de securitate etc.).

1.4. Folosind cuvinte și expresii obscene ca poreclă; expresii care încalcă legile Federației Ruse, standardele etice și morale; cuvinte și expresii asemănătoare poreclelor administrației și moderatorilor.

4. Încălcări ale categoriei a 2-a: Se pedepsește cu interzicerea completă a trimiterii oricărui tip de mesaje timp de până la 7 zile. 4.1 Publicarea de informații care intră sub incidența Codului penal al Federației Ruse, Codului administrativ al Federației Ruse și contravin Constituției Federației Ruse.

4.2. Propaganda sub orice forma de extremism, violenta, cruzime, fascism, nazism, terorism, rasism; incitarea la ură interetnică, interreligioasă și socială.

4.3. Discuție incorectă asupra lucrării și insulte la adresa autorilor textelor și notițelor publicate pe paginile „SEMNE DE CALITATE”.

4.4. Amenințări la adresa participanților la forum.

4.5. Postarea de informații în mod deliberat false, calomnie și alte informații care discreditează onoarea și demnitatea atât a utilizatorilor, cât și a altor persoane.

4.6. Pornografie în avatare, mesaje și citate, precum și link-uri către imagini și resurse pornografice.

4.7. Discuție deschisă a acțiunilor administrației și moderatorilor.

4.8. Discuție publică și evaluare a regulilor actuale sub orice formă.

5.1. Înjurăturile și blasfemia.

5.2. Provocări (atacuri personale, discreditare personală, formarea unei reacții emoționale negative) și hărțuirea participanților la discuții (utilizarea sistematică a provocărilor în relație cu unul sau mai mulți participanți).

5.3. Provocarea utilizatorilor să intre în conflict între ei.

5.4. Nepoliticos și grosolănie față de interlocutori.

5.5. Obținerea personală și clarificarea relațiilor personale pe firele de forum.

5.6. Inundații (mesaje identice sau fără sens).

5.7. Scrierea greșită intenționată a poreclelor sau a numelor altor utilizatori într-o manieră ofensatoare.

5.8. Editarea mesajelor citate, denaturarea sensului acestora.

5.9. Publicarea corespondenței personale fără acordul expres al interlocutorului.

5.11. Trollingul distructiv este transformarea intenționată a unei discuții într-o încăierare.

6.1. Supracitarea (citarea excesivă) a mesajelor.

6.2. Utilizarea unui font roșu destinat corecțiilor și comentariilor de către moderatori.

6.3. Continuarea discuțiilor despre subiecte închise de un moderator sau administrator.

6.4. Crearea de subiecte care nu au conținut semantic sau sunt provocatoare în conținut.

6.5. Crearea titlului unui subiect sau mesaj în întregime sau parțial cu majuscule sau într-o limbă străină. Se face excepție pentru titlurile subiectelor permanente și subiectele deschise de moderatori.

6.6. Creați o semnătură într-un font mai mare decât fontul de post și utilizați mai mult de o paletă de culori în semnătură.

7. Sancțiuni aplicate celor care încalcă Regulile Forumului

7.1. Interzicerea temporară sau permanentă a accesului la Forum.

7.4. Ștergerea unui cont.

7.5. blocare IP.

8. Note

8.1 Sancțiunile pot fi aplicate de către moderatori și administrație fără explicații.

8.2. Pot fi aduse modificări acestor reguli, care vor fi comunicate tuturor participanților la site.

8.3. Utilizatorilor li se interzice utilizarea clonelor în perioada în care porecla principală este blocată. În acest caz, clona este blocată pe termen nelimitat, iar porecla principală va primi o zi suplimentară.

8.4 Un mesaj care conține un limbaj obscen poate fi editat de un moderator sau administrator.

9. Administrare Administrația site-ului „SEMNE DE CALITATE” își rezervă dreptul de a șterge orice mesaje și subiecte fără explicații. Administrația site-ului își rezervă dreptul de a edita mesajele și profilul utilizatorului dacă informațiile din acestea încalcă doar parțial regulile forumului. Aceste puteri se aplică moderatorilor și administratorilor. Administrația își rezervă dreptul de a modifica sau completa aceste Reguli, dacă este necesar. Necunoașterea regulilor nu exonerează utilizatorul de responsabilitatea pentru încălcarea acestora. Administrația site-ului nu este în măsură să verifice toate informațiile publicate de utilizatori. Toate mesajele reflectă doar opinia autorului și nu pot fi folosite pentru a evalua opiniile tuturor participanților la forum în ansamblu. Mesajele angajaților și moderatorilor site-ului sunt o expresie a opiniilor lor personale și pot să nu coincidă cu opiniile editorilor și conducerii site-ului.

Descoperirea pozitronului. Antiparticule

Existența unei particule identice cu un electron, dar cu o sarcină electrică opusă a fost prezisă de Paul Adrien Maurice Dirac (1902–1984) pe baza unei ecuații pe care a introdus-o în 1928. Ecuația lui Dirac descrie o particulă încărcată cu spin luând în considerare efectele relativiste, adică, de exemplu, un electron relativist. Cu toate acestea, este interesant faptul că Dirac a încercat să obțină această ecuație pe baza unor considerații complet diferite: a încercat să facă față problemei densității probabilității negative. Această problemă a fost că atunci când încercam să generalizez ecuația Schrödinger pentru funcția de undă a unei particule cuantice

pentru cazul relativist, a fost obținută ecuația Klein-Gordon,

pentru care era imposibil să se construiască o mărime conservată nenegativă având sensul unei densități de probabilitate. Cu alte cuvinte, fie particula putea să se nască și să dispară, fie să fie interpretat conceptul de probabilitate negativă. Ambele alternative au fost distructive pentru mecanica cuantică.

Dirac a ghicit că apariția probabilităților negative se datorează faptului că ecuația Klein-Gordon conține derivata a doua a funcției de undă în raport cu timpul și a încercat să construiască o ecuație cu derivata întâi, care în limita non-relativista. se transformă în ecuația Schrödinger sau în asemănarea acesteia. S-a dovedit că, pentru aceasta, funcția nu ar trebui să fie un număr complex, ca înainte, ci un set de patru numere complexe:

Pentru ecuația lui Dirac a existat o densitate de probabilitate nenegativă egală cu , iar totalul probabilitatea de a găsi o particulă de Dirac cel puțin undeva în spațiu nu se schimbă cu timpul. Cu alte cuvinte, particula nu dispare singură.

S-a dovedit că ecuația rezultată are proprietăți neașteptate. În primul rând, în limita non-relativistă a descris o particulă cu energie spin și moment magnetic, care corespunde unui factor g egal cu doi. Starea acestei particule a fost determinată de două dintre cele patru componente ale funcției de undă Dirac. În al doilea rând, cele două componente rămase descrise electron cu energie negativă . Pentru a evita căderea spontană a particulelor în aceasta continuum negativ , Dirac a propus că acest continuum de stări cuantice deja luate, iar electronii nu pot pătrunde în el datorită principiului Pauli. Acest continuum de stări complet ocupat se numește Marea Dirac(vezi poza de mai jos).

Dacă unei particule dintr-un continuum negativ i se dă o energie mai mare decât , aceasta va intra într-una pozitivă, iar în continuul negativ se va forma o stare cuantică neocupată - o gaură. Această gaură va avea o sarcină și o masă pozitive egale cu electronul. Astfel, atunci când un electron intră în continuumul pozitiv, este observat fizic nașterea unui cuplu particule: electronii și ai acestuia antiparticule- Pozitron. Acesta este exact saltul prezentat în figura de mai sus.

Existența particulei încărcate pozitiv prezise a fost confirmată experimental de Carl David Anderson (1905–1991) în 1932. Această particulă a fost descoperită în razele cosmice prin deviația sa într-un câmp magnetic într-o cameră cu nori. Dacă traiectoria particulei s-a îndoit în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic, se poate judeca semnul încărcăturii sale. Aceasta este o consecință directă a ecuației mișcării particulelor într-un câmp magnetic:

(Pentru simplitate, am scris o ecuație non-relativistă). Cu toate acestea, dintr-o fotografie a unei piste într-o cameră cu nori, este imposibil să se determine direct direcția mișcării particulelor de-a lungul acesteia. Două aceeași particulele care se deplasează în direcții opuse vor fi deviate într-un câmp magnetic într-o direcție. Pentru a determina adevărata direcție de mișcare a particulei, Anderson a împărțit camera cu nori în două jumătăți cu o partiție de plumb. Ca urmare a trecerii prin partiție, particula și-a pierdut viteza, astfel încât raza de curbură a traiectoriei sale

a scăzut, așa cum se observă în fotografie. Astfel, Anderson a reconstruit „începutul” și „sfârșitul” pistei de particule și a concluzionat că avea o sarcină pozitivă. Raza de curbură a traiectoriei a dat, de asemenea, raportul dintre masă și sarcină pentru o particulă deschisă - s-a dovedit a fi egală ca mărime cu același raport pentru un electron.

În teoria modernă a câmpului cuantic, toate particulele cu orice sarcină au antiparticule. Fotonul, bosonul Higgs, -mezonul și alte particule sunt identice cu ei înșiși. În plus, dezvoltarea teoriei câmpurilor cuantice, care a început în esență cu ecuația Dirac, a reabilitat ecuația Klein-Gordon și a rezolvat problema probabilităților negative într-un mod complet diferit - prin așa-numita cuantificare secundară. Cu toate acestea, abordarea lui Dirac este importantă în sine ca prima modalitate de a descrie procesele de creare și anihilare a particulelor. Ecuația lui Dirac este o ecuație fundamentală a fizicii teoretice și descrie natura la un nivel fundamental. Semnificația algebrică pusă în această ecuație de Dirac în stadiul derivării ei ne face să ne gândim la rolul fundamental al matematicii (și algebrei, în special) în structura Universului.

Pozitron(din engleza pozitiv - pozitivȘi "-tron") este antiparticula electronului. Aparține antimateriei, are o sarcină de electroni de +1, un spin de 1/2, o sarcină de lepton de -1 și o masă egală cu masa unui electron. În timpul anihilării unui pozitron cu un electron, masa lor este convertită în energie sub formă de două (și chiar mai rar - trei sau mai multe) cuante gamma.

Pozitronii apar într-unul dintre tipurile de dezintegrare radioactivă (emisia de pozitroni), tot cu ajutorul fotonilor cu energii mai mari de 1,022 MeV cu materie. Ultimul proces se numește „naștere pereche”, deoarece atunci când are loc, un foton, interacționând cu câmpul electric al nucleului, formează un electron și un pozitron.

Descoperirea pozitronului

Existența pozitronului a fost formulată pentru prima dată în 1928 de Paul Dirac. Teoria lui Dirac a subliniat nu numai un electron cu o sarcină electronică negativă, ci și o particulă similară cu o sarcină pozitivă. Absența unei astfel de particule în natură a fost considerată ca o indicație a „soluțiilor suplimentare” la ecuațiile Dirac. Dar descoperirea pozitronului a fost un triumf al teoriei.

În conformitate cu teoria lui Dirac, un electron și un pozitron se pot naște ca o pereche, iar acest proces trebuie să necesite energie egală cu energia de repaus a acestor particule, 2-0,511 MeV. Deoarece se cunoșteau substanțe radioactive naturale care emit γ-quanta cu energii mai mari de 1 MeV, părea probabil să se obțină pozitroni în laborator, ceea ce s-a făcut. O comparație experimentală a parametrilor pozitronilor și electronilor a arătat că toate proprietățile fizice ale acestor particule, cu excepția semnului sarcinii electronice, sunt aceleași.

Pozitronul a fost descoperit în 1932 de către fizicianul american Anderson în timp ce observa radiația cosmică folosind o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic. Numele „pozitron” a fost inventat de Anderson însuși. Interesant este că Anderson a propus, fără succes, să redenumească electronii „negatroni”. El a fotografiat urme de particule care semănau foarte mult cu urmele de electroni, dar au avut o răsucire sub influența unui câmp magnetic, opusul urmelor de electroni, ceea ce indica o sarcină electronică pozitivă a particulelor găsite. La scurt timp după această descoperire, folosind și o cameră cu nori, au fost făcute fotografii care au făcut lumină asupra originii pozitronilor: sub influența γ cuantelor radiației cosmice secundare, pozitronii s-au născut în perechi cu electronii obișnuiți. Asemenea caracteristici ale particulei nou descoperite s-au dovedit a fi în acord izbitor cu teoria relativistă deja existentă a electronului Dirac. În 1934, Irene și Frederic Joliot-Curie din Franța au descoperit o altă sursă de pozitroni - radioactivitatea β+.

Pozitronul s-a dovedit a fi prima antiparticulă descoperită. Existența unei antiparticule de electroni și corespondența parametrilor totali ai două antiparticule cu concluziile teoriei lui Dirac, care ar putea fi generalizate la alte particule, au indicat posibilitatea naturii de pereche a tuturor particulelor simple și au orientat următoarele studii fizice. Această orientare s-a dovedit a fi neobișnuit de fructuoasă, iar în prezent natura pereche a particulelor simple este o lege a naturii stabilită cu precizie, fundamentată de un număr imens de fapte experimentale.

Anihilare

Din teoria lui Dirac rezultă că un electron și un pozitron într-o coliziune ar trebui să se anihileze odată cu eliberarea de energie egală cu energia totală a particulelor care se ciocnesc. S-a dovedit că acest proces are loc în principal după decelerația unui pozitron în materie, când energia totală a două particule este egală cu energia lor de repaus de 1,022 MeV. Experimental, au fost înregistrate perechi de γ-quanta cu o energie de 0,511 MeV, împrăștiate în direcții direct opuse față de o țintă iradiată de pozitroni.

Necesitatea apariției nu a 1, ci a cel puțin 2 γ-quante în timpul anihilării unui electron și a unui pozitron rezultă din legea conservării impulsului. Momentul total din sistemul centrului de greutate al pozitronului și electronului înainte de procesul de reîncarnare este egal cu zero, dar dacă ar apărea un singur γ-cuantic în timpul anihilării, acesta ar duce la distanță impuls, care nu este egal cu zero în niciun caz. sistem de referință.

Din 1951, a fost clar că în unele corpuri fără formă, lichide și gaze, pozitronul, după frânare, într-un număr semnificativ de cazuri nu se anihilează imediat, ci formează pentru scurt timp un sistem asociat electronului, numit pozitroniu. Positroniul, în ceea ce privește parametrii chimici proprii, este similar cu atomul de hidrogen, deoarece este un sistem format din sarcini electronice pozitive și negative și poate intra în reacții chimice. Deoarece electronul și pozitronul sunt particule diferite, ele pot fi într-o stare legată cu cea mai scăzută energie nu numai cu spin antiparalel, ci și cu spin paralel. În primul caz, spinul total al pozitroniului este s = 0, ceea ce corespunde parapozitroniu, iar în al 2-lea - s = 1, care corespunde ortopozitronie. Este curios că anihilarea unei perechi electron-pozitron în ortopozitroniu nu poate fi însoțită de producerea a două cuante γ. Două γ-quante transportă unul față de celălalt momente mecanice egale cu 1 și pot reprezenta un moment total egal cu zero, dar nu unitate. Prin urmare, anihilarea în acest caz este însoțită de emisia a trei γ-quante cu o energie totală de 1,022 MeV. Formarea ortopozitroniului este de trei ori mai posibilă decât a parapozitroniului, deoarece raportul greutăților statistice (2 s+1) ambele stări ale pozitroniului 3:1. Dar chiar și în corpurile cu un procent uriaș (până la 50%) de anihilare a unei perechi în stare legată, adică după formarea pozitroniului, apar în principal două cuante γ și doar foarte rar trei. Faptul este că durata de viață a parapozitroniului este de aproximativ 10-10 secunde, iar ortopozitroniul este de aproximativ 10-7 secunde. Ortopozitroniul cu viață lungă, interacționând continuu cu atomii mediului, nu are timp să se anihileze cu emisia a trei γ-quante înainte ca pozitronul introdus în compoziția sa să se anihileze cu un electron extern în stare cu spini antiparalel și cu emisia. a două γ-quante.

Două cuante gamma care apar în timpul anihilării unui pozitron oprit poartă o energie de 511 keV fiecare și se împrăștie în direcții strict opuse. Acest fapt face posibilă stabilirea poziției punctului în care a avut loc anihilarea și este utilizat în tomografia cu emisie de pozitroni.

În 2007, a fost confirmată experimental existența unui sistem legat de 2 pozitroni și 2 electroni (pozitroniu molecular). O astfel de moleculă se descompune chiar mai repede decât pozitroniul atomic.

Pozitroni în natură

Se crede că în primele momente după Uriașa Explozie, numărul de pozitroni și electroni din Univers a fost aproximativ identic, dar în timpul răcirii această simetrie a fost ruptă. Până când temperatura Universului a scăzut la 1 MeV, fotonii termici au menținut constant o anumită concentrație de pozitroni în materie prin crearea perechilor electron-pozitron (asemenea condiții există în prezent în adâncurile stelelor fierbinți). După ce materia Universului s-a răcit sub pragul de producție de perechi, pozitronii rămași au fost anihilati cu un exces de electroni.

În spațiu, pozitronii apar prin interacțiunea cu materia razelor gamma și particulele energetice ale razelor cosmice, precum și în timpul dezintegrarii anumitor tipuri de aceste particule (de exemplu, muonii pozitivi). În consecință, o parte din razele galactice primare este formată din pozitroni, deoarece în absența electronilor aceștia sunt măsurați. În unele regiuni ale Galaxiei, au fost descoperite linii gamma de anihilare la 511 keV, dovedind prezența pozitronilor.

În ciclul pp termonuclear solar (tot în ciclul CNO), unele reacții sunt însoțite de emisia unui pozitron, care se anihilează imediat cu unul dintre electronii din mediu; În consecință, o parte din energia solară este eliberată sub formă de pozitroni, iar în miezul Soarelui există întotdeauna o anumită cantitate (în echilibru între procesele de formare și anihilare).

Unele nuclee radioactive naturale (primare, radiogenice, cosmogenice) suferă dezintegrare beta cu radiații de pozitroni. De exemplu, unele dintre descompunerea izotopului natural 40K au loc în mod specific prin acest canal. În plus, cuante gamma cu o energie mai mare de 1,022 MeV, care rezultă din dezintegrari radioactive, pot produce perechi electron-pozitron.

Cu ajutorul unui antineutrin electric (cu o energie mai mare de 1,8 MeV) și a unui proton, are loc o reacție inversă de dezintegrare beta cu formarea unui pozitron. Această reacție are loc în natură, deoarece există un flux de antineutrini cu o energie peste pragul de dezintegrare beta circulantă, care apar, de exemplu, în timpul dezintegrarii beta a nucleelor ​​radioactive naturale.

Positron - Wikipedia

Toate caracteristicile cunoscute ale pozitronului sunt sistematizate în revizuirea Particle Data Group (.pdf)

Klimov A. N. Fizică nucleară și reactoare nucleare. -M. Atomizdat, 1971.

Vezi si:

Ce este antimateria?

Ce este anihilarea?