Частицы и античастицы

В 1928 г. английский физик П.Дирак создал волновую теорию, учитывающую релятивистские эффекты. Теория позволяла объяснить многие квантовые свойства электрона, однако получалось, что при заданном импульсе энергия электрона может быть как положительной, так и отрицательной

.

Для обоснования возможности существования частиц с отрицательной энергией Дирак предложил рассматривать вакуум как состояние материи, в котором все уровни с отрицательным значением энергии полностью заполнены электронами, а уровни с положительными значениями энергии свободны (рис. 96.1).

Значение уровня с наименьшим значением энергии можно найти из условия , где . Наибольшее возможное значение уровня с отрицательной энергией , также получается из условия . Между уровнями с положительной энергией и уровнями с отрицательной энергией существует энергетический барьер

МэВ.

Если электрону, находящемуся на уровне сообщить энергию , то он может перейти на уровень , на котором он будет проявлять себя как обычный электрон с положительным зарядом, но при этом образуется вакансия на (рис. 96.2).

Отсутствие частицы с отрицательной массой и отрицательным электрическим зарядом можно воспринимать как образование частицы с положительной массой и положительным зарядом.⁶ Частица получила название позитрона. В 1932 г. К.Андерсон обнаружил позитрон в космических лучах. Переход электрона с уровня ⁷ под действием кванта, несущего энергию , воспринимается как рождение отрицательно заряженного электрона и положительно заряженного позитрона, поэтому суммарный электрический заряд системы остается неизменным. Схему рождения отражает уравнение

.

Если электрон и позитрон оказывается в одном и том же месте, то происходит обратный процесс перехода электрона с уровня на уровень . При этом электрон и позитрон исчезают, а образуется два -кванта, разлетающихся в разные стороны

.⁸

Такой процесс превращения называется аннигиляцией. Позитрон является античастицей по отношению к электрону.

Появилось предположение, что у любой частицы должна быть античастица. В 1955 г. американские физики Э.Серге и О.Чемберлен обнаружили антипротон

,

а в 1956 г. был открыт антинейтрон. Аннигиляция р и происходит по схеме

.

В электромагнитных и сильных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами. Это означает, что из антинейтрона может образоваться антидейтрон. В 1965 г. он был получен в США. В 1969 г. на Серпуховском ускорителе были получены ядра антигелия и антитрития.

Существуют частицы, которые тождественны своим античастицам. К ним относятся фотон, -мезон и ряд других частиц. Они не аннигилируют. Согласно современным представлениям, Вселенная состоит из вещества⁹.

Вывод: в природе выполняется принцип зарядового сопряжения, согласно которому для каждой частицы должна существовать античастица, которая имеет такую же массу покоя, но противоположные по знаку возможные виды зарядов. При встрече частицы и античастицы происходит их аннигиляция. У фотона, -мезона и ряда других частиц античастица совпадает с самой частицей. Такие частицы называют истинно нейтральными. Наша Вселенная состоит из частиц, избыток вещества над антивеществом образовался на ранней стадии развития Вселенной.

Лекция№10

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: