Физические явления, физика, статьи по физике.

В теории Дирака нет ничего из того, что можно было бы

применить к электрону, но ее нельзя применить и к протону.

Если у электрона есть античастица, то античастица должна быть

и у протона. Антипротон взаимно аннигилируется с протоном,

в результате чего, как и в случае с позитроном и электроном,

образуются пары и тройки фотонов.

Однако так как масса протона в 1836 раз превышает массу

электрона, а масса антипротона в 1836 раз превышает массу

позитрона, энергия, выделяемая в результате аннигиляции про­

тона и антипротона, должна быть в 1836 раз больше энергии,

выделяемой при аннигиляции электрона и позитрона. Общий

выход энергии составляет 1,02 х 1836, то есть 1872 Мэв, или

1,872 млрд эв. Как видите, мы в диапазоне миллиардов элект­

ронвольт.

Для обратного процесса, образования протонно-антипротон-

ной пары, требуется 1,872 млрд эв энергии. В действительнос­

ти энергии требуется намного больше, так как пара образуется

за счет столкновения двух частиц на очень большой скорости,

а избыток энергии повышает шансы образования антипротона.

По подсчетам физиков, для успешного образования протонно-

антипротонной пары требуется 6 млрд эв энергии.

Такой энергией обладают самые быстрые из космических

частиц. Однако такие частицы встречаются крайне редко, по­

этому сидеть и ждать их с детектором в надежде, что они тут

же появятся, довольно глупо.

По этой причине антипротоны были обнаружены лишь тогда,

когда физикам удалось построить ускорители частиц, способные

разгонять частицы до миллиардов электронвольт. После установ­

ки и настройки детекторов ускоренные частицы можно направ­

лять в цель. В Калифорнийском университете для этих целей был

использован синхрофазотрон, называвшийся «Беватрон».

Вылетающие из «Беватрона» быстрые частицы ударялись о

медную плиту, где в результате столкновения образовывалось ог­

ромное количество частиц. Необходимо было выделить из всех

этих обломков антипротоны. Для этой цели осколки подвергали

воздействию магнитного поля, в результате чего отфильтровыва­

лись отрицательно заряженные частицы. Среди них антипротон

является самой тяжелой и самой медленной частицей. Поток

осколков направляли на расположенные на расстоянии 12,5 м

два сцинтилляционных счетчика. Согласно расчетам, антипротон

должен пройти это расстояние за 0,051 миллисекунды.

В конце концов Эмилио Сегре (первооткрывателю технеция,

к этому времени эмигрировавшему в США) и американскому

физику Оуэну Чемберлену удалось обнаружить такую частицу

в 1956 году.

No Comments »

Вполне справедлив вопрос: «А как же различать нейтрон и антинейтрон?» Элементы других пар «частица—античастица» от¬ личаются друг от друга полюсом электрического заряда. У элек¬ трона заряд отрицательный, у позитрона — положительный. У протона — положительный, у антипротона — отрицательный. Впрочем, у всех обладающих спином частиц есть еще одно различие. Любую обладающую спином частицу можно предста¬ вить в виде крошечной сферы, вращающейся вокруг своей оси и имеющей два полюса. Если смотреть на частицу с одного полюса (назовем его первым), то она будет вращаться по часовой стрел¬ ке, а если с другого (назовем его вторым) — то против. Давайте считать, что мы всегда смотрим на частицу со второго полюса. Вращение частицы приводит к образованию магнитного поля и двух магнитных полюсов — северного и южного. Если мы

рассматриваем со второго полюса протон, то его северный маг­

нитный полюс окажется сверху, а южный — снизу. Если же мы

рассматриваем со второго полюса антипротон, то сверху ока­

жется его южный, а не северный полюс. Другими словами, если

направления спинов частицы и античастицы совпадают, то на­

правление их магнитных полей обратно. То же относится к

электрону и позитрону.

Хотя у нейтрона и нет электрического заряда, у него есть

магнитное поле, так как, хоть заряд нейтрона и равен 0, отдель­

ные его участки все-таки обладают электрическим зарядом. В

1951 году американский физик Роберт Хофстедтер (1915—1990)

начал серию экспериментов по исследованию отдельных нук­

лонов с помощью пучков быстрых электронов. Ему удалось об­

наружить, что и протоны и нейтроны состоят из обладающей

электрическим зарядом оболочки и различаются между собой

лишь общим зарядом.

Нейтрон и антинейтрон отличаются друг от друга противо­

положным направлением магнитного поля. Так как у нейтрона

и антинейтрона нет электрического заряда, то символ

{)

п

[

при­

меним и к той и к другой частице. Поэтому обычно их обозна­

чают как п и п.

Период полураспада нейтрона равен 1013 секундам. Нейтрон

распадается на протон и электрон, то есть барион превращает­

ся в более легкий барион, при этом барионное число остается

неизменным. Общий заряд также остается неизменным и рав­

няется 0. Помимо этого образуется еще и электрон, но тут есть

одна тонкость, о которой мы поговорим в следующей главе, где

подведем под закон сохранения и электрон.

Точно так же период полураспада антинейтрона равен 1013,

и он распадается на антипротон и позитрон, сохраняя барион­

ное число (-1) и электрический заряд (0). Графически этот

процесс выглядит так:

п —> р + е

(Уравнение 13.5)

и

п -» р + ё.

(Уравнение 13.6)

No Comments »

Антипротон, как и ожидалось, является близнецом протона,

равным по массе, но с противоположным зарядом. Протон об­

ладает положительным зарядом, а антипротон — отрицатель­

ным. Протон и антипротон можно обозначить как

и />’, или

как р

+

и р, или как р и р.

Протон является стабильной частицей и сам по себе может

существовать вечно. Его стабильность не подчиняется законам

сохранения. Может ли протон распасться до позитрона с энер­

гией в 0,51 Мэв, а оставшуюся большую часть энергии испус­

тить в виде фотонов? Сохранится ли его заряд?

На практике такого не происходит, поэтому мы вполне мо­

жем ввести новый закон сохранения — закон сохранения бари-

онного числа. Согласно этому закону общее число бирионов

должно оставаться неизменным в любом случае. Основываясь

на изученных субатомных явлениях, физики уверены в спра­

ведливости этого закона.

Если протон распадается до позитрона, количество барионов

уменьшается с 1 до 0. Это противоречит закону сохранения бари-

онного числа, поэтому протон и не распадается до позитрона. На

самом деле протон является самой легкой частицей среди барио-

нов, поэтому он не может распадаться. Его стабильность являет­

ся отражением закона сохранения барионного числа.

Аналогично антипротон является стабильной частицей и не

может распадаться, например до электрона. Антипротон явля­

ется самым легким из всех антибарионов, а закон сохранения

барионного числа применим и к антибарионам.

Во Вселенной при столкновении антипротона с протоном (ко­

торых намного больше) тут же происходит аннигиляция. Общий

заряд протонно-антипротонной пары равен нулю, поэтому анни­

гиляция происходит без нарушения закона сохранения электри­

ческого заряда. Кроме того, считается, что барионное число

антипрогона равно —1, а протона +1. Значит, барионное число

протонно-антипротонной пары равно 0, и аннигиляция происхо­

дит без нарушения закона сохранения барионного числа.

Выделяемая в процессе аннигиляции протона и антипротона

энергия может принимать участие в образовании не только про­

тонов, но и других частиц. Если протон и антипротон проходят

очень близко, но не попадают друг в друга, аннигилируется толь­

ко их заряд, а масса остается. Можно предположить, что в этом

случае образуется одна незаряженная частица. Но одна частица

образовываться не может, так как барионное число протонно-

антипротонной пары равно 0, а в случае образования, скажем,

нейтрона барионное число будет равно 1, что противоречит зако­

ну сохранения барионного числа. На самом деле образуются две

частицы — нейтрон и антинейтрон. Барионное число антинейт­

рона равно —1, нейтрона +1 , поэтому их общее барионное число

равно 0, то есть закон сохранения барионного числа соблюдает­

ся. Такой процесс «полуаннигиляции» был открыт в 1956 году,

вскоре после обнаружения антипротона, послужившего толчком

к открытию антинейтрона.

No Comments »