Головна

   Велика Радянська Енциклопедія

Анігіляція і народження пар

   
 

Анігіляція і народження пар частинка-античастинка. У фізиці термін "анігіляція" [буквально означає "зникнення", "знищення" (лат. annihilatio, від ad - до і nihil - ніщо)] прийнятий для найменування процесу, в якому частка і відповідає їй античастка перетворюються в електромагнітне випромінювання - фотони або в інші частки - кванти фізичного поля іншої природи (див. Поля фізичні ). Народження пари - це зворотний процес, при якому в результаті взаємодії електромагнітних або інших полів одночасно виникають частка і античастинка. Наприклад, при зіткненні електрона і його античастинки - позитрона - обидва вони можуть зникнути, утворивши два фотони (гамма-кванта); зіткнення протона і антипротона може привести до їх взаємознищення, яке супроводжується одночасним появою декількох набагато легших часток, квантів ядерного поля - пі-мезонів ; гамма-квант, якщо він має досить великою енергією, може, взаємодіючи з електричним полем атомного ядра, породити пару електрон-позитрон (див. рис. ). Таким чином, мова йде не про знищення або мимовільному виникненні матерії, а лише про взаємоперетвореннях частинок. Ці взаємоперетворення управляються фундаментальними законами збереження, такими, як закони збереження енергії і кількості руху (імпульсу), моменту кількості руху, електричного заряду, числа лептонів , числа баріонів та ін (див. Збереження закони ).

Можливість А. і р.. п., як і саме існування античастинок, була теоретично передбачена в 1930 англійським фізиком П. Дираком: вони випливали з розвиненою ним теорії електрона. У 1932 американський Фізик К. Андерсон експериментально довів існування позитронів в космічних променях . У 1933 Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі за допомогою Вільсона камери , вміщеній в магнітне поле, спостерігали народження електрон-позитронного пар гамма-квантами від радіоактивного джерела. У тому ж році були надійно зареєстровані випадки анігіляції пар електрон-позитрон.

Сучасне тлумачення А. і р.. п. дає квантова теорія поля .

Відкриття А. і р.. п. представляє глибокий інтерес не тільки з точки зору фізики. Воно має важливе філософське значення. Вперше в історії природознавства було доведено, що не існує неподільних частинок - останніх "цеглин світобудови", з яких формуються всі матеріальні об'єкти, як думали до 30-х рр.. 20 в. Будь-яка форма матерії може перетворюватися в інші форми.

Аннигиляция пари електрон-позитрон. Потрапивши в речовину, позитрон практично повністю втрачає швидкість через втрати енергії на іонізацію атомів. Тому безпосередньо перед анігіляцією позитрон можна вважати таким, що покоїться, тобто позитрон і "приречений на знищення" електрон знаходяться, швидше за все, в стані, в якому момент кількості руху (відносного) цих частинок дорівнює нулю. Подальша доля пари визначається взаємною орієнтацією внутрішніх моментів кількості руху частинок - їх спинив . Якщо спини електрона і позитрона (рівні 1/2), спрямовані в протилежні сторони, тобто їх сумарний спін дорівнює нулю, то в результаті анігіляції може утворитися лише парне число фотонів: заборона на освіту непарного числа фотонів пов'язаний з одним із законів збереження, - законом збереження так званої зарядової парності (див. Зарядове сполучення ). Однак імовірність анігіляції з появою чотирьох і більше фотонів мізерно мала, і переважна більшість пар анігілює, утворюючи два фотони. Утворилися фотони летять в протилежні сторони, і кожен з них забирає половину початкової енергії системи електрон-позитрон, тобто приблизно енергію спокою електрона 2 = 0, 51 МеВ ( m - маса електрона, с - швидкість світла у вакуумі). (Відповідно до теорії відносності А. Ейнштейна, з масою М спочиває частинки пов'язана енергія E0 = Mc 2, яка і називається енергією спокою.)

Якщо ж перед анігіляцією спини електрона і позитрона виявляються паралельними, так що їх сумарний спін дорівнює 1, то можливо лише утворення непарного числа, а практично - трьох фотонів (анігіляція вільних електрона і позитрона з випромінюванням одного фотона заборонена законом збереження імпульсу). Трьохфотонні анігіляція відбувається набагато рідше, ніж двухфотонная: в середньому лише два-три з кожної тисячі потрапили в речовину позитронів анігілюють в три фотони.

Однак невеликій частці позитронів, "вдається" аннигилировать, зберігши ще досить високу швидкість. При цьому кут розльоту фотонів залежить від цієї швидкості. При великих енергіях аннигилирующих позитронів виникаючі фотони випускаються переважно вперед і назад по напрямку руху позитрона. Фотон, що летить вперед, забирає майже всю енергію позитрона, на частку ж фотона, що летить назад, залишається тільки енергія, рівна приблизно енергії спокою електрона 2. Таким чином, при проходженні швидких позитронів через речовину утворюється пучок високоенергетичних гамма-квантів, що летять в один бік. Цим іноді користуються фізики-експериментатори для отримання монохроматичного пучка фотонів сочень великою енергією.

У речовині позитрони "живуть" дуже недовго: у типових твердих тілах за час близько 10 -10 сек - за нікчемний із звичайною точки зору проміжок часу - процес анігіляції знищує більше двох третин усіх опинилися в речовині позитронів. [Позитрон - стабільна частка (він ні на що не розпадається) і у вакуумі може існувати нескінченно довго.]

Часто, особливо в газах, анігіляція йде через проміжний етап - утворення короткочасно живе системи, позитрония, тобто зв'язаного стану електрона і позитрона.

Народження пар електрон-позитрон. Для прогресу, зворотного анігіляції (народження фотоном електрон-позитронної пари), необхідна наявність зовнішнього електромагнітного поля (або другого фотона), так як, згідно із законами збереження енергії і імпульсу, "самотній" фотон не може перетворитися на пару частка-античастинка. Зазвичай утворення пар електрон-позитрон фотоном відбувається в кулонівському полі атомного ядра (або електрона). Для здійснення такої реакції енергія фотона повинна бути не менше суми мас спокою електрона і позитрона, тобто 2 mc 2 = 1,02 МеВ . Імовірність народження пари в кулонівському полі ядра пропорційна квадрату заряду ядра (або атомного номера), Z2; вона швидко росте із збільшенням енергії гамма-кванта і при дуже великих енергіях досягає деякого граничного значення.

Освіта пар електрон-позитрон грає визначальну роль в поглинанні речовиною гамма-квантів високої енергії, а також, спільно з гальмівним випромінюванням , у виникненні так званих електронно-фотонних злив у космічних променях.

Анігіляція і народження пар інших часток. Якщо енергія фотона дуже велика, то він може породити будь-яку пару частка-античастинка, наприклад пару мюонів . Пари сильно взаємодіючих частинок, наприклад пара протон-антипротон, утворюються при зіткненнях дуже швидких протонів з нуклонами (тобто протонами і нейтронами) атомних ядер.

При анігіляції нуклонів з антинуклонами також набагато частіше виникають не гамма-кванти, а "масивні" частки, поява яких не заборонено законами збереження: як правило, анігіляція таких пар відбувається з освітою чотирьох-п'яти пімезонов.

Процеси А. і р.. п. знайшли застосування в наукових дослідженнях. Так, розподіл виникають при анігіляції фотонів по їх кутах розльоту дозволяє знайти розподіл електронів в металах за швидкостями (тому що ймовірність анігіляції позитрона в речовині сильно залежить від відносить. Швидкості позитрона н бере участь в тепловому русі електрона). Знання цього розподілу необхідно, наприклад, для розрахунку питомої теплоємності металів при дуже низьких температурах. Інший приклад: за народженням електрон-позитронного пар можна отримувати відомості про що утворюються в реакції фотонах великої енергії. Фотон, як і всяку іншу незаряджену частинку, не можна спостерігати безпосередньо, так як він не залишає видимого сліду в детекторах часток, таких, як камера Вільсона, бульбашкова камера , ядерна фотографічна емульсія та ін, і про його енергії, імпульсі, а також про сам факт його освіти можна дізнатися тільки по народженою ним парі (а для фотона меншої енергії - по комптонопскому електрону віддачі, см. Комптон-ефект ).

© Літ.: см. при ст. Античастинки .

О. І. Зав'ялов.





Виберіть першу букву в назві статті:

а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я

Повний політерний каталог статей


 

Алфавітний каталог статей

  а б в г д е ё ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ы э ю я
 


 
© 2014-2022  vre.pp.ua