Capitolul 6. Antiparticule
Leptoni și baryoni
Să trăim încă o dată pe particulele subatomice cunoscute. În primul rând, ele sunt nucleele diferitelor elemente. Nu le vom considera, deoarece nucleele atomice ale tuturor elementelor, cu excepția hidrogenului-1, constau din particule mai mici. Aceste particule sunt numite elementare de fizicieni [14]. și ne va interesa.
Am menționat deja patru particule, numite elementare: protoni, neutroni, electroni și fotoni. Ele pot fi împărțite în două grupe. Protonii, neutronii și alte particule elementare grele, descoperite după 1932, sunt unite sub denumirea comună de baryoni (din cuvântul grecesc barys - heavy). Electronul are o masă mică, iar masa fotonului este zero. Aceste particule de lumină, descoperite după 1932, se numesc leptoni (din cuvântul grecesc leptos - lumină, slab).
Patru particule elementare pot fi clasificate în funcție de altă caracteristică. Protonul, electronul și fotonul sunt stabile. Cu alte cuvinte, dacă ar exista doar un proton în univers (fie un electron, fie un foton), ar exista fără schimbare pentru un timp infinit de lung. (Mai exact, oricare dintre cele trei particule enumerate poate suferi o schimbare, dar numai atunci când interacționează cu alte particule.) Un neutron este o particulă instabilă. Dacă în Univers ar fi existat un neutron, mai devreme sau mai târziu, și cel mai probabil în câteva minute, s-ar rupe un proton și un electron. O astfel de instabilitate este inerentă însăși naturii particulei și nu depinde de prezența particulelor altor specii.
De ce nu este neutronul în acest sens similar cu alte particule? Transformarea unui neutron într-un proton și un electron este însoțită de o scădere a masei. Evident, această scădere a masei este esențială. Se pare că în orice decădere spontană există o scădere a masei. Masa pierdută este transformată în energie. În univers există, aparent, o tendință generală de tranziție de la materie la energie. Devine clar atunci de ce fotonul este stabil. Are o masă de odihnă zero și, prin urmare, nu se poate deforma în particule mai mici. Din același motiv, orice particulă care nu are masa este stabilă.
Argumentele similare, cu toate acestea, nu sunt aplicabile explicării stabilității unui electron. Electronul are cel puțin o masă de odihnă nesemnificativă, dar totuși finită. Dar, dacă tendința de transformare a masei în energie este universală, de ce o cruță electronul? De ce nu se descompune unul sau mai mulți fotoni cu masa de odihnă zero, a căror energie este echivalentă cu masa de electroni?
Se pare că această lege este împiedicată de legea conservării încărcăturii electrice. Un foton nu poartă o încărcătură electrică, iar dacă un electron se descompune în fotoni, ce ar deveni din sarcina sa negativă? În ceea ce privește fizicienii, nu există particule cu o sarcină negativă mai ușoară decât un electron. Prin urmare, electronul nu se descompune.
Și protonul? Este cea mai ușoară particulă cu o încărcătură pozitivă? Răspunsul sa dovedit a fi negativ fizicienii au trebuit să caute o altă explicație pentru stabilitatea sa.
Primul indiciu al existenței unei particule încărcate pozitiv este mai ușor decât un proton făcut în 1930, când Paul Dirac a reușit să descrie matematic unele dintre proprietățile unui electron. El a ajuns la concluzia că, dacă calculele sale matematice sunt corecte, un electron trebuie să existe în două forme diferite. Unul dintre ele este un electron convențional, bine cunoscut, care până atunci a fost studiat de mai bine de treizeci de ani. O altă formă a fost foarte asemănătoare cu un electron obișnuit, dar în loc de o încărcare negativă a fost una pozitivă.
Doi ani mai târziu, în 1932, fizicianul american Carl David Anderson, studiind mare energie de raze cosmice care bombardeaza Pamantul, într-un detector de particule a descoperit ceva care sa comportat în același mod ca și electronul, dar sub influența unui câmp magnetic deviat în direcția opusă. Prin urmare, această particulă în loc de o încărcare negativă a avut un efect pozitiv. Astfel, a fost descoperit un electron Dirac încărcat pozitiv.
Anderson a numit această particulă încărcată pozitiv un pozitron. Deși acest termen este folosit cel mai adesea pentru numele unei particule deschise, este nereușită, deoarece acoperă o relație strânsă cu un electron. Uneori, un electron și un pozitron sunt numite un electron negativ și un electron pozitiv. Acest nume se reflectă în notația modernă pentru aceste particule: e - și e +. Pentru a păstra numele electronului, pozitronul este uneori numit un antielectron, unde prefixul "anti" înseamnă "opus". Din multe motive, antielectronul este cel mai bun nume, deoarece alte particule au, de asemenea, opusul lor, pentru care se utilizează prefixul "anti". Toate aceste particule opuse sunt unite într-un grup de antiparticule.
În prezent, este obișnuit să se desemneze antiparticulele ca simbol al unei particule cu o linie orizontală deasupra ei. Astfel, un pozitron poate fi desemnat e +. ceea ce indică faptul că nu este doar un electron încărcat pozitiv, ci un antiparticule (în versiunea fb2, linia orizontală este înlocuită de un curs în fața simbolului din cauza restricțiilor de font - comentariul editorului).
La scurt timp după descoperirea lui Anderson, sa descoperit că poziția este formată din niște nuclee atomice radioactive, cu siguranță nu cele care există în natură, dar sunt obținute în mod special în laborator.
In 1934, oamenii de știință francezi soții Frederick și Irene Joliot-Curie bombardează a-particule de atomi de aluminiu, fosfor-30, care a obținut în mod spontan t. E. emite Spontan pozitroni (p particule pozitive) și convertit în siliciu-30 . Numărul atomic de fosfor este de 15, siliciu-14, prin urmare, dezintegrarea radioactivă poate fi scrisă:
Încărcarea electrică este stocată din nou, deoarece 14 + 1 = 15.
Ce procese din interiorul nucleului conduc la emisia de pozitroni? Numărul de masă de siliciu-30 și fosfor-30 este identic, astfel încât numărul total de nucleoni anterior în ambele cazuri este același. Pe de altă parte, numărul atomic al miezului siliciului-30 este unul mai mic decât cel al fosforului-30, de aceea miezul siliciului-30 conține un proton mai mic decât nucleul fosforului-30. Pentru a reduce numărul de protoni pe unitate fără a schimba numărul total de nucleoni, trebuie să adăugați simultan un neutron. Cu alte cuvinte, un pozitron emit atunci când un proton din interiorul unui nucleu se transformă într-un neutron. În acest caz, numărul atomic scade cu unul și numărul de masă rămâne neschimbat. Procesul este direct opus celui care are ca rezultat emisia unui electron cand neutronul se transforma intr-un proton. Dar acest lucru este de așteptat, deoarece pozitronul este un fel de oglindă a electronului și tot ceea ce se întâmplă cu acesta este o reflectare a evenimentelor care au loc cu electronul.
Pe de altă parte, protonul este mai ușor decât un neutron, deci nu este surprinzător faptul că neutronul se transformă spontan într-un proton, transformările spontane fiind întotdeauna însoțite de o scădere a masei. Dar cum se transformă spontan protonul într-un neutron și emit un pozitiv?
Într-adevăr, un proton este mai ușor decât un neutron când vine vorba de particule libere. În interiorul nucleului, totuși, apar modificări de energie care modifică ușor masa nucleonilor individuali. Uneori masa de bază scade dacă protonul se transformă într-un neutron și, uneori, dacă neutronul este înlocuit cu un proton, schimbarea masei depinde în întregime de structura nucleului. În primul caz, sunt emise pozitroni, iar în al doilea - electroni. Desigur, există nuclee care au o combinație de neutroni și protoni pentru un anumit număr de nucleoni, la care masa este minimă. Apoi transformarea unui proton într-un neutron sau neutron într-un proton mărește masa. Astfel de nuclee nu suferă transformări spontane, ele sunt stabile dacă nu sunt nuclee grele care emit particule alfa.
Să ne reamintim încă o dată că neutronii liberi se pot transforma spontan în protoni, transformarea inversă este imposibilă.
Trimiteți-le prietenilor: