позитрон является античастицей по отношению к
 9,109 383 56 (11) × 10 −31 кг 0,510 998 9461 (13) МэВ / c 2 | |
| Средняя продолжительность жизни | стабильный (такой же, как у электрона) |
|---|---|
| Электрический заряд | +1 e + 1,602 176 565 (35) × 10 −19 С |
| Вращаться | 1 / 2 (как электрон) |
| Слабый изоспин | LH : 0, RH : 1 / 2 |
Позитроны могут быть созданы путем радиоактивного распада позитронного излучения (через слабые взаимодействия ) или путем образования пар из достаточно энергичного фотона, который взаимодействует с атомом в материале.
СОДЕРЖАНИЕ
История
Теория
В декабре 1929 года Дирак написал следующую статью, в которой попытался объяснить неизбежное решение с отрицательной энергией для релятивистского электрона. Он утверждал, что «. электрон с отрицательной энергией движется во внешнем [электромагнитном] поле, как если бы он нес положительный заряд». Далее он утверждал, что все пространство можно рассматривать как «море» состояний с отрицательной энергией, которые были заполнены, чтобы предотвратить скачки электронов между состояниями с положительной энергией (отрицательный электрический заряд) и состояниями с отрицательной энергией (положительный заряд). В статье также исследуется возможность того, что протон является островом в этом море, и что он на самом деле может быть электроном с отрицательной энергией. Дирак признал, что протон, имеющий гораздо большую массу, чем электрон, был проблемой, но выразил «надежду», что будущая теория решит эту проблему.
Роберт Оппенгеймер решительно возражал против того, чтобы протон был электронным решением уравнения Дирака с отрицательной энергией. Он утверждал, что если бы это было так, атом водорода быстро самоуничтожился бы. Убежденный аргументом Оппенгеймера, Дирак опубликовал в 1931 году статью, в которой предсказывалось существование еще не наблюдаемой частицы, которую он назвал «антиэлектрон», которая будет иметь ту же массу и противоположный заряд, что и электрон, и которая взаимно аннигилирует. при контакте с электроном.
Позитрон
Теоретически существование положительно заряженного «двойника» электрона следует из Дирака уравнения (См. Дирака уравнение); эта возможность была указана П. Дираком в 1931. В 1932 К. Д. Андерсон экспериментально обнаружил такую частицу в составе космических лучей (См. Космические лучи) и назвал её «П.». Открытие П. имело фундаментальное значение. В отличие от известных к середине 1932 электрона, протона и нейтрона, П. не входил в состав «обычного» вещества на Земле, возникли понятия античастицы и антивещества (См. Антивещество). Предсказанные Дираком и наблюдённые на опыте в 1933 процессы аннигиляции и рождения пар П.-электрон были первыми убедительными проявлениями взаимопревращаемости элементарных частиц.
П. участвует в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях и относится к классу лептонов (См. Лептоны). По статистическим свойствам П. является Фермионом.
П. образуются при взаимопревращениях свободных элементарных частиц (например, распадах мюона (См. Мюоны), в процессах рождения γ-квантами пар П.-электрон в электростатическом поле атомного ядра) и при Бета-распаде некоторых радиоактивных изотопов. П., получаемые при бета-распаде и рождении пар, используются для исследовательских целей: изучение процессов замедления П. в веществе и их последующей аннигиляции даёт разнообразную информацию о физических и химических свойствах вещества, например распределении скоростей электронов проводимости, о дефектах кристаллической решётки, о кинетике некоторых типов химических реакций. Один из методов исследования элементарных частиц при сверхвысоких энергиях основан на столкновении встречных пучков ускоренных П. и электронов (см. Ускорители на встречных пучках).
Лит.: Дирак П. А. М., Принципы квантовой механики, пер. с англ., М., 1960; Новожилов Ю. В., Элементарные частицы, 3 изд., М., 1974; Гольданский В. И., Физическая химия позитрона и позитрония, М., 1968.
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Античастицы. Превращение пары «электрон — позитрон» в гамма-излучение и обратно
В настоящее время известно о существовании античастиц, которые имеются почти у всех известных частиц. Некоторые характеристики частиц и античастиц одинаковы, другие — противоположны.
Впервые в 1938 г. П.Дирак теоретически обосновал, что в природе должна существовать частица с массой, равной массе электрона, и с зарядом, противоположным по знаку, но равным по модулю. Такая частица — позитрон — была обнаружена в 1932 г. В 1933 г. Ф. и И. Жолио-Кюри обнаружили рождение пары «электрон — позитрон» из \(
\gamma\)-кванта с энергией \(
Название любой античастицы получается путем прибавления к названию соответствующей частицы приставки «анти». Исключение составляет античастица электрона — позитрон. В реакциях античастицы обозначаются волнистой чертой над символом. Например, \(
Для частиц и античастиц массы, спины, времена жизни в вакууме равны; знаки электрического, лептонного, барионного зарядов и направления магнитных моментов противоположны.
В частности, протон и антипротон различаются не только электрическим зарядом, но и барионным зарядом и направлением магнитного момента. Нейтрон и антинейтрон, не имеющие электрического заряда, различаются барионным зарядом и направлением магнитного момента.
Все известные частицы экспериментально обнаружены и исследованы.
У электронного нейтрино \(
\nu_e\) имеется антинейтрино \(
\tilde\nu_e,\) рождаемое в процессе обычного \(
\beta^-\)-распада. Сами нейтрино участвуют в процессе \(
\beta^+\)-распада, в термоядерных реакциях и т. д.
У нейтрино спин направлен против импульса, у антинейтрино — вдоль импульса. Античастицей по отношению к положительному пиону \(
\pi^+\) служит отрицательный пион \(
\pi^-\). Незаряженный пион \(
\pi^0\) — истинно нейтральная частица (как и фотон).
Можно построить атом антиводорода, заставив двигаться позитрон вокруг антипротона. Легко представить себе (хотя и очень трудно их сохранить) антиатомы любых других антиэлементов, в которых позитроны движутся вокруг ядер, в состав которых входят антипротоны и антинейтроны. Из такого антивещества может состоять целая галактика или группа галактик — звездный остров. В СССР в 1969 г. впервые был получен антигелий. Необходимо отметить, что разделение всех микрообъектов на частицы и античастицы достаточно условно. Вполне возможно считать антипротоном то, что мы принимаем за протон, и наоборот. Дело заключается в том, что протонов в нашей Вселенной неизмеримо больше, чем антипротонов и т.д.
Основной особенностью пары «частица — античастица» является способность аннигилировать при встрече, полностью превращаясь в другие формы материи (чаще всего в излучение) с соблюдением законов сохранения. Экспериментально установлено: если встречаются частица со своей античастицей, обе превращаются в два фотона соответствующей частоты, разлетающиеся от места происшествия в разные стороны. Такие превращения были зафиксированы при встрече электрона и позитрона, а позднее — протона и антипротона. При таком превращении дефект массы достигает максимума, выделяется максимально возможное по закону взаимосвязи массы и энергии количество полной энергии \(
2mc^2,\) где m — масса одной частицы. И, наоборот, при затрате соответствующей энергии такая пара может возникнуть.
Позитрон, как и электрон, сам по себе абсолютно стабилен. Но, встречаясь друг с другом, электрон и позитрон аннигилируют («уничтожаются»), порождая два фотона:
Разумеется, никакого уничтожения материи здесь не происходит: один вид материи — заряженные массивные частицы — переходит в другой вид материи — в нейтральные безмассовые частицы. Соответственно, энергия покоя электрона и позитрона превращается в энергию движущихся со скоростью света фотонов. Если аннигиляция происходит из состояния покоя, то фотоны разлетаются в противоположные стороны с одинаковыми импульсами и одинаковыми энергиями\[
h\nu = m_ec^2=0,511\] МэВ.
Часто (но не всегда) позитрон образуется совместно с электроном. Рождение пары \(
(_<-1>^0e ; _<+1>^0e)\) происходит при столкновении фотона с заряженной частицей, в качестве которой обычно выступает атомное ядро X:
Эта реакция возможна только при достаточно большой энергии фотона\[
h\nu = m_ec^2= 1,022\] МэВ.
Не следует думать, что электрон и позитрон, встречаясь друг с другом, всегда аннигилируют, превращаясь в два фотона. Так происходит лишь в том случае, когда в системе отсчета, связанной с их центром масс, кинетическая энергия не слишком велика. Если же электрон и позитрон движутся навстречу друг другу, обладая очень большими энергиями, то при их столкновении могут порождаться самые разнообразные частицы (вплоть до наиболее тяжелой — ипсилон-мезона). Использование встречных пучков электронов и позитронов — один из самых эффективных методов генерации новых частиц. Он широко применяется в современной физике высоких энергий. Явление аннигиляции явилось еще одним доказательством взаимосвязи превращений частица + античастица \(
\leftrightarrow\) электромагнитное поле. Рождение электронно-позитронной пары также наглядно показывает, что две формы материи — вещество и поле — не являются резко разграниченными, так как возможны взаимные превращения материи из одной формы в другую.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 637-639.
Естествознание. 10 класс
Конспект урока
Естествознание, 10 класс
Урок 16. Единство многообразия. Микромир
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
Каковы особенности микромира;
Какова структура атомов и молекул и природа связи атомов в молекуле;
Какова структура атомного ядра и природа связи нуклонов в ядре;
Какие частицы в настоящее время считают фундаментальными составляющими материи.
Ядро атома – основная и определяющая часть атома, несущая положительный заряд. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов нуклонов, связанных сильным взаимодействием. На ядро приходится 99,9 % массы.
Энергия связи ядра – энергия, необходимая для разделения ядра на отдельные нуклоны; увеличивается с ростом числа нуклонов в ядре. Отношение числа нуклонов ядра к энергии связи выражается удельной энергией связи.
Термоядерный синтез – реакции слияния лёгких ядер в более тяжёлые; происходят при высоких температурах и сопровождаются выделением энергии.
Элементарные частицы – мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц способность к взаимным превращениям.
Адроны – элементарные частица участвующие в сильном взаимодействии (протоны, нейтроны и др.)
Лептоны – элементарные частицы, не принимающие участие в сильном взаимодействии (электроны, позитроны и др.)
Кварки – фундаментальные частицы; составные части адронов.
Переносчики фундаментальных взаимодействий – кванты, осуществляющие перенос фундаментальных взаимодействий.
Основная и дополнительная литература по теме урока (точные библиографические данные с указанием страниц):
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Особенности объектов микромира
Говоря о микромире, невозможно точно определить, с каких размеров он начинается. Многие биологические объекты, например частицы пыли, являются очень мелкими. Тем не менее, эти объекты ещё можно наблюдать в микроскоп. Но уже такие важные объекты живой природы, как молекулы белков и ДНК, в обычный микроскоп наблюдать невозможно, для их наблюдения используют электронный микроскоп. Для ещё более мелких объектов не подходит даже электронный микроскоп.
Таким образом, прямые данные о движении объектов микромира подобно тем, которые возможно получить для макроскопических объектов, получить невозможно. Косвенные данные о движении объектов микромира дают наблюдения спектров объектов и треков частиц.
Ещё одной особенностью, связанной с наблюдением в микромире, является тождественность одинаковых частиц. Например, все молекулы воды абсолютно идентичны. В макромире невозможно изготовить два абсолютно одинаковых шара, например для бильярда. В микромире, наоборот, например, все молекулы воды абсолютно идентичны. Если в макромире, можно достаточно точно определить, например, какой из сталкивающихся шаров попал в лузу, то в микромире при столкновении одинаковых атомов или молекул невозможно выяснить, какой из сталкивающихся атомов куда полетел.
Другим важной особенностью является, что все объекты микромира присущи как корпускулярные, так и волновые свойства. Т.е. в различных опытах с микрообъектами, в зависимости от условий резче проявляются те или иные свойства.
Характерные особенности атомно-молекулярного уровня
При сближении атомы взаимодействуют друг с другом образуя молекулы, кристаллы. Данное взаимодействие называют химической связью. Т.е. в результате электромагнитного взаимодействия. Расстояния между атомами в молекулах (длина химической связи) сравнимы с размерами атомов. Взаимодействие между электронами молекулы приводит к тому, что малые молекулы представляют собой довольно жёсткие образования. Конфигурация молекул, содержащих большое число ядер, менее жёсткая. При этом, свойства свободных атомов, из которых образована молекула, практически не проявляется у молекулы. Мир молекул более разнообразен связи с возможностью образования полимерных молекул, содержащих сотни тысяч атомов.
На уровне ядер атомов господствуют сильные взаимодействия, которые удерживают вместе одноименно заряженные протоны, отталкивающиеся друг от друга огромными электростатическими силами.
Энергия связи ядра называется энергия, необходимая для разделения ядра на отдельные нуклоны. При увеличении числа нуклонов в ядре, эта энергия возрастает и делает ядра более стабильными. Дальнейшее увеличение протонов и нейтронов приводит к увеличению размеров ядра, а, следовательно, ослаблению сильного взаимодействия и атомы становятся нестабильными. Это приводит к тому, что ядрам с малым числом нуклонов энергетически более выгодно объединиться, а ядрам с большим количеством нейтронов – распасться. Реакции слияния лёгких ядер, происходящее с выделением энергии, называются реакциями термоядерного синтеза. Именно такие реакции происходят внутри звёзд. Реакции распада тяжёлых атомов дают энергию на атомных электростанциях.
Элементарные частицы. Кварки
Понятие элементарная частица изменило понятие атома как неделимого элемента материи. Первоначально к элементарным частицам стали относить те частицы, из которых состоит атом – электрон, протон, нейтрон. Дальнейшие исследования структуры атома позволили обнаружить многие новые короткоживущие элементарные частицы. Некоторые из них были сначала предсказаны теоретически, а затем открыты экспериментально. Так в 1928 году было пересказано существование, помимо электрона, частицы с той же массой и похожими свойствами, но с положительным зарядом. Такую частицу экспериментально обнаружили в 1932 году и назвали позитроном. Позитрон является античастицей по отношению к электрону. В теории элементарных частиц предполагается, что каждая частица обладает античастицей. Основное свойство, присущее такой паре – возможность аннигиляции. Под этим понимают взаимное «уничтожение» частицы и анти частицы при столкновении. При аннигиляции вещество практически исчезает, и превращаются в основном в кванты электромагнитного поля. Это свидетельствует о сложности элементарных частиц.
Развитие экспериментальных методов исследования элементарных частиц привело к открытию большого числа таких частиц. Их число оказалось более 200.
Анализ поведения адронов в экспериментах навело на мысль, что не все они элементарны и, вероятно, состоят из ещё более мелких структур. Гелл-Ман называет их кварками.
Впоследствии эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение. Так кварки были обнаружены в нуклонах, что сняло статус элементарных частиц с группы адронов (частиц, участвующих в сильных взаимодействиях, таких как протоны и нейтроны). При этом выделить кварки в отдельном виде до сих пор не удаётся и теоретики склоняются к выводу, что это принципиально невозможно.
Другой группой элементарных частиц, названной лептонами, объединили частицы, над которыми сильное взаимодействие не действует. К ним относится, например, электрон. Лептоны остались элементарными частицами.
Таким образом, фундаментальными «кирпичиками» вещества в настоящее время считают кварки и лептоны.
Наряду с этим, корпускулярные свойства фундаментальных полей позволяют выделить элементарные частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий. Так, было установлено, что переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны. Аналогичные частицы открыты для сильных взаимодействий (их назвали глюонами) и для слабых взаимодействий (промежуточные бозоны). Имеются гипотезы, что гравитационному взаимодействию можно также сопоставить частицу гравитон. Наши представления о фундаментальной структуре материи ещё далеко не являются полными, и здесь ещё предстоит сделать много открытий.
На каждом этапе своего развития естествознание изучает простейшие по своей структуре виды материи и присущие им характеристики (формы и виды движения). Практически все природные явления могут быть объяснены в конечном итоге движением и взаимодействием элементарных частиц и полей. Поэтому ключевым предметом изучения естественных наук (в первую очередь физики) на современном этапе являются элементарные частицы и поля.
В природе имеется множество материальных объектов, каждый из которых не является чем-то абсолютно простым и бесструктурным и обладает многообразными свойствами. Новые исследования открывают нам новые объекты и новые свойства. Это означает, что познание человеком природы неисчерпаемо.
То обстоятельство, что любые объекты содержат в своей структуре элементарные частицы и те частицы, которые мы обнаруживаем в земных условиях, приходят к нам и из космических глубин, убедительно показывает, что при всем многообразии «миров» природа в целом обладает единством
Резюме теоретической части:
Любой материальный объект является сложным, структурным. Структурными элементами материальных объектов являются элементарные частицы, взаимодействия между которыми обеспечивает целостность тех или иных объектов. Все элементарные частицы обладают рядом общих свойств, которые характеризуются такими величинами, как энергия, масса, импульс, заряд и т.д., и различаются по значениям этих величин. Среди всего многообразия элементарных частиц, на сегодняшний день, выделяют частицы переносчики фундаментальных взаимодействий, лептоны (электрон, позитрон, нейтрино) и кварки.
Важным свойством элементарных частиц является их взаимопревращаемость. Но превращение частиц не является процессом их механического деления, а представляет собой процесс исчезновения одних и рождения других частиц
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Задание 1. Какие элементарные частицы выделяют на сегодняшний день? (ненужное вычеркните)
Пояснение: Нуклоны входят в группу адронов, структуру которых образуют кварки.
Задание 2. Ребус-соответствие: Соотнесите по парам тип взаимодействия и частицу-переносчика соответствующего взаимодействия.
Гравитационное взаимодействие – Гравитоны
Электромагнитное взаимодействие – Фотоны
Сильное взаимодействие – Глюоны
Слабое взаимодействие – Промежуточные бозоны
Пояснение: несмотря на то, что частиц переносчиков гравитационного взаимодействия экспериментально не удалось обнаружить, но ему придумали созвучное название – гравитон.
Позитрон
Полезное
Смотреть что такое «Позитрон» в других словарях:
позитрон — позитрон … Орфографический словарь-справочник
Позитрон — Символ Масса 9,1093826(16)·10−31кг, 0,510998910(13) МэВ/c2 Античастица электрон Классы фермион, лептон … Википедия
ПОЗИТРОН — (e+), элементарная частица, входящая в класс лептонов; античастица по отношению к электрону массы их равны, а заряды равны и противоположны по знаку. Свободный позитрон стабилен, но в веществе существует короткое время (в свинце 5?10 11 с) из за… … Современная энциклопедия
Позитрон — (e+), элементарная частица, входящая в класс лептонов; античастица по отношению к электрону массы их равны, а заряды равны и противоположны по знаку. Свободный позитрон стабилен, но в веществе существует короткое время (в свинце 5´10 11 с) из за… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ПОЗИТРОН — (е+ ) (от лат. posi(tivus) положительный и (элек)трон), элементарная частица с положит. электрич. зарядом, античастица по отношению к эл ну (е ). Массы (mе) и спины (J) П. и эл на равны, а их электрич. заряды (е) и магн. моменты (mе) равны по абс … Физическая энциклопедия
позитрон — антиэлектрон Словарь русских синонимов. позитрон сущ., кол во синонимов: 3 • античастица (3) • … Словарь синонимов
«Позитрон» — (улица Курчатова, 10), научно производственное объединение. Создано в 1969. Выпускает конденсаторы различных типов, сложную электронную бытовую технику, в том числе цветные малогабаритные телевизоры и кассетные магнитофоны, другие товары… … Энциклопедический справочник «Санкт-Петербург»
ПОЗИТРОН — ПОЗИТРОН, АНТИЧАСТИЦА ЭЛЕКТРОНА, т. е. идентичная электрону, но имеющая положительный, а не отрицательный, заряд. Исходя из теории электрона, сформулированной Полем ДИРАКОМ в 1928 г., должна была существовать частица, зеркально противоположная… … Научно-технический энциклопедический словарь
ПОЗИТРОН — ПОЗИТРОН, позитрона, муж. (от слов позитивный и электрон) (физ.). Положительный электрон. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова
ПОЗИТРОН — ПОЗИТРОН, а, муж. (спец.). Элементарная частица с положительным зарядом, с массой, равной массе электрона. | прил. позитронный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова