Реферат: Античастицы

ГОСКОМВУЗ РФ

НГТУ

Кафедра общей физики

Тема: ”Античастицы”

ФАКУЛЬТЕТ: АВТФ

ГРУППА: А-513

СТУДЕНТ: Ефименко Д. В.

ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: Усольцева Н.Я.

Новосибирск

1996

Антивещество — материя, построенная из античастиц. Существование античастиц было впервыепредсказано в 1930 году английским физиком П. Дираком. Из уравнения Диракадля релятивистского электрона следовало второе решение для его двойника,имеющего ту же массу и положительный электрический заряд. В то же время былаизвестна лишь одна положительно заряженная частица — протон, резко отличавшийсяпо своим свойствам от электрона. Теоретики стали придумывать хитроумныеобъяснения этих различий, но вскоре выяснилось, что протон не имеет ничегообщего с частицей, предсказанной Дираком. В 1932 году положительно заряженныепозитроны обнаружил в космических лучах американский физик К. Андерсон. Этооткрытие явилось блестящим подтверждением теории Дирака.

В 1955 году нановом ускорителе в Беркли Э. Сегре, О. Чемберлен и другие обнаружилиантипротоны, рожденные в столкновении протонов с ядрами медной мишени. До этогопротон с отрицательным зарядом долго и безуспешно разыскивался в космическихлучах. В 1956 году был открыт и антинейтрон. Сейчас известно уже множествочастиц, и почти всем им соответствуют античастицы.

Частицы иантичастицы имеют одинаковую массу, время жизни, спин, но различаются знакамивсех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т. д. Это следует изобщих принципов квантовой теории поля и подтверждается надежнымиэкспериментальными данными.

С современнойточки зрения элементарные частицы разбиваются на две группы. Первая из них — частицы с полуцелым спином: заряженные лептоны e — , m-, t-, соответствующие им нейтрино и кварки u, d, c, b, t. Всеэти частицы обладают и античастицами. Другая группа — это кванты полей с целымспином, переносящие взаимодействия: фотон, промежуточные бозоны слабыхвзаимодействий, глюоны сильных взаимодействий. Некоторые из них истиннонейтральны (g, Z0), то есть все их квантовые числа равны нулюи они идентичны своим античастицам; другие (W+, W-)также образуют пары частица — античастица. Легко теперь увидеть, что все барионы, состоящие из трех кварков,должны иметь античастицы, например: нейтрон имеет состав (<img src="/cache/referats/1157/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"><img src="/cache/referats/1157/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"><img src="/cache/referats/1157/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027">p- — мезон состоит из кварков (<img src="/cache/referats/1157/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028">p+ мезон состоит из кварков (<img src="/cache/referats/1157/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029">p0,r,h- мезоны, куда входят пары кварков <img src="/cache/referats/1157/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030"><img src="/cache/referats/1157/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031"> и <img src="/cache/referats/1157/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032">

Характернаяособенность поведения частиц и античастиц — их аннигиляция при столкновении.Еще Дирак предсказал процесс аннигиляции электронов и позитронов в фотоны: е- + е+ ® g + g. Процессы аннигиляции идут,разумеется, с сохранением энергии, импульса, электрического заряда и т. п. При этом могут рождаться не толькофотоны, но и другие частицы; очевидно, что вследствие законов сохраненияразличных зарядов одновременно рождаются и соответствующие античастицы, как,например, в реакции аннигиляции электрона и позитрона в пару мюонов: е-+ е+ ® m- + m+. В таких реакциях были открыты “очарованные” и “прелестные” частицы. Ваналогичном процессе е- + е+ ® t- + t+открыли тяжелый t — лептон. В последние годы процесс аннигиляции все чащеиспользуется как один из самых совершенных методов исследования микромира.

Операциязамены частиц на античастицы получила название зарядового сопряжения. Так какистинно нейтральные частицы тождественны своим античастицам, то при операциизарядового сопряжения они переходят сами в себя.

В сильных иэлектромагнитных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами иантичастицами: если возможен какой-то процесс с частицами, то возможен и имеетте же характеристики аналогичный процесс с соответствующими античастицами.Подобно тому как протоны и нейтроны благодаря сильному взаимодействиюсвязываются в ядра, из соответствующих античастиц будут образовыватьсяантиядра.

В 1965 году наускорителе в США был получен антидейтрон. В 1969 году в Протвино на ускорителеИнститута физики высоких энергий советские физики открыли ядра антигелия-3,состоящие из двух антипротонов и антинейтрона. Затем были открыты и ядра антитрития- тяжелого антиводорода, состоящие из одного антипротона и двух антинейтронов.В принципе можно представить себе и антиатомы,и даже большие скопления антивещества. Свидетельством присутствия антивеществаво Вселенной было мощное аннигиляционное излучение, приходящее из областей соприкосновениявещества с антивеществом.

Ведьаннигиляция только 1 грамма вещества и антивещества приводит к выделению 1014 Дж энергии, что эквивалентно взрыву средней атомной бомбы в 10килотонн. Однако астрофизика таких данных пока не имеет, и даже в космическихлучах антипротоны встречаются довольно редко. Сейчас уже практически нетсомнений, что Вселенная в основном состоит из обычного вещества.

Но так было невсегда. На ранней стадии развития Вселенной при очень больших температурахоколо 1013 К количество частиц и античастиц почти совпадало: набольшое количество антипротонов ( примерно на каждые несколько миллиардов)приходилось столько же протонов и еще один “лишний” протон. В дальнейшем при остыванииВселенной все частицы и античастицы проаннигилировали, породив в конечном итогефотоны, а из ничтожного в прошлом избытка частиц возникло все, что нас теперьокружает. Аннигиляционные фотоны, постепенно охлаждаясь, дожили до наших дней ввиде реликтового излучения. Отношение современной плотности протонов кплотности реликтовых фотонов (10-9) и дало сведения о величинеизбытка частиц над античастицами в прошлом. Если бы этого избытка не было, топроизошла бы полная взаимная аннигиляция частиц и античастиц и в результатевозникла бы довольно унылая Вселенная, заполненная холодным фотонным газом.

Откуда жевзялся этот избыток? Одна из гипотез предполагает, что в начальном состоянии числочастиц и античастиц совпадало, но затем из-за особенностей в динамике ихвзаимодействия возникла асимметрия.

Аннигиляция —это единственный процесс, в котором исчезает обе начальные частицы и вся ихмасса полностью переходит, например, в энергию фотонов. Никакая другая реакция,используемая в энергетике, таким свойством не обладает. И при делении урана, ив процессах термоядерного синтеза в энергию превращается лишь небольшая часть(порядка десятых долей процента) массы покоя частиц, участвующих в реакции.Поэтому аннигиляция антивещества с веществом даёт в тысячу раз больше энергии,чем при делении такогоже количества урана. Если бы в нашем распоряжении быланебольшая планетка из антивещества, то все проблемы с энергетическим кризисомсразу отпали. Предположим мы научились бы переводить всю энергию аннигиляции вэлектрическую. Тогда для того, чтобы обеспечить планету годовым запасомэлектроэнергии, надо отколоть от планеты и подвергнуть аннигиляции всего лишь1000-килограммовый кусок антивещества. Сравните эти 1000 килограмм с сотнямимиллионов тонн угля и нефти, которые мы добываем ежегодно, чтобы решить ту жесамую задачу!

Сколько энергиивыделяется на 1 грамм топлива

1. Аннигиляция вещества и антивещества 1014 джоулей

2. Деление урана 1011джоулей

3. Сжигание угля 2,9104джоулей

Антивеществобыло бы идеальным топливом ещё и потому, что оно не загрязняет окружающуюсреду. После аннигиляции в конечном счёте остаются только фотоны высокойэнергии и нейтрино.

НашуЗемлю регулярно бомбардирует поток космических лучей — частиц высоких энергий,которые генерируются при различных процессах, происходящих в нашей Галактике.Большую часть этих частиц составляют протоны и ядра гелия.

Нонедавно, в 1979 году, в космических лучах были найдены и антипротоны. Об этомсообщили сразу две группы: советские физики из Ленинградского физико-техническогоинститута имени А. И. Иоффе и американские учёные из Центра космических полётовимени Л. Джонсона. Позитрон был обнаружен в космических лучах в 1932 году.Такой большой промежуток времени между открытием в космических лучах позитронаи антипротона объясняется тем, что антипротон намного сильнее взаимодействует свеществом, чем позитрон. антипротоны из космоса не успевают дойти доповерхности Земли, они аннигилируют уже в самых верхних слоях атмосферы. Именнопоэтому поиск антипротонов в космических лучах представляет собой сложнуютехническую задачу. Надо поднять детектор как можно выше, к границе атмосферы.Все эксперименты по поиску античастиц в космических лучах были выполнены нааэростатах. Например, в опытах Р. Голдена воздушный шар поднимал на высоту 36километров примерно 2 тонны аппаратуры.

Номожно ли считать, что эти антипротоны прилетели к нам из Антимира? Вообщеговоря, нельзя. В космических лучах есть протоны достаточно высокой энергии, ипри столкновении с частицами, например, межзвёздного газа они могут рождатьантипротоны в той же самой реакции, что идёт на ускорителях:

Такимобразом, сам факт обнаружения антипротонов в космических лучах можно объяснить,не привлекая гипотезы об антимире,

Вкосмических лучах наблюдались обычные ядра многих элементов таблицы Менделеева,вплоть до Урана. Однако ни одного антиядра в космических лучах до сих поробнаружено не было. Правда пределы, которые были получены в опытах по поискуантиядер ещё не настолько низки, чтобы можно уверенно исключить возможность ихсуществования. Сторонники Антимира считают, что поток ядер антигелия долженбыть в 10 раз меньше той величины, которую удалось измерить на сегодняшний день.Предсказываемое значение не слишком мало и в принципе достижимо уже в ближайшембудущем.

Надосказать, что если бы удалось обнаружить хотя бы одно ядро антигелия, а ещёлучше — антиуглерода, то это бы стало исключительно серьёзным подтверждениемгипотезы о существовании Антимира. Дело в том, что вероятность создатьантигелий за счет столкновения протонов космических лучей с веществом межзвёздногогаза пренебрежимо мала, меньше 10-11. В то же время если существуютантизвёзды, то в них антиводород должен перегорать в антигелий, а затем вантиуглерод.

Какбы то ни было, антиядер пока не зарегистрировано, хотя с большой уверенностьюотрицать их присутствие в космических лучах нельзя.

Унас нет надёжных доказательств того, что какие-либо частицы Антимира прилетаютк нам на Землю. Пока мы не наблюдали ни одного антиядра; результаты поизмерению потока антипротонов не могут расцениваться как доказательствосуществования Антимира — слишком много для этого требуется предположений,которые нуждаются в объяснении и проверки. Вместе с тем наши экспериментальныерезультаты не настолько полны и точны, чтобы совсем закрыть возможностьсуществования Антимира.

Однакоданные по космическим лучам могут наложить некоторые ограничения на примесьантивещества в нашей Галактике. Считается, что почти все космические лучигенерируются в процессах, которые происходят “внутри” нашей Галактики. Поэтомудоля антивещества, возможно существующего в Галактике, не должна превышать долиантипротонов и антиядер в космических лучах. Известно, что в космических лучахотношение числа антипротонов к числу протонов приблизительно равно 10-4,а отношение числа ядер антигелия к числу протонов по крайней мере меньше 10-5.

Отсюдаделается вывод: примесь антивещества в Галактике меньше 10-4 — 10-5.Это означает, что экспериментальные данные по космическим лучам не противоречатналичию, грубо говоря, одной антизвезды на каждые 10 — 100 тысяч обычных звёзд.Подчеркнём, что такая оценка отнюдь не является доказательства существованияантизвёзд. Совершенно неясно, как могли такие антизвёзды образоваться в нашейГалактике.

Светот антизвезды нельзя отличить от видимого света обычных звёзд. Однако процессытермоядерного синтеза, который обеспечивает “горение” звёзд, идут по-разномудля звёзд и антизвёзд. Если в первом случае реакции термоядерного синтезасопровождаются испусканием нейтрино, например в таких процессах:

Тов антизвёздах аналогичные реакции приводят к вылету антинейтрино:

Сэкспериментальной точки зрения более выгодно искать громадные потокиантинейтрино, которые могут возникать на последней стадии эволюции антизвёзд.Дело в том, что когда звезда исчерпывает все свои запасы термоядерного топлива,она начинает катастрофически быстро сжиматься под действием своихгравитационных сил. Если масса звезды составляет одну-три массы Солнца, то этосжатие продолжается до тех пор, пока электроны не “вдавятся” внутрь атомныхядер, из которых состоит звезда. Пи этом происходит превращение протоновядер в нейтроны и испускаются нейтрино:

Когдазвезда почти целиком будет состоять из нейтронов, сжатие прекратится, так каксилы гравитационного притяжения будут уравновешены мощными силами отталкивания,которые происходят между нейтронами. Происходит образование так называемойнейтронной звезды — стабильного объекта с исключительно большой плотностью ималыми размерами. Радиус нейтронной звезды с массой Солнца порядка 10километров (радиус Солнца порядка 700 000 километров).

Ясно,что при коллапсе антизвезды должны образоваться антинейтроны, и процессобразования антинейтронной звезды будет сопровождаться испусканиемантинейтрино:

Потоктаких антинейтрино должен быть исключительно велик, ведь при коллапсепрактически каждый из громадного числа протонов звезды, превращаясь в нейтрон,даёт одно нейтрино: число антинейтрино » число антипротонов в антизвезде @ 1057.

Ужесуществующие нейтринные телескопы могут зарегистрировать возникновение такойколоссальной нейтринной вспышки, если она произошла в нашей Галактике.

Используемаялитература:

1. Физическаяэнциклопедия т.1 М.: 1990.

2. М. Саплжников “Антимирреальность?” М.: 1983

3. Власов Н. А. “Антивещество”М.: 1960

еще рефераты

Еще работы по физике

Реферат по физике

Ядерные реакции. Ядерная энергетика

29 Августа 2013

Реферат по физике

Дифракция электронов. Электронный микроскоп