Открытие позитрона античастицы кратко
Обновлено: 05.07.2024
Открытие античастиц по праву считается крупнейшим достижением физики ХХ столетия. Оно впервые доказало нестабильность материи на самом глубинном, самом фундаментальном уровне. До этого все были уверены, что вещество нашего мира сложено из элементарных частиц, которые никогда не исчезают и не рождаются заново. Эта простая картина ушла в прошлое, когда без малого 80 лет назад было доказано, что электрон и его положительно заряженный двойник при встрече исчезают, рождая кванты электромагнитного излучения. Позднее выяснилось, что частицам микромира вообще свойственно превращаться друг в друга, причем многими способами. Открытие античастиц положило начало коренной трансформации фундаментальных представлений о природе материи.
Антиэлектроны впервые были замечены в эксперименте опять-таки до момента своего официального открытия. Это сделал ленинградский физик Дмитрий Скобельцин, который в 1920-х годах исследовал рассеяние гамма-лучей на электронах в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле. Он заметил, что некоторые треки вроде бы электронного происхождения искривляются не туда, куда положено. Дело, разумеется, в том, что гамма-квант при взаимодействии с веществом может давать начало электрону и позитрону, которые в магнитном поле закручиваются в противоположных направлениях. Скобельцин этого, естественно, не знал и объяснить странный эффект не смог, но в 1928 году доложил о нем на международной конференции в Кембридже. По занятному совпадению, годом ранее в совет кембриджского колледжа Св. Иоанна избрали молодого физика-теоретика Поля Дирака, чьи исследования со временем позволили объяснить эти аномалии.
Уравнение Дирака
В 1926 году австриец Эрвин Шредингер сформулировал уравнение, описывающее поведение нерелятивистских частиц, подчиняющихся квантовой механике, – дифференциальное уравнение, решения которого определяют состояния частицы. Уравнение Шредингера описывало частицу, которая не имеет собственного углового импульса — спина (иначе говоря, не ведет себя как волчок). Однако в 1926 году уже было известно, что электроны обладают спином, который может иметь два различных значения: грубо говоря, ось электронного волчка ориентируется в пространстве лишь в двух противоположных направлениях (спустя год аналогичное доказательство было получено и для протонов). Тогда же швейцарский теоретик Вольфганг Паули обобщил уравнение Шредингера для электрона, так чтобы оно позволяло учитывать спин. Таким образом, спин сперва открыли экспериментально, а потом искусственно навязали шредингеровскому уравнению.
В релятивистской механике Эйнштейна формула для энергии свободной частицы выглядит сложнее, нежели в ньютоновской. Перевести эйнштейновскую формулу в квантовое уравнение несложно, это проделали и Шредингер, и трое его современников. Но решения такого уравнения показывают, что вероятность нахождения частицы в определенной точке может оказаться отрицательной, что не имеет физического смысла. Возникают и другие неприятности, обусловленные тем, что математическая структура нового уравнения (его называют уравнением Клейна–Гордона) расходится с теорией относительности (на формальном языке, оно не является релятивистски инвариантным).
Вот над этой задачей в 1927 году и задумался Дирак. Для сохранения инвариантности он включил в уравнение не квадраты операторов энергии и импульса, а их первую степень. Чтобы записать уравнение в таком виде, пришлось изначально ввести в него более сложные, чем у Паули, матрицы размером 4 × 4. У этого уравнения обнаружились четыре равноправных решения, причем в двух случаях энергия электрона положительна, а в двух — отрицательна.
Тут-то и возникла загвоздка. Первая пара решений интерпретировалась просто — это обычный электрон в каждом из возможных спиновых состояний. Если добавить в уравнение Дирака электромагнитное поле, то легко получится, что электрон обладает правильным магнитным моментом. Это был гигантский успех теории Дирака, которая без всяких дополнительных предположений наделила электрон и спином, и магнитным моментом. Однако в первое время никто не мог решить, что делать с остальными решениями. И в ньютоновской, и в эйнштейновской механике энергия свободной частицы никогда не бывает отрицательной, и частицы с энергией меньше нуля вызывали недоумение. К тому же было непонятно, почему обычные электроны не переходят в предсказанные теорией Дирака состояния с заведомо меньшей энергией, в то время как электроны в оболочках атомов такой возможности не упускают.
Поиски смысла
Через два года Дирак нашел очень красивую интерпретацию парадоксальных решений. В соответствии с принципом Паули два электрона (как и любые частицы с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одинаковом квантовом состоянии. По мысли Дирака, все состояния с отрицательной энергией в норме уже заполнены, а переход в эти состояния из зоны положительных энергий запрещен принципом Паули. Поэтому дираковское море электронов с отрицательной энергией в принципе не наблюдаемо, но лишь до тех пор, пока в нем нет свободных вакансий. Такую вакансию можно создать, если вышибить электрон с отрицательного энергетического уровня на положительный (например, достаточно мощным квантом электромагнитного излучения). Поскольку электронное море потеряет единицу отрицательного заряда, появившаяся вакансия (Дирак назвал ее дыркой) будет вести себя в электрическом поле как частица с плюсовым зарядом. По этой же логике падение электрона из нормального состояния в такую дырку ведет к исчезновению и электрона, и дырки, сопровождающемуся испусканием одного фотона.
А как проявляют себя дираковские дырки в реальном мире? Сначала Дирак отождествлял их с протонами, о чем в 1930 году и написал в Nature. Это было как минимум странно — протон в 2 000 раз тяжелее электрона. Будущий академик и нобелевский лауреат Игорь Тамм и будущий отец атомной бомбы Роберт Оппенгеймер выдвинули и более серьезное возражение, заметив, что тогда каждый атом водорода стоит перед угрозой исчезновения, а этого в природе не происходит. Дирак вскоре отказался от этой гипотезы и в сентябре 1931 года выступил со статьей, где предсказал, что дырки, если их удастся обнаружить, окажутся совершенно новыми частицами, неизвестными экспериментальной физике. Он предложил назвать их антиэлектронами.
Дираковская модель ушла в историю после создания квантовой электродинамики и квантовой теории поля, которые приписывают частицам и античастицам одинаковую реальность. Из квантовой электродинамики следует также, что встреча свободного электрона с антиэлектроном влечет за собой рождение не менее пары квантов, так что в этой части модель попросту неверна. Как нередко бывает, уравнение Дирака оказалось много умнее интерпретации, предложенной его создателем.
Открытие антиэлектрона
Как уже было сказано, позитроны фактически наблюдал еще Дмитрий Скобельцин. В 1930 году с ними столкнулся аспирант Калифорнийского технологического института Чунг-Яо Чао, исследовавший прохождение гамма-квантов сквозь свинцовую фольгу. В этом эксперименте возникали электронно-позитронные пары, после чего новорожденные позитроны аннигилировали с электронами атомных оболочек и порождали вторичное гамма-излучение, которое и зарегистрировал Чао. Однако многие физики усомнились в результатах, и эта работа признания не получила.
Руководителем Чао был президент Калтеха, нобелевский лауреат Роберт Милликен, который в те времена занимался космическими лучами (он и предложил этот термин). Милликен считал их потоком гамма-квантов и потому ожидал, что они будут расколачивать атомы на электроны и протоны (нейтрон открыли позже, в 1932 году). Милликен предложил проверить эту гипотезу Карлу Андерсону, другому своему аспиранту и к тому же приятелю Чао. Тот, подобно Скобельцину, решил воспользоваться камерой Вильсона, соединенной с очень мощным электромагнитом. Андерсон тоже получил треки заряженных частиц, которые внешне не отличались от треков электронов, но были изогнуты в обратном направлении. Сначала он приписал их электронам, которые движутся не сверху вниз, а снизу вверх. Для контроля он установил в центре камеры свинцовую пластинку толщиной 6 мм. Оказалось, что над пластиной величины импульсов частиц с треками электронного типа в два с лишним раза превышают эти показатели в нижней части камеры — отсюда следовало, что все частицы движутся сверху вниз. Этот же прием доказал, что частицы с аномальной закруткой не могут быть протонами — те бы застряли в свинцовом экране.
В конце концов Андерсон пришел к выводу, что почти все аномальные треки принадлежат каким-то легким частицам с положительным зарядом. Однако Милликен в это не поверил, а Андерсон без одобрения шефа не хотел публиковаться в научной печати. Поэтому он ограничился коротким письмом в популярный журнал Science News Letter и приложил к нему фотографию аномального трека. Согласившийся с интерпретацией Андерсона редактор предложил назвать новую частицу позитроном. Этот снимок был опубликован в декабре 1931 года.
Теперь вспомним, что Дирак обнародовал гипотезу о существовании антиэлектрона еще в сентябре. Однако и Андерсон, и Милликен почти ничего не знали о его теории и вряд ли понимали ее суть. Поэтому Андерсону не пришло в голову отождествить позитрон с дираковским антиэлектроном. Он еще долго пытался убедить Милликена в собственной правоте, но, так и не достигнув успеха, в сентябре 1932 года опубликовал в журнале Science заметку о своих наблюдениях. Однако в этой работе речь идет все-таки не о двойнике электрона, а лишь о положительно заряженной частице неизвестного вида, масса которой много меньше массы протона.
Следующий шаг к идентификации антиэлектрона сделали в месте его предсказания — в Кембридже. Английский физик Патрик Блэкетт и его итальянский коллега Джузеппе Оккиалини занимались исследованием космических лучей в знаменитой Кавендишской лаборатории, возглавляемой великим Резерфордом. Оккиалини предложил оснастить камеру Вильсона электронной схемой (придуманной его соотечественником Бруно Росси), включавшей камеру в случае одновременного срабатывания счетчиков Гейгера, один из которых был установлен над камерой, а другой – под ней. К осени 1932 года партнеры получили около 700 фотографий треков, которые можно было приписать заряженным частицам космического происхождения. Среди них имелись и V-образные трековые пары, порожденные расходящимися в магнитном поле электронами и позитронами.
Вскоре исследования позитрона двинулись вперед семимильными шагами. Парижский физик Жан Тибо наблюдал электронно-позитронные пары земного происхождения, порожденные торможением в свинце гамма-квантов от радиоактивного источника. Он доказал, что у обеих частиц отношение заряда к массе по абсолютной величине совпадает с очень высокой точностью. В 1934 году Фредерик Жолио и Ирен Кюри обнаружили, что позитроны возникают и при радиоактивном распаде. Так что к середине 30-х годов ХХ века существование предсказанных Дираком антиэлектронов превратилось в установленный факт.
Антинуклоны
Механизм порождения позитронов космическими лучами установлен давно. В основном первичное космическое излучение состоит из протонов с энергией более 1 ГэВ, которые при столкновениях с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы порождают пионы и прочие нестабильные частицы. Пионы дают начало новым распадам, в ходе которых появляются гамма-кванты, которые при торможении в веществе производят электронно-позитронные пары.
Рукотворное антивещество
Ядра ядрами, но для настоящего антивещества требуются полноценные атомы. Простейший из них — атом антиводорода, антипротон плюс позитрон. Такие атомы были впервые созданы в ЦЕРНе в 1995 году — через 40 лет после открытия антипротона. Вполне возможно, что это были первые атомы антиводорода за время существования нашей Вселенной после Большого взрыва — в природных условиях вероятность их рождения практически нулевая, а существование внеземных технологических цивилизаций всё еще под вопросом.
Этот эксперимент был осуществлен под руководством немецкого физика Вальтера Олерта. В ЦЕРНе тогда действовало накопительное кольцо LEAR, в котором хранились низкоэнергетические (всего-то 5,9 МэВ) антипротоны (оно проработало с 1984 по 1996 год). В эксперименте группы Олерта антипротоны направляли на струю ксенона. После столкновения антипротонов с ядрами этого газа возникали электронно-позитронные пары, и некоторые позитроны крайне редко (с частотой !) объединялись с антипротонами в атомы антиводорода, движущиеся почти что со скоростью света. Незаряженные антиатомы больше не могли вращаться внутри кольца и вылетали по направлению к двум детекторам. В первом приборе каждый антиатом ионизировался, и освобожденный позитрон аннигилировал с электроном, порождая пару гамма-квантов. Антипротон уходил во второй детектор, который до исчезновения этой частицы успевал определить ее заряд и скорость. Сопоставление данных с обоих детекторов показало, что в эксперименте было синтезировано не меньше 9 атомов антиводорода. Вскоре релятивистские атомы антиводорода были созданы и в Фермилабе.
С лета 2000 года в ЦЕРНе действует новое кольцо AD (Antiproton Decelerator). В него поступают антипротоны с кинетической энергией 3,5 ГэВ, которые замедляются до энергии в 100 МэВ и затем используются в разнообразных экспериментах. Антивеществом там занялись группы ATHENA и ATRAP, которые в 2002 году стали разово получать десятки тысяч атомов антиводорода. Эти атомы возникают в особых электромагнитных бутылках (так называемых ловушках Пеннинга), где смешиваются поступающие из AD антипротоны и рождающиеся при распаде натрия-22 позитроны. Правда, жизнь нейтральных антиатомов в такой ловушке измеряется всего лишь микросекундами (зато позитроны и антипротоны могут храниться там месяцами!). В настоящее время отрабатываются технологии более длительного хранения антиводорода.
Наука невозможного
Активное использование антиматерии началось еще в середине XX века. Правда, только в фантастике.
Писатели-фантасты давным-давно предсказали космические корабли на антиматерии. Из серьезных специалистов первым этой темы коснулся крупный немецкий инженер-ракетчик Ойген Сангер, один из изобретателей прямоточного воздушно-реактивного двигателя. В 1953 году он опубликовал проект фотонной ракеты, получающей энергию от аннигиляции электронов и позитронов. Позднее было предложено использовать в качестве топлива более массивные и, соответственно, более энергоемкие протоны и антипротоны.
На первый взгляд эта идея кажется весьма привлекательной. Аннигиляция протонов и антипротонов должна дать на три порядка больше энергии, нежели ядерное топливо, и на два порядка больше, чем термояд. Около половины этой энергии съедят мгновенно разлетающиеся и посему бесполезные для космонавтики нейтрино. Оставшаяся энергия после серии промежуточных реакций с участием пионов, мюонов, электронов и позитронов выделится в виде жесткого гамма-излучения, которое можно пустить на подогрев рабочего тела реактивного мотора (прямая реактивная лучевая тяга не получится, поскольку гамма-кванты изотропно разлетятся во всех направлениях). Более экзотические проекты предлагают с помощью электромагнитных полей стягивать родившиеся в результате аннигиляции заряженные частицы в направленные струи и отбрасывать их против движения ракеты.
Но теория теорией, а практика практикой. Для полета в пределах Солнечной системы потребуется как минимум несколько граммов антивещества. Сейчас антипротоны изготовляют в Фермилабе и в ЦЕРН, причем не больше одного-двух нанограммов в год. КПД современных технологий производства антипротонов ничтожен — одна стомиллионная доля процента. Так что энергия, которую пришлось бы затратить на синтез необходимой массы антипротонов, примерно на три порядка превышает годовое производство электричества на Земле. К тому же антипротоны (в первозданном виде, в составе антиводорода или в плазменном окружении) нужно где-то хранить, а как это сделать — непонятно. Пока никому не удалось удержать в ловушке больше миллиона антипротонов, а это всего лишь 10 -18 г.
Правда, есть другой путь, гораздо более привлекательный. Антипротоны можно использовать в качестве катализатора комплексной ядерной реакции, включающей процессы деления и синтеза. Одна из подобных схем выглядит так. Капсулу из урана-238 со смесью дейтерия и трития сильно сжимают (например, лазерными импульсами), а потом облучают пучком антипротонов. Антипротоны заставят уран делиться с образованием большого количества нейтронов, которые разогреют начинку капсулы до миллионов градусов и запустят термоядерный синтез гелия. Вычисления показывают, что для полета к границам Солнечной системы хватит нескольких микрограммов (максимум десятков микрограммов) антипротонов. Если создать новые технологии получения этих античастиц, повысив сегодняшний КПД в тысячу раз, а заодно решить проблему их длительного хранения, то для одного полета хватит часовой, а то и минутной работы всех электростанций планеты. Не исключено, что когда-нибудь человечество пойдет на такие затраты.
А как дела насчет взрывчатки? В 2004 году в американскую печать проникли сведения, что командование ВВС изучает возможность создания бомбы на антиматерии. Эта шумиха вскоре заглохла, тем более что Пентагон отказался ее комментировать. Тем не менее совершенно очевидно, что боевая антивзрывчатка, несмотря на всю свою мощь, не имеет смысла. Полная аннигиляция грамма антипротонов (а это огромное количество!) с граммом протонов выдаст на-гора около 43 кт — мощность не особенно большой атомной бомбы. Про сравнительную стоимость того и другого способа можно даже и не говорить. Так что полную возможность самоуничтожения человечество имеет и без всякой антиматерии.
А вот где антиматерия действительно уже служит человечеству — так это в медицине. Античастицы в лице позитронов давно работают в позитронных эмиссионных томографах. Источниками этих частиц служат некоторые короткоживущие изотопы, такие как углерод-11 и кислород-15. В последние годы излучатели позитронов используют и в материаловедении.
Из курса физики за 9 класс известно, что все вещества в природе состоят из элементарных частиц: протонов, нейтронов, электронов и других. В первой половине XX в. были обнаружены частицы, очень похожие на известные, впоследствии названные античастицами. Поговорим кратко о них.
Открытие позитрона
В 1928 г. британский физик П. Дирак вывел квантовое релятивистское уравнение движения электрона (уравнение Дирака). Решением этого уравнения являлись квантовые уровни энергии электрона. И это уравнение давало не только положительные, но и отрицательные решения. Оказалось, что это не бессмысленные решения: электрон с отрицательной энергией следует рассматривать как частицу, равную по массе электрону, но при этом заряженную положительно. Такая частица была названа позитроном.
В 1932 году при наблюдениях космических лучей с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, К. Андерсон выявил треки частиц, которые по расчетам имели массу и модуль заряда как у электрона, однако направлены треки были в другую сторону. Следовательно, частицы имели положительный заряд и являлись позитронами, предсказанными П. Дираком.
С помощью той же камеры Вильсона был установлен источник этих позитронов: они рождались под действием гамма-квантов космического излучения и всегда в паре с электронами. В 1934 г. также был открыт еще один источник позитронов — $\beta^+$ радиоактивность.
Рис. 1. Открытие позитрона.
Аннигиляция
Рис. 2. Аннигиляция.
Антивещество
Поскольку античастицы обладают всеми свойствами частиц, они точно так же могут образовывать атомы. Из-за возможности аннигиляции антивещество было получено гораздо позже открытия античастиц.
Первые полностью сформированные атомы антивещества (антиводород, состоящий из антипротона и позитрона) были получены лишь в 2001 г.
Рис. 3. Антиводород.
Что мы узнали?
В соответствии с уравнением Дирака электрон может иметь не только положительные, но и отрицательные уровни энергии. Электрон с отрицательными уровнями энергии может рассматриваться как античастица — позитрон. Почти все частицы в природе имеют свои античастицы. Взаимодействие частиц и античастиц называется аннигиляцией, при этом обе частицы превращаются в гамма-кванты высоких энергий.
Одной из самых интересных задач, стоящих перед современной наукой, является разгадка тайн устройства Вселенной. Известно, что в мире все состоит из материи или вещества. Но, по предположениям ученых, в момент Большого взрыва образовалось не только вещество, из которого состоят все объекты окружающего мира, но и так называемое антивещество, антиматерия и, следовательно, античастицы вещества.
Античастица электрона
Первой античастицей, чье существование было предсказано, а потом доказано научно, стал позитрон.
Чтобы понять происхождение этой античастицы, стоит обратиться к строению атома. Известно, что ядро атома содержит протоны (положительно заряженные частицы) и нейтроны (частицы, не имеющие заряда). По его орбитам обращаются электроны – частицы с отрицательным электрическим зарядом.
Позитрон – античастица электрона. Она обладает положительным зарядом. В физике символ позитрона выглядит таким образом: е + (для обозначения электрона используется символ е - ). Появляется эта античастица в результате радиоактивного распада.
Чем позитрон отличается от протона?
Заряд позитрона положительный, поэтому его отличие от электрона и нейтрона очевидно. Но протон, в отличие от электрона и нейтрона, также обладает положительным зарядом. Некоторые ошибаются, полагая что позитрон и протон – по сути одно и то же.
Разница в том, что протон – это частица, часть вещества, материи, составляющей наш мир, входящая в состав каждого атомного ядра. Позитрон – античастица электрона. Она не имеет с протоном ничего общего, кроме положительного заряда.
Кто открыл позитрон?
Впервые существование позитрона предположил английский физик Поль Дирак в 1928 году. Его гипотеза состояла в том, что электрону соответствует античастица с положительным зарядом. Кроме того, Дирак высказал предположение, что, встретившись, обе частицы исчезнут, выделив при этом большое количество энергии. Еще одной его гипотезой было то, что существует обратный процесс, при котором появляются электрон и частица, обратная ему. На фото показаны треки электрона и его античастицы
Несколько лет спустя физик Карл Андерсон (США), фотографируя частицы при помощи камеры Вильсона и изучая их треки, обнаружил следы частиц, похожих на электроны. Однако следы имели обратное искривление от магнитного поля. Следовательно, заряд их был положительным. Отношение заряда частицы к массе было таким же, как у электрона. Таким образом, теория Дирака подтвердилась экспериментально. Андерсон дал этой античастице название "позитрон". За свое открытие ученый был удостоен Нобелевской премии по физике.
Связанная система электрона и позитрона получила название "позитроний".
Аннигиляция
Термин "аннигиляция" переводится как "исчезновение" или "уничтожение". Когда Поль Дирак предположил, что частица электрон и античастица электрона исчезнут при столкновении, имелась в виду именно их аннигиляция. Иными словами, этим термином описывается процесс взаимодействия материи и антиматерии, приводящий к их взаимному исчезновению и выбросу энергетических ресурсов в ходе данного процесса. Как такового уничтожения материи при этом не происходит, она лишь начинает существовать в другой форме.
В ходе столкновения электрона и позитрона вырабатываются фотоны – кванты электромагнитного излучения. Они не имеют ни заряда, ни массы покоя.
Существует и обратный процесс, называемый "рождение пары". В этом случае частица и античастица появляются в результате электромагнитного или иного взаимодействия.
Даже при столкновении одного позитрона и одного электрона выбрасывается энергия. Достаточно представить, к чему приведет столкновение множества частиц с античастицами. Энергетический потенциал аннигиляции для человечества неоценим.
Антипротон и антинейтрон
Логично предположить, что раз античастица электрона существует в природе, то и у других фундаментальных частиц должны иметься античастицы. Антипротон и антинейтрон были обнаружены в 1955 и 1956 годах соответственно. Антипротон имеет отрицательный заряд, антинейтрон заряда не несет. Открытые античастицы называются антинуклоны. Таким образом, антивещество имеет следующий вид: ядра атомов состоят из антинуклонов, а по орбите вокруг ядра обращаются позитроны.
В 1969 году в СССР был впервые получен изотоп антигелия.
В 1995 в Церне (европейской лаборатории ядерных исследований) был выработан антиводород.
Получение антиматерии и ее значение
Как было сказано, античастицы электрона, протона и нейтрона способны аннигилировать со своими исходными частицами, вырабатывая при столкновении энергию. Поэтому исследования данных явлений имеют огромное значение для различных сфер науки.
Получение антивещества является крайне долгим, трудоемким и затратным процессом. Для этого строятся специальные ускорители частиц и магнитные ловушки, которые должны удерживать полученное антивещество. Антиматерия является самой дорогой субстанцией на сегодняшний день.
Если бы производство антивещества удалось поставить на поток, то человечество было обеспечено энергией на многие годы. Кроме того, антиматерию можно было применять для создания ракетного топлива, ведь, по сути, получалось бы это топливо попросту из контакта антиматерии с любым веществом.
Угроза, исходящая от антивещества
Как и многие открытия, сделанные человеком, обнаружение античастиц электрона и нуклонов может поставить людей перед серьезной угрозой. Всем известна мощь атомной бомбы и разрушения, которые она способна нанести. Но мощность взрыва при контакте вещества с антивеществом является колоссальной и во много раз превосходит силу атомной бомбы. Таким образом, если однажды будет изобретена "антибомба", то человечество поставит себя на грань самоуничтожения.
Буквально сто лет тому назад, а именно в 1920-ом году, разу после того как был введен принцип квантовой механики, субатомный мир представлялся предельно простым и понятным.
Ведь по версии ученых была всего пара элементарных частиц, из которых состоял атом – протон и нейтрон (экспериментально существование нейтрона было подтверждено только в 30-егоды).
И всего одна частица за пределами атомарного ядра – электрон. Но эта идеалистическая Вселенная просуществовала недолго.
Как была открыта первая античастица
Любопытству ученых нет предела и поэтому для разных научных групп стали оборудоваться высокогорные лаборатории, в которых светлые головы стали активно изучать космические лучи, которые круглосуточно бомбардируют поверхность нашей планеты.
И в результате этих исследований стали обнаруживаться частицы, которые ну никак не могли существовать в идеальной протонно-нейтронно-электронной Вселенной.
И среди этих открытых частиц оказалась и первая в мире античастица.
Мир античастиц – это по своей сути зеркальное отражение привычного для нас мира. Ведь масса у античастицы точно совпадает с массой обычной частицы, вот только другие ее характеристики полностью противоположны прообразу.
Давайте рассмотрим электрон. У него отрицательный заряд, а так называемая парная частица, названная позитроном, имеет положительный заряд. Соответственно у протона положительный заряд, у антипротона – отрицательный и т. п.
Так вот если частица и античастица сталкивается, то они взаимо-уничтожаются, то есть столкнувшиеся частицы прекращают свое существование.
Но это событие не проходит бесследно. В результате этого процесса выделяется огромное количество энергии, которое затем рассеивается в пространстве в виде потока фотонов и всевозможных сверхлегких частиц.
Кто открыл первую античастицу
Первое теоретическое предсказание о существовании пресловутых античастиц осуществил П. Дирак в своем труде, опубликованном в 1930-ом году.
Так для того, чтобы осознать как проявляют себя частицы и античастицы при активном взаимодействии по Дираку, вообразите себе ровное поле.
Так вот если с помощью лопаты выкопать небольшую лунку, то сформируются два объекта яма и кучка.
Если представить, что куча земли – это частица, а яма – античастица, а если вы засыпите яму этим грунтом, то не будет ни того, ни другого. То есть произойдет аналог процесса аннигиляции.
Пока одни ученые занимались теоретическими выкладками, другие собирали экспериментальные установки. Так в частности физик-экспериментатор К. Д. Андерсон, собирал исследовательское оборудование в горной лаборатории на вершине Пайк (США, штат Колорадо) и под руководством Р. Милликена собирался заняться изучением космических лучей.
Для этих целей была придумана установка (в последствии установку назвали конденсационная камера), которая состояла из ловушки, помещенной в мощное магнитное поле. Атакуя мишень частицы, пролетая через специальную камеру, оставляли в ней конденсационный след.
Вот по нему ученые и определяли массу пролетевшей частицы, а в зависимости от угла отклонения частицы в магнитном поле ученые определяли заряд частицы.
Именно таким образом была впервые обнаружена экспериментальным путем античастица – позитрон.
За это достижение в 1936 году ученому была присуждена Нобелевская премия, которую он правда разделил с В. Ф. Гессом, ученым, который экспериментально подтвердил существование космических лучей.
Все последующие античастицы были уже получены в ходе лабораторных экспериментов. На сегодня античастица уже не является чем-то экзотическим и физики могут их штамповать в требуемом количестве на специальных ускорителях.
Если вам понравился материал, тогда не забудьте оценить его лайком, написать комментарий и подписаться. Спасибо за уделенное внимание!
Читайте также: