§ 75. Понятие об элементарных частицах

Определения и обозначения

Элементарная частица — объект микромира, который рассматривают как отдельную частицу вещества или излучения и изучают по его свойствам и взаимодействиям. Это название не означает, что объект обязательно неделим: часть частиц оказалась составной, а представления о фундаментальном уровне меняются. Понятие нужно, чтобы описывать строение материи и процессы, которые не объяснить только атомами и ядрами.

Античастица — частица, соответствующая обычной частице и имеющая ту же массу, но противоположный электрический заряд и некоторые противоположные характеристики. У электрически нейтральных частиц также могут быть античастицы, поэтому одного лишь знака заряда для их различения недостаточно. Это понятие помогает описывать симметрию микромира и реакции между частицами и античастицами.

Аннигиляция — превращение частицы и соответствующей античастицы при взаимодействии. Их энергия переходит в энергию продуктов реакции, часто в энергию фотонов; сохраняющиеся величины, например полный электрический заряд, не исчезают. Термин нужен, чтобы правильно понимать, куда переходит энергия при исчезновении исходной пары.

Рождение пары — появление частицы и соответствующей античастицы за счёт энергии. Энергии должно хватить как минимум на энергию покоя обеих частиц, а процесс обязан удовлетворять законам сохранения. Это понятие показывает, что энергия при определённых условиях может превращаться в вещество.

Как это устроено

Представления о строении материи менялись, потому что эксперименты обнаруживали объекты, которых нельзя было объяснить моделью атома или его ядра. Открытие электронов показало, что атом имеет внутреннее строение, а изучение ядер выявило протоны и нейтроны. Затем были обнаружены и другие частицы, поэтому атомы и ядра оказались лишь частью многообразия микромира. Новые данные заставляют уточнять модели, а не просто добавлять названия к старой картине.

Частицы классифицируют, в частности, по тому, в каких взаимодействиях они участвуют. Например, кварки участвуют в сильном взаимодействии и входят в состав протонов и нейтронов, а электрон относится к лептонам и не испытывает сильного взаимодействия. Протоны и нейтроны составные, тогда как электроны и кварки в современной физике рассматриваются как фундаментальные. Такое различие необходимо, чтобы понять, какие объекты имеют внутренние составляющие, а какие пока описываются как основные.

Частица и античастица имеют одинаковую массу, но противоположные значения электрического заряда и ряда других характеристик. Электрон e⁻ заряжен отрицательно, его античастица позитрон e⁺ — положительно; протон имеет заряд +e, а антипротон — −e. У нейтрона заряд равен нулю, однако существует антинейтрон: нейтральность не исключает античастицу. Сопоставление свойств пары позволяет определить, какие реакции между ними возможны.

При рождении пары часть энергии превращается в энергию покоя созданных частиц, а остаток может стать их кинетической энергией. При аннигиляции энергия покоя и кинетическая энергия исходной пары переходят в энергию продуктов, например фотонов. Связь между энергией и массой покоя задаёт формула Эйнштейна E = mc². Поэтому масса покоя может появиться из энергии или перейти в другие формы энергии, но полный энергетический баланс сохраняется.

Реакция частиц возможна только тогда, когда до и после неё одинаковы значения сохраняющихся величин. Сначала сравнивают суммарный электрический заряд, затем учитывают полную энергию и импульс; в нужных процессах проверяют и другие законы сохранения. Например, нулевой заряд пары электрон–позитрон может перейти в два нейтральных фотона, но энергия фотонов должна равняться исходной энергии системы. Такой баланс позволяет отсеять невозможный процесс ещё до подробного расчёта его вероятности.

Характеристики некоторых частиц и античастиц

Заряд e — модуль элементарного электрического заряда; знак показывает, положителен он или отрицателен. Масса в таблице — масса покоя, приведены округлённые значения. Сравнивайте частицу с указанной античастицей: массы совпадают, а электрические заряды противоположны; у нейтральных объектов сопоставляйте и другие свойства.

Разбор задач

Задача 1. Укажите заряд и античастицу электрона и протона. Для ответа используем таблицу и определение античастицы: у пары одинаковая масса, но электрические заряды противоположны. Сначала записываем известные заряды частиц, затем подбираем соответствующие античастицы. Так мы не перепутаем, например, антипротон с нейтроном, хотя оба не являются электроном.

1. Электрон имеет заряд −e.
2. Его античастица — позитрон с зарядом +e.
3. Протон имеет заряд +e.
4. Его античастица — антипротон с зарядом −e.

Ответ: электрон: −e, античастица — позитрон; протон: +e, античастица — антипротон.

Задача 2. При аннигиляции электрона и позитрона образуются два фотона. Почему нельзя считать, что исчезли энергия и электрический заряд? Сравним суммарные величины до и после реакции. Заряды исходных частиц взаимно компенсируются, а энергия исходной системы должна перейти продуктам реакции.

1. До реакции суммарный заряд равен −e + e = 0.
2. Каждый фотон электрически нейтрален, поэтому заряд двух фотонов также равен нулю.
3. Энергия электрон-позитронной пары переходит в энергию фотонов; для пары в покое она не меньше 2mₑc², а при движении учитывается и кинетическая энергия.

Ответ: ни энергия, ни заряд не исчезают: полный заряд равен нулю до и после, а энергия исходных частиц становится энергией фотонов.

Задача 3. Оцените минимальную энергию фотона для рождения пары электрон–позитрон, если суммарный импульс пары после рождения равен нулю. При таком условии созданные частицы не получают суммарной кинетической энергии как целое, поэтому минимальный энергетический бюджет должен покрыть энергию покоя двух частиц. Для электрон-позитронной пары массы равны mₑ.

1. Энергия покоя одного электрона равна mₑc².
2. Для электрона и позитрона требуется не менее 2mₑc².
3. Подставляем mₑc² ≈ 0,511 МэВ: E_min ≈ 2 · 0,511 МэВ = 1,022 МэВ.

Ответ: минимальная энергия — около 1,02 МэВ. Это энергетическая оценка; в реальном процессе нужно также обеспечить сохранение импульса, поэтому для рождения пары обычно требуется участие третьего тела, например ядра.

Типичные ошибки

Ошибка: считать элементарную частицу обязательно неделимой. Так думают, потому что слово «элементарная» звучит как утверждение об отсутствии частей, хотя это историческое название класса объектов микромира. Проверяйте себя вопросом: имеется ли у частицы установленная внутренняя структура? Протон и нейтрон составные, а фундаментальность других частиц определяется современными данными.

Ошибка: полагать, что античастица отличается только знаком электрического заряда. Это кажется естественным для электрона и позитрона, но не подходит нейтральным частицам. Проверка: вспомните нейтрон и антинейтрон, у которых заряд равен нулю, но античастица существует. Сравнивать нужно и другие характеристики пары.

Ошибка: считать аннигиляцию исчезновением энергии. Исходные частицы действительно перестают существовать как отдельные частицы, поэтому можно ошибочно принять их энергию за пропавшую. Проследите за продуктами реакции: энергия переходит, например, в энергию фотонов, а заряд и остальные сохраняющиеся величины должны совпадать до и после процесса.

Ошибка: предполагать, что для рождения пары достаточно любой энергии или что одной проверки порога достаточно. Энергия должна обеспечить энергию покоя создаваемых частиц, а процесс обязан удовлетворять всем законам сохранения. Проверьте не только энергетический баланс, но также заряд и импульс; при невозможности сбалансировать их реакция в таком виде не происходит.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и атомного ядра, а также законы сохранения энергии и электрического заряда. Связь E = mc² объясняет, как энергия может переходить в массу покоя частиц и обратно при рождении пары и аннигиляции. Эти представления применяются при изучении ядерных реакций и радиоактивности, а также помогают строить современную картину строения материи. Законы сохранения позволяют проверять возможные превращения, даже если сам процесс нельзя наблюдать напрямую.

Что запомнить

• Микромир включает множество частиц, свойства которых изучают экспериментально.
• Античастица имеет массу, равную массе соответствующей частицы.
• Электрические заряды частицы и её античастицы противоположны.
• При аннигиляции частицы и античастицы их энергия переходит в энергию продуктов реакции.
• Рождение пары требует достаточной энергии и подчиняется законам сохранения.
• Возможность реакции проверяют по сохранению энергии, импульса и зарядов.