§ 115. Открытие позитрона. Античастицы

Определения и обозначения

Позитрон — античастица электрона: имеет такую же массу, но положительный электрический заряд. Его обычно обозначают e⁺, а электрон — e⁻. Это обозначение помогает сразу увидеть, какая из частиц имеет положительный, а какая — отрицательный заряд.

Античастица — частица, имеющая ту же массу, что и соответствующая частица, но противоположные ей некоторые характеристики, в частности электрический заряд. Не все свойства обязательно меняются на противоположные. Понятие нужно, чтобы описывать пары частиц с одинаковой массой и разными знаками заряда.

Аннигиляция — превращение частицы и соответствующей античастицы при их взаимодействии в другие частицы, обычно в фотоны. Например, электрон и позитрон могут превратиться в излучение. Термин описывает не исчезновение энергии, а переход вещества в другие формы.

Рождение пары — возникновение частицы и её античастицы при превращении энергии; пример — образование электрона и позитрона. Пара появляется вместе, а не по отдельности, чтобы в том числе соблюдался закон сохранения электрического заряда. Это понятие связывает энергию излучения с появлением частиц.

Как это устроено

Позитрон обнаружили при изучении космических частиц в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле. Заряженная частица движется по искривлённой траектории, а направление изгиба зависит от знака её заряда. По следу исследователи установили, что частица положительно заряжена: так удалось отличить её от электрона с отрицательным зарядом.

Одного положительного заряда было недостаточно, чтобы определить, что за частица оставила след: положительно заряжен и протон. Поэтому учитывали характер ионизации — способность частицы выбивать электроны из атомов среды — и то, как изгибалась её траектория. Эти признаки позволили оценить массу: она оказалась близкой к массе электрона и намного меньше массы протона. Так след отнесли к новой лёгкой частице, а не к протону.

Открытие подтвердило возможность существования античастиц на конкретном примере. У позитрона обнаружились масса электрона и противоположный ему заряд, то есть признаки, ожидаемые для античастицы. Это показало, что электрон не единственная частица с такой массой: ему соответствует партнёр с другим знаком заряда.

При рождении пары возникают сразу частица и античастица, потому что так можно сохранить заряд. У электрона заряд −e, у позитрона +e, поэтому заряд пары равен нулю — столько же, сколько у исходного фотона. Энергия фотона превращается в энергию покоя обеих частиц и их кинетическую энергию; для этого исходная энергия должна быть достаточной.

При аннигиляции электрон и позитрон взаимодействуют и превращаются, обычно, в фотоны. Частицы как объекты исчезают, но их энергия и импульс передаются продуктам реакции, поскольку эти величины сохраняются. Если исходная пара покоится, суммарный импульс равен нулю; два фотона могут разлететься в противоположных направлениях и иметь равные по модулю импульсы.

Сравнение электрона и позитрона

Сначала сравни массу: одинаковое значение показывает, что позитрон не протон. Затем сопоставь знаки заряда: они противоположны, а модули равны. Последняя строка напоминает, что электрон и позитрон при встрече могут превратиться в другие частицы.

Разбор задач

1. У электрона заряд −e. Каков заряд позитрона и как соотносятся их массы?

Нужно использовать свойства античастицы, а не сравнивать электрон с протоном. У электрона и позитрона одинаковая масса, а электрические заряды противоположны. Буква e обозначает модуль элементарного заряда, который является положительной величиной.

1. Запишем заряд электрона: qₑ = −e.
2. У античастицы заряд противоположен, поэтому qₚ = +e.
3. Массы равны: mₚ = mₑ.

Ответ: заряд позитрона равен +e, массы позитрона и электрона одинаковы.

2. При рождении пары возникли электрон и позитрон. Каков суммарный электрический заряд пары?

Чтобы найти суммарный заряд, сложим заряды обеих частиц с учётом знаков. Нельзя складывать только модули: знак показывает направление электрического взаимодействия и важен для закона сохранения заряда. Полученный результат также объясняет, почему такая пара может возникнуть из нейтрального исходного состояния.

1. Заряд электрона равен −e.
2. Заряд позитрона равен +e.
3. Складываем: qобщ = −e + e = 0.

Ответ: суммарный заряд пары равен нулю. Заряды не исчезли по отдельности, а взаимно компенсируются в сумме, как и требует сохранение заряда при рождении пары из нейтрального состояния.

3. Электрон и позитрон покоятся и аннигилируют. Объяснить, почему результатом не может быть один фотон.

Аннигиляция должна удовлетворять одновременно законам сохранения энергии и импульса. До встречи частицы покоятся, поэтому общий импульс системы равен нулю. Один фотон не подходит: он переносит энергию, а вместе с ней обязательно имеет ненулевой импульс.

1. Импульс покоящихся электрона и позитрона до реакции равен нулю.
2. После реакции один фотон имел бы импульс p = E/c, где E — его энергия, а c — скорость света. Поскольку энергия фотона ненулевая, его импульс тоже ненулевой.
3. Такой результат нарушил бы сохранение импульса. Два фотона могут разлететься в противоположные стороны с равными импульсами: их суммарный импульс будет нулевым.

Ответ: один фотон невозможен; для покоящейся пары обычно возникают как минимум два фотона, которые уносят энергию и сохраняют общий импульс системы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать позитрон протоном, потому что оба заряжены положительно. Такое сравнение возникает, если учитывать только знак заряда и не проверять массу. У позитрона масса равна массе электрона, а у протона она намного больше; сопоставь оба свойства, прежде чем называть частицу.

Ошибка: приписывать античастице отрицательную массу. Вероятно, слово «анти» ошибочно воспринимают как знак минус у всех величин. Массы электрона и позитрона одинаковы и положительны; отрицательным у электрона является заряд, а не масса.

Ошибка: считать, что при рождении пары появляется только одна частица. Так забывают, что отдельно возникший заряд нарушил бы закон сохранения, если исходное состояние нейтрально. Проверь сумму зарядов: электрон и позитрон имеют заряды −e и +e, вместе дают ноль.

Ошибка: описывать аннигиляцию как исчезновение энергии. Частицы действительно перестают существовать в прежнем виде, но энергия не исчезает. Проверь результат по законам сохранения: энергия и импульс должны перейти к продуктам реакции, например фотонам.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в теме, нужны понятия электрического заряда и массы, а также импульса и законов сохранения. Открытие позитрона связано с физикой атомного ядра, элементарными частицами и исследованием космических лучей. Рождение пар и аннигиляция помогают описывать взаимодействие излучения с веществом и процессы в ядерной физике.

Что запомнить

• Позитрон — античастица электрона.
• Массы электрона и позитрона одинаковы.
• Заряды электрона и позитрона равны по модулю и противоположны по знаку.
• Открытие позитрона стало подтверждением существования античастиц.
• При рождении пары частица и античастица возникают вместе.
• При аннигиляции энергия и импульс не исчезают, а передаются продуктам реакции.