Античастицы. Антивещество

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

КОСТРОМСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра философии 
 
 
 
 
 
 

Реферат на тему:

АНТИЧАСТИЦЫ. АНТИВЕЩЕСТВО 
 
 
 
 
 

     Выполнила: Малышева О.В.

     Группа: 07-ГУ-8 
 
 
 
 
 
 

Кострома

2008

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                                                                         3

1. Теоретическое предсказание существования античастиц Полем Дираком                                                                                                          4
2. Экспериментальное подтверждение существования античастиц            6
3. Антивещество                                                                                                8
4. Аннигиляция вещества и антивещества                                                   10
5. Антивещество во Вселенной                                                                     12
6. БАК: за и против                                                                                         18

Заключение                                                                                                  22

Список  использованной литературы                                                        24 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

       На  протяжении всей истории своего существования  человек наблюдает вокруг себя постоянно  изменяющийся, но по сути один и тот  же окружающий мир. В своей повседневной деятельности к человеку не приходит даже мысли о том, что может  существовать какой-то другой (не мистический, а вполне реальный) мир. Даже в начале двадцатого века, когда людям начинают приоткрываться тайны устройства микромира, никто не задумывался о такой возможности.

       Однако  теоретическое обоснование и  опытное подтверждение существование  частиц и вещества «наоборот» - античастиц и антивещества - произошло в первой трети XX века. Это по сути открыло новую главу в области исследования элементарных частиц и множество перспектив, которые ранее было сложно представить, например создание идеального топлива.

       Сегодня исследования в области античастиц ведутся очень активно, они считаются  одним из наиболее перспективных  направлений современной физики. Однако ученые-физики по всему сталкиваются с рядом проблем, которые на сегодняшний день практически невозможно решить. Вокруг антивещества существует множество загадок, которые ещё только предстоит решить. 
 
 
 
 

1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ПРЕДСКАЗАНИЕ СУЩЕСТВОВАНИЯ АНТИЧАСТИЦ

     В 1920-е годы — после введения принципов квантовой механики — субатомный мир представлялся крайне простым. Всего два вида элементарных частиц — протоны и нейтроны — составляли ядро атома (хотя экспериментально существование нейтронов и было подтверждено лишь в 1930-е годы), и один вид частиц — электроны — существовали за пределами ядра, вращаясь вокруг него на орбитах. Казалось, всё многообразие Вселенной выстроено из этих трех частиц.

     Увы, столь простой картине мира суждено  было просуществовать недолго. Ученые, оборудовав высокогорные лаборатории  по всему миру, принялись за изучение состава космических лучей, бомбардирующих нашу планету, и вскоре начали открывать всевозможные частицы, не имеющие ни малейшего отношения к вышеописанной идиллической триаде. В частности, были обнаружены совершенно немыслимые по своей природе античастицы.

     Существование античастиц впервые предсказал Поль Дирак в статье, опубликованной им в 1930 году.

     Еще в университете Дирак заинтересовался  теорией относительности Альберта Эйнштейна. В годы, когда Дирак  проходил аспирантуру в Кембридже, Гейзенберг и Шрёдингер разработали  свои формулировки квантовой механики, применив квантовую теорию к описанию поведения атомных и субатомных систем и движения таких частиц, как электрон.

     Дирак начал изучать уравнения Гейзенберга  и Шрёдингера, как только те были опубликованы в 1925 году, высказав при  этом несколько полезных замечаний. Одним из недостатков квантовой  механики было то, что она была разработана  лишь применительно к частицам, обладающим малой скоростью (по сравнению со скоростью света), а это позволяло пренебречь эффектами, рассматриваемыми теорией относительности Эйнштейна. Эффекты теории относительности, такие как увеличение массы частицы с возрастанием скорости, становятся существенными, только когда скорости начинают приближаться к скорости света.

     На  Сольвеевском конгрессе в октябре 1927 года к Дираку подошел Нильс Бор. Вот как вспоминает об этом сам Дирак: «Бор подошел ко мне и спросил: «Над чем сейчас работаете?» Я ответил: «Пытаюсь получить релятивистскую теорию электрона». Бор тогда сказал: «Но ведь Клейн уже решил эту проблему». Я был несколько обескуражен. Я стал объяснять ему, что решение задачи Клейна, основанное на уравнении Клейна—Гордона, неудовлетворительно, так как его нельзя согласовать с моей общей физической интерпретацией квантовой механики. Однако я так и не смог объяснить что-либо Бору, так как наш разговор был прерван началом лекции и вопрос повис в воздухе».

     Дирак был недоволен. Он стремился получить уравнения для одного электрона, а не для системы частиц с разными  зарядами. Он добился своего, но решение  его удивило. Двумерных частиц Паули, хорошо описывающих спин в нерелятивистском случае, явно не хватало. Электрон в  теории имел лишнюю степень свободы  — свободы, как оказалось, перехода в состояние с отрицательной  энергией. Это выглядело настолько дико, что впору было отказаться от всего сделанного.

     В поисках выхода Дирак предложил  странную идею. Он предположил, что  все электроны Вселенной занимают уровни с отрицательной энергией, согласно принципу Паули, образуя ненаблюдаемый  фон. Наблюдаемы только электроны с  положительной энергией. «Электроны, — пишет Дирак, — распределены по всему миру с большой плотностью в каждой точке. Совершенная пустота есть та область, где все состояния с отрицательной энергией заняты». «Незаполненные состояния с отрицательной энергией представятся как нечто с положительной энергией, потому что для того, чтобы они исчезли, необходимо внести туда один электрон с отрицательной энергией. Мы предполагаем, что эти незанятые состояния с отрицательной энергией суть протоны».

     Теория  Дирака была встречена скептически. Вызвал недоверие гипотетический фон электронов, кроме того, теория Дирака, по его словам, «была очень симметрична по отношению к электронам и протонам».

     Но  протон отличается от электрона не только знаком заряда, но и массой. Открытие позитрона, частицы действительно  симметричной электрону, заставило  по-новому оценить теорию Дирака, которая  по существу предсказывала существование  позитрона и других античастиц.  

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ СУЩЕСТВОВАНИЯ АНТИЧАСТИЦ

     Пока  шло теоретизирование вокруг античастиц, молодой физик-экспериментатор из Калифорнийского технологического института Карл Дейвид Андерсон (Carl David Anderson, 1905–1991) монтировал оборудование астрофизической лаборатории на вершине Пайк в штате Колорадо, намереваясь заняться изучением космических лучей. Работая под руководством Роберта Милликена, он придумал установку для регистрации космических лучей, состоящую из мишени, помещенной в мощное магнитное поле. Бомбардируя мишень, частицы оставляли в камере вокруг мишени треки из капелек конденсата, которые можно было сфотографировать и по полученным фотографиям изучать траектории движения частиц.

     При помощи этого аппарата, получившего  название конденсационная камера, Андерсон смог зарегистрировать частицы, возникающие в результате столкновения космических лучей с мишенью. По интенсивности трека, оставленного частицей, он мог судить о ее массе, а по характеру отклонения ее траектории в магнитном поле — определить электрический заряд частицы. К 1932 году ему удалось зарегистрировать ряд столкновений, в результате которых образовывались частицы с массой, равной массе электрона, однако отклонялись они под воздействием магнитного поля в противоположную сторону по сравнению с электроном и, следовательно, имели положительный электрический заряд. Так была впервые экспериментально выявлена античастица — позитрон. В 1932 году Андерсон опубликовал полученные результаты, а в 1936 году был отмечен за них половиной Нобелевской премии по физике. (Вторую половину премии получил австрийский физик-экспериментатор Виктор Франц Гесс (Victor Franz Hess, 1883–1964), впервые экспериментально подтвердивший существование космических лучей). Это был первый (и, пока что, последний) случай присуждения Нобелевской премии ученому, официально даже не числившемуся на тот момент в штате научных сотрудников своего университета!

     Хотя  вышеописанный пример, казалось бы, служит идеальной иллюстрацией сценария «предсказание - проверка», историческая реальность представляется не столь простой, как кажется. Дело в том, что Андерсон, судя по всему, не знал о публикации Дирака абсолютно ничего до своего экспериментального открытия. Так что в данном случае речь идет, скорее, об одновременном теоретическом и экспериментальном открытии позитрона.

     Все следующие за позитроном античастицы  были экспериментально обнаружены уже  в лабораторных условиях — на ускорителях. Сегодня физики-экспериментаторы имеют возможность буквально штамповать их в нужных количествах для текущих экспериментов, и чем-то из ряда вон выходящим античастицы давно не считаются.

3. АНТИВЕЩЕСТВО

     Это вещество, состоящее из античастиц, т.е. атомов, ядра которых имеют отрицательный электрический заряд и окружены позитронами - электронами с положительным электрическим зарядом. В обычном веществе, из которого построен окружающий нас мир, положительно заряженные ядра окружены отрицательно заряженными электронами. Обычное вещество, чтобы отличать его от антивещества, иногда называют койновеществом (от греч. «койнос» — обычный). Однако в русской литературе этот термин практически не употребляется. Следует подчеркнуть, что термин «антивещество» не совсем правилен, поскольку антивещество — тоже вещество, его разновидность. Антивещество обладает такими же инерционными свойствами и создает такое же гравитационное притяжение, как и обычное вещество.

          Говоря о веществе и антивеществе, логично начать с элементарных (субатомных) частиц. Каждой элементарной  частице соответствует античастица;  обе имеют почти одинаковые  характеристики, за исключением  того, что у них противоположный  электрический заряд. 

     (Если  частица нейтральна, то античастица  также нейтральна, но они могут  различаться другими характеристиками. В некоторых случаях частица  и античастица тождественны друг  другу.) Так, электрону — отрицательно  заряженной частице — соответствует  позитрон, а античастицей протона  с положительным зарядом является  отрицательно заряженный антипротон.

     Антипротон - античастица по отношению к протону. Масса и спин антипротона такие же, как у протона. Электрический заряд (и магнитный момент) антипротона отрицателен и равен по абсолютной величине электрическому заряду (магнитному моменту) протона.

     Антипротон  был впервые обнаружен экспериментально в 1955 О.Чемберленом (О.Chamberlain), Э.Сегре (Е.Segre), К.Вигандом (С.Wiegand) и Т.Ипсилантисом (Т.Ypsilantis) в Беркли (США) на ускорителе протонов с максимальной энергией 6,3 ГэВ. Рождение пар протон-антипротон наблюдается не только в столкновениях адронов, но и в столкновениях встречных пучков электронов и позитронов с энергиями выше 1 ГэВ.

     Антинуклон - античастица по отношению к нуклону. Ядерное взаимодействие между антинуклонами может приводить к образованию ядер атомов антивещества, а между антинуклоном и нуклоном - к образованию бариония.

     Антинейтрон - античастица но отношению к нейтрону. Антинейтрон электрически нейтрален, имеет спин 1/2 и массу, равную массе нейтрона. Магнитные моменты антинейтрона и нейтрона равны по абсолютной величине, но противоположны по направлению (по отношению к их спинам).