Школяр UA

Квантова оптика

Кванти світла

У 1900 р. німецький фізик Макс Планк висловив ідею щодо квантованої (дискретної, цілком певними порціями, або квантами) зміни енергії елементарного випромінювача світла. На думку Планка, квантованість притаманна випромінюючій речовині, а не світлу. Але в 1905 р. Альберт Ейнштейн при поясненні законів фотоефекту дійшов висновку, що квантові властивості має світло, а не речовина. Світло можна розглядати як сукупність світлових частинок(квантів світла), енергія кожної з яких, за формулою Планка, прямо пропорційна частоті коливань у світловій хвилі: ??, = = h. Коефіцієнт пропорційності називається сталою Планка.
Пізніше квант світла (як і квант будь-якого електромагнітного випромінювання) почали називати фотоном.

Фотоелектричний ефект і його закони. Рівняння фотоефекту

Фотоелектричний ефект — це виліт електронів із речовини під дією світла (переважно ультрафіолетового), інакше кажучи, це — фотоелектронна емісія. Відкрив фотоелектричний ефект у 1887 р. Генріх Герц, помітивши, що для іскрового розряду між яскраво освітленими цинковими кульками потрібна менша різниця потенціалів, ніж коли кульки не освітлені.
Дослідники природи фотоефекту Ф. Ленард, О. Г. Столєтов, В. Гальвакс виявили такі закономірності (закони фотоефекту):
1) Збільшення енергії світла незмінної не збільшує швидкості вилітаючих з речовини електронів. Швидкість збільшується при збільшенні частоти (а отже, зменшенні довжини хвилі) світла.
2) Для кожної речовини існує «червона межа» фотоефекту, тобто така довжина хвилі світла, перевищення якої призводить до зникнення фотоефекту.
3) Збільшення енергії світла незмінної збільшує силу фотоструму насичення на вольт-амперній характеристиці фотоефекту (відкрив О. Г. Столєтов).

Користуючись уявленнями хвильової теорії світла, фізики намагались пов’язати виліт електрона з металу з вимушеними коливаннями електрона у змінному електричному полі світлової хвилі. Але дослідні факти не знаходили пояснення в рамках цієї теорії. Зокрема, незрозумілою була відсутність залежності v від W світла (адже збільшення W мало б збільшувати амплітуду коливань електрона і сприяти його вильоту з речовини із більшою v).
Для пояснення законів фотоефекту Ейнштейн запропонував рівняння фото-ефекту:
,
де — робота виходу (тобто робота, яка повинна бути здійснена для видалення електрона з речовини у вакуум або в повітря), m — маса електрона.
Пучок світла розглядався Ейнштейном як сукупність N фотонів. При такому підході можна пояснити всі закономірності фотоефекту.
1) Енергія пучка монохроматичного () світла , де N — число фотонів у пучку. На сучасному етапі в лазерних пучках світла може реалізуватись багатофотонний фотоефект. Якщо електрон взаємодіє лише з одним фотоном із пучка, то збільшення N за незмінної величини не впливає на . Зі збільшенням зростає , а отже і .
2) Якщо , то енергія фотона виявляється меншою, ніж .
3) Щодо закону Столєтова: збільшення енергії пучка світла даної відбувається за рахунок збільшення числа фотонів у пучку, що призводить до збільшення числа фотоелектронів (рух яких і створює фотострум). Унаслідок цього спостерігається зсув ділянки насичення на вольт-амперній характеристиці у бік більших значень сили струму І.
Сфери застосування фотоефекту: у різних фотореле (для вмикання і вимикання освітлення вулиць, світла маяків і бакенів, двигунів верстатів); в техніці запису і відтворення звуку в кіно; в авіаційній і космічній техніці (зокрема — у сонячних батареях), на транспорті (застосування фотоефекту в пропускних механізмах метрополітену).

Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла. Фотон

Світло завжди має двоїсту природу, але в одних явищах (інтерференція, дифракція, поляризація) чітко виявляються хвильові властивості світла, а в інших (у межах шкільної програми це фотоефект) — корпускулярні.
Треба пам’ятати, що хоча фотон і належить до числа елементарних частинок, але є частинкою не речовини, а поля (тобто це складова, або структурна, частинка електромагнітного поля). Тривалий час у навчальній літературі містилось твердження, що фотону властива маса руху, але він не має маси спокою. У сучасній трактовці теорії відносності відбулись важливі зміни, які в багатьох навчальних посібниках, на жаль, ще не висвітлено. Тепер, по-перше, маса тіла чи частинки вважається інваріантом, тобто не залежить від їх швидкості (отже, зникла диференціація маси на масу спокою і масу руху); по-друге, фотон розглядається як безмасова частинка.
Фотон, як і всі елементарні частинки, має імпульс (кількість руху), але імпульс фотона виражається не через масу, а через енергію .

Тиск світла. Досліди Лебедєва

Фотон, маючи енергію hn, має й імпульс (кількість руху): , , . Поглинаючись перешкодою або відбиваючись від неї, фотони передають перешкоді імпульс, створюючи тиск на неї (як і молекули газу).
Уперше тиск світла виміряв у 1899 р. російський фізик П. М. Лебедєв за допомогою підвішеної у вакуумі на тонкій кварцовій нитці легкої «крильчатки», одне крильце якої було відбиваючим (дзеркало), інше — поглинаючим (зачорненим).
Тиск світла на відбиваюче крильце був удвічі більшим, ніж на поглинаюче (у першому випадку під час падіння-відбивання перешкода одержує імпульс , у другому — тільки ).
Тиск світла в звичайних умовах дуже малий: близько 4,5 мкПа (атмосферний тиск дорівнює 100 кПа). Його вимірювання утруднялося ще й тим, що молекули газів, які ще залишилися у відкачаній колбі, створювали на крильця тиск, набагато більший за тиск світла. Однак Лебедєву вдалося досить точно (як показали пізніше інші дослідники) виміряти тиск світла.

Тиск світла не завжди малий: у надрах зірок, де внаслідок термоядерних реакцій виділяється величезна енергія, тиск випромінювання дуже великий.

Відкриття електрона. Класичні уявлення про будову атома

У 1897 р. англійський фізик Джозеф Джон Томсон, досліджуючи відхилення магнітним полем катодних променів, довів, що вони є потоком негативно заряджених частинок, маса яких приблизно в 1840 разів менша за масу атома водню. Так було відкрито електрон. Учений також визначив заряд електрона (який було уточнено американським фізиком Робертом Мілікеном у 1909—1913 рр.)
Дж. Дж. Томсон розробив модель будови атома, образно названу пудингом (чи кексом) із родзинками, в якій позитивний заряд атома вважався рівномірно розподіленим по всьому атому:

Пізніше ця модель була визнана помилковою.

Досліди Резерфорда. Ядерна модель атома

Одночасно з моделлю Томсона японський фізик Хантаро Нагаока розробив іншу модель, з умовною назвою «сатурніанський атом». У ній припускалось, що електрони по спільній орбіті (як по «кільцю Сатурна») рухаються навколо позитивно зарядженого ядра.
Здійснити вибір між цими двома моделями атома дозволили результати дослідів, проведених в Англії, в лабораторії Ернеста Резерфорда його учнями Ернестом Марсденом і Гансом Гейгером.
На металеву фольгу F, розташовану в центрі вакуумної камери К, спрямовували потік ?-частинок (ядер гелію), які вилітали з радіоактивного препарату R; через мікроскоп М спостерігали (за спалахами світла на екрані S з сірчистого цинку) їх розсіювання фольгою.

Мікроскоп разом з екраном обертали навколо осі, що проходила через центр камери; це дозволяло реєструвати ?-частинки, розсіювані під різними кутами. Було виявлено, що більшість частинок проходять крізь фольгу майже безперешкодно, але невелика кількість частинок відкидається майже назад, відхиляючись ядром.
Експерименти переконливо довели недостовірність моделі Томсона та існування ядер в атомах. Таким чином, було обґрунтовано ядерну модель атома (атом Резерфорда).

Квантові постулати Бора. Поглинання та випромінювання світла атомом

Е. Резерфорд із співробітниками після відкриття ядра зосередив увагу на його властивостях, не розв’язуючи проблему електронів. Він погодився з припущенням Х. Нагаоки, що в складних атомах всі електрони можуть рухатись навколо ядра по спільній орбіті.
Датський фізик Нільс Бор перетворив ядерну модель атома на планетарну, розглядаючи рух електронів в атомах, складніших за атом Гідрогену, по багатьох кругових орбітах навколо ядра (подібно до руху планет навколо Сонця).
Моделі і Нагаоки, і Бора мали принциповий недолік: якби атоми дійсно були такими, як у цих моделях, то не могли б бути стійкими, не могли б існувати. Адже заряджена частинка, яка рухається по колу (тобто має прискорення), згідно із законами електродинаміки повинна випромінювати, втрачаючи внаслідок цього енергію. Тож, траєкторією електрона була б спіраль, а не коло (електрон «давно упав би на ядро»). Першим виявив цей недолік Нагаока.
Бор сформулював такі твердження (постулати Бора).
1) В атомі існує набір стаціонарних (цілком певних радіусів для кожного атома) орбіт, по яких рух електронів не супроводжується зміною їх енергії;
2) При переході електрона із однієї такої орбіти на іншу його енергія змінюється стрибкоподібно.
Переходи електронів з ближніх орбіт на віддалені — результат поглинання фотонів (а), а при зворотних переходах (б) відбувається випускання фотона; для кожного з таких зворотних переходів:
,
де — енергія фотона.

Хоча постулати Бора і не пояснили, чому електрони мають здатність до стаціонарного руху по кругових орбітах, все ж вони відіграли велику роль у подальшому розвитку теорії атома.

Типи спектрів. Спектри поглинання і випромінювання. Спектральний аналіз

Залежно від того, в якому агрегатному стані перебуває випромінююча речовина, одержуються такі спектри: неперервні, лінійчасті, смугасті.
У неперервному спектрі один колір переходить в інший плавно (неперервно), його випромінює Сонце, а також тверді тіла, рідини і гази за високого тиску (всі — у розжареному вигляді).
Нагріті до високої температури гази в атомарному стані утворюють лінійчастийспектр (при цьому окремі кольорові лінії відділені темними широкими смугами).
Смугастий спектр складається з окремих кольорових смуг, відокремлених темними проміжками; його утворюють розжарені гази, що складаються з молекул.
Одержання і вивчення спектрів — основа спектрального аналізу хімічного складу речовин. Спектральний аналіз базується на тому, що кожний хімічний елемент має свій, неповторний набір спектральних ліній, за яким можна визначити хімічний елемент так само надійно, як людину за відбитками пальців.
Для одержання спектра поглинання треба пропустити через холодний атомарний газ світло від джерела, що дає суцільний спектр. При цьому в спектрі з’являються темні лінії саме в тих ділянках спектра, де знаходяться лінії випромінювання гарячого газу.
Спектральний аналіз дозволяє за темними лініями в сонячному спектрі визначити склад атмосфери Сонця та його шарів (саме ці дослідження привели до відкриття Гелію). Так само спектральний аналіз дозволяє визначити хімічний склад далеких зірок і міжзоряного газу. Величезна перевага цього методу полягає в його надзвичайній чутливості (за його допомогою було відкрито Рубідій і Цезій).

Лазер. Створення та застосування квантових генераторів


Світло поглинається (а), коли падає на речовину, атоми якої знаходяться у незбудженому стані; зворотні переходи з випусканням фотона відбуваються самочинно (спонтанно) (б). Якщо ж атоми речовини були попередньо збуджені, то світло, проходячи через речовину, підсилюється за рахунок приєднання до нього фотонів вимушеного випромінювання (в).
Ефект вимушеного випромінювання ліг в основу дії оптичних квантових підсилювачів (ОКП) і генераторів (ОКГ) світла. Теорію квантових генераторів розробили М. Г. Басов, О. М. Прохоров і Ч. Таунс. Перший ОКГ, названий лазером (від англ. laser light amplification by stimulated emission of radiation), сконструював Теодор Мейман. Робочою речовиною був рожевий рубін (кристал Al2O2 з домішкою ? 0,05% Cr2O3).
Рубіновий лазер працює за трирівневою схемою: збудження іонів хрому здійснюється шляхом освітлення рубіна потужною лампою (накачка лазера) з переходом іонів із рівня 1 на рівень 3. Цей рівень характеризується малим «часом життя» t. З рівня 3 на рівень 2 (з великим t) іони хрому переходять безвипромінювально і накопичуються там. Нарешті виникає лавиноподібний вимушений перехід із рівня 2 на рівень 1 з випромінюванням когерентного світла.


До особливостей лазерного випромінювання належать висока когерентність, мала розбіжність, велика інтенсивність.
Сфера застосування лазерів: зв’язок (особливо космічний, адже в космосі немає поглиначів світла — хмар), світлолокація — дуже точне визначення відстані до рухомих предметів; мікрохірургія (у тому числі під час операцій на оці); промисловість (зварювання і обробка матеріалів); одержання голограм (об’ємних зображень предметів); у перспективі — здійснення керованих термоядерних реакцій та ін.

Склад ядра атома. Дефект маси. Енергія зв’язку атомних ядер

 

Тривалий час фізики вважали, що до складу ядер важких атомів можуть входити поряд із протонами електрони. Лише в 1932 р. український фізик Д. Д. Іваненко і німецький фізик В. Гейзенберг теоретично довели, що ядра всіх атомів, крім водню , містять крім протонів і нейтрони. Існування нейтрона експериментально виявив у 1932 р. англійський фізик Дж. Чедвік. Нейтрон не має результуючого заряду, за масою близький до протона, але все ж дещо масивніший: ; ; (, і — маси нейтрона, протона і електрона відповідно).
І протон, і нейтрон — нуклони, ядерні частинки (від англ. nucleus — ядро). Більшість хімічних елементів може існувати у вигляді кількох ізотопів (речовин, у ядрах атомів яких міститься однакове число протонів , але різне число нейтронів ).
Символічно ядро позначається , де (зарядове число), (масове число). Приклади ізотопів: ізотопи водню («звичайний» водень або протій), (дейтерій), (тритій); ізотопи урану , (У хімії термін «ізотопи» — збиральний, окремо кажуть «нуклід»).
Маса «готового» ядра менша від суми мас його нуклонів.
Різниця називається дефектом мас ядра. Дефекту мас відповідає енергія зв’язку Eзв нуклонів у ядрі (енергія, з якою вони утримуються там або яка потрібна для поділу всього ядра на окремі нуклони). Цю енергію прийнято виражати в позасистемних одиницях енергії — електрон-вольтах (1еВ дорівнює Дж, отже Дж). Як правило, розглядають питому енергію зв’язку .


З графіка залежності питомої енергії зв’язку від масового числа A очевидні два способи вивільнення внутрішньоядерної енергії: поділ важких ядер (наприклад, ) на більш легкі; злиття легких ядер, наприклад ізотопів водню, у більш важкі — синтез більш важких ядер (наприклад, гелію).

Ядерні реакції та їхній енергетичний вихід

Ядерні реакції — це зміни (перебудова) ядер під час їх взаємодії одне з одним чи з іншими частинками. Приклад 1: якесь ядро поглинає бомбардуючу частинку, у результаті чого утворюється нове ядро, масивніше за вихідне: . Приклад 2: результатом поглинання ядром бомбардуючої частинки є не тільки утворення масивнішого ядра, а й випускання однієї чи кількох частинок меншої маси:
У процесі ядерних (як і хімічних) реакцій може відбуватись або виділення, або поглинання енергії. Енергетичний вихід реакції розраховується на підставі закону збереження енергії і закону взаємозв’язку енергії і маси. Для цього треба визначити масу ядер і частинок до реакції і після реакції , знайти зміну маси і зміну енергії.
За допомогою графіка можна заздалегідь визначити, які реакції протікатимуть із виділенням енергії, а які з поглинанням.

Радіоактивність

Радіоактивність — це самочинне перетворення ядер одних атомів на ядра інших атомів. Радіоактивність відкрив у 1896 p. Анрі Беккерель. Учений виявив, що солі урану діють на загорнуту в чорний папір фотопластинку подібно до того, як діє світло безпосередньо на фотоемульсію. Беккерель довів, що джерелом невидимого випромінювання є уран, а не хімічні елементи, що входять до складу його солей. Подружжя Марія Склодовська-Кюрі і П’єр Кюрі виявили подібне випромінювання і у торію, а потім — у відкритих ними полонію і радію.
Резерфорд відкрив розщеплення радіоактивного випромінювання в магнітному полі на три компоненти. Потім таке розщеплення було одержано і в електростатичному полі.

Більш інертну частину пучка (вона слабкіше відхилялася до негативно зарядженої пластини) назвали -променями.
Частину пучка випромінювання, що притягалася до позитивно зарядженої пластини і значно змінювала свій напрям, назвали -променями.
Частину пучка, що не змінювала напряму, назвали -променями.
З усіх трьох компонентів дійсно променями є тільки ?, а ? і ? — не промені, а частинки (?-компонент — це потік ядер гелію, ?-компонент — електрони, швидкості яких близькі до швидкості світла).

Закон радіоактивного розпаду

Законом радіоактивного розпаду називається математична залежність числа атомів N, які не розпались протягом деякого часу t після початку відліку (), від початкового числа атомів і від часу t: , де число (основа натурального логарифма), — стала радіоактивного розпаду, яка є характеристикою даної радіоактивної речовини, обернено пропорційною періоду піврозпаду: .
Цю залежність раніше подавали у спрощеному вигляді: , де T — період піврозпаду (час, за який розпадається ядер).

Функція називається експоненціальною функцією, отже кількість «уцілілих» ядер зменшується з часом за експоненціальним законом, графіком якого є спадна крива.

Методи реєстрації іонізу-ючих випромінювань

Окремі мікрочастинки (електрони, протони, -частинки) настільки малі, що спостерігати їх не вдається навіть за допомогою електронного мікроскопа. Але фізики навчились одержувати інформацію і щодо таких частинок: розробили спеціальні непрямі методи дослідження і сконструювали спеціальні прилади, дія більшості з яких базується на здатності мікрочастинок іонізувати атоми чи молекули речовини, через яку вони проходять. Тому і йдеться про іонізуючі випромінювання, хоча можна говорити й конкретніше: методи спостереження і реєстрації елементарних частинок.
Залежно від мети експерименту (просто підрахувати число частинок, які надходять до реєструючого пристрою, чи визначити, які саме ці частинки), використовують або лічильники іонізуючих частинок, або трекові камери.
Найпростіший із пристроїв першого типу (що використовувався в експериментах у лабораторії Резерфорда) — спінтарископ (а). Альфа-частинки, що вилітають із нанесеної на вістря 1 радіоактивної речовини, потрапляють на вкритий сірчистим цинком екран 2 і викликають окремі спалахи свічення (сцинтиляції), які можна спостерігати через лінзу 3. Підрахунок спалахів виконував експериментатор.

Лічильник Гейгера (б) складається з наповненої аргоном трубки 2. Дослі-джувана частинка пролітає через неї, іонізує газ, замикаючи коло між катодом 3 і анодом 1, і створює імпульс напруги на навантаженні (резисторі R).
Камера Вільсона (в) являє собою циліндр із поршнем, заповнений сумішшю газу (аргон або азот) з насиченою парою води або спирту. Перед дослідженням розширюють газ поршнем, переохолоджуючи пару. Досліджувана частинка пролітає крізь камеру, іонізує атоми газу, на яких конденсується пара, створюючи краплинний трек (слід).

Дональд Глезер сконструював бульбашкову камеру, в якій можна досліджувати частинки значно більшої енергії, ніж у камері Вільсона, бо густина робочої речовини камери Глезера (зріджені пропан або водень) значно більша за густину робочої речовини камери Вільсона. У перегрітій перед дослідженням (шляхом миттєвого зменшення тиску) рідині досліджувана частинка створює бульбашковий трек.

Л. В. Мисовський і А. П. Жданов розробили метод товстошарових фотоемульсій. Швидка заряджена частинка, пронизуючи кристалик AgBr фотоемульсії, відриває електрони від атомів Br. Ланцюжок таких кристаликів утворює приховане зображення, яке під дією хімічного проявника перетворюється на ланцюжок зерен срібла — трек частинки.

Одержання та використання радіоактивних ізотопів

У 1932 р. французькі фізики Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі першими штучно одержали радіоактивні речовини, бомбардуючи -частинками нерадіоактивні речовини. Приклад: , тобто утворився нестійкий (радіоактивний) фосфор. Принципової різниці між природною і штучною радіоактивністю немає. Для штучно одержаних радіоактивних ізотопів властиві всі процеси, що ведуть до утворення - і -частинок та -променів.
Сфера застосування радіоактивних ізотопів дуже широка: біологія, хімія, медицина, металургія, дефектоскопія та ін.

Поглинена доза випромінювання. Захист від опромінення

Дія випромінювань на живі організми характеризується дозою випромінювання. Поглиненою дозою випромінювання Dназивається відношення поглиненої енергії іонізуючого випромінювання до маси опромінюваної речовини: , .
Іонізуюче випромінювання шкідливо впливає на біологічні об’єкти: порушуються процеси клітинного поділу, дуплікації генетичного матеріалу, що призводить до серйозних захворювань. Природний фон радіації для людини складає Гр на рік. Доза понад 3 Гр, одержана за короткий термін, смертельна.
Найпростіший захист людей від випромінювання — це віддаленість від його джерела. Якщо цього досягти не вдається, необхідно використовувати екрани із свинцю, оточувати потужні джерела стінами з бетону (завтовшки декілька метрів).

Поділ ядер урану. Ланцюгова реакція

Поглинувши нейтрон, ядро Урану видовжується, розпадається на два фрагменти (осколки, дочірні ядра), з яких вилітають 2—3 нейтрони. Деякі з них у свою чергу ділять інші ядра Урану і т. д. (розвивається ланцюгова реакція поділу). Тільки у випадку протікання такої реакції енерговиділення будуть великими. Вперше таку реакцію здійснили в атомному реакторі.
Приклад реакції поділу ядра:
.


Сфера використання поділу ядер Урану: атомна енергетика (атомні електростанції), транспорт (двигуни криголамів і підводних човнів).

Ядерний реактор

Ядерним реактором називається складна установка, в якій здійснюється керована ланцюгова реакція.
Активна зона реактора містить тепловиділяючі елементи (ТВЕЛ) 1 (з ядерного палива, наприклад збагаченого ураном-235 природного урану). ТВЕЛ’и відділені один від одного сповільнювачем нейтронів 3 (наприклад, графітом). Для керування реакцією служать регулювальні стрижні 4 з матеріалу, що добре поглинає нейтрони (кадмій, гафній, бор). Таких стрижнів у реакторі багато Приклад: 4-й енергоблок Чорнобильської АЕС мав 211 стрижнів-поглиначів.

Регулювання ланцюгової реакції здійснюється зміною глибини занурення стрижнів в активну зону реактора. Для зменшення втрат нейтронів служить графітовий в border=images/stories/uroki/fiz/Eqn214_fmt.jpegHeader176ідбивач нейтронів 2. Тепло, що виділяється при реакції, відводиться теплоносієм 5, циркулюючим у спеціальних каналах. Зовні знаходиться бетонний захист 6. Саме такого типу реактори (з графітовим, а не з водяним уповільнювачем нейтронів) функціонували на Чорнобильській АЕС.

Термоядерні реакції

Термоядерними називають реакції синтезу деяких ядер із більш легких, оскільки для злиття ядер вихідні речовини треба нагріти настільки, щоб кінетична енергія ядер перевищувала енергію відштовхування їх протонів. Так, для злиття ядер дейтерію і тритію потрібна температура близько К. Поки що такими реакціями керувати не вдається. Вони здійснені лише у водневій бомбі, де вихідною речовиною є дейтерид літію LiD, схеми реакцій: ; .
Саме за рахунок реакцій синтезу виділяється енергія Сонцем та іншими зірками.
У лабораторних умовах провадяться експерименти з нагрівання суміші легких ізотопів потужними лазерними променями. Інший напрям — нагрівання іонізованої газової суміші ізотопів Гідрогену електричним струмом, оточеним сильним магнітним полем.
Найбільш відомі установки другого типу, які одержали назву ТОКАМАК (тороїдальна камера з магнітними котушками), були створені в Радянському Союзі. На базі найбільшого з токамаків розпочато спорудження міжнародного промислового термоядерного реактора у Франції (м. Кадараш). Серед країн-учасниць проекту — Росія, США, Японія, Південна Корея й Китай. Орієнтовний термін виготовлення реактора — 2015 рік. Реактор розраховують на вироблення 7 млрд кіловат-годин електроенергії при затратах 100 г дейтерію і 3 т літію за рік.

Елементарні частинки та античастинки. Взаємні перетворення частинок

Існує декілька різних визначень поняття «елементарні частинки». Найпростіше з них, на рівні шкільних уявлень, таке: частинки матерії, дрібніші за атоми та їх ядра, називаються елементарними. (Спочатку поширеним було визначення, у якому фігурувала умова, щоб дана частинка не складалася з інших частинок, але у разі такого визначення виявлення кваркової структури нуклонів виключило б нуклони із числа елементарних.)
Виходячи зі шкільного курсу фізики, можна виділити такі елементарні частинки: електрон, протон, нейтрон, нейтрино і фотон.
Дуже важливою властивістю елементарних частинок є їхня здатність перетворюватись одна на одну.
Приклад: розпад нейтрона з переходом цього нейтрального нуклона у заряджений стан (це можливо, оскільки маса нейтрона і його енергія спокою більші, ніж у протона):.
Відомо, що електрони відіграють роль -частинок у випромінюванні радіоактивних речовин, тому розглянуте перетворення нейтрона називається -розпадом.
Перш ніж обговорювати зміст частинки, позначеної , треба записати схему перетворення протона на нейтрон, яке відбувається в ядрі (оскільки маса і енергія спокою протона менші, ніж у нейтрона, то у відокремленого протона таке перетворення не виявляється, а протон у ядрі немов би «позичує» енергію у сусідніх нуклонів).
Приклад -розпаду: .
При цьому утворюється частинка , яка одержала назву позитрон («позитивний електрон»). Позитрон відрізняється від електрона лише знаком заряду і називається античастинкою електрона.
Нейтральна частинка , яка утворюється при -розпаді, одержала назву нейтрино.
Частинка у випадку -розпаду називається антинейтрино, є античастинкою відносно до .
Обидві ці частинки електронейтральні, відмінність між ними можна пояснити тільки при поглибленому (факультативному) вивченні фізики: ці античастинки відрізняються напрямом спіна.
У межах загальноосвітнього курсу можна пояснити відмінність між і наближено: елементарні частинки мають властивість «обертатись» навколо «власної осі» (як Земля здійснює добове обертання), при цьому частинки і «обертаються» у протилежних напрямках.
Античастинки є у всіх згаданих елементарних частинок, крім фотона. Існування позитрона виявив у 1932 р. американський учений Карл Андерсон, а уже в 1933 р. було відкрито явище народження пари електрон-позитрон при взаємодії -фотонів із речовиною: .
Зворотний процес: . Він називається анігіляцією (знищенням) пари і й супроводжується значним енерговиділенням.

 

© 2009-2019 Школяр UA

Натисніть клавішу Enter для пошуку
Натисніть клавішу Enter для пошуку