Раздел 11. Элементарные частицы

Классификация элементарных частиц. Космические лучи. Современные методы ускорения частиц. Античастицы. Мезоны. Взаимная превращаемость элементарных частиц (1, Т.3, § 74, 76, 77).

Дополнение 1. Античастицы – это такие частицы среди элементарных частиц, которые имеют одинаковые физические характеристики, что и у других и отличаются лишь знаком. Так позитрон – первая из открытых античастиц – антипод электрону, его двойник: несет на себе тот же заряд, но с плюсом и имеет ту же массу. Аналогично паре двойников электрон-позитрон также отличаются знаком электрического заряда протон и антипротон. В то же время такая пара как нейтрон – антинейтрон (электрически нейтральные частицы) отличаются друг от друга знаком магнитного момента, а у нейтрино – антинейтрино различен знак особой квантовой величины – лептонного заряда.

Частицы, не имеющие античастиц, называются абсолютно нейтральными. К их числу относится фотон. Частицы и античастицы полностью равноправны. Просто приставку "анти" получает та частица, которая открыта позже своего двойника.

Характерной особенностью таких пар является возможность их взаимной аннигиляции (уничтожения), в результате которой возникают новые частицы. Особо отметим, что в процессе аннигиляции выполняются законы сохранения энергии, импульса и ряда других существенно квантовых величин.

Дополнение 2. Важнейшее свойство, объединяющее все элементарные частицы – это их взаимная превращаемость. Процессы взаимопревращения очень многообразны. В качестве примера можно назвать распад нейтронов (Т.3, § 66, формула 66. 7), превращение протона в ядре атома (Т.3, § 70, формула 70. 9) и процессы рождения и аннигиляции пар (Т.3, § 77, формулы 77. 3 и 77. 6).

Рассматривая вопрос о взаимопревращаемости элементарных частиц, уместно вспомнить важнейший закон природы – закон взаимосвязи массы и энергии, выражаемый знаменитой формулой Эйнштейна , которую часто интерпретируют как возможность взаимопревращаемости энергии в массу и массы в энергию.

Это не так, ибо в противном случае масса должна была бы увеличиваться при сообщении ей энергии из вне, а энергия убывать. Но этого как раз и не разрешает эта формула. Она требует, чтобы при возрастании массы, во столько же раз возрастала и энергия, и следовательно, масса не может возникать за счет исчезновения энергии. Например, в случае аннигиляции электрона и позитрона рождаются два гамма – кванта: . В этом процессе соблюдается закон сохранения массы и энергии: масса возникших фотонов равна массе исчезнувшей пары, а их энергия равна энергии этой пары, то есть масса перешла в массу, а энергия в энергию. И наоборот, при превращении двух гамма – фотонов в электронно-позитронную пару (), масса фотонов переходит в массы частиц, а их энергия переходит в энергии этих частиц.

Контрольная работа №4

Варианты	Задачи
0	410	420	430	440	450	460
1	401	411	421	431	441	451
2	402	412	422	432	442	452
3	403	413	423	433	443	453
4	404	414	424	434	444	454
5	405	415	425	435	445	455
6	406	416	426	436	446	456
7	407	417	427	437	447	457
8	408	418	428	438	448	458
9	409	419	429	439	449	459

401. Определить максимальную энергию фотона серии Пашена в спектре излучения атомарного водорода.

402. Найти наибольшую и наименьшую длины волн в первой инфракрасной серии водорода (серия Пашена).

403. Определить энергию фотона, испускаемого атомом водорода при переходе электрона со второй орбиты на первую.

404. Фотон выбивает из атома водорода, находящегося в основном состоянии, электрон с кинетической энергией 5 эв. Какова энергия фотона?

405. Из атома водорода, находящегося на втором энергетическом уровне, в результате поглощения фотона вылетает электрон, кинетическая энергия которого вдали от ядра равна 10 эв. Определить энергию фотона (в эв).

406. Определить первый потенциал возбуждения и энергию ионизации иона , находящегося в основном состоянии.

407. Электрон находится в потенциальном ящике шириной . В каких точках интервала плотность вероятности нахождения электрона на первом и втором энергетическом уровнях одинакова? Вычислить значение плотности вероятности для этих точек. Решение пояснить графиком.

408. Частица в потенциальном ящике шириной находится в возбужденном состоянии с . Определить в каких точках интервала плотность вероятности нахождения частиц имеет максимальное и минимальное значение.

409. Электрон находится в потенциальном ящике шириной нм. Определить в эв наименьшую разность энергетических уровней электрона.

410. Используя соотношение неопределенностей, оценить ширину одномерного потенциального ящика, в котором минимальная энергия электрона равна 1 эв.