Элементарные сведения о частицах и анти-частицах
Созданная
в 1925-1926 гг. квантовая теория имела существенный недостаток: она была
нерелятивистской, в ней не соблюдались принципы относительности и предельности
скорости света.
В
1928 г. Поль Дирак устранил этот недостаток. Он предложил описывать электрон
новым уравнением, которое учитывало равноправие времени и пространственных
координат, диктуемое теорией относительности.
Однако
при этом волновая функция оказалась четырёхкомпонентной. Две из них
соотносились с двумя возможными проекциями спина. А как же две оставшиеся?
Анализ показывал, что им соответствовала отрицательная энергия. И не просто
отрицательная, как у электрона в атоме водорода, а настоящая энергетическая
пропасть, простирающаяся до бесконечности, в которую могла бы провалиться
целиком Вселенная. И хотя уравнение Дирака превосходно объясняло все имевшиеся
в то время экспериментальные данные, проблема отрицательной энергии оставалась
нерешённой. Сначала предположили, что две неопознанные компоненты каким-то
образом описывают протон (ядро атома водорода). Но выяснилось, что частица,
соответствующая второй паре компонент, по массе должна быть в точности равна
электрону; протон же в 1836 раз тяжелее электрона.
Позднее
Дирак выдвинул гипотезу: все состояния, соответствующие отрицательным энергиям,
изначально заполнены электронами («море Дирака»), т. е. энергетическая пропасть
полна и провалиться некуда. Само «море» ненаблюдаемо, но если из него выбить
электрон (например, с помощью фотона достаточно высокой частоты), то,
во-первых, будет виден сам электрон, а во-вторых, оставшаяся в «море» дырка
поведёт себя как реальная частица, отличающаяся от электрона только
противоположным знаком заряда - антиэлектрон. Это явление называют рождением
пары частица - античастица (в данном случае электрон - антиэлектрон). Обратный
процесс произойдёт, когда электрон столкнётся с дыркой: он заполнит её и станет
ненаблюдаемым (дырка и электрон сольются), а вся энергия пары (включая их
энергию покоя) перейдёт в энергию электромагнитного излучения. Так аннигилирует
пара частица ~ античастица.
В
1932 г. американецu Карл Андерсон (1905-1991) обнаружил в космических лучах
частицы с положительным зарядом и массой, в точности равными по величине заряду
и массе электрона. Позитроны, как их назвал Андерсон, и есть предсказанные
Дираком антиэлектроны. Правда теория дырок продержалась не долго, хотя все её
выводы верны. После создания более или менее последовательной квантовой
электродинамики в конце 40-х гг. ненаблюдаемое «море Дирака» оказалось
ненужным, однако уравнение Дирака, наполненное новым содержанием, осталось
незыблемым. Это уравнение годится не только для электрона, но и для любой
частицы со спином 1/2, например для протона. Выводы о существовании
античастицы, рождении и аннигиляции пар справедливы и для протонов. Впрочем,
проверка этих выводов сильно затянулась. Если Эрнест Резерфорд открыл протон
ещё в 1919 г., то Эмилио Сегре (1905-1989) и Оуэн Чемберлен (родился в 1920 г.)
обнаружили антипротон лишь в 1955 г. Кроме электронов и протонов есть другие
микрочастицы; для каждой из них существуют свои релятивистские уравнения.
Прежде всего это фотоны, которые изначально описываются релятивистскими уравнениями
Максвелла. Далее, есть частицы, не имеющие собственного момента импульса (с
нулевым спином), в первую очередь нейтрон. Такие частиuы описываются уравнением
Клейна - Гордона. Ешё один тип уравнений - уравнения Вейля, которые относятся к
очень своеобразным частицам - нейтрино, имеющим нулевую массу, но при этом спин
1/2. Не исключено, однако, что у нейтрино есть масса. Тогда его уравнение
движения - всё то же уравнение Дирака.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.krisosel.ru