Гипермаркет знаний>>Естествознание>>Естествознание 11 класс>> Применение СТО в современном естествознании

2.4. Применение СТО в современном естествознании

Каждая элементарная частица имеет своего двойника, который отличается от нее лишь знаком электрического заряда. Двойника принято называть античастицей. Антипротон и антинейтрон - это античастицы протона и нейтрона. Для  электрона   античастицей  является  позитрон (эту  частицу можно назвать  антиэлектроном). Массы покоя  частицы и  ее  античастицы  одинаковы, например, электрон и позитрон имеют массы покоя, равные 0,911.10-30кг или 0,511 МэВ. Следует отметить, что в ядерной физике на основании эквивалентности массы и энергии величину массы элементарных частиц обычно
выражают в энергетических единицах – электроновольтах (эВ) или мегаэлектроновольтах  (МэВ).

Если частица и  античастица  встречаются  в одной  точке пространства, то они взаимно аннигилируют, то есть исчезают как частицы с отличными от нуля массами покоя. Полная энергия двух частиц переходит в энергию фотона - частицы электромагнитных излучений. Фотоны имеют нулевое значение массы покоя, поэтому они могут двигаться со скоростью света (неподвижных фотонов не бывает). Следующая схема иллюстрирует реакцию аннигиляции.

rfhn

Рис. 2.7. Схема процесса аннигиляции  
 
Здесь  электрон  и  позитрон  обозначены  как  бета-частицы  с  разными знаками электрического заряда. Источником позитронов служат радиоактивные нуклиды, например ядра изотопа фосфора с массовым числом 31. Другие античастицы  образуются  в  ходе  реакций между микрочастицами,  разогнанными до высоких скоростей в ускорителях.

Особенностью  аннигиляционного  электромагнитного  излучения  является  высокая  энергия  образующихся  фотонов.  Высокая -  по  сравнению  с энергией  химических  связей  атомов  в  молекулах  или  электронов  с  ядрами атомов. Напомним, что для ионизации  атома водорода необходимо 13,6  эВ.  

А энергия фотона при аннигиляции бета-частиц будет равна

карт

В  энергию  излучения  переходит  удвоенная  энергия-масса  покоя  частиц  и
обычно малая кинетическая энергия электрона и позитрона.

Возможна и обратная реакция перехода энергии гамма-квантов в энергию-массу  пары «частица –  античастица».  Этот  процесс  более  эффективно происходит  вблизи  тяжелых  ядер,  где  велики  искажения  пространственновременного континиума.

карт
 
Рис. 2.8. Схема процесса рождения пары «частица – античастица»  
 
Энергии  гамма-кванта  должно  быть  достаточно  для  появления  массы покоя двух частиц и сообщения компонентам образованной пары кинетической  энергии (чтобы «близнецы» могли разлететься друг от друга). Образовавшаяся античастица оказывается в чуждом для нее мире, окруженной многими обычными частицами вещества и вскоре аннигилирует.

В  ядерных  реакциях  был  обнаружен  необычный  эффект,  названный дефицитом (дефектом) массы. Рассмотрим, например,  реакцию  образования одного из трех изотопов водорода – дейтерия (рис. 2.9).

карт
 
Рис. 2.9. Схема реакции образования ядра дейтерия  
 
Когда протон и нейтрон  сближаются на расстояние действия  ядерных сил, происходит образование ядра дейтерия. При этом выделяется энергия, во много раз (в миллионы раз) большая, чем в обычных химических реакциях, например, чем в реакции образования молекулы водорода и двух атомов. Согласно выводам теории относительности, выделение и передача во внешнюю среду энергии сопровождается уменьшением полной массы системы. По этой причине  экспериментально  определяемая  масса  ядра  дейтерия меньше,  чем
сумма  масс  свободных  протона  и  нейтрона. Величина  разности  масс  получившегося ядра и исходных частиц получила название дефицита или дефекта масс

карт
 
Подобный эффект сопровождает образование и других ядер. Без понимания возможности  эквивалентных  изменений  энергии  и  массы  нельзя  объяснить наличие дефицита масс у ядер всех химических элементов.

Возможен  и  обратный  процесс -  распад  ядра  на  составные  части. Но при этом стабильному в обычных условиях ядру необходимо сообщить энергию, достаточную для покрытия дефицита масс. В результате сумма масс освободившихся частиц будет больше, чем масса покоя исходного ядра. Такого эффекта в классическом естествознании даже не предполагалось!
 

Концепции современного естествознания. Стародубцев В.А., 2-е изд., доп. — Томск.: Том. политех. ун-т, 2002. — 184 с.

Содержание урока
 конспект урока
 опорный каркас  
 презентация урока
 акселеративные методы 
 интерактивные технологии 

Практика
 задачи и упражнения 
 самопроверка
 практикумы, тренинги, кейсы, квесты
 домашние задания
 дискуссионные вопросы
 риторические вопросы от учеников

Иллюстрации
 аудио-, видеоклипы и мультимедиа 
 фотографии, картинки 
 графики, таблицы, схемы
 юмор, анекдоты, приколы, комиксы
 притчи, поговорки, кроссворды, цитаты

Дополнения
 рефераты
 статьи 
 фишки для любознательных 
 шпаргалки 
 учебники основные и дополнительные
 словарь терминов                          
 прочие 

Совершенствование учебников и уроков
 исправление ошибок в учебнике
 обновление фрагмента в учебнике 
 элементы новаторства на уроке 
 замена устаревших знаний новыми 

Только для учителей
 идеальные уроки 
 календарный план на год  
 методические рекомендации  
 программы
 обсуждения


Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.