Астрофизика. Классы элементарных частиц
Звезды главной последовательности. Большинство наблюдаемых звезд, включая Солнце, принадлежат к одному типу – так называемым звездам главной последовательности. Такие звезды представляют собой устойчивые газообразные шары. Они мало изменяются в течение многих миллионов лет. Их существование поддерживается главным образом углерод-азот-кислородным циклом выделения энергии, или просто углеродным циклом. Этот цикл соответствует медленному превращению водорода в гелий в результате целой серии ядерных реакций, в том числе – реакций ядерного синтеза. Углеродный цикл известен также под названием протон-протонная реакция. Он является преобладающим процессом в звездах главной последовательности с небольшой массой, подобных Солнцу.
Когда звезда исчерпает свой запас водорода, она сжимается, превращаясь вбелый карлик, нейтронную звезду, либо черную дыру.
Белый карлик – звезда, состоящая из вещества, свойства которого определяются законами не классической, а квантовой механики (вырожденный электронный газ). Это конечная стадия эволюции звезды с массой порядка солнечной (масса Солнца @ 2×1030 кг). Радиус белого карлика – порядка радиуса Земли (» 6370 км). Плотность вещества – около 1 тонны в кубическом сантиметре.
Нейтронная звезда – звезда, вещество которой состоит в основном из нейтронов, упакованных до плотности атомного ядра. Это конечная стадия эволюции звезды с массой порядка нескольких солнечных. Радиус нейтронной звезды – порядка десяти километров. Плотность вещества достигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре. Существование нейтронных звезд было предсказано в 30-х годах XX века, вскоре после открытия нейтрона. Однако только в 1967 году они были обнаружены в виде импульсных источников радиоизлучения — пульсаров. Затем было установлено, что нейтронные звезды проявляют себя так же, как рентгеновские пульсары (1971 год) и вспышечные источники рентгеновского излучения – барстеры (от английского “burst” – вспышка, 1975 год). Не исключено, что на одной из стадий существования нейтронные звезды являются источниками гамма-всплесков. К 1984 году было открыто около 400 нейтронных звезд, из них 20 – в виде рентгеновских пульсаров, около 40 – в виде барстеров, а остальные – в виде обычных радиопульсаров.
|
|
|
Черная дыра – область пространства, в которой поле тяготения (гравитационное поле) настолько сильно, что вторая космическая скорость (скорость убегания) для находящихся в этой области тел должна была бы превышать скорость света, т.е. из черной дыры ничто не может вылететь — ни излучения, ни частицы, ибо в природе ничто не может двигаться со скоростью, большей скорости света в вакууме. Границу области, за которую не выходит свет, называют горизонтом черной дыры. Поле тяготения черной дыры описывается траекторией тяготения Эйнштейна (общей теорией относительности). Согласно этой теории, вблизи черной дыры геометрические свойства пространства описываются неэвклидовой (римановой) геометрией, а время течет медленнее, чем вдали, вне поля тяготения. По современным представлениям, массивные звезды (с массой в несколько масс Солнца и больше), заканчивая свою эволюцию, могут в конце концов сжаться (сколлапсировать) и превратиться в черную дыру. Радиус черной дыры при массе в десять солнечных составляет 30 км.
|
|
|
Солнце состоит приблизительно на 95% из водорода, остальные 5% приходятся на долю гелия и более тяжелых элементов. Время жизни Солнца оценивается приблизительно в 1010 лет, и половина этого срока приходится еще на будущее!
Антивещество. Из релятивистской квантовой теории следует существование античастиц. Античастица должна иметь в точности ту же массу, что и соответствующая ей частица, но противоположный электрический заряд. Кроме того, античастица может аннигилировать (взаимоуничтожаться) с соответствующей частицей. В этом случае обе массы покоя непосредственно превращаются в энергию — в форме других частиц, например, фотонов.
|
|
|
Первой античастицей, с которой довелось познакомиться человеку, был позитрон, открытый с помощью камеры Вильсона при регистрации космических лучей в 1933 году. Тормозясь в веществе, позитрон (e+) быстро аннигилирует с электроном, превращаясь в два фотона
.
При этом каждый из фотонов должен иметь энергию 0,51 МэВ, которая равна массе покоя электрона. Позитроны легко возникают в так называемом процессе рождения пар (при соударении с ядром фотон с высокой энергией превращается в пару электрон–позитрон):
.
Эта реакция является одним из множества примеров прямого превращения энергии (в данном случае — электромагнитной) в массу покоя частиц. И позитроны, и электроны могут возникать в результате b-распада с одновременным образованием еще одной элементарной частицы — нейтрино (
), античастицей которой является антинейтрино (
). Согласно теории, фотон должен быть тождественен своей античастице.
Античастица протона называется антипротоном или отрицательным протоном 
, который был впервые экспериментально обнаружен в 1955 году на ускорителе частиц (синхротроне) в Беркли (США) при обстреле протонами ядер мишени — меди, в результате которого рождалась пара 
. Через год (1956) на том же ускорителе был открыт антинейтрон 
. Поскольку нейтрон электрически нейтрален, нейтральным должен быть и антинейтрон. Однако он быстро аннигилирует либо с нейтроном, либо с протоном.
|
|
|
Возникает вопрос: почему все атомы водорода построены из положительных протонов и отрицательных электронов, а не из отрицательных протонов (антипротонов) и положительных электронов (позитронов)? Такой “обращенный” атом водорода называется антиводородом. Вещество, построенное из антинуклонов и орбитальных позитронов, называется антивеществом. Из общих соображений симметрии следовало бы ожидать, что половина атомов во Вселенной должна бы представлять собой антивещество. С другой стороны, если бы на Земле или даже в нашей Галактике имелось бы антивещество, то оно не могло бы просуществовать очень долго. Антивещество довольно быстро бы аннигилировало, при этом выделялась бы энергия, почти в 1000 раз более эффективно, чем при взрыве водородной бомбы. В настоящее время имеются предположения о том, что некоторые галактики, возможно, состоят из антивещества, однако в пользу этого не получено достаточных доказательств.
Элементарные частицы и их античастицы принято подразделять на три группы. Первая – фотоны. Эта группа, состоящая только из одной частицы – фотона – кванта электромагнитного взаимодействия, охватывающего в той или иной степени все частицы, как заряженные, так и нейтральные (кроме нейтрино). Вторая – лептоны (от греческого “лептос” – легкий), участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях. К группе лептонов относятся электрон (e), мюон (m), таон (t), соответствующие им нейтрино. Третья – адроны – (от греческого “адрос” – крупный, сильный), которые составляют основную часть элементарных частиц. Эта группа состоит из подгруппы мезонов (от греческого “мезос” – средний: пионы p, каоныK, эта-мезон h) и барионов (от греческого “барис” – тяжелый: нуклоны, гипероны). Адроны участвуют в сильном взаимодействии наряду с электромагнитным и слабым. Для всех типов взаимодействий элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и заряда.
В 60-е годы двадцатого века разработана кварковая модель адронов, согласно современному варианту которой все адроны рассматриваются как комбинации шести фундаментальных частиц – кварков и соответственно шести антикварков в состояниях с определенным моментом импульса. Смелым шагом в теории явилось, в частности, предположение о дробном электрическом заряде кварков. Самое необычное свойство состоит в том, что кварки существуют только внутри адронов и не наблюдаются как изолированные объекты. В составе протона и нейтрона, например, присутствуют два сорта кварков: u и d; u -кварк имеет электрический заряд (+2¤3) e и d -кварк соответственно (-1¤3) e, где e — элементарный заряд. Нейтрон состоит из трех кварков (u, d, d), а протон также состоит из трех кварков, но с другой комбинацией (u, u, d).
Дата добавления: 2016-01-04; просмотров: 24; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!