12.4. طاقة الجسيم النسبي

12.4.1. طاقة الجسيم النسبي

إجمالي الطاقةيتكون الجسيم النسبي من الطاقة الباقية للجسيم النسبي وطاقته الحركية:

ه = ه 0 + تي ،

معادلة الكتلة والطاقةتسمح لك (صيغة أينشتاين) بتحديد الطاقة الباقية للجسيم النسبي وطاقته الكلية على النحو التالي:

• بقية الطاقة -

ه 0 = م 0 ص 2 ،

حيث m 0 هي الكتلة المتبقية للجسيم النسبي (كتلة الجسيم في إطاره المرجعي الخاص) ؛ ج - سرعة الضوء في الفراغ ، ج 3.0 10 8 م / ث ؛

• إجمالي الطاقة -

E = mc 2 ،

حيث m هي كتلة الجسيم المتحرك (كتلة الجسيم تتحرك بالنسبة إلى الراصد بسرعة نسبية v) ؛ ج - سرعة الضوء في الفراغ ، ج 3.0 10 8 م / ث.

العلاقة بين الجماهير م 0 (كتلة الجسيم في حالة السكون) و m (كتلة الجسيم المتحرك) يحددها التعبير

الطاقة الحركيةيتم تحديد الجسيم النسبي بالاختلاف:

T = E - E 0 ،

حيث E هي الطاقة الكلية لجسيم متحرك ، E = mc 2 ؛ E 0 - طاقة الراحة للجسيم المحدد ، E 0 = m 0 c 2 ؛ الكتلتان م 0 و م مرتبطان بالصيغة

م = م 0 1 - ع 2 ج 2 ،

حيث m 0 هي كتلة الجسيم في الإطار المرجعي بالنسبة إلى الجسيم في حالة السكون ؛ م هي كتلة الجسيم في الإطار المرجعي بالنسبة التي يتحرك بها الجسيم بسرعة v ؛ ج - سرعة الضوء في الفراغ ، ج 3.0 10 8 م / ث.

صراحة الطاقة الحركيةيتم تعريف الجسيم النسبي بالصيغة

T = م ص 2 - م 0 ص 2 = م 0 ص 2 (1 1 - ع 2 ص 2-1).

مثال 6. سرعة الجسيم النسبي 80٪ من سرعة الضوء. حدد عدد المرات التي تكون فيها الطاقة الكلية للجسيم أكبر من طاقته الحركية.

المحلول . الطاقة الكلية للجسيم النسبي هي مجموع الطاقة الباقية للجسيم النسبي وطاقته الحركية:

ه = ه 0 + تي ،

حيث E هي الطاقة الكلية لجسيم متحرك ؛ E 0 - طاقة الراحة للجسيم المحدد ؛ T هي طاقتها الحركية.

ومن ثم يترتب على ذلك أن الطاقة الحركية هي الفرق

T = E - E 0.

الكمية المطلوبة هي النسبة

E T = E E - E 0.

لتبسيط العمليات الحسابية ، نجد مقلوب المطلوب:

T E = E - E 0 E = 1 - E 0 E ،

حيث E 0 = m 0 c 2 ؛ E = mc 2 ؛ م 0 - كتلة الراحة ؛ م هي كتلة الجسيم المتحرك ؛ ج هي سرعة الضوء في الفراغ.

يعطي استبدال التعبيرات لـ E 0 و E في النسبة (T / E)

T E = 1 - م 0 ص 2 م ص 2 = 1 - م 0 م.

يتم تحديد العلاقة بين الكتلتين م 0 و م من خلال الصيغة

م = م 0 1 - ع 2 ج 2 ،

حيث v هي سرعة الجسيم النسبي ، v = 0.80c.

دعونا نعبر عن نسبة الكتلة:

م 0 م = 1 - ع 2 ج 2

واستبدله في (T / E):

T E = 1 - 1 - v 2 ص 2.

دعنا نحسب:

T E = 1 - 1 - (0.80 s) 2 s 2 = 1 - 0.6 = 0.4.

الكمية المطلوبة هي العلاقة العكسية

E T = 1 0.4 = 2.5.

الطاقة الكلية للجسيم النسبي بالسرعة المحددة تتجاوز طاقته الحركية بمعامل 2.5.

صفحة 1

الحد الأقصى لطاقة الجسيمات في مولد Van de Graaff ، كما هو الحال في أي مسرع للعمل المباشر ، محدود بجهد الانهيار بين الكرة والأشياء المحيطة. حتى مع الاحتياطات الأكثر دقة في التركيبات الحالية ، لا يمكن رفع جهد الانهيار فوق عشرة ملايين فولت.

دعونا نحسب الطاقة القصوى للجسيم. يتم الحصول على المعامل V2 عند قيمة اتساع معادل الحقل لأنه يتم حساب متوسط ​​قيمة الحقل لنصف فترة التذبذبات.

دعونا نحسب الطاقة القصوى للجسيم. يتم الحصول على المعامل 1/2 عند قيمة اتساع الحقل E0 لأنه يتم حساب متوسط ​​قيمة الحقل لنصف فترة التذبذبات.

دعونا نحسب الطاقة القصوى للجسيم.

تسمى قيمة W ، التي تساوي الطاقة الجسيمية القصوى عند T0 K ، مستوى Fermi غير الصحي أو ببساطة مستوى Fermi.

يحد فقدان الأشعة الكونية للطاقة من الطاقة القصوى للجسيمات التي تتكون منها الأشعة الكونية. هذا القيد يعتمد على عمر الجسيم. في الفترة 1969 - 1971. أعطت التجارب الصاروخية كثافة إجمالية تزيد بمقدار 20 - 100 مرة عن كثافة الإشعاع المرتبط.

التريتيوم نقي (3 باعث مع طاقة جسيمية قصوى 18 61 0 02 كيلو فولت ويبلغ نصف العمر 12 43 سنة.

يصل المجال المغناطيسي في السيكلوترون إلى عشرات الآلاف من الأويرستد ، ويبلغ نصف قطر الغرفة عدة أمتار ، ويصل الحد الأقصى لطاقة الجسيمات إلى 107 فولت. هذه الطاقة منخفضة نسبيًا ، على الرغم من أنها كانت تعتبر كافية في التجارب الأولى على الانشطار النووي. لا يمكن تحقيق طاقة كبيرة في السيكلوترون: على النحو التالي من نظرية النسبية ، تزداد كتلة الجسيمات مع السرعة ، مما يؤدي إلى تناقص وتيرة دورانها أثناء الحركة.

يتم تحديد خصوصية عمل إشعاع التريتيوم من خلال نطاق جسيماته الثلاثة. يتوافق الحد الأقصى لطاقة الجسيمات في الطيف p من التريتيوم مع نطاق في المادة يبلغ حوالي 6 ميكرومتر ، وبكثافة مادة تبلغ 1 جم / سم 3 ، ويتم استهلاك 90٪ من الطاقة الإشعاعية على مسافة حوالي 0 5 ميكرومتر من المصدر. تبين أن الظرف الأخير مهم للغاية ، لأن امتصاص إشعاع التريتيوم يحدث على مسافة من حجم الخلية الحية ، على عكس بواعث p مثل الفوسفور 32 أو الإيتريوم 90 ، إشعاع التريتيوم التي يمتصها العضو المشع. في هذا الصدد ، من المهم مراعاة توطين التريتيوم داخل الخلايا ، لأن الحساسية الإشعاعية للوحدات تحت الخلوية تختلف اختلافًا كبيرًا.

استخدم كولمان [31 ، 851) مرنانًا واحدًا ، حيث يتم تحفيز التذبذبات من النوع TM010 بتردد 2 8 Gch ، بمساعدة اثنين من المغنطرونات ، من خلال فتحات اقتران مستقلة. بإجمالي طاقة إدخال 800 كيلو وات ، فإن الطاقة القصوى للجسيمات هي 1 5 ميغا فولت. ولحقن الإلكترونات في التجويف المتسارع بالسرعة المطلوبة وتغيير المرحلة ، والتي ستوفر طاقة خرج عالية ، يتم استخدام التجويف للتجميع الأولي. يتم توصيل الأقطاب الكهربائية المتسلسلة بمقسم المقاوم بحيث تكون إمكاناتها مكافئة.

من وجهة نظر توليد جسيمات جديدة ، تكون المُسرِّعات ذات الحزم المتصادمة (VI.5.4.3 ، VI.5.3.4) فعالة بشكل خاص ، حيث تصطدم الجسيمات التي ليس لها زخم إجمالي صفري. نتيجة لذلك ، يمكن تحويل كل طاقتهم الحركية إلى الطاقة الباقية للجسيمات المولودة ، والتي يساوي الزخم الكلي لها أيضًا صفرًا. هذا قريب جدًا بالفعل من الطاقة القصوى لجسيمات الإشعاع الكوني.

جسيمات بيتا تتسرب من النوى الذريةمع كل الطاقات الأولية الممكنة (من صفر إلى بعض الحد الأقصى) ، لها نطاقات مختلفة في المادة. عادة ما تتميز قوة اختراق جسيمات بيتا لمختلف النظائر المشعة بالحد الأدنى من سماكة طبقة مادة تمتص جميع جسيمات بيتا تمامًا. على سبيل المثال ، تدفق جسيمات بيتا مع طاقة جسيمية قصوى تبلغ 2 ميغا إلكترون فولت محمي تمامًا بواسطة طبقة من الغلوميوم بسمك 3 5 مم. تتعرض جسيمات ألفا ، التي لها كتلة أكبر بكثير من جسيمات بيتا ، عند اصطدامها بإلكترونات الأصداف الذرية لانحرافات صغيرة جدًا عن الاتجاه الأصلي للحركة وتتحرك تقريبًا في خط مستقيم.

الخامس السنوات الاخيرةتم إجراء عدد من الاكتشافات المهمة في الفيزياء النووية بفضل استخدام شائعطريقة الصفائح ذات الطبقة السميكة (ص. أظهرت الممارسة أن هذه الطريقة تجمع بين البساطة القصوى والدقة العالية للبحث. مرات تتجاوز الطاقة القصوى للجسيمات المتسارعة في ظروف المختبر.

16 يوليو 2015 الساعة 00:57 صباحًا

اسأل إيثان # 14: أعلى الجسيمات طاقة في الكون

• العلوم الشعبية ،
• الفيزياء

• ترجمة

أفضل تفسير لملاحظاتي هو افتراض أن إشعاع الطاقة الهائلة المخترقة يدخل غلافنا الجوي من الأعلى.
- فيكتور هيس

قد تعتقد أن أقوى مسرعات الجسيمات - SLAC و Fermilab و LHC - هي مصادر أعلى طاقات يمكننا رؤيتها. لكن كل ما نحاول القيام به على الأرض لا يشبه شيئًا العمليات الطبيعيةالكون.

يسأل القارئ:

منذ أن بدأت في قراءة القصص المصورة Fantastic Four عندما كنت طفلة ، أردت معرفة المزيد عن الأشعة الكونية. هل يمكنك مساعدتي في هذا؟

دعنا نلقي نظرة.

حتى قبل أن يتمكن يوري غاغارين من الانفصال عن سطح كوكبنا ، كان معروفًا على نطاق واسع أنه هناك ، بخلاف حماية الغلاف الجوي ، يمتلئ الفضاء بإشعاع عالي الطاقة. كيف عرفنا عن هذا؟

نشأت الشكوك الأولى خلال أبسط التجارب باستخدام المكشاف الكهربائي.

إذا أعطيت شحنة كهربائية لمثل هذا الجهاز حيث تم توصيل لوحين معدنيين ببعضهما البعض ، فسيحصلون على نفس الشحنة وسيتم صدهم. قد يتوقع المرء أنه بمرور الوقت سوف تتسرب الشحنة إلى الهواء المحيط - لذلك قد يحدث لك عزل الجهاز ، على سبيل المثال ، عن طريق إنشاء فراغ حوله.

ولكن حتى في هذه الحالة ، يتم تفريغ المكشاف الكهربائي. حتى إذا قمت بعزلها بالرصاص ، فسوف تستمر في التفريغ. كما اكتشف المجربون في أوائل القرن العشرين ، كلما رفعت المكشاف الكهربائي ، زادت سرعة تفريغه. افترض العديد من العلماء أن التفريغ ناتج عن إشعاع عالي الطاقة. لها طاقة اختراق عالية ومنشأ خارج الأرض.

في العلم ، من المعتاد اختبار الفرضيات. في عام 1912 ، أجرى فيكتور هيس تجربة بالون حاول من خلالها العثور على هذه الجسيمات الكونية عالية الطاقة. ووجدهم بكثرة ، وأصبح أبا للأشعة الكونية.

كانت الكواشف الأولية بسيطة بشكل مدهش. تقوم بإعداد مستحلب خاص "يستشعر" مرور الجسيمات المشحونة عبره ، وتضعه كله في مجال مغناطيسي. عندما تمر الجسيمات من خلاله ، يمكنك تعلم شيئين مهمين:

• نسبة الشحنة إلى الكتلة
• وسرعته

والتي تعتمد على كيفية انحناء مسار الجسيم. يمكن حساب ذلك من خلال معرفة قوة المجال المغناطيسي المطبق.

في الثلاثينيات من القرن الماضي ، أنتجت العديد من التجارب ، سواء باستخدام مسرعات أرضية مبكرة أو كاشفات الأشعة الكونية ، الكثير جدًا معلومات مثيرة للاهتمام... على سبيل المثال ، تحتوي معظم جسيمات الإشعاع الكوني (90٪) على مستويات طاقة مختلفة - من بضعة فولتات كهربائية ضخمة إلى طاقات عالية بقدر ما تستطيع قياسه! كانت معظم الجسيمات الباقية عبارة عن جسيمات ألفا ، أو نوى هيليوم ذات بروتونات ونيوترونين ، في نفس مستويات الطاقة.

عندما تلتقي هذه الأشعة الكونية بالجزء العلوي من الغلاف الجوي للأرض ، فإنها تتفاعل معه ، وتولد تفاعلات متتالية تخلق مطرًا من الجسيمات عالية الطاقة ، بما في ذلك اثنان جديدان: البوزيترون ، الذي افترض ديراك وجوده في عام 1930. . إنه توأم إلكترون من عالم المادة المضادة ، من نفس الكتلة ، ولكن بشحنة موجبة ، والميون هو جسيم غير مستقر له نفس شحنة الإلكترون ، ولكنه أثقل بمقدار 206 مرة. اكتشف كارل أندرسن البوزيترون في عام 1932 ، واكتشفه هو وتلميذه سيث نديرماير في عام 1936 ، لكن البوزيترون الأول اكتشفه بول كونز قبل بضع سنوات ، والذي نسي التاريخ لسبب ما.

الشيء المدهش هو أنه إذا قمت بمد ذراعك بشكل موازٍ للأرض ، فسوف يمر حوالي 1 ميون من خلاله كل ثانية.

كل موون يمر عبر يدك يولد في وابل من الأشعة الكونية وكل منها يؤكد نظرية النسبية الخاصة! كما ترى ، يتم إنشاء هذه الميونات على ارتفاع حوالي 100 كيلومتر ، لكن متوسط ​​عمر الميون في حدود 2.2 ميكروثانية. حتى لو تحركوا بسرعة الضوء ، فسيكونون قادرين فقط على السفر لأكثر من 660 مترًا قبل أن يتحللوا. ولكن بسبب تشوه الوقت ، نظرًا لحقيقة أن وقت الجسيم الذي يتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء يتباطأ من وجهة نظر مراقب ثابت ، يمكن لهذه الميونات سريعة الحركة أن تنتقل على طول الطريق إلى سطح الأرض قبل أن يتحلل.

إذا تقدمنا ​​سريعًا إلى اليوم ، فقد اتضح أننا قمنا بقياس كل من عدد وطيف الطاقة لهذه الجسيمات الكونية بدقة.

غالبًا ما تتم مصادفة جزيئات من الطاقة بترتيب 100 GeV ، ويمر حوالي 1 من هذه الجسيمات متر مربععلى سطح الأرض كل ثانية. وعلى الرغم من وجود جزيئات ذات طاقة أعلى ، إلا أنها أقل شيوعًا - فكلما قل عدد الطاقة التي نستهلكها. على سبيل المثال ، إذا أخذنا طاقة مقدارها 10 16 إلكترون فولت ، فإن هذه الجسيمات سوف تمر عبر متر مربع مرة واحدة فقط في السنة. والجسيمات ذات الطاقة الأعلى بطاقة 5 × 10 10 جيجا إلكترون فولت (أو 5 × 10 19 إلكترون فولت) سوف تمر مرة واحدة سنويًا عبر كاشف بطول 10 كم.

تبدو مثل هذه الفكرة غريبة إلى حد ما - ومع ذلك ، هناك سبب لتطبيقها: يجب أن يكون هناك قيود على طاقة الأشعة الكونية وحد من سرعة البروتونات في الكون! قد لا يكون هناك أي قيود على الطاقة التي يمكن أن نعطيها للبروتون: يمكن تسريع الجسيمات المشحونة باستخدام الحقول المغناطيسية ، ويمكن لأكبر الثقوب السوداء وأكثرها نشاطًا في الكون تسريع البروتونات إلى طاقات أعلى بكثير مما لاحظناه.

لكن عليهم السفر عبر الكون للوصول إلينا ، والكون مليء بالكثير من الإشعاع البارد منخفض الطاقة - الإشعاع الكوني الخلفي.

تتشكل الجسيمات عالية الطاقة فقط في المناطق التي توجد بها أكثر الثقوب السوداء كثافة ونشاطًا في الكون ، وتقع جميعها في مكان بعيد جدًا عن مجرتنا. وإذا ظهر جسيم تزيد طاقته عن 5 × 10 10 جيجا إلكترون فولت ، فلن يتمكن من السفر أكثر من عدة ملايين من السنين الضوئية حتى يتبقى أحد الفوتونات من الانفجار العظيم، لا تتفاعل معها ، وتتلقى الفاوانيا. سيتم إشعاع الطاقة الزائدة ، وستنخفض الطاقة المتبقية إلى حدود الطاقة الكونية ، المعروفة باسم حد جريزن-زاتسيبين-كوزمين.

لذلك ، فعلنا الشيء الوحيد الذي يبدو معقولًا للفيزيائيين: لقد بنينا كاشفًا ضخمًا بشكل غير واقعي ، وبدأنا في البحث عن الجسيمات!

مرصد لهم. يقوم بيير أوجيه بعمل هذا بالضبط: إنه يؤكد أن هناك أشعة كونية تصل ، لكنها لا تتغلب على حد الطاقة هذا ، 10 ملايين مرة أعلى من الطاقات التي تم الوصول إليها في LHC! هذا يعني أن أسرع البروتونات التي قابلناها للتو تتحرك بسرعة الضوء تقريبًا (وهي بالضبط 299،792،458 م / ث) ، ولكن أبطأ قليلاً. لكن ما هو مقدار البطء؟

أسرع البروتونات الموجودة على حدود الحد تتحرك بسرعة 299792457.999999999999918 مترًا في الثانية. إذا قمت بتشغيل مثل هذا البروتون والفوتون من قبل

بوريس أ.
دكتوراه في العلوم الفيزيائية والرياضية, سمي معهد أبحاث الفيزياء النووية باسم D. V. Skobeltsyn جامعة موسكو الحكومية ام في لومونوسوف
"Science and Life" رقم 10 ، 2008

لقد مر ما يقرب من مائة عام منذ لحظة اكتشاف الأشعة الكونية - تدفقات من الجسيمات المشحونة قادمة من أعماق الكون. منذ ذلك الحين ، تم إجراء العديد من الاكتشافات المتعلقة بالإشعاع الكوني ، لكن العديد من الألغاز لا تزال قائمة. ربما يكون أحدها الأكثر إثارة للاهتمام: أين توجد الجسيمات التي تزيد طاقتها عن 10 20 فولتًا ، أي ما يقرب من مليار تريليون إلكترون فولت ، أي مليون مرة أكبر مما سيتم الحصول عليه في أقوى معجل - مصادم هادرون الكبير ، يأتي من؟ ما هي القوى والمجالات التي تسرع الجسيمات إلى مثل هذه الطاقات الوحشية؟

تم اكتشاف الأشعة الكونية في عام 1912 من قبل الفيزيائي النمساوي فيكتور هيس. كان عضوًا في معهد فيينا للراديوم وأجرى أبحاثًا على الغازات المؤينة. بحلول ذلك الوقت ، كانوا يعرفون بالفعل أن جميع الغازات (بما في ذلك الغلاف الجوي) كانت دائمًا مؤينة قليلاً ، مما يشير إلى وجود مادة مشعة (مثل الراديوم) إما في تكوين الغاز أو بالقرب من جهاز يقيس التأين ، على الأرجح في قشرة الأرض. تجارب رفع كاشف التأين بواسطة منطادتم تصميمها لاختبار هذا الافتراض ، حيث يجب أن ينخفض ​​تأين الغاز مع المسافة من سطح الأرض. كان الجواب عكس ذلك: اكتشف هيس إشعاعًا معينًا تزداد شدته مع الارتفاع. هذا يشير إلى أنه يأتي من الفضاء ، لكنه يثبت بشكل قاطع أصل خارج الأرضراي نجحت فقط بعد تجارب عديدة (حصل ف. هيس على جائزة نوبل فقط في عام 1936). تذكر أن مصطلح "إشعاع" لا يعني أن هذه الأشعة كهرومغناطيسية بحتة بطبيعتها (مثل ضوء الشمس أو موجات الراديو أو الأشعة السينية) ؛ تم استخدامه لاكتشاف ظاهرة لم تكن طبيعتها معروفة بعد. وعلى الرغم من أنه سرعان ما أصبح واضحًا أن المكون الرئيسي للأشعة الكونية هو الجسيمات المشحونة المتسارعة ، أي البروتونات ، فقد نجا المصطلح. سرعان ما بدأت دراسة ظاهرة جديدة تؤتي ثمارها التي يشار إليها عادة باسم "طليعة العلم".

أثار اكتشاف الجسيمات الكونية ذات الطاقة العالية فورًا (قبل وقت طويل من إنشاء مسرع البروتون) السؤال التالي: ما هي آلية تسريع الجسيمات المشحونة في الأجسام الفيزيائية الفلكية؟ نحن نعلم اليوم أن الإجابة تبين أنها غير تافهة: المسرع الطبيعي "الفضائي" يختلف اختلافًا جوهريًا عن المسرعات التي يصنعها الإنسان.

سرعان ما أصبح واضحًا أن البروتونات الكونية ، التي تطير عبر المادة ، تتفاعل مع نوى ذراتها ، مما يؤدي إلى ظهور جسيمات أولية غير مستقرة غير معروفة سابقًا (لوحظت بشكل أساسي في الغلاف الجوي للأرض). فتحت دراسة آلية ولادتهم طريقًا مثمرًا لبناء نظام منهجي للجسيمات الأولية. في المختبر ، تعلمت البروتونات والإلكترونات تسريع واستقبال تدفقاتها الضخمة ، وهي أكثر كثافة بما لا يقاس من كثافة الأشعة الكونية. في النهاية ، كانت التجارب على تفاعل الجسيمات هي التي استقبلت الطاقة في المسرعات التي أدت إلى الخلق اللوحة الحديثةالعالم الصغير.

في عام 1938 ، اكتشف الفيزيائي الفرنسي بيير أوجيه ظاهرة ملحوظة - زخات من الجسيمات الكونية الثانوية ، والتي تنشأ نتيجة تفاعل البروتونات الأولية والنوى عالية الطاقة للغاية مع نوى الذرات في الغلاف الجوي. اتضح أن طيف الأشعة الكونية يحتوي على جسيمات ذات طاقات تتراوح بين 10 15 و 10 18 إلكترون فولت - ملايين المرات أكثر من طاقة الجسيمات المتسارعة في المختبر. أعطى الأكاديمي ديمتري فلاديميروفيتش Skobeltsyn معنى خاصدراسة هذه الجسيمات وبعد الحرب مباشرة ، في عام 1947 ، مع أقرب زملائه جي تي زاتسيبين و ن. يمكن العثور على تاريخ الدراسات الأولى للأشعة الكونية في كتب N. Dobrotin و V. Rossi. بمرور الوقت ، أصبحت مدرسة D.V. نمت Skobeltsyna لتصبح واحدة من أقوى الشركات في العالم و سنوات طويلةحدد الاتجاهات الرئيسية في دراسة الأشعة الكونية ذات الطاقة فوق العالية. مكنت أساليتها من توسيع نطاق الطاقات التي تم فحصها من 10 9-10 13 فولت ، مسجلة في بالوناتوالأقمار الصناعية ، حتى 10 13 –10 20 فولت. جانبان جعل هذه الدراسات جذابة بشكل خاص.

أولاً ، أصبح من الممكن استخدام البروتونات عالية الطاقة التي أنشأتها الطبيعة نفسها لدراسة تفاعلها مع نوى الذرات في الغلاف الجوي وفك تشفير أفضل بنية للجسيمات الأولية.

ثانيًا ، هناك إمكانية للعثور على أشياء في الفضاء يمكنها تسريع الجسيمات إلى طاقات عالية للغاية.

تبين أن الجانب الأول لم يكن مثمرًا كما هو مرغوب: تتطلب دراسة التركيب الدقيق للجسيمات الأولية بيانات أكثر بكثير عن تفاعل البروتونات مما يمكن الحصول عليه بواسطة الأشعة الكونية. في الوقت نفسه ، تم تقديم مساهمة مهمة في فهم العالم الصغير من خلال دراسة الاعتماد على معظم الناس. الخصائص العامةتفاعلات البروتونات من طاقتها. أثناء دراسة EAS تم اكتشاف ميزة في اعتماد عدد الجسيمات الثانوية وتوزيع طاقتها على طاقة الجسيم الأولي ، المرتبط ببنية الكوارك-غلوون للجسيمات الأولية. تم تأكيد هذه البيانات لاحقًا في تجارب المسرع.

اليوم ، تم بناء نماذج موثوقة لتفاعل الأشعة الكونية مع نوى ذرات الغلاف الجوي ، مما جعل من الممكن دراسة طيف الطاقة وتكوين جسيماتها الأولية ذات الطاقات الأعلى. أصبح من الواضح أن الأشعة الكونية تلعب دورًا لا يقل دورًا في ديناميكيات تطور المجرة عن دور حقولها وتدفق الغاز بين النجوم: الطاقة النوعية للأشعة الكونية والغاز والحقل المغناطيسي تساوي تقريبًا 1 فولت لكل سم 3. مع مثل هذا التوازن للطاقة في الوسط النجمي ، من الطبيعي أن نفترض أن تسارع جسيمات الأشعة الكونية يحدث ، على الأرجح ، في نفس الأجسام المسؤولة عن تسخين الغاز وطرده ، على سبيل المثال ، في النجوم الجديدة والمستعرات الأعظمية عندما تنفجر.

اقترح إنريكو فيرمي الآلية الأولى لتسريع الأشعة الكونية للبروتونات التي تصطدم عشوائيًا بالسحب الممغنطة للبلازما بين النجوم ، لكنه لم يستطع شرح جميع البيانات التجريبية. في عام 1977 ، أوضح الأكاديمي Germogen Filippovich Krymsky أن هذه الآلية يجب أن تسرع بقوة أكبر الجسيمات الموجودة في بقايا المستعرات الأعظمية في مقدمة موجات الصدمة ، والتي تكون سرعاتها أعلى من سرعات السحب. لقد ثبت اليوم بشكل موثوق أن آلية تسريع البروتونات والنوى الكونية بواسطة موجة الصدمة في مغلفات المستعر الأعظم هي الأكثر فاعلية. ولكن لن يكون من الممكن إعادة إنتاجه في ظروف معملية: فالتسارع بطيء نسبيًا ويتطلب نفقات ضخمة من الطاقة لعقد الجسيمات المتسارعة. في مغلفات المستعر الأعظم ، توجد هذه الظروف بسبب طبيعة الانفجار ذاتها. من اللافت للنظر أن تسارع الأشعة الكونية يحدث في جسم فيزيائي فلكي فريد ، وهو المسؤول عن تخليق نوى ثقيلة (أثقل من الهيليوم) ، والتي توجد بالفعل في الأشعة الكونية.

في مجرتنا ، هناك العديد من المستعرات الأعظمية المعروفة التي يقل عمرها عن ألف عام والتي لوحظت بالعين المجردة. وأشهرها سديم السرطان في كوكبة الثور ("السلطعون" هو بقايا انفجار سوبر نوفا في 1054 ، وقد لوحظ في السجلات الشرقية) ، وكاسيوبيا A (لوحظ في عام 1572 من قبل عالم الفلك تايكو براهي) ومستعر أعظم كيبلر في الكوكبة الحواء (1680). أقطار أصدافها اليوم هي 5-10 سنوات ضوئية (سنة ضوئية واحدة = 10 16 م) ، أي أنها تتمدد بسرعة تصل إلى 0.01 من سرعة الضوء وتقع على مسافة حوالي عشرة آلاف ضوء سنوات من الأرض. تمت ملاحظة مغلفات المستعرات الأعظمية ("السدم") في نطاقات البصريات والراديو والأشعة السينية وجاما بواسطة مراصد الفضاء شاندرا وهابل وسبيتزر. لقد أظهروا بشكل موثوق أن تسارع الإلكترونات والبروتونات ، مصحوبًا بإشعاع الأشعة السينية ، يحدث بالفعل في الأصداف.

ملء الفضاء بين النجمي بالأشعة الكونية بطاقة محددة مقاسة (~ 1 فولت في سم 3) يمكن أن يكون حوالي 60 بقايا مستعر أعظم أصغر من 2000 عام ، بينما هناك أقل من عشرة معروفة. يفسر هذا النقص بحقيقة أنه في مستوى المجرة ، حيث تتركز النجوم والمستعرات الأعظمية ، يوجد الكثير من الغبار ، الذي لا يسمح بمرور الضوء إلى الراصد على الأرض. جعلت الملاحظات في الأشعة السينية وأشعة جاما ، والتي تكون طبقة الغبار شفافة فيها ، من الممكن توسيع قائمة قذائف السوبرنوفا "الفتية" المرصودة. أحدث هذه الأصداف المكتشفة حديثًا هو Supernova G1.9 + 0.3 ، الذي لوحظ باستخدام تلسكوب Chandra X-ray منذ يناير 2008. تُظهر تقديرات حجم غلافه ومعدل تمدده أنه اندلع منذ حوالي 140 عامًا ، لكنه لم يكن مرئيًا في النطاق البصري بسبب الامتصاص الكامل لضوءه بواسطة طبقة المجرة المتربة.

لبيانات عن انفجار المستعرات الأعظمية في مجرتنا درب التبانة، تمت إضافة إحصائيات أكثر ثراءً عن المستعرات الأعظمية في المجرات الأخرى. التأكيد المباشر لوجود البروتونات والنواة المتسارعة هو إشعاع غاما مع طاقة عالية من الفوتونات الناشئة عن تحلل البيونات المحايدة - نتاج تفاعل البروتونات (والنواة) مع المادة المصدر. تُلاحظ مثل هذه الفوتونات ذات الطاقات الأعلى باستخدام التلسكوبات التي تسجل توهج فافيلوف-شيرينكوف المنبعث من الجسيمات الثانوية لـ EAS. الأداة الأكثر تقدمًا من هذا النوع هي إعداد مكون من ستة تلسكوبات تم إنشاؤه بالتعاون مع HESS في ناميبيا. تم قياس إشعاع غاما من السرطان أولاً ، وأصبحت شدته مقياسًا لشدة المصادر الأخرى.

النتيجة التي تم الحصول عليها لا تؤكد فقط وجود آلية لتسريع البروتونات والنوى في المستعر الأعظم ، ولكنها تسمح أيضًا بتقدير طيف الجسيمات المتسارعة: أطياف كوانتا غاما "الثانوية" والبروتونات والنواة "الأولية" هي قريب جدا. يسمح المجال المغناطيسي في السلطعون وحجمه بتسريع البروتونات إلى طاقات تصل إلى 10 15 فولت. تختلف أطياف جسيمات الأشعة الكونية في المصدر وفي الوسط البينجمي إلى حد ما ، لأن احتمال هروب الجسيمات من المصدر وعمر الجسيمات في المجرة يعتمدان على طاقة وشحنة الجسيم. إن مقارنة طيف الطاقة وتكوين الأشعة الكونية ، المقاسة بالقرب من الأرض ، مع الطيف والتكوين في المصدر ، جعلت من الممكن فهم المدة التي تنتقل فيها الجسيمات بين النجوم. تبين أن نوى الليثيوم والبريليوم والبورون في الأشعة الكونية بالقرب من الأرض أكبر بكثير مما كانت عليه في المصدر - تظهر الكمية الإضافية نتيجة تفاعل النوى الأثقل مع الغاز بين النجوم. بعد قياس هذا الاختلاف ، قمنا بحساب الرقم Xمن المادة التي مرت من خلالها الأشعة الكونية ، تجول في الوسط بين النجوم. في الفيزياء النووية ، تُقاس كمية المادة التي يلتقي بها الجسيم في طريقه بوحدة جرام / سم 2. هذا يرجع إلى حقيقة أنه من أجل حساب الانخفاض في تدفق الجسيمات في الاصطدامات مع نوى المادة ، من الضروري معرفة عدد تصادمات الجسيم مع النوى التي لها منطقة مختلفة (المقطع العرضي) المستعرضة للاتجاه من الجسيم. للتعبير عن مقدار المادة في هذه الوحدات ، يتم الحصول على مقياس قياس واحد لجميع النوى.

قيمة وجدت تجريبيا X~ 5-10 جم / سم 2 يسمح لنا بتقدير العمر رالأشعة الكونية في الوسط النجمي: ر ≈ X/ρ ج، أين ج- سرعة الجسيمات ، تساوي تقريبًا سرعة الضوء ، ρ ~ 10 –24 جم / سم 3 - متوسط ​​كثافة الوسط النجمي. ومن ثم ، فإن عمر الأشعة الكونية يبلغ حوالي 10 إلى 8 سنوات. هذه المرة أطول بكثير من وقت طيران جسيم يتحرك بسرعة معفي خط مستقيم من المصدر إلى الأرض (3 · 10 4 سنوات لأبعد المصادر على الجانب الآخر من المجرة منا). هذا يعني أن الجسيمات لا تتحرك في خط مستقيم ، لكنها تتعرض للتشتت. المجالات المغناطيسية الفوضوية للمجرات مع الاستقراء B ~ 10 -6 جاوس (10-10 تسلا) تحركها في دائرة نصف قطرها (gyroradius) ص = ه/ 3 × 10 4 ب أين صفي م ، ه- طاقة الجسيمات في eV ، V - تحريض المجال المغناطيسي في gauss. في طاقات الجسيمات المعتدلة ه

تقريبًا في خط مستقيم ، ستأتي الجسيمات ذات الطاقة فقط من المصدر ه> 10 19 فولت. لذلك ، لا يشير اتجاه الجسيمات ذات الطاقات الأقل من 10 19 فولتًا إلى مصدرها. في نطاق الطاقة هذا ، يبقى فقط مراقبة الإشعاع الثانوي المتولد في المصادر نفسها بواسطة البروتونات ونوى الأشعة الكونية. في نطاق الطاقة المرصود لإشعاع غاما ( ه

تبين أن مفهوم الأشعة الكونية كظاهرة مجرية "محلية" ينطبق فقط على الجسيمات ذات الطاقات المعتدلة ه

في عام 1958 ، اكتشف جورجي بوريسوفيتش كريستيانسن والألماني فيكتوروفيتش كوليكوف تغيرًا حادًا في شكل طيف الطاقة للأشعة الكونية بطاقة 3 · 10 15 فولت. عند طاقات أقل من هذه القيمة ، يتم عادةً تقديم البيانات التجريبية على طيف الجسيمات في شكل "قانون القوة" بحيث يكون عدد الجسيمات نمع طاقة معينة ، تم افتراض أن E تتناسب عكسياً مع طاقة الجسيم إلى الطاقة γ: ن(ه) = أ/هγ (γ هو مؤشر الطيف التفاضلي). حتى طاقة 3 · 10 15 eV ، الأس γ = 2.7 ، ولكن عند الانتقال إلى طاقات عالية ، يواجه طيف الطاقة "استراحة": للطاقات ه> 3 · 10 15 eV تصبح 3.15. من الطبيعي ربط هذا التغيير في الطيف بنهج طاقة الجسيمات المتسارعة إلى أقصى قيمة ممكنة محسوبة لآلية التسارع في المستعرات الأعظمية. التركيب النووي للجسيمات الأولية في نطاق الطاقة 10 15-10 17 eV يتحدث أيضًا لصالح مثل هذا التفسير لكسر في الطيف. يتم توفير المعلومات الأكثر موثوقية عنها من خلال تركيبات EAS المعقدة - "MGU" ، "Tunka" ، "Tibet" ، "Cascade". بمساعدتهم ، لا يتم الحصول على معلومات حول طاقة النوى الأولية فحسب ، بل يتم أيضًا الحصول على معلمات اعتمادًا على أرقامها الذرية - "عرض" الدش ، والنسبة بين عدد الإلكترونات والميونات ، وبين عدد أكثرها نشاطًا الإلكترونات وعددها الإجمالي. تشير كل هذه البيانات إلى أنه مع زيادة طاقة الجسيمات الأولية من الحافة اليسرى للطيف إلى كسرها للطاقة بعد الانقطاع ، تحدث زيادتها. معدل الوزن... يتوافق مثل هذا التغيير في تكوين الجسيمات بالكتلة مع نموذج تسارع الجسيمات في المستعرات الأعظمية - فهو مقيد بأقصى طاقة ، والتي تعتمد على شحنة الجسيم. بالنسبة للبروتونات ، تبلغ هذه الطاقة القصوى 3 · 10 15 eV وتزداد بما يتناسب مع شحنة الجسيم المتسارع (النواة) ، بحيث يتم تسريع نوى الحديد بشكل فعال حتى ~ 10 17 eV. شدة تدفق الجسيمات مع طاقات تتجاوز الحد الأقصى تتناقص بسرعة.

لكن تسجيل الجسيمات ذات الطاقات الأعلى (~ 3 × 10 18 فولتًا) أظهر أن طيف الأشعة الكونية لا ينفصل فحسب ، بل يعود إلى الشكل الذي لوحظ قبل الفاصل!

قياسات طيف الطاقة في الطاقة "فائقة الارتفاع" ( ه> 10 18 eV) صعبة للغاية بسبب قلة عدد هذه الجسيمات. لمراقبة هذه الأحداث النادرة ، من الضروري إنشاء شبكة من أجهزة كشف تدفق الجسيمات EAS وإشعاع فافيلوف-شيرينكوف المتولد عنهما في الغلاف الجوي وإشعاع التأين (التأين الجوي) على مساحة مئات بل وآلاف الكيلومترات المربعة. لمثل هذه التركيبات الكبيرة والمعقدة ، يختارون أماكن ذات نشاط اقتصادي محدود ، ولكن مع القدرة على ضمان التشغيل الموثوق به لعدد كبير من أجهزة الكشف. تم بناء مثل هذه التركيبات في البداية على مناطق تبلغ مساحتها عشرات الكيلومترات المربعة (ياكوتسك ، هافيرا بارك ، أكينو) ، ثم بالمئات (AGASA ، Fly's Eyе ، HiRes) ، وأخيراً ، يتم الآن إنشاء منشآت على مساحة آلاف الكيلومترات المربعة (Pierre Auger مرصد الأرجنتين ، تركيب تلسكوبي في يوتا ، الولايات المتحدة الأمريكية).

ستكون الخطوة التالية في دراسة الأشعة الكونية ذات الطاقة الفائقة هي تطوير طريقة لتسجيل EAS من خلال مراقبة مضان الغلاف الجوي من الفضاء. بالتعاون مع العديد من البلدان ، يتم إنشاء أول كاشف فضائي EAS ، مشروع TUS ، في روسيا. من المفترض أن يتم تثبيت كاشف آخر في International محطة فضاء ISS (مشاريع JEM-EUSO و KLPVE).

ماذا نعرف عن الأشعة الكونية فائقة الطاقة اليوم؟ يوضح الشكل السفلي طيف الطاقة للأشعة الكونية ذات الطاقات التي تزيد عن 10 18 فولتًا ، والتي تم الحصول عليها في أحدث جيل من الأجهزة (HiRes ، مرصد بيير أوجيه) جنبًا إلى جنب مع بيانات عن الأشعة الكونية ذات الطاقات المنخفضة ، والتي ، كما هو موضح أعلاه ، تنتمي لمجرة درب التبانة. يمكن ملاحظة أنه عند طاقات 3 · 10 18-3 · 10 19 eV ، انخفض مؤشر طيف الطاقة التفاضلية إلى قيمة 2.7-2.8 ، وهو نفس ما لوحظ تمامًا بالنسبة للأشعة الكونية المجرية ، عند طاقات الجسيمات أقل بكثير من الحد الأقصى الممكن لمسرعات المجرات ... ألا يعتبر هذا مؤشرا على أن التيار الرئيسي للجسيمات في الطاقات الفائقة يتم إنشاؤه بواسطة مسرعات من أصل خارج المجرة ذات طاقات قصوى أعلى بكثير من تلك المجرية؟ يظهر التواء في طيف الأشعة الكونية المجرية أن مساهمة الأشعة الكونية خارج المجرة تتغير بشكل كبير في الانتقال من منطقة الطاقات المعتدلة 10 14-10 16 فولتًا ، حيث تقل بحوالي 30 مرة عن مساهمة الأشعة الكونية ( الطيف المشار إليه في الشكل بخط متقطع) ، إلى منطقة الطاقات الفائقة حيث يصبح هو المسيطر.

في العقود الأخيرة ، تراكمت العديد من البيانات الفلكية على أجسام خارج المجرة قادرة على تسريع الجسيمات المشحونة إلى طاقات أعلى بكثير من 10 19 فولت. علامة واضحةأن الغرض هو الحجم ديمكن أن يسرع الجسيمات إلى طاقة ه، وجود مجال مغناطيسي B بحيث يكون دوران الجسيم أقل من د... وتشمل هذه المصادر المرشحة المجرات الراديوية (التي تنبعث منها انبعاثات راديوية قوية) ؛ نوى المجرات النشطة التي تحتوي على ثقوب سوداء ؛ تصادم المجرات. تحتوي جميعها على نفاثات من الغاز (البلازما) تتحرك بسرعات هائلة تقترب من سرعة الضوء. تلعب هذه النفاثات دور موجات الصدمة اللازمة لتشغيل المسرع. لتقدير مساهمتها في الكثافة المرصودة للأشعة الكونية ، من الضروري مراعاة توزيع المصادر على مسافات من الأرض وفقدان الطاقة من الجسيمات في الفضاء بين المجرات. قبل اكتشاف الانبعاث الراديوي الكوني في الخلفية ، بدا الفضاء بين المجرات "فارغًا" وشفافًا ليس فقط للإشعاع الكهرومغناطيسي ، ولكن أيضًا للجسيمات عالية الطاقة. كثافة الغاز في الفضاء بين المجرات ، وفقًا للبيانات الفلكية ، صغيرة جدًا (10 –29 جم / سم 3) بحيث لا تلتقي الجسيمات بنواة ذرات الغاز. ومع ذلك ، عندما اتضح أن الكون مليء بفوتونات منخفضة الطاقة (حوالي 500 فوتون / سم 3 بالطاقة ه f ~ 10 -3 eV) المتبقية بعد الانفجار العظيم ، أصبح من الواضح أن البروتونات والأنوية ذات طاقات أكبر من ه~ 5 10 19 eV ، حد Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) ، يجب أن يتفاعل مع الفوتونات ويفقد b في الطريق على مدى عشرات الملايين من السنين الضوئية امعظم طاقتك. وهكذا ، فإن الجزء الساحق من الكون ، الواقع على مسافات تزيد عن 10 7 سنوات ضوئية منا ، تبين أنه يتعذر الوصول إليه للمراقبة في الحزم التي تزيد طاقتها عن 5 · 10 19 eV. تؤكد البيانات التجريبية الحديثة حول طيف الأشعة الكونية ذات الطاقة العالية (مرفق HiRes ، مرصد بيير أوجيه) وجود حد الطاقة هذا للجسيمات المرصودة من الأرض.

كما يمكن أن نرى ، من الصعب للغاية دراسة أصل الأشعة الكونية فائقة الطاقة: الجزء الرئيسي من المصادر المحتملة للأشعة الكونية ذات الطاقات الأعلى (فوق حد GZK) بعيد جدًا لدرجة أن الجسيمات في طريقها إلى تفقد الأرض الطاقة المكتسبة في المصدر. وعند طاقات أقل من حد GZK ، انحراف الجسيمات حقل مغناطيسيلا تزال المجرات كبيرة ، ومن غير المرجح أن يكون اتجاه وصول الجسيمات قادرًا على الإشارة إلى موقع المصدر على الكرة السماوية.

في البحث عن مصادر الأشعة الكونية ذات الطاقة الفائقة ، تحليل الارتباط بين الاتجاه المقاس تجريبياً وصول الجسيمات مع ما يكفي من طاقات عالية- بحيث تنحرف حقول المجرة قليلاً عن الجسيمات من الاتجاه إلى المصدر. لم تقدم منشآت الجيل السابق حتى الآن بيانات مقنعة حول ارتباط اتجاه وصول الجسيمات بإحداثيات أي فئة مختارة خصيصًا من الأجسام الفيزيائية الفلكية. يمكن النظر إلى أحدث البيانات من مرصد بيير أوجيه على أنها أمل في الحصول على بيانات في السنوات القادمة حول دور المصادر من نوع AGN في إنشاء تدفقات مكثفةالجسيمات ذات الطاقات بترتيب حد GZK.

من المثير للاهتمام أن مرفق AGASA قدم مؤشرات على وجود اتجاهات "فارغة" (تلك التي لا توجد بها مصادر معروفة) والتي يصل خلالها اثنان أو حتى ثلاثة جسيمات خلال فترة المراقبة. هذا سبب الفائدة الكبيرةبين الفيزيائيين الذين يتعاملون مع علم الكونيات - علم أصل الكون وتطوره ، المرتبط ارتباطًا وثيقًا بفيزياء الجسيمات الأولية. اتضح أنه في بعض نماذج بنية العالم المجهري وتطور الكون (نظرية الانفجار العظيم) ، من المتوقع الحفاظ في الكون الحديث على جسيمات أولية فائقة الكتلة كتلتها حوالي 10 23-10 24 إلكترون فولت ، من الذي يهم على جدا مرحلة مبكرةالانفجار العظيم. توزيعها في الكون ليس واضحًا تمامًا: يمكن إما أن يتم توزيعها بالتساوي في الفضاء ، أو "تنجذب" إلى مناطق ضخمة من الكون. ميزتها الرئيسية هي أن هذه الجسيمات غير مستقرة ويمكن أن تتحلل إلى جسيمات أخف ، بما في ذلك البروتونات المستقرة والفوتونات والنيوترينوات ، التي تكتسب طاقات حركية ضخمة - أكثر من 10 20 فولت. الأماكن التي نجت فيها هذه الجسيمات (عيوب الكون الطوبولوجية) قد تتحول إلى مصادر لبروتونات عالية الطاقة أو فوتونات أو نيوترينوات.

كما في حالة المصادر المجرية ، يتم تأكيد وجود مسرعات الأشعة الكونية ذات الطاقة فوق العالية خارج المجرة من خلال البيانات الواردة من كاشفات أشعة غاما ، على سبيل المثال ، تلسكوبات منشأة HESS التي تستهدف الأجسام خارج المجرة المذكورة أعلاه - المرشحة لمصادر الأشعة الكونية.

من بينها ، نوى المجرات النشطة (AGN) ذات النفاثات الغازية الواعدة. تعتبر مجرة ​​M87 في كوكبة العذراء ، على مسافة 50 مليون سنة ضوئية من مجرتنا ، من أكثر الأشياء التي تمت دراستها جيدًا في منشأة HESS. يوجد في وسطها ثقب أسود يوفر الطاقة للعمليات القريبة منه ، وعلى وجه الخصوص ، نفاثة عملاقة من البلازما تنتمي إلى هذه المجرة. تم تأكيد تسارع الأشعة الكونية في M87 بشكل مباشر من خلال ملاحظات إشعاع غاما الخاص به ، والذي يبلغ طيف الطاقة منه 1-10 تيرا إلكترون فولت (10 12-10 13 إلكترون فولت) لوحظ في منشأة HESS. تبلغ كثافة إشعاع جاما المرصودة من M87 حوالي 3 ٪ من تلك الموجودة في سرطان البحر. مع الأخذ في الاعتبار الاختلاف في المسافة إلى هذه الكائنات (5000 مرة) ، فهذا يعني أن لمعان M87 يتجاوز لمعان Crab بمقدار 25 مليون مرة!

تُظهر نماذج تسريع الجسيمات التي تم إنشاؤها لهذا الكائن أن شدة الجسيمات المتسارعة في M87 يمكن أن تكون كبيرة جدًا لدرجة أنه حتى على مسافة 50 مليون سنة ضوئية ، يمكن أن توفر مساهمة هذا المصدر الكثافة المرصودة للأشعة الكونية مع طاقات تزيد عن 10 19 فولتًا. .

ولكن هناك لغز: في البيانات الحديثة حول EASs تجاه هذا المصدر ، لا يوجد فائض من الجسيمات ذات طاقات بترتيب 10 19 eV. ألن يظهر هذا المصدر في نتائج تجارب الفضاء المستقبلية ، في مثل هذه الطاقات ، عندما لا تعود المصادر البعيدة تساهم في الأحداث المرصودة؟ يمكن تكرار حالة انقطاع طيف الطاقة مرة أخرى ، على سبيل المثال ، بطاقة 2 · 10 20. ولكن هذه المرة يجب أن يكون المصدر مرئيًا في قياسات اتجاه مسار الجسيم الأساسي ، نظرًا لأن الطاقات> 2 · 10 20 eV كبيرة جدًا بحيث لا ينبغي أن تنحرف الجسيمات في المجالات المغناطيسية للمجرة.

كما ترون ، بعد مائة عام من تاريخ دراسة الأشعة الكونية ، فإننا ننتظر مرة أخرى اكتشافات جديدة ، هذه المرة للإشعاع الكوني عالي الطاقة ، الذي لا تزال طبيعته غير معروفة ، ولكن يمكن أن يلعب دورًا مهمًا في هيكل الكون.

المؤلفات:
1) دوبروتين ن. الأشعة الكونية... - م: إد. أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، 1963.
2) مورزين في. مقدمة في فيزياء الأشعة الكونية... - م: إد. جامعة موسكو الحكومية ، 1988.
3) Panasyuk M.I. المتجولون في الكون ، أو صدى الانفجار العظيم... - Fryazino: "Vek2" ، 2005.
4) روسي ب. الأشعة الكونية... - م: أتوميزدات ، 1966.
5) خرينوف ب. الشهب النسبية// العلوم في روسيا ، 2001 ، العدد 4.
6) خرينوف ب. و Panasyuk M.I. رسل الكون: بعيد أم قريب؟// الطبيعة ، 2006 ، العدد 2.
7) خرينوف ب. وكليموف ب. الافتتاح معلق// الطبيعة ، 2008 ، العدد 4.

تم اتباع قوانين الحفظ بدقة في جميع الحالات الموضحة في الفصول السابقة. عندما تبين أن أحد القوانين غير كامل ، كان عليهم تفسيره بشكل مختلف. وهكذا ، تم توسيع القانون القديم لحفظ الكتلة وتحويله إلى قانون أكثر عمومية للحفاظ على الطاقة. من ناحية أخرى ، عندما لا تحدث الأحداث المتوقعة بالفعل ، تم التوصل إليها قانون جديدالحفظ (كما في حالة قانون الحفاظ على رقم الباريون). ومع ذلك ، ليس من السهل دائمًا إثبات استيفاء قوانين الحفظ تمامًا. نشأ موقف غامض بشكل خاص في فجر تطور الفيزياء النووية في دراسة الطاقة الحركية للجسيمات المنبعثة من المواد المشعة.

يمكن تحديد طاقة الجسيم عن طريق قياس كتل النواة المشعة الأولية والجسيم ألفا والنواة النهائية. يجب أن تكون الكتلة الكلية للجسيم والنواة النهائية أقل قليلاً من كتلة النواة الأولية ، ويجب أن تكون الطاقة المكافئة للكتلة المفقودة مساوية للطاقة الحركية للجسيم. كان الفيزيائيون قادرين على قياس كتل النوى والجسيمات الأخرى بدقة عالية فقط في عشرينيات القرن الماضي. ومع ذلك ، فقد توصلوا إلى بعض الاستنتاجات المهمة حول طاقات الجسيمات دون معرفة القيمة الدقيقة للكتل.

ضع في اعتبارك الثوريوم 232 ، الذي يتحلل إلى جسيم؟ (هيليوم 4) وراديوم 228. جميع نوى الثوريوم -232 لها نفس الكتلة. كتل جميع نوى الراديوم -228 هي أيضًا من نفس الحجم ، مثل كتل كل الجسيمات. بدون معرفة حجم هذه الكتل ، يمكن للمرء مع ذلك أن يقول إنه في كل مرة تنبعث فيها ذرة ثوريوم -232 جسيمًا ، يجب أن يكون عجز الكتلة هو نفسه ، وبالتالي ، يجب أن تكون الطاقة الحركية لـ؟ . بمعنى آخر ، يجب أن ينبعث الثوريوم -232؟ - جسيمات لها نفس الطاقة.

كيفية تحديد الطاقة الحركية للجسيمات؟ من المعروف أنه كلما زادت طاقة الجسيم ، كلما تغلغل بعمق في المادة. ؟ - الجسيمات هي منعت جدا طبقة رقيقةصلبة ، ولكن يمكن أن تمر عبر طبقة من الهواء بسمك عدة سنتيمترات. في هذه الحالة ، تنقل الجسيمات - باستمرار الطاقة إلى جزيئات الهواء التي تصطدم بها ، وتتباطأ تدريجيًا ، وتصبح في النهاية ذرات هيليوم عادية ، وتلتقط الإلكترونات. في مثل هذه الحالة ، لم يعد بالإمكان اكتشافها بالطرق التي يتم من خلالها تسجيل جسيمات جاما ، بحيث تختفي في الواقع.

من الممكن الكشف عن الجسيمات باستخدام فيلم مركب كيميائييسمى كبريتيد الزنك. في كل مرة يضرب فيها جسيم مثل هذا الفيلم ، فإنه يتسبب في وميض خافت من الضوء. إذا ، بجانب المصدر؟ - الجسيمات (على سبيل المثال ، قطعة من الثوريوم 232 في حاوية رصاص ذات فتحة ضيقة جدًا) نضع عداد الوميض،ثم سيتوافق عدد التوهجات مع عدد الجسيمات المشكلة. إذا تم وضع عداد التلألؤ بعيدًا عن المصدر ، فسيتعين على الجسيمات - أن تمر عبر طبقة أكبر وأكبر من الهواء للوصول إليه. - إذا انبعثت الجسيمات بطاقات مختلفة ، فإن الجسيمات ذات الطاقة الأقل ستختفي بسرعة كبيرة ، وستنتقل الجسيمات ذات الطاقة الأقل إلى مسار أطول في الهواء ، وما إلى ذلك نتيجة لذلك ، حيث يتحرك عداد التلألؤ بعيدًا عن المصدر ، يجب أن ينخفض ​​عدد الجسيمات التي تسقط على العداد تدريجياً. إذا كانت الجسيمات تتطاير بنفس الطاقة ، فسوف تمر جميعها بنفس المسار في الهواء. وبالتالي ، يجب أن يسجل عداد التلألؤ نفس عدد الجسيمات أثناء تحركه بعيدًا عن المصدر ، وصولاً إلى نقطة حرجة معينة ، والتي لا يمكن بعدها تسجيل وميض واحد.

لاحظ الفيزيائي الإنجليزي ويليام هنري براج هذه الظاهرة عام 1904. تقريبا كل الجسيمات المنبعثة من نوى نفس العنصر لها نفس الطاقة ولها نفس القدرة على الاختراق. الكل؟ - جزيئات الثوريوم 232 مرت عبر طبقة من الهواء بسمك 2.8 سم،جميع جزيئات الراديوم 226-3.3 سم،جسيمات ألفا من البولونيوم -212 - 8.6 سم... في الواقع ، هناك بعض الانحرافات. في عام 1929 ، تم اكتشاف أن جزءًا صغيرًا من جسيمات نفس النواة المشعة يمكن أن يكون له حجم كبير بشكل غير عادي الطاقة الحركيةوقوة اختراق أكبر من البقية. والسبب في ذلك هو أن النواة المشعة الأصلية قد تكون موجودة في واحدة من الدول المتحمسة.في الحالات المثارة ، تتمتع النوى بطاقة أعلى مما كانت عليه في حالتها الطبيعية. شرط أساسي.عندما تنبعث من النواة جسيم؟ نتيجة لذلك ، بالإضافة إلى المجموعة الرئيسية من جسيمات ، يتم تكوين مجموعات صغيرة من جسيمات ذات قدرة اختراق أعلى ، مجموعة واحدة لكل حالة متحمس.

عندما تتشكل النواة المشعة عن طريق اضمحلال نواة أخرى ، فإنها تكون أحيانًا في حالة من الإثارة منذ لحظة تشكلها. ثم معظم الجسيمات المنبعثة منها لديها طاقة عالية بشكل غير عادي ، والجسيمات ذات الطاقة المنخفضة تشكل مجموعات صغيرة. هذه المجموعات المنفصلة من جسيمات بيتا (من 2 إلى 13) ذات طاقات مختلفة تتشكل نطاق؟ -جسيمات نواة معينة. يتوافق كل مكون من مكونات الطيف ، كما هو متوقع ، مع إحدى الحالات المثارة للنواة. إذن ، قانون حفظ الطاقة؟ - الجسيمات تم الوفاء به ، وهو ما لا يمكن أن يقال في حالة؟ - الجسيمات.

الطاقة؟

إذا كانت جميع الاستنتاجات المستخلصة من "الجسيمات" قابلة للتطبيق على "الجسيمات" وتم استيفاء علاقات الطاقة المدروسة ، فإن جميع الجسيمات المتكونة أثناء تحلل النوى سيكون لها نفس الطاقة الحركية. ومع ذلك ، في وقت مبكر من عام 1900 ، نشأ الانطباع بأن "-" تنبعث الجسيمات مع أي طاقة تصل إلى قيمة قصوى معينة. على مدى الخمسة عشر عامًا التالية ، تراكمت الأدلة تدريجيًا حتى أصبح من الواضح تمامًا أن طاقات الجسيمات تشكل طيفًا مستمرًا.

كل نواة ، ينبعث منها جسيم في عملية الاضمحلال ، يخسر كمية معينة منالجماهير. يجب أن يتوافق الانخفاض في الكتلة مع قيمة الطاقة الحركية للجسيم β. في هذه الحالة ، لا تتجاوز الطاقة الحركية لجسيم أي من النوى المشعة المعروفة لدينا الطاقة المكافئة لانخفاض الكتلة. وبالتالي ، فإن انخفاض الكتلة لأي اضمحلال إشعاعي يتوافق مع القيمة القصوى للطاقة الحركية لجسيمات بيتا المتكونة في عملية هذا الاضمحلال.

ولكن وفقًا لقانون الحفاظ على الطاقة ، لا يجب أن يكون لأي من الجسيمات طاقة حركية أقل من الطاقة المكافئة لانخفاض الكتلة ، أي يجب أن تكون الطاقة الحركية القصوى للجسيم في حدها الأدنى في نفس الوقت. في الواقع. هذه ليست القضية. في كثير من الأحيان؟ - تنبعث الجسيمات بطاقة حركية أقل من المتوقع ، والقيمة القصوى المقابلة للقانون

من غير المحتمل أن يصل الحفاظ على الطاقة إلى جسيم واحد على الأقل. بعض الجسيمات لديها طاقة حركية أقل بقليل من القيمة القصوى ، والبعض الآخر أقل بكثير ، والبعض الآخر أقل بكثير. الطاقة الحركية الأكثر شيوعًا هي ثلث القيمة القصوى. بشكل عام ، أكثر من نصف الطاقة التي يجب أن تنشأ نتيجة انخفاض الكتلة أثناء التحلل الإشعاعي المصحوب بتكوين جسيمات؟ - لا يمكن اكتشافها.

في العشرينيات ، كان العديد من الفيزيائيين يميلون بالفعل إلى التخلي عن قانون الحفاظ على الطاقة ، على الأقل بالنسبة لتلك العمليات التي تتشكل فيها الجسيمات. كانت التوقعات مقلقة حيث ظل القانون صحيحًا في جميع الحالات الأخرى. لكن هل هناك تفسير آخر لهذه الظاهرة؟

في عام 1931 ، اقترح ولفجانج باولي الفرضية التالية: لا يستقبل الجسيم؟ -كل الطاقة نظرًا لتكوين جسيم ثانٍ ، والذي يحمل بقية الطاقة بعيدًا. يمكن توزيع الطاقة بين جسيمين بأي نسبة. في بعض الحالات ، يتم نقل كل الطاقة تقريبًا إلى الإلكترون ، وبعد ذلك يكون لديه طاقة حركية قصوى تقريبًا ، أي ما يعادل انخفاض الكتلة.

في بعض الأحيان يتم نقل كل الطاقة تقريبًا إلى الجسيم الثاني ، ثم تكون طاقة الإلكترون صفرًا تقريبًا. عندما يتم توزيع الطاقة بالتساوي بين جسيمين ، يكون للإلكترون قيم طاقة حركية وسيطة.

أي جسيم يلبي افتراض باولي؟ تذكر ذلك؟ - تنشأ الجسيمات في كل مرة يتحول فيها النيوترون إلى بروتون داخل النواة. عند التفكير في تحويل النيوترون إلى بروتون ، فإنه من الأسهل بلا شك التعامل مع نيوترون حر. لم يتم اكتشاف النيوترون عندما اقترح باولي نظريته لأول مرة. يمكننا الاستفادة من الإدراك المتأخر.

عندما يتحلل النيوترون الحر إلى بروتون وإلكترون ، فإن الأخير يطير مع أي طاقة حركية تصل إلى الحد الأقصى ، والذي يساوي تقريبًا 0.78 ميف... يشبه الوضع انبعاث جسيم ألفا بواسطة نواة مشعة ؛ لذلك ، عند النظر في اضمحلال النيوترون الحر ، من الضروري مراعاة جسيم باولي.

نشير إلى جسيم باولي Xودعونا نحاول معرفة خصائصه. دعنا نكتب رد فعل اضمحلال النيوترونات:

ص> ص ++ ه -+ X.

إذا تم استيفاء قانون حفظ الشحنة الكهربائية أثناء تحلل النيوترون ، X-يجب أن تكون الجسيمات محايدة. في الواقع ، 0 = 1–1 + 0. عندما يتحلل النيوترون إلى بروتون وإلكترون ، فإن خسارة الكتلة تساوي 0.00029 وحدة على مقياس الكتلة الذرية ، وهو ما يساوي تقريبًا نصف كتلة الإلكترون. إذا x- تلقت الجسيمات حتى كل الطاقة المتكونة نتيجة اختفاء الكتلة ، وإذا ذهبت كل الطاقة إلى تكوين الكتلة ، فإن الكتلة Xستكون نصف كتلة الإلكترون فقط. لذلك، x- يجب أن يكون الجسيم أخف من الإلكترون. في الواقع ، يجب أن يكون أخف بكثير ، لأن الإلكترون عادة يتلقى معظم الطاقة المحررة ، وأحيانًا كلها تقريبًا. علاوة على ذلك ، من غير المرجح أن تنتقل الطاقة X- الجسيمات ، تتحول بالكامل إلى كتلة ؛ يتم تحويل جزء كبير منها إلى طاقة حركية X-حبيبات. تقدير جماعي على مر السنين X- أصبحت الجسيمات أقل فأقل. أخيرًا ، أصبح من الواضح أن X- الجسيم ، مثل الفوتون ، ليس له كتلة ، أي ، مثل الفوتون ، ينتشر بسرعة الضوء من لحظة ظهوره. إذا كانت طاقة الفوتون تعتمد على الطول الموجي ، فإن الطاقة X- الجسيمات تعتمد على شيء مشابه.

وبالتالي ، فإن جسيم باولي ليس له كتلة ولا شحنة ، ويتضح سبب بقائه "غير مرئي". عادة ما يتم الكشف عن الجسيمات المشحونة بسبب الأيونات التي تشكلها. تم الكشف عن نيوترون غير مشحون بسبب كتلته الكبيرة. جسيم بدون كتلة وبدون شحنة يربك الفيزياء ويحرمه من أي فرصة للقبض عليه ودراسته.

بعد فترة وجيزة اقترح باولي وجود X-الجزيئات ، حصلت على اسم. في البداية أرادوا تسميته "نيوترون" ، لأنه ليس مشحونًا ، ولكن بعد عام من ظهور الفرضية ، اكتشف باولي تشادويك جسيمًا ثقيلًا غير مشحون ، حصل على هذا الاسم. يقصد الفيزيائي الإيطالي إنريكو فيرمي ذلك X- الجسيمات أخف بكثير من نيوترون تشادويك ، واقترح استدعاء جسيم x نيوترينووالتي تعني بالروسية "شيئًا صغيرًا ومحايدًا". كان الاقتراح ناجحًا للغاية ، ومنذ ذلك الحين أطلق عليه هذا الاسم. عادة ما يتم الإشارة إلى النيوترينوات رسالة يونانية؟ "ناقص" ) ويكتب اضمحلال النيوترونات على النحو التالي:

ص> ص ++ ه -+ ?..

النيوترينوات ضرورية للغاية

فرضية باولي عن وجود النيوترينوات والنظرية التفصيلية اللاحقة لإنتاج النيوترينو التي أنشأها فيرمي قابلها علماء الفيزياء بشكل مختلف. لم يرغب أحد في التخلي عن قانون الحفاظ على الطاقة ، على الرغم من وجود شكوك جدية حول الحاجة إلى حفظ هذا القانون بمساعدة جسيم بدون كتلة وبدون شحنة ، جسيم لا يمكن اكتشافه ، جسيم ، السبب الوحيد كان وجودها مجرد رغبة في حفظ قانون الحفاظ على الطاقة. اعتبره بعض الفيزيائيين جسيمًا شبحيًا ، نوعًا من الحيلة لتوفير الطاقة "مسك الدفاتر". في الواقع ، كان مفهوم النيوترينو مجرد وسيلة للتعبير عن أن "قانون الحفاظ على الطاقة لا ينطبق." لم يكن قانون الحفاظ على الطاقة هو الوحيد الذي تحفظه النيوترينوات.

لنفترض أن نيوترونًا ثابتًا ، أي نيوترونًا بدون زخم بالنسبة إلى الراصد. أثناء تحللها ، يجب أن يكون الزخم الكلي للبروتون والإلكترون صفراً إذا كان الانحلال مصحوبًا بتكوين جسيمين فقط. يجب أن يطير الإلكترون في اتجاه واحد ، والبروتون في الاتجاه المعاكس تمامًا (ولكن بسرعة أقل ، لأن كتلته أكبر ).

ومع ذلك ، فهي ليست كذلك. ينبعث الإلكترون والبروتون في اتجاهات تشكل زاوية معينة. ينشأ زخم إجمالي صغير في اتجاه انبعاث الجسيمات كما لو كان من لا شيء ، ويتم انتهاك قانون حفظ الزخم. ومع ذلك ، إذا ظهر نيوترينو في هذه الحالة ، فإنه يمكن أن يطير في مثل هذا الاتجاه بحيث يعوض تمامًا الزخم الكلي للجسيمين الآخرين (الشكل 6).

وبعبارة أخرى ، فإن قانون الحفاظ على الزخم يتحقق فقط بفضل النيوترينوات.

أرز. 6. اضمحلال النيوترون.

من السهل أن نرى أن الوضع مشابه للزخم الزاوي. يحتوي كل من النيوترون والبروتون والإلكترون على لفات 1/2 أو -1 / 2 لكل منها. افترض أن دوران النيوترون يساوي +1/2. أثناء تحللها ، يجب أن يكون الدوران الكلي للبروتون والإلكترون مساوياً لـ +1/2 ، إذا كان قانون الحفاظ على الزخم الزاوي صالحًا وتم تشكيل هذين الجسيمين فقط أثناء الاضمحلال. هل هو ممكن؟ يمكن أن تكون لفات البروتون والإلكترون مساوية لـ +1/2 و +1/2 ؛ +1/2 و -1 / 2 ؛ -1/2 و -1 / 2 ، أي أن إجمالي الدوران لكلا الجسيمين هو +1 و 0 و -1 على التوالي. إنها ليست متساوية ولا يمكن أبدًا أن تكون +1/2 أو -1/2 إذا كان دوران النيوترون هو -1/2 في البداية. باختصار ، إذا تحلل النيوترون فقط إلى بروتون وإلكترون ، فإن قانون حفظ الزخم الزاوي ينتهك.

لكن لنفترض أن الاضمحلال ينتج نيوترينوًا مع لف +1/2 أو -1/2. بعد ذلك ، سيكون الدوران الكلي للجسيمات الثلاثة الناتجة أثناء الاضمحلال مساويًا دائمًا للف النيوترون الأولي. وبالتالي ، فإن وجود النيوترينوات يتم "حفظه" بواسطة ثلاثة قوانين على الأقل: قانون حفظ الطاقة ، والزخم ، والزخم الزاوي. من الجدير بالذكر أن نفس الجسيم يقوم بعمل ثلاثة أضعاف.

من الصعب تحديد أيهما أسوأ: الاعتراف بوجود جسيم غامض أو شبحي أو انتهاك أحد قوانين الحفظ. من الأسهل كثيرًا الاختيار بين الجسيم الشبحي وانتهاك ثلاثة قوانين للحفظ في وقت واحد. كان على الفيزيائيين اختيار جسيم شبحي. تدريجيًا ، تم التعرف على وجود النيوترينوات من قبل العلماء النوويين. لقد توقفوا عن الشك في حقيقة النيوترينوات ، بغض النظر عما إذا كان بإمكانهم اكتشافها أم لا.

حفظ رقم ليبتون

لا يحفظ النيوترينو ثلاثة قوانين للحفظ فحسب ، بل ينشئ أيضًا قانونًا واحدًا جديدًا. لفهم كيفية حدوث ذلك ، ضع في اعتبارك ارتباط النيوترينوات بالجسيمات المضادة.

يتحلل مضاد النيوترون إلى بروتون مضاد وبوزيترون (مضاد للإلكترون). الوضع مشابه لانحلال النيوترون. يطير البوزيترون بطاقة حركية أقل مما ينبغي ، ولا يطير البوزيترون والبروتون المضاد في اتجاهين متعاكسين ولا تتراكم دورانهما بشكل صحيح. ستؤدي إضافة النيوترينوات في هذه الحالة إلى موازنة كل شيء.

بطبيعة الحال ، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو: هل نفس النيوترينو ينتج في اضمحلال النيوترون المضاد وفي اضمحلال النيوترون؟

ليس من الصعب إثبات أن النيوترينوات مختلفة. النيوترينو ، الذي له دوران ، مثل النيوترون ، يخلق مجالًا مغناطيسيًا له اتجاهان مختلفان. لذلك ، توجد النيوترينوات ومضادات النيوترونات بنفس طريقة وجود النيوترونات ومضادات النيوترونات. عندما يتحلل النيوترون ، يظهر أحد توأمين النيوترينو ، وعندما يتحلل مضاد النيوترون ، يظهر آخر. لكن من منهم يصاحب هذا الاضمحلال؟

لقد وصفت بالفعل قانون الحفاظ على رقم الباريون ، والذي ينص على أن إجمالي عدد الباريونات لنظام مغلق يظل ثابتًا. هل هناك مماثل قانون حفظ رقم ليبتون ،بواسطته يبقى العدد الإجمالي لليبتون للنظام المغلق دون تغيير؟لماذا لا نطالب بنفس الشيء من اللبتونات كما من الباريونات؟ لسوء الحظ ، إذا لم يتم تضمين النيوترينوات في الاعتبار ، فلا يمكن القيام بذلك.

دعونا نخصص للإلكترون رقم ليبتون+1 ، والبوزيترون أو المضاد له رقم ليبتون -1. لا يمكن للفوتون ، وهو جسيمه المضاد ، أن يحتوي على رقم ليبتون إما +1 أو -1 ، وسيكون من المنطقي تخصيص رقم ليبتون صفر. تحتوي جميع الباريونات أيضًا على صفر من أرقام ليبتون.

دعنا نعود إلى اضمحلال النيوترونات. لنبدأ بنيوترون واحد له رقم باريون 1 وعدد لبتون صفر. لنفترض أن البروتون والإلكترون فقط يتشكلان أثناء تحلل النيوترون. يجب أن يحتوي البروتون والإلكترون على عدد باريون إجمالي قدره 1 وعدد إجمالي لبتون يساوي 0 ، إذا تم حفظ هذين الرقمين. في الواقع ، مجموع أعداد الباريون لجسيمين يساوي +1 (أي 1 + 0) وفقًا لقانون حفظ رقم الباريون. إجمالي عدد ليبتون للبروتون والإلكترون يساوي أيضًا +1 (أي 1 + 0) ، على الرغم من أن رقم ليبتون في بداية التفاعل كان يساوي صفرًا. لذلك ، لا يتم حفظ رقم ليبتون.

لنفترض أن النيوترينوات ومضادات النوترينوات ذات أرقام ليبتون +1 و -1 ، على التوالي ، تنتمي إلى اللبتونات. بعد ذلك ، عندما يتحلل النيوترون إلى بروتون وإلكترون ومضاد نيوترينو ، يتم حفظ رقم ليبتون (0 + 1–1 = 0) ، ويمكن كتابة الانحلال على النحو التالي:

ص> ص ++ ه -+ "?,

أين "؟ - antineutrino.

عندما يتحلل مضاد النيوترون برقم لبتون صفر ، يتم إنتاج البروتون المضاد والبوزيترون والنيوترينو. أرقام لبتون للجسيمات الثلاثة المتكونة هي 0 و -1 و +1 على التوالي ، ومجموعها يساوي صفرًا:

"ص> "ص -+ "البريد ++ ?.

في الحالة الحرة ، تتحلل النيوترونات والنيوترونات المضادة إلى بروتونات وبروتونات مضادة ، فإن الوضع المعاكس لا يحدث. ومع ذلك ، داخل النوى ، تتحول البروتونات في بعض الأحيان تلقائيًا إلى نيوترونات (على سبيل المثال ، في حالة الفوسفور -30). وبالمثل ، في المادة المضادة ، تتحول البروتونات المضادة إلى مضادات نيوترونات.

عندما يتحول البروتون إلى نيوترون ، يتشكل البوزيترون والنيوترينو:

p +> n + "e + +؟.

عندما يتحول البروتون المضاد إلى مضاد للوترون ، يتشكل إلكترون ومضاد نيوترينو:

"p ->" n + e - +؟.

في كلتا الحالتين ، يتم حفظ رقم ليبتون. بإيجاز ، يمكننا القول أنه عندما ينبعث إلكترون ، يجب أن يظهر مضاد نيترينو ، وعندما ينبعث بوزيترون ، يجب أن يظهر نيوترينو بحيث يكون رقم ليبتون في نهاية الانحلال مساويًا للصفر.

عند أخذ النيوترينوات ومضادات النوترينوات في الحسبان ، يتم حفظ رقم اللبتون عبر جميع العمليات دون الذرية المدروسة. وهكذا ، فإن وجود النيوترينوات ومضادات النوترينوات لم يوفر فقط قوانين الحفاظ على الطاقة والزخم والزخم الزاوي ، بل جعل من الممكن أيضًا وضع قانون حفظ عدد ليبتون. لذلك ، كان من الصعب جدًا على الفيزيائيين عدم التعرف على وجود هذه الجسيمات.

ملحوظات:

كلما زادت قدرة اختراق جسيمات نواة معينة ، زاد العجز الكتلي في عملية التحلل الإشعاعي و اكثر اعجاباهذا الاضمحلال ، أي كلما زادت قدرة اختراق الجسيمات؟ فترة أقلنصف عمر النواة. إذا كان للثوريوم -232 نصف عمر 14 مليار سنة ، فإن نصف عمر الراديوم 226 هو 1620 سنة ، والبولونيوم 212 هو ثلاثة أجزاء من عشرة ملايين من الثانية.

في الواقع ، إذا استسلمت لإغراء تقديم مفهوم النيوترينوات في بداية الكتاب ، فسيكون من الصعب إثبات أن النيوترينوات ليست ثمرة التصوف العلمي. ومع ذلك ، بما أن النصف الأول من الكتاب يؤكد على أهمية وأهمية قوانين الحفظ ، يمكن الآن إثبات أن النيوترينو ، على الرغم من كل خصائصه الغريبة ، هو جسيم حقيقي وضروري للغاية.