Номер 4, страница 231 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 62. Классификация элементарных частиц. Глава 8. Элементарные частицы - номер 4, страница 231.

4. Как была обнаружена первая античастица — позитрон?

Открытие первой античастицы, позитрона, является классическим примером взаимодействия теоретической и экспериментальной физики и состоит из двух ключевых этапов: теоретического предсказания и экспериментального обнаружения.

Теоретическое предсказание (1928–1931 гг.)

В 1928 году британский физик-теоретик Поль Дирак вывел релятивистское квантовое уравнение для описания электрона. Это уравнение, известное сегодня как уравнение Дирака, имело два набора решений. Один набор описывал обычный электрон с отрицательным зарядом. Другой же соответствовал состояниям с отрицательной энергией, что на тот момент казалось физически бессмысленным. Чтобы разрешить эту проблему, Дирак в 1931 году предположил, что «дырки» в море частиц с отрицательной энергией должны проявлять себя как реально существующие частицы. Такая «дырка» вела бы себя как частица, обладающая той же массой, что и электрон, но противоположным, то есть положительным, электрическим зарядом. Так была теоретически предсказана первая античастица — «антиэлектрон», позже названная позитроном.

Экспериментальное обнаружение (1932 г.)

Американский физик Карл Андерсон, исследуя космические лучи с помощью камеры Вильсона, помещенной в сильное магнитное поле, сделал решающее наблюдение. Камера Вильсона — это детектор, который позволяет видеть следы (треки) пролетающих через нее заряженных частиц в виде цепочек капель жидкости. Магнитное поле искривляет траектории этих частиц, причем направление изгиба зависит от знака заряда, а радиус кривизны — от импульса частицы.

2 августа 1932 года Андерсон получил фотографию трека частицы, которая вела себя необычно. Чтобы определить ключевые свойства частицы, он поместил в центр камеры свинцовую пластину толщиной 6 мм. Анализ трека, прошедшего через эту пластину, показал:

Во-первых, частица двигалась снизу вверх. Это было установлено по тому, что после прохождения свинцовой пластины ее скорость уменьшилась (из-за потери энергии), а значит, радиус кривизны траектории в магнитном поле стал меньше.

Во-вторых, направление изгиба трека было противоположным тому, которое наблюдалось бы для электрона. Это однозначно свидетельствовало о положительном заряде частицы.

В-третьих, по степени ионизации (толщине трека) и величине кривизны было установлено, что масса частицы очень близка к массе электрона и во много раз меньше массы протона (единственной известной на тот момент стабильной положительно заряженной частицы). Если бы это был протон, его трек был бы намного толще и менее изогнутым при той же энергии.

Таким образом, Андерсон экспериментально обнаружил новую частицу, свойства которой — масса, равная массе электрона, и положительный элементарный заряд — в точности совпадали с предсказаниями теории Дирака. Андерсон назвал эту частицу «позитроном». Это открытие стало первым экспериментальным подтверждением существования антиматерии. За него Карл Андерсон в 1936 году был удостоен Нобелевской премии по физике.

Ответ: Позитрон был открыт в 1932 году Карлом Андерсоном во время изучения космических лучей с помощью камеры Вильсона в магнитном поле. Андерсон сфотографировал трек частицы, которая изгибалась в магнитном поле в сторону, противоположную электрону, что указывало на ее положительный заряд. Благодаря свинцовой пластине, установленной в камере, он смог определить направление движения частицы и доказать, что ее масса примерно равна массе электрона, а не протона. Эта частица оказалась «антиэлектроном» (позитроном), существование которого было теоретически предсказано Полем Дираком четырьмя годами ранее.