Номер 1, страница 354 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Что означают слова «частица исчезает»? Нет ли здесь нарушения закона сохранения энергии?

Что означают слова «частица исчезает»?

Выражение «частица исчезает» в физике элементарных частиц обычно относится к процессу аннигиляции. Аннигиляция — это реакция, в которой частица сталкивается со своей античастицей (например, электрон с позитроном). В результате этого взаимодействия исходные частицы перестают существовать в привычном нам виде, то есть как частицы с массой покоя.

Однако они не исчезают бесследно. Вместо этого их масса и энергия преобразуются в другие формы, чаще всего в виде электромагнитного излучения (фотонов) или других элементарных частиц. Например, при аннигиляции электрона ($e^-$) и позитрона ($e^+$) обычно рождаются два или три гамма-кванта (фотона высокой энергии, $\gamma$).

Таким образом, «исчезновение» частицы — это на самом деле её превращение в другие частицы или поля, а не полное исчезновение из Вселенной.

Ответ: Слова «частица исчезает» означают, что частица прекращает свое существование в первоначальной форме, превращаясь в другие частицы или формы энергии, например, в фотоны. Это не бесследное исчезновение, а трансформация.

Нет ли здесь нарушения закона сохранения энергии?

Нет, в процессе «исчезновения» (аннигиляции) частиц закон сохранения энергии не нарушается, а наоборот, наглядно демонстрируется. Ключевым здесь является принцип эквивалентности массы и энергии, установленный Альбертом Эйнштейном и выраженный знаменитой формулой:

$E = mc^2$

где $E$ — это энергия, $m$ — масса, а $c$ — скорость света в вакууме.

Эта формула показывает, что масса сама по себе является одной из форм энергии (так называемая энергия покоя). Когда частица и античастица аннигилируют, их суммарная энергия покоя, а также их кинетическая энергия (если они двигались) полностью переходят в энергию вновь рожденных частиц.

Рассмотрим пример аннигиляции электрона и позитрона, находящихся в состоянии покоя. Их суммарная энергия покоя равна $E_{покоя} = m_e c^2 + m_p c^2 = 2m_e c^2$, так как их массы равны. Эта энергия в точности равна суммарной энергии двух гамма-квантов, которые образуются в результате реакции:

$e^- + e^+ \rightarrow \gamma + \gamma$

Энергия системы до реакции ($E_{до} = 2m_e c^2 + E_{кин}$) равна энергии системы после реакции ($E_{после} = E_{\gamma_1} + E_{\gamma_2}$). Таким образом, полная энергия системы сохраняется. Масса превращается в энергию, но сама энергия никуда не исчезает и ниоткуда не появляется.

Ответ: Нарушения закона сохранения энергии не происходит. Масса «исчезнувших» частиц, согласно формуле $E=mc^2$, преобразуется в эквивалентное количество энергии, которая передается вновь образовавшимся частицам (например, фотонам). Полная энергия системы до и после взаимодействия остается неизменной.