Номер 3, страница 243 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

3. Что происходит при взаимодействии частицы и античастицы?

При взаимодействии частицы и её античастицы происходит процесс, называемый аннигиляцией (от лат. annihilatio — «уничтожение»). В этом процессе частица и античастица исчезают, а их полная энергия, состоящая из энергии покоя и кинетической энергии, преобразуется в энергию других частиц.

Самым известным примером является аннигиляция электрона ($e^−$) и его античастицы — позитрона ($e^+$). При их столкновении они исчезают, и в результате рождаются, как правило, два (реже три) высокоэнергетических фотона, называемых гамма-квантами ($\gamma$). Реакцию можно записать так:

$e^- + e^+ \rightarrow 2\gamma$

В процессе аннигиляции выполняются фундаментальные законы сохранения:

1. Закон сохранения энергии. Полная энергия системы до аннигиляции (сумма энергий покоя и кинетических энергий) равна полной энергии появившихся частиц. Энергия, выделяющаяся при аннигиляции, рассчитывается по формуле Эйнштейна $E=mc^2$. Для пары электрон-позитрон, находящихся в покое, выделившаяся энергия равна сумме их энергий покоя: $E = 2m_e c^2$, где $m_e$ — масса электрона, а $c$ — скорость света в вакууме. Если частицы до столкновения обладали кинетической энергией, она также переходит в энергию конечных продуктов.

2. Закон сохранения импульса. Суммарный импульс системы до взаимодействия равен суммарному импульсу после него. Если электрон и позитрон до столкновения покоились (их суммарный импульс был равен нулю), то после аннигиляции не может образоваться один фотон, так как он обладал бы ненулевым импульсом, и закон сохранения был бы нарушен. Поэтому образуется как минимум два фотона, которые разлетаются в противоположных направлениях, чтобы их суммарный импульс остался равным нулю.

3. Закон сохранения электрического заряда. Суммарный электрический заряд до и после взаимодействия должен оставаться неизменным. У электрона заряд $-e$, у позитрона $+e$. Их суммарный заряд равен нулю. У фотонов электрический заряд также равен нулю, поэтому закон сохранения заряда выполняется.

Помимо фотонов, при аннигиляции могут рождаться и другие частицы, особенно если исходные частицы обладали большой кинетической энергией. Например, при столкновении протона и антипротона на высоких энергиях образуется множество других частиц, таких как пи-мезоны и каоны.

Ответ: При взаимодействии частицы и античастицы происходит их аннигиляция — они исчезают, а их масса и кинетическая энергия полностью преобразуются в энергию других частиц (чаще всего в энергию высокоэнергетических фотонов или гамма-квантов) с соблюдением законов сохранения энергии, импульса и электрического заряда.