Из этого уравнения нетрудно вычислить, что для образования пары электрон — позитрон требуется энергия 1,026 МэВ. Если энергия фотона больше этой величины, то только часть его массы превращается в массу покоя частиц пары. При этом их полная масса равна массе фотона, из которого они возникли: частицы пары движутся с такой скоростью, что прирост их массы, обусловленный движением, соответствует «избытку» массы фотона, не превратившемуся в массу покоя частиц. Следовательно, полную энергию пары электрон — позитрон, возникшей из фотона гамма-излучения, мы можем разделить на две части. Одна часть, в точности равная 2тос2(m0 — масса покоя электрона и позитрона),— это массы покоя двух образовавшихся элементарных частиц. Другая часть — это их кинетическая энергия; движение частиц, как мы уже знаем, сопровождается увеличением их массы, которое незаметно при малых скоростях, но становится существенным при скоростях, сравнимых со скоростью света.
Таким образом, соотношение между массой и энергией (как иногда говорят, эквивалентность массы и энергии), по сути дела, выражает и закон сохранения массы. Подчеркнем, что речь здесь идет уже не о массе покоя, которая может изменяться в ходе процессов взаимодействия (например, при рождении пары электрон — позитрон), а о полной (релятивистской) массе.
Возникновение позитрона (положительного электрона) в описанном выше процессе убедительно доказали, помещая камеру Вильсона в магнитное поле. Но одновременно возник вопрос: что происходит с ним дальше? В известном нам веществе никогда не удавалось обнаружить позитроны; поэтому надо полагать, что возникший в паре с электроном позитрон каким-то образом быстро исчезает. Исследуя траектории позитрона в камере Вильсона, удалось установить, что в том месте, где он останавливается, почти мгновенно (за время меньше 10-6 с) возникают одновременно два-три фотона гамма-излучения, суммарная энергия которых всегда оказывается (в пределах точности измерений) равной примерно 1 МэВ, т. е. энергии, соответствующей удвоенной массе покоя электрона.
Здесь и заключен ответ на вопрос, почему в окружающем нас мире мы не встречаем позитронов. Как только позитрон теряет скорость, он объединяется с ближайшим электроном, в результате чего возникает гамма-излучение. Тот факт, что при этом образуется не единственный фотон гамма-излучения, объясняется законом сохранения импульса. При слиянии электрон и позитрон обладают малыми скоростями, так что их суммарный импульс почти равен нулю. Поэтому если бы возник только один фотон, закон сохранения импульса оказался бы нарушенным, так как импульс фотона, равный Е/с,всегда отличен от нуля. Но два фотона одинаковой энергии, разлетающиеся в противоположных направлениях, имеют суммарный импульс, равный нулю. Аналогично нулевой суммарный импульс могут иметь и три одновременно образовавшихся фотона.
Процесс превращения электрона и позитрона в фотоны гамма-излучения называют аннигиляцией, он записывается в виде
е+ + е - ® 2g
(в случае аннигиляции с образованием двух фотонов). Говоря об этом явлении, часто употребляют неточное выражение «аннигиляция вещества» (в буквальном переводе с латыни «аннигиляция» означает «превращение в ничто»). Поэтому напомним, что в этом процессе исчезает только масса покоя аннигилирующих заряженных частиц, а полная масса системы остается неизменной: сумма масс Е/с2образовавшихся фотонов равна сумме масс покоя исчезнувших частиц (если считать, что в данном случае обе частицы не двигались).
В обоих описанных процессах сохраняется неизменной еще одна величина — электрический заряд: хотя электрон и позитрон имеют электрические заряды, сумма их зарядов равна нулю.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.