Энергия элементарных частиц

Весьма важным свойством элементарных частиц является энергия элементарных частиц. Каждая элементарная частица и античастица без исключения обладает энергией, которую они могут терять, передавая ее другим частицам. И, наоборот, частицы могут обогащаться энергией, получая ее от других частиц. Этим энергия элементарных частиц отличается от других свойств частиц, которые остаются неизменны.

Энергия элементарных частиц зависит от их массы покоя mo (энергия покоя частицы), от скорости движения частиц относительно их окружения (кинетическая энергия частицы), а также от того, является ли частица свободной или принадлежит к какой-либо системе (энергия связи частицы).

В таблице 14 статьи «Элементарные частицы» у каждой частицы приводится ее энергия покоя (m*c2). Например, масса покоя электрона me равна 9*10-28г (9*10-31кг) и его энергия покоя mec2 равняется 0.51 Мэв и т.д.

Энергия элементарных частиц

Энергия покоя элементарных частиц

К большим открытиям 20 века принадлежит открытие, что частица с массой покоя mо обладает энергией mo*c2. Так как mo — масса покоя частицы, то и энергию mo*c2 мы называем энергией покоя частицы.

Величина c2 огромна, она означает скорость света в квадрате. Скорость света с (300 000 000 м/сек) — самая большая скорость вообще (во всяком случае, наука пока так считает).

Ни одна частица, обладающая какой-либо массой покоя, не может двигаться с такой скоростью. Только фотоны, не имеющие массы покоя, способны двигаться в вакууме с такой скоростью.

Энергия элементарных частиц
Рис.49. В состоянии покоя частица обладает основной энергией — энергией покоя. Двигаясь, частица приобретает энергию кинетическую. В системе же, напротив, энергия частицы уменьшается на величину энергии связи.

Скорость света, возведенная в квадрат, т.е. помноженная на себя, равна:

с2 = 90 000 000 000 000 000 м2/сек2

= 9*1016м2/сек2.

Иными словами, зависимость между массой частицы и энергией элементарной частицы выглядит таким образом, что энергия свободной частицы в состоянии покоя равняется:

Еo = mo*c2,

где mo — масса покоя частицы, а c29*1016м2/сек2.

Если мы выразим mo частицы в килограммах, то получим ее энергию частицы в джоулях. Если mo выражена в граммах, а скорость света в сантиметрах в секунду, т.е. с2 = 9*1020см2/сек2, то энергия частицы будет в эргах.

Но чаще всего энергия покоя частиц выражается в электронвольтах (1 эв = 1.6*10-12эрг) или мегаэлектронвольтах (1 Мэв = 1.6*10-6эрг).

Джоули переводятся таким образом: 1 эв = 1.6*10-19дж, 1 Мэв = 1.6*10-13дж, 1 эрг = 10-7дж.

В качестве примера на соотношение Еo = mo*c2 можно рассчитать энергию покоя электрона me*c2, и энергию покоя протона mp*c2. После умножения их масс покоя на скорость света в квадрате получим:

  • 0.5 Мэв — энергию покоя электрона
  • 938,26 Мэв — энергию покоя протона.

А энергия покоя фотона равна нулю, так как равна нулю его масса покоя.

Что касается нейтрино, то пока нам известно, что оно имеет незначительную энергию покоя, которую мы не в состоянии определить. Возможно, что его энергия покоя также равна нулю, в таком случае нейтрино двигалось бы, подобно фотону, со скоростью света. Но пока это нам не известно.

Энергия покоя частицы всегда равна энергии покоя соответствующей античастицы.

Кинетическая энергия элементарных частиц

Частица может получать энергию от окружающих частиц. Если она ускоренная, то сверх mo*c2 она имеет и кинетическую энергию (рис. 49). Общая энергия элементарной частицы складывается из её энергии покоя и кинетической энергии. Мы можем записать это следующим соотношением:

Е = mo*c2 + ½ mov2,

где v — скорость, с которой частица движется относительно своего окружения.

Чем с большей скоростью она движется, тем больше будет ее кинетическая энергия, а, следовательно, и общая энергия элементарной частицы. С возрастанием скорости увеличивается и масса частицы, можно сказать, она «толстеет».

Энергия релятивистских частиц

Частицы, скорость которых велика, т.е. более 100 000 км/сек, называются релятивистскими частицами. Общая энергия релятивистской частицы больше, чем определяет соотношение, приведенное выше. Для определения общей энергии элементарной частицы специальная теория относительности ввела более точное соотношение:

Формула определения энергии частицы

Последние два члена его указывают на то, что масса частицы m зависит от ее скорости v. Самой малой массой обладает частица, находящаяся в состоянии покоя, ее скорость v = 0, а масса mo — масса покоя. Чем быстрее частица движется, тем больше ее масса m и общая энергия Е. Чем больше величина v, тем более дробь —— v22 приближается к единице.

Релятивистские частицы — это такие частицы, скорость которых больше 100 000 км/сек.

Таким образом, разность (1 — v22) и весь знаменатель √(1 — v22) приближаются к нулю. Но это означает, что дробь возрастает, так как в ее числителе присутствует постоянная величина mo.

Таким образом, приведенная выше формула наглядно показывает, как меняется масса и общая энергия элементарной частицы с увеличением ее скорости.

Чем ближе скорость частиц к скорости света, тем больше масса и общая энергия элементарных частиц приближается к бесконечности.

Для того, чтобы ускорить частицы до скорости света, необходима бесконечно большая энергия, которой нет во всей познанной Вселенной. Поэтому частицы не могут двигаться со скоростью света. Это относится ко всем частицам, имеющим массу покоя.

Энергия покоя элементарных частиц
Рис.50. Масса mo, помноженная на квадрат скорости света c2, равняется энергии покоя Еo.

Итак, кинетическая энергия подразумевает «толстение» элементарных частиц. Мы можем ее рассчитать так:

из общей энергии элементарной частицы вычтем ее энергию покоя mo*c2 (рис. 50). В том случае, если скорость частицы невелика, тогда ее кинетическая энергия составляет ½ mov2.

Частицы получают энергию от других частиц разными способами:

  • при соударении,
  • посредством электрического поля (например, в рентгеновской лампе),
  • в гравитационном поле (например, свободное падение),
  • в переменном электромагнитном поле,
  • в ускорителе частиц
  • при взрывах сверхновых,
  • в пульсарах,
  • при столкновении частиц с межзвездным облаком (механизм Ферми),
  • при радиоактивном распаде и т.д.
Толстение элементарных частиц — явление, при котором элементарная частица увеличивается в массе вследствие увеличения кинетической энергии.

Энергия связи элементарных частиц

До сих пор мы говорили о том, как может частица увеличить свою энергию. Энергию покоя частицы можно также и уменьшить. При этом, конечно, уменьшается масса частицы. Иными словами, частица «худеет», с потерей массы уменьшается и энергия покоя.

Этот процесс «похудения» элементарной частицы мы называем дефект массы частицы, а потерю энергии покоя — энергией связи частиц. Частица отдает ее своему окружению. Это энергия, которую можно получить от частицы — освобожденная энергия.

Часть своей энергии покоя элементарная частица освобождает в том случае, если она образует систему с другими частицами (например, ядро атома, атом, молекулу и т.д.). Свободная частица должна «заплатить» за место в системе, а «платить» она может только своей энергией покоя, то есть массой покоя.

Дефект массы частицы — уменьшение массы частицы, в следствии потери частицей энергии.

Это означает, что сила взаимодействия между элементарными частицами способна освободить часть их энергии покоя. Как велика эта часть? Она зависит от вида взаимодействия (ядерного, электромагнитного или гравитационного).

Например, один килограмм таких веществ как уголь, нефть, уран обладает энергией покоя, равной:

Ео = 1 кг * 9*1016 м2/сек2

= 9 . 1016 дж

= 25 000 000 000 квт-ч.

До сих пор человек не в состоянии высвободить эту гигантскую энергию покоя, содержащуюся в одном килограмме вещества, из которого удается получить с помощью электромагнитных, ядерных и гравитационных сил лишь ее незначительную часть.

А теперь посмотрим, каким образом эти силы освобождают энергию покоя из вещества.

Каждая химическая реакция означает перегруппировку атомов в молекулах. Она осуществляется при участии электромагнитного взаимодействия между атомами. Основной химической реакцией во всех живых организмах является окисление.

Организм человека в процессе дыхания получает из воздуха кислород, в процессе питания получает углерод и водород, связанные в органических молекулах (в сахаре, белках и т.д.). При окислении углерода и водорода освобождается энергия, необходимая для всех жизненно важных процессов в организме.

Подобным образом горение (окисление) угля, бензина, дерева и других видов топлива представляет собой главный способ получения энергии из вещества. Однако, это весьма неэффективный способ, потому что при этом освобождается менее одной миллиардной доли (10-9) энергии покоя вещества.

Освобождение энергии покоя элементарных частиц
Рис.52. Освобождение энергии покоя элементарных частиц. Слева в процентах приводится количество освобожденной энергии покоя, справа — неиспользованный остаток.

Например, из одного килограмма угля освобождается около 5 000 ккал тепла, что составляет приблизительно 5 квт-ч энергии. Мы знаем, что один кг материи (включая и уголь) содержит энергию 25 миллиардов квт-ч. Таким образом, при горении используется меньше чем одна миллиардная доля энергии, а вся остальная энергия покоя остается в пепле и дыме.

Итак, мы видим, что горение, которое является в настоящее время главным источником энергии для человечества — невероятно неэффективный способ получения ее из вещества.

Электромагнитные силы (например, соединение электрона с ядром или соединение молекул в кристаллы) всегда очень неэффективны.

Ядерное взаимодействие гораздо сильнее электромагнитного. Оно способно освобождать из материи энергию в несколько миллионов раз большую, чем электромагнитное взаимодействие. В атомной электростанции с помощью ядерных сил получают примерно тысячную долю энергии покоя урана.

Звезды способны сделать это еще лучше человека. При превращении водорода в железо, которое происходит в недрах тяжелых звезд, освобождается почти один процент энергии покоя водорода. Солнце освобождает энергию частиц подобным образом, что и водородная бомба. Различие состоит в том, что Солнце это делает гораздо более совершенно, чисто, исключительно ради сохранения жизни, а не для ее уничтожения.

И гравитационная сила способна эффективно освобождать энергию частиц, но лишь в космических телах, имеющих гигантскую массу, например, в массивных звездах, компактных ядрах галактик и пр. Там гравитация способна «выжать» из материи почти половину ее энергии покоя. Земля — сравнительно малое тело, поэтому на ней невозможно получить большую энергию с помощью гравитации.

На рисунке 52 показан еще один способ освобождения всей энергии покоя, имеющейся в веществе. Это аннигиляция частиц с античастицами или вещества с антивеществом. В больших масштабах аннигиляция имела место в начальной фазе образования Вселенной.

В других статьях мы подробно остановимся на аннигиляции и противоположном процессе — материализации частиц и античастиц из энергии.

До сих пор мы говорили об энергии элементарных частиц, обладающих энергией покоя и массой покоя. А вот фотон никогда не бывает в состоянии покоя, его энергия зависит только от частоты колебаний. Чем она больше, тем большей энергией он обладает. Если мы обозначим частоту колебания фотона греческой буквой v «ню», а его энергию Е, тогда соотношение между ними выглядит так:

Е = hv,

где h — называемый постоянной Планка и равняется 6.6*10-34 дж*сек = 6.6*10-27 ерг*сек.

Если частота колебаний может быть различной, то величина h — всегда постоянна. Она была названа именем немецкого физика Макса Планка, который открыл ее.

Во всей Вселенной постоянная Планка играет весьма важную роль.

С ее помощью рассчитывается энергия излучения волн различной длины. Например, энергия фотонов радиоизлучения с длиной волны 2000 м равна 6*10-10эв, в то время как диапазон энергий фотонов рентгеновских лучей — от нескольких сотен до нескольких тысяч электронвольт. Самую большую энергию фотонов ученые обнаружили у гамма-фотонов в космическом пространстве — 1017 эв.

Во Вселенной гораздо больше (в два миллиарда раз) фотонов, чем частиц с энергией покоя (протонов, электронов и нейтронов). Вместо названия «элементарная частица с энергией покоя» будем употреблять просто слово «частица». Конечно, фотон тоже относится к элементарным частицам, но он не обладает энергией покоя. Для упрощения будем в дальнейшем использовать обозначения «фотон» и «частица».

На одну частицу приходится примерно два миллиарда фотонов. Это большей частью фотоны с энергией 10-4 эв до 10-3 эв, так называемые фоссильные фотоны. С расширением Вселенной уменьшается частота, а, следовательно, и энергия каждого фотона.

Когда-то давно, на начальном этапе образования Вселенной (так называемый Большой взрыв) фотоны обладали несравнимо большей энергией, исчисляемой многими миллиардами и миллионами электронвольт. Это преобладание фотонов длилось приблизительно 300 000 лет.

Вселенная состоит из частиц и фотонов. Мы говорим о них как о составных частях Вселенной. Между ними беспрестанно происходит обмен энергией.

Например, вещество постоянно излучает фотоны и одновременно поглощает их. Другими процессами обмена энергией между этими составными Вселенной являются аннигиляция и материализация, о которых пойдет речь в следующей статье.

Закон сохранения энергии

Энергия играет важную роль в любом изменении Вселенной. Она постоянно изменяет свою форму.

Несмотря на различные изменения энергии в космическом пространстве, энергия не может исчезнуть или возникнуть из ничего. Энергия лишь меняет свою форму, а ее количество остается неизменным. Это важное свойство называется законом сохранения энергии.

Например, при горении бензиновой смеси в автомобиле:

  • незначительная часть ее энергии покоя превращается в тепло, то есть в движение частиц;
  • с помощью поршней тепло превращается в кинетическую энергию движения автомобиля;
  • в генераторе переменного тока или динамомашине движение превращается в электрическую энергию;
  • в лампах рефлекторов электрическая энергия трансформируется в энергию фотонов (в свет);
  • а свет, в свою очередь, поглощается поверхностью дороги и превращается в тепло, то есть в кинетическую энергию молекул.

Эту цепочку превращений можно было бы продолжить.

Закон сохранения энергии говорит о том, что любой вид энергии окружающего мира возникает из другого ее вида.

Например, тепло нашего тела и работа мышц есть не что иное, как измененная химическая энергия, которую мы приняли в виде пищи. Это энергия солнечного происхождения, она была с помощью фотосинтеза поглощена зелеными растениями.

Солнечное излучение получило ее из энергии покоя протонов в недрах Солнца. Там она освобождается в результате ядерного взаимодействия протонов. А энергия покоя была заложена в протонах на начальном этапе образования Вселенной.

Таким образом мы могли бы написать историю каждого вида энергии на Земле и вне ее. В любом случае, эта история очень интересна и тесно связана со структурой и эволюцией Вселенной.

Итоги статьи «Энергия элементарных частиц»

Из этой статьи мы узнали, что элементарные частицы обладают энергией и эта энергия элементарных частиц складывается из энергии покоя частиц и кинетической энергии частиц.

Кинетическая энергия для быстро движущихся частиц и для относительно «медленных» частиц рассчитывается по разным формулам.

Частицы могут терять и получать энергию, но энергия не может бесследно исчезнуть или появиться из ниоткуда.

Оцените статью
Добавить комментарий