Законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического и лептонного зарядов

Это — одна из реакций радиоактивного распада, в которых закон сохранения алгебраической суммы электрических зарядов выполняется, несмотря на образование новых заряженных частиц. Эти процессы являются характерными для взаимодействий между элементарными частицами, при которых из частиц с одними электрическими зарядами рождаются частицы с иными электрическими зарядами. Суммарный электрический заряд замкнутой системы, в любом случае, остается неизменен.

Заключение

Для примера рассмотрим сущность законов сохранения барионного заряда, изотопического спина и лептонного заряда.
Барионный заряд или барионное число обозначают символом В. Это одна из внутренних характеристик элементарных частиц, которая отличается от нуля для барионов и равна нулю для остальных частиц.
Барионы – это группа “тяжелых” элементарных частиц с массой не меньше массы протона. К барионам можно отнести нуклоны (нейтрон и протон), барионные резонансы и гипероны – это короткоживущие возбужденные состояния барионов. Единственный стабильный барион – протон. Все остальные барионы нестабильны, и при помощи последовательных распадов превращаются в легкие частицы и протон, т.е. частицы, масса которых намного менее массы протона.
Барионный заряд барионов полагают равняющимся единице. Барионный заряд антибарионов равняется минус единице. Барионный заряд системы частиц равняется разности между числами антибарионов и барионов в системе. В любом процессе, т.е. при всех видах взаимодействия элементарных частиц (сильном, слабом и электромагнитном), выполним закон сохранения барионного заряда. Данный закон гласит: разность между количеством антибарионов и барионов в любых реакциях остается неизменна.
Точность сохранения барионного заряда можно охарактеризовать стабильностью протона. Экспериментальное время жизни его превышает 1030 лет.
Лептонное число или лептонный заряд – это особенное квантовое число, которое характеризует лептоны. Обозначают буквой L. Лептоны – это класс элементарных частиц, которые не обладают сильным взаимодействием. Это значит, что лептоны принимают участие только в электромагнитном, гравитационном и слабом взаимодействиях. К лептонам следует отнести мюон, электрон, нейтрино, тяжелый лептон /t/ и соответствующие им античастицы.
Введение лептонного заряда позволяет интерпретировать простейшим образом установленный на опыте закон сохранения числа лептонов. В соответствии с этим законом, разность числа антилептонов и числа лептонов в замкнутой системе остается постоянна при любых происходящих в системе процессах.
Ни одного случая нарушения закона сохранения лептонного заряда не обнаружено. Тем не менее, точность, с которой проверен данный закон, невелика. Следовательно, не исключено, что закон сохранения лептонного заряда является приближенным и нарушается в определенных условиях.
Если бы данный закон оказался нестрогим, то могли бы существовать переходы между антинейтрино и нейтрино в вакууме.
Лептонный заряд, в отличие от электрического заряда, с точки зрения современных данных не является источником какого-то дальнодействующего поля.
Роль лептонного заряда в физике элементарных частиц еще полностью не раскрыта.
Теперь рассмотрим сущность закона сохранения изотопического спина.
Существующие в природе частицы, которые обладают сильным взаимодействием, называют адронами. Их можно разбить на группы “похожих” частиц. В каждую группу входят частицы с приблизительно равнозначными массами и одинаковыми внутренними свойствами. Исключением является электрический заряд, а, таким образом, и магнитный момент.
Эти группы адронов называются изотопическими мультиплетами. Оказывается, что сильное взаимодействие для всех частиц, которые входят в один и тот же изотопический мультиплет, одинаково, т.е. не зависит от электрического заряда. В этом и заключается симметрия сильного взаимодействия, которая называется изотопической инвариантностью.
Простым примером частиц, которые могут быть объединены в один изотопический мультиплет, являются нейтрон и протон. Опыт показывает, что сильное взаимодействие нейтрона с нейтроном, протона с протоном и протона с нейтроном является однаковым, если они находятся в одинаковых состояниях.
Нейтрон и протон можно рассматривать в качестве двух различных зарядовых состояния одной частицы – нуклона. Они образуют изотопический дублет. П-мезоны (П+, П-, По) образуют изотопический триплет и т.д. Величина J, которая определяет количество частиц в изотопическом мультиплете, называется изотопическим спином. Количество же частиц в изотопическом мультиплете определяет формула: n = 2J + 1.
Переход от одной частицы к другой из того же изотопического мультиплета не изменяет величину изотопического спина.
Изотопический спин в сильном взаимодействии сохраняется.
Открытие не универсальных, приближенных законов сохранения приводит к изучению точности, с которой на опыте установлены законы сохранения. К примеру, проверка закона сохранения электрического заряда заключалась в поисках запрещенного только данным законом распада электрона на g-квант и нейтрино.
За несколько месяцев наблюдений за электронами атомов йода в кристалле NaJ не произошло ни единого распада. Это соответствует тому, что электрон не теряет свой заряд по крайней мере за 3,5х1023 лет.
Аналогично, что закон сохранения барионного заряда проверялся в поисках запрещенного только им распада протона на g-квант и П+-мезон. Здесь точность еще выше, ма именно: протон не теряет барионный заряд минимум 1030 лет. На опыте не наблюдалось ни одного перехода, который бы нарушал закон сохранения лептонного заряда.
Физическая теория связывает каждый закон сохранения с фундаментальным принципом симметрии. Например, закон сохранения энергии связан с однородностью времени, а импульса – с однородностью пространства, т.е. с той характеристикой пространства, что начало отсчета в нем можно выбирать произвольно. Это значит, что никакие физические эффекты не зависят от данного выбора. Аналогично с произвольностью выбора пространственных осей, т.е. отсутствием выделенных направлений в пространстве, имеет связь закон сохранения момента импульса. Экспериментальная проверка данных законов сохранения представляет собой проверку соответствующих фундаментальных характеристик симметрии пространства-времени.
Иные универсальные законы сохранения – барионного, электрического и лептонного зарядов – связаны не с характеристиками симметрии пространства-времени, в котором находятся частицы, а с внутренними симметриями самих частиц.

Список использованных источников

Дуков, В.М. История формулировки закона сохранения энергии / В.М. Дуков // Физика. -- М.: Первое сентября. -- 2002. -- № 31/02. -- С. 32--34.
Сивухин, Д.В. Общий курс физики / Д.В. Сивухин. -- М.: Физматлит, 2004. -- 656 с.
Типлер, П.А., Ллуэллин, Р.А. Современная физика / П.А. Типлер, Р.А. Ллуэллин. -- М.: Мир, 2007. -- 496 с.
Типлер, П.А., Ллуэллин, Р.А. Современная физика / П.А. Типлер, Р.А. Ллуэллин. - М.: Мир, 2007. – с. 63.
Сивухин, Д.В. Общий курс физики / Д.В. Сивухин. -- М.: Физматлит, 2004. – с. 96.
Дуков, В.М. История формулировки закона сохранения энергии / В.М. Дуков // Физика. -- М.: Первое сентября. -- 2002. -- № 31/02. -- С. 32--34.












2







11

16