Lois de conservation

Lois de conservation

Lois de conservation – Analyse de données à l’aide de graphiques – Histogrammes – Unités ou vecteurs en physique des particules

Dans toute la physique, il n’y a que six lois de conservation. Chacune décrit une quantité qui est conservée, c’est-à-dire que la quantité totale est la même avant et après que quelque chose se produise. Ces lois ont la restriction que le système est fermé, c’est-à-dire que le système n’est pas affecté par quelque chose d’extérieur à lui.

Conservation de la charge Conservation du moment cinétique Conservation de la masse/énergie

Conservation du moment cinétique Conservation des baryons Conservation des leptons

Revoyons les lois de conservation que vous connaissez de la physique classique. Puis, nous décrirons deux lois de conservation de la physique des particules.

Conservation de la charge
Ceci est utilisé tout le temps en chimie. La charge totale du système est conservée.

NaOH + HCl ?
Na+OH- + H+Cl- Na+ Cl- + H+ OH- sel dans l’eau
1+ + 1- + 1+ + 1- = 0 = 0 + 0 Vérifiez cette interaction de particules:
p+ + no p+ + p+
1+ + 0 1+ + 1+
1 2. Cette réaction ne peut pas se produire !

Conservation du Momentum
Le Momentum, p, (un vecteur) est égal à la masse, m, (un scalaire) fois la vitesse, v, (un vecteur).

(p = m v)

Envisagez une collision de voitures jouets :

Avant la collision		Après la collision
m1 = 1 kg	m2 = 2 kg	m1 = 1 kg	m2 = 2 kg
v1 = +5 m/s	v2 = -5 m/s	v1′ = -3 m/s	v2′ = -1 m/s

Calculez la vitesse totale et la quantité de mouvement totale avant et après la collision. Rappelez-vous que v et p sont des vecteurs.

Avant la Collision		Après la Collision
m1 = 1 kg	m2 = 2 kg	m1 = 1 kg	m2 = 2 kg
Sv = +5 m/s + – 5 m/s = 0		Sv = -3 m/s + -1 m/s = 4
Sp = +5 kg m/s + -10 kg m/s = -5 kg m/s		Sp = -3 kg m/s + -2 kg m/s = -5 kg m/s

Donc, la vitesse totale n’est PAS conservée, mais la quantité de mouvement l’est !

Regardez ces trajectoires de particules (telles que calculées par un ordinateur) lorsqu’un électron et un positron entrent en collision. Qu’en concluez-vous ?

Avant :

Après :
Il semble que la quantité de mouvement ne soit pas conservée à moins qu’il y ait une ou plusieurs particules invisibles.

Dans les années 1930, lorsque la conservation de la quantité de mouvement semblait être violée dans de tels événements, les physiciens des particules ont réalisé qu’il devait y avoir des particules invisibles. C’est ainsi que les neutrinos ont été postulés pour la première fois, mais ils n’ont été découverts que bien plus tard.

Conservation de l’énergie/masse>
Considérez la réaction suivante :

po g g. C’est-à-dire que po (pi-zéro) se désintègreen 2 photons. Dans le référentiel dans lequel le po est au repos, il n’y a pas d’énergie cinétique initiale, mais comme les photons sont en mouvement, il y a clairement une énergie cinétique dans l’état final. Quelle est la source de cette énergie ? La masse de l’objet a été convertie en énergie cinétique (KE). En d’autres termes, la masse est une forme d’énergie, E = mc2, souvent appelée énergie de masse au repos (EMR). Maintenant, la conservation de l’énergie prend la forme suivante : KEi + RMEi = KEf + RMEf.

Dans cet exemple, KEi = 0. Notez que l’énergie potentielle n’a pas besoin d’être considérée car les états initial et final n’interagissent pas.

Conservation du moment angulaire
Le moment angulaire (L) implique la position de la masse (R), ainsi que sa vitesse angulaire, w.

L = m R v = I w

Au fur et à mesure qu’une étoile s’effondre (ou qu’une patineuse tire sur ses bras), R devient plus petite, Si le moment cinétique est conservé, soit m, soit v doit augmenter, lorsque R diminue. Augmenter v pour un patineur sur glace est beaucoup plus facile que d’augmenter m ! Une augmentation de v permet la conservation de L.

m1 R1 v1= m2 R2 V2

Spin
On entend parfois parler du « spin » des électrons ou d’autres particules.
Comment des particules « sans dimensions » peuvent-elles avoir un spin ? Et, comment peut-il s’agir d’une caractéristique intrinsèque ? Après tout, une balle de baseball ne garde pas son spin lorsque vous l’attrapez.

La rubrique Ask the Expert de Scientific American donne des informations sur le spin et l’histoire de son nom.
La quête du transistor à spin de l’IEEE traite du spin et raconte des études plus récentes.

Conservation du nombre de baryons
Les baryons sont des hadrons (particules composées de quarks) composés de trois quarks quelconques. Le nombre de baryons est conservé dans une réaction. Vous devez compter chaque baryon comme +1 et chaque antibaryon comme -1. Les non-baryons ont un nombre de baryons de 0.

p- + p+ no + p- + p+
C’est un événement observé qui conserve à la fois la charge électrique et le nombre de baryons.

p+ p+ + po
Ceci conserve la charge mais pas le nombre de baryons, donc ne se produit pas.

Conservation du nombre de leptons
Il existe six leptons : trois ont une charge électrique et trois, appelés neutrinos, n’en ont pas. L’électron est le lepton le plus connu. Le tau et le muon sont les deux autres leptons chargés. Chaque neutrino est associé à l’un des leptons chargés.

Le nombre de leptons est également conservé dans les réactions. Encore une fois, les leptons ont un nombre de leptons de +1, les antileptons ont -1, et les non-leptons ont 0.

e+ + e-p+ + p-
C’est un événement observé qui conserve à la fois la charge électrique et le nombre de baryons.

p-e- + g
La charge est conservée, mais le nombre de leptons ne l’est pas. Il n’y a pas de leptons à gauche, mais il y en a un à droite. Cela ne peut pas se produire.

Au cas où vous vous poseriez la question, il n’y a PAS de loi de conservation pour le troisième type de particules, les mésons, comme p.

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