leggi di conservazione

Leggi di conservazione

Leggi di conservazione – Analisi dei dati tramite grafici – Istogrammi – Unità o vettori nella fisica delle particelle

In tutta la fisica ci sono solo sei leggi di conservazione. Ognuna descrive una quantità che si conserva, cioè, la quantità totale è la stessa prima e dopo che si verifica qualcosa. Queste leggi hanno la restrizione che il sistema è chiuso, cioè il sistema non è influenzato da nulla al di fuori di esso.

Conservazione della carica Conservazione della quantità di moto Conservazione della massa/energia

Conservazione del momento angolare Conservazione dei barioni Conservazione dei leptoni

Passiamo in rassegna le leggi di conservazione che conosci dalla fisica classica. Poi, descriveremo due leggi di conservazione della fisica delle particelle.

Conservazione della carica
Questa è usata continuamente in chimica. La carica totale nel sistema si conserva.

NaOH + HCl ?
Na+OH- + H+Cl- Na+ Cl- + H+ OH- sale in acqua
1+ + 1- + 1+ + 1- = 0 = 0 + 0 Controlla questa interazione di particelle:
p+ + no p+ + p+
1+ + 0 1+ + 1+
1 2. Questa reazione non può avvenire!

Conservazione del Momento
Il Momento, p, (un vettore) è uguale alla massa, m, (uno scalare) per la velocità, v, (un vettore).

(p = m v)

Considera una collisione di macchinine:

Prima della collisione		Dopo la collisione
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

Calcolare la velocità totale e la quantità di moto totale prima e dopo la collisione. Ricorda che v e p sono vettori.

Prima della collisione		Dopo la collisione
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

Quindi, la velocità totale NON si conserva, ma la quantità di moto sì!

Guarda queste tracce di particelle (calcolate da un computer) quando un elettrone e un positrone si scontrano. Cosa ne deduci?

Prima:

Dopo:
Sembra che la quantità di moto non si conservi a meno che non ci siano una o più particelle non viste.

Negli anni ’30, quando la conservazione della quantità di moto sembrava essere violata in tali eventi, i fisici delle particelle si resero conto che dovevano esserci particelle non viste. È così che i neutrini furono postulati per la prima volta, ma furono scoperti solo molto più tardi.

Conservazione dell’energia/massa>
Considera la seguente reazione:

po g g. Cioè, po (pi-zero) decade in 2 fotoni. Nel quadro di riferimento in cui il po è a riposo, non c’è energia cinetica iniziale, ma poiché i fotoni sono in movimento, c’è chiaramente energia cinetica nello stato finale. Qual è la fonte di questa energia? La massa del po è stata convertita in energia cinetica (KE). In altre parole, la massa è una forma di energia, E = mc2, spesso chiamata energia di massa a riposo (RME). Ora, la conservazione dell’energia assume la seguente forma: KEi + RMEi = KEf + RMEf.

In questo esempio KEi = 0. Nota, l’energia potenziale non deve essere considerata perché gli stati iniziale e finale non interagiscono.

Conservazione del momento angolare
Il momento angolare (L) coinvolge la posizione della massa (R), così come la sua velocità angolare, w.

L = m R v = I w

Quando una stella collassa (o una pattinatrice sul ghiaccio tira le braccia), R diventa più piccolo, Se il momento angolare si conserva, o m o v devono aumentare, quando R diminuisce. Aumentare v per una pattinatrice su ghiaccio è molto più facile che aumentare m! Un aumento di v permette la conservazione di L.

m1 R1 v1= m2 R2 V2

Spin
A volte si sente parlare dello “spin” degli elettroni o di altre particelle.
Come possono avere spin particelle con “nessuna dimensione”? E come può essere una caratteristica intrinseca? Dopo tutto, una palla da baseball non mantiene il suo spin quando la prendi.

Ask the Expert di Scientific American fornisce informazioni sullo spin e sulla storia del suo nome.
The Quest for the Spin Transistor dell’EIEEE parla dello spin e racconta degli studi più recenti.

Conservazione del numero di barioni
I barioni sono adroni (particelle composte da quark) composti da tre quark qualsiasi. Il numero di barioni è conservato in una reazione. Devi contare ogni barione come +1 e ogni antibarione come -1. I non barioni hanno un numero barionico di 0.

p- + p+ no + p- + p+
Questo è un evento osservato che conserva sia la carica elettrica che il numero barionico.

p+ p+ + po
Questo conserva la carica ma non il numero di barioni, quindi non si verifica.

Conservazione del numero di leptoni
Ci sono sei leptoni: tre hanno carica elettrica e tre, chiamati neutrini, non la hanno. L’elettrone è il leptone più conosciuto. Il tau e il muone sono gli altri due leptoni carichi. Ogni neutrino è associato a uno dei leptoni carichi.

Il numero di leptoni si conserva anche nelle reazioni. Di nuovo, i leptoni hanno un numero di leptoni pari a +1, gli antileptoni hanno -1, e i non leptoni hanno 0.

e+ + e-p+ + p-
Questo è un evento osservato che conserva sia la carica elettrica che il numero di barioni.

p-e + g
La carica è conservata, ma il numero di leptoni no. Non ci sono leptoni a sinistra, ma ce n’è uno a destra. Questo non può accadere.

Nel caso te lo chiedessi, non esiste una legge di conservazione per il terzo tipo di particelle, i mesoni, come p.