Behållningslagar

Behållningslagar

Behållningslagar – Analys av data med hjälp av grafer – Histogram – Enheter eller vektorer i partikelfysik

Inom hela fysiken finns det bara sex bevarandelagar. Var och en beskriver en kvantitet som är bevarad, det vill säga att den totala mängden är densamma före och efter att något inträffar. Dessa lagar har begränsningen att systemet är slutet, det vill säga att systemet inte påverkas av något utanför det.

Konservering av laddning Konservering av rörelsemängd Konservering av massa/energi

Konservering av vinkelmoment Konservering av baryonerna Konservering av leptonerna

Låtsas vi gå igenom de bevarandelagar som ni känner till från den klassiska fysiken. Sedan kommer vi att beskriva två av partikelfysikens bevarandelagar.

Konservering av laddning
Detta används hela tiden inom kemin. Den totala laddningen i systemet bevaras.

NaOH + HCl ?
Na+OH- + H+Cl- Na+ Cl- + H+ OH- salt i vatten
1+ + 1- + 1+ + 1- = 0 = 0 = 0 + 0 Kontrollera denna växelverkan mellan partiklar:
p+ + no p+ + p+
1+ + 0 1+ + 1+
1 2. Denna reaktion kan inte inträffa!

Momemtumbevarande
Momemtum, p, (en vektor) är lika med massa, m, (en skalär) gånger hastighet, v, (en vektor).

(p = m v)

Tänk på en kollision mellan leksaksbilar:

För kollision		Efter kollision
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

Beräkna den totala hastigheten och det totala momentet före och efter kollisionen. Kom ihåg att v och p är vektorer.

.

För kollision		Efter kollision
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

So, Den totala hastigheten bevaras INTE, men däremot rörelsemängden!

Se på dessa partikelbanor (som beräknats av en dator) när en elektron och en positron kolliderar. Vad drar du för slutsats?

Före:

Efter:
Det ser ut som om rörelsemängden inte bevaras om det inte finns en eller flera osynliga partiklar.

På 1930-talet, när bevarandet av rörelsemängden tycktes brytas vid sådana händelser, insåg partikelfysikerna att det måste finnas osynliga partiklar. Det var så neutriner först postulerades, men de upptäcktes inte förrän långt senare.

Konservering av energi/massa\>
Tänk på följande reaktion:

po g g. Det vill säga, po (pi-noll) sönderfaller till två fotoner. I den referensram där po är i vila finns det ingen initial kinetisk energi, men eftersom fotonerna rör sig finns det klart kinetisk energi i sluttillståndet. Vad är källan till denna energi? Po:s massa har omvandlats till kinetisk energi (KE). Med andra ord är massa en form av energi, E = mc2, som ofta kallas för vilomassans energi (RME). Energins bevarande har följande form: KEi + RMEi = KEf + RMEf.

I detta exempel är KEi = 0. Observera att potentiell energi inte behöver beaktas eftersom initial- och sluttillstånden inte interagerar med varandra.

Konservering av vridmoment
Vridmomentet (L) innefattar massans position (R) samt dess vinkelhastighet, w.

L = m R v = I w

När en stjärna kollapsar (eller en skridskoåkare drar in sina armar) blir R mindre, Om vinkelmomentet bevaras måste antingen m eller v öka, när R minskar. Att öka v för en skridskoåkare är mycket lättare än att öka m! En ökning av v gör det möjligt att bevara L.

m1 R1 v1= m2 R2 V2

Spin
Ibland hör man talas om ”spin” hos elektroner eller andra partiklar.
Hur kan partiklar utan ”dimensioner” ha spin? Och hur kan det vara en inneboende egenskap? En baseboll behåller trots allt inte sitt spinn när du fångar den.

Scientific American’s Ask the Expert ger information om spinn och namnets historia.
IEEE:s The Quest for the Spin Transistor diskuterar spin och berättar om nyare studier.

Konservering av baryonantalet
Baryoner är hadroner (sammansatta partiklar gjorda av kvarkar) som består av tre valfria kvarkar. Baryonantalet bevaras i en reaktion. Du måste räkna varje baryon som +1 och varje antibaron som -1. Icke-baryoner har ett baryonantal på 0.

p- + p+ no + p- + p+
Detta är en observerad händelse som bevarar både elektrisk laddning och baryonantal.

p+ p+ + po
Detta bevarar laddningen men inte baryonantalet, så det händer inte.

Bevarande av leptonantalet
Det finns sex leptoner: tre har elektrisk laddning och tre, som kallas neutriner, har inte det. Elektronen är den mest kända leptonen. Tau och muon är de andra två laddade leptonerna. Varje neutrino är associerad med en av de laddade leptonerna.

Leptonantalet är också bevarat i reaktioner. Återigen har leptoner leptonantalet +1, antileptoner -1 och icke-leptoner 0.

e+ + e-p+ + p-
Detta är en observerad händelse som bevarar både elektrisk laddning och baryonantal.

p-e- + g
Laddning bevaras, men inte leptonantalet. Det finns inga leptoner till vänster, men det finns en till höger. Detta kan inte hända.

Om du undrar så finns det INTE någon bevarandelag för den tredje typen av partiklar, mesoner, såsom p.