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zoom RSS 物理量の保存則

<<   作成日時 : 2014/07/26 23:50   >>

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物理なんでも帳44

(この記事は物理学について私が思いついたことの覚書です。
検証してないので、真実かどうかは分かりません。)

タイトル:
物理量の保存則

内容:
「保存則」または「保存の法則」とは、ある物理量について、
個々には変化しても、全体の合計値は変化しないという法則である。

・保存する物理量には次のものがある。

  ・質量+エネルギー
  ・運動量
  ・角運動量(スピン)
  ・電荷
  ・レプトン数
  ・クォーク数
  ・色荷

・質量+エネルギー

  ・かつては、質量の保存の法則と、エネルギーの保存の法則は、
   別々だったが、相対論以降、質量とエネルギーは相互に転換
   することが分かり、1つにまとめられた。
  ・質量の保存の例
   水素1グラムと酸素16グラムを反応させると、
   17グラムの水ができる。反応前後で、それぞれの
   元素の質量は変わったが、全体の質量は変わらない。
  ・エネルギーの保存の例
   高い所にある石が落ちて、地上に当たって止まる。
   高い所にあるときは、位置エネルギーであり、
   落ちている途中は、運動エネルギーなり、
   地上に当たったときは、熱エネルギーになる。
   それぞれの形態別にはエネルギー量は変化するが、
   エネルギーの総量は変わらない。

・運動量

  ・質量×速度で表す。
  ・ベクトル量なので、反対方向はマイナス値になる。
  ・たとえば、1キログラムの鉄の玉を持ち、
   50キログラムの人が、50キログラムの舟に乗って、
   静止している。
   鉄の玉を右方向に秒速10メートルで投げれば、
   反作用で人と舟は右方向に秒速0.1メートルで動く。
   投げる前は、静止しているので、運動量は0。
   投げた後は、玉が10kg・m/s。人と舟は反対方向なので、
   -10kg・m/s。合わせて運動量の総量は0となり、
   運動量は保存されている。

・角運動量(スピン)

  ・回転する物体の運動量。
  ・回転軸からの距離×質量×速度で表す。
  ・回転軸からの距離を短くすると、速度が増すのは、
   この角運動量の値が変わらないようにするため。
  ・例えば、回転するスケート選手が、腕を横に伸ばすと、
   回転速度が遅くなり、腕を引き戻すと、回転速度が
   速くなる。
  ・素粒子の持つ磁気的性質(スピン)も、ここに含める。
   (実際は素粒子の自転ではないらしい)
  ・電子、ニュートリノ、クォークなどの物質粒子は、
   1/2,-1/2の値をとる。
   光子などの力を媒介する粒子は1,-1の値をとる。
   (単位はh:プランク定数)
  ・クォークが3つで構成されている粒子の場合、
   1/2 (1/2 + 1/2 - 1/2)のものと、
   3/2 (1/2 + 1/2 + 1/2)のものがある。
  ・クォークと反クォークで構成されている粒子の場合、
   0 (1/2 - 1/2)のものと、
   1 (1/2 + 1/2)のものがある。

・電荷

  ・電気量を表す。
  ・電子は-1、陽子は1、中性子は0、ニュートリノは0。

・レプトン数

  ・電子、ミュー粒子、タウ粒子、ニュートリノのこと。
  ・それぞれの粒子1つの値を1とする。
  ・反粒子の場合は値を-1とする。

・クォーク数

  ・アップ、ダウン、ストレンジ、チャーム、ボトム、トップの
   クォークのこと。
  ・それぞれの粒子1つの値を1とする。
  ・反粒子の場合は値を-1とする。
  ・陽子や中性子など、クォーク3つで、できている粒子は、
   クォーク数は3。
  ・中間子など、クォーク1つと反クォーク1つで、できている粒子は、
   クォーク数は0。

・色荷

  ・クォークを互いに結びつけている力に関係する。
  ・赤、緑、青の値がある。
   反赤、反緑、反青の反値がある。
  ・赤+緑+青=0。
   赤+反赤=0。
   緑+反緑=0。
   青+反青=0。
  ・陽子や中性子など、クォーク3つで、できている粒子は、
   赤クォークと緑クォークと青クォークで、できているので、
   色荷は0になる。
  ・中間子など、クォーク1つと反クォーク1つで、できている粒子は、
   赤クォークと反赤クォークまたは、
   緑クォークと反緑クォークまたは、
   青クォークと反青クォークで、できているので、
   色荷は0になる。

素粒子の物理量の保存の例

・中性子が崩壊して、陽子と中性子と反ニュートリノになる。
  ・質量+エネルギー
    ・中性子は940MeV、陽子は938Mev、
     電子は0.5MeV、反ニュートリノはほぼ0。
    ・崩壊前後の差の約1.5MeVは粒子が飛び去るときの
     運動エネルギーになる。
  ・運動量
    ・崩壊前の中性子が静止しているとすると運動量が0。
    ・崩壊後の陽子が左に、電子は右上に、反ニュートリノは
     右下に飛び去る。
     運動量はベクトル量だから、反対方向の運動はマイナス
     で足されるので、結果、運動量の総和は0になり、
     全体として変化しない。
  ・スピン
    ・中性子は1/2、陽子は1/2、電子は1/2、
     反ニュートリノは-1/2。
    ・崩壊後の総和は1/2になり、全体として変化しない。
  ・電荷
    ・中性子は0、陽子は1、電子は-1、反ニュートリノは0。
    ・崩壊後の総和は0になり、全体として変化しない。
  ・レプトン数
    ・中性子は0、陽子は0、電子は1、反ニュートリノは-1。
    ・崩壊後の総和は0になり、全体として変化しない。
  ・クォーク数
    ・中性子は3、陽子は3、電子は0、反ニュートリノは0。
    ・崩壊後の総和は3になり、全体として変化しない。

・ミュー粒子が崩壊して、電子とミューニュートリノと
 反ニュートリノになる。
  ・質量+エネルギー、運動量については説明を省略する。
  ・スピン
    ・ミュー粒子は1/2、ミューニュートリノは1/2、
     電子は1/2、反ニュートリノは-1/2。
    ・崩壊後の総和は1/2になり、全体として変化しない。
  ・電荷
    ・ミュー粒子は-1、ミューニュートリノは0、
     電子は-1、反ニュートリノは0。
    ・崩壊後の総和は-1になり、全体として変化しない。
  ・レプトン数
    ・ミュー粒子は1、ミューニュートリノは1、
     電子は1、反ニュートリノは-1。
    ・崩壊後の総和は1になり、全体として変化しない。
  ・クォーク数
    ・ミュー粒子は0、ミューニュートリノは0、
     電子は0、反ニュートリノは0。
    ・崩壊後の総和は0になり、全体として変化しない。

・π+粒子がμ+粒子とνμ粒子に崩壊。
  ・質量+エネルギー、運動量については説明を省略する。
  ・スピン
    ・π+粒子は0、μ+粒子は-1/2、νμ粒子は1/2。
    ・崩壊後の総和は0になり、全体として変化しない。
  ・電荷
    ・π+粒子は1、μ+粒子は1、νμ粒子は0。
    ・崩壊後の総和は1になり、全体として変化しない。
  ・レプトン数
    ・π+粒子は0、μ+粒子は-1、νμ粒子は1。
    ・崩壊後の総和は0になり、全体として変化しない。
  ・クォーク数
    ・π+粒子は0、μ+粒子は0、νμ粒子は0。
    ・崩壊後の総和は0になり、全体として変化しない。

・電子と陽電子が対消滅して、光子になる。
  ・電子の陽電子のスピンが平行(1/2と1/2)か、
   反平行(1/2と-1/2)かによって、
   発生する光子の数が変わる。
  ・平行の場合、奇数個の光子に崩壊する。
   スピンの総和は1になる。
   光子1個の場合、スピンは1のもの1つ。
   光子3個の場合、スピンは1のもの2つ、-1のもの1つ。
  ・反平行の場合、偶数個の光子に崩壊する。
   スピンの総和は0になる。
   光子2個の場合、スピンは1のもの1つ、-1のもの1つ。
   光子4個の場合、スピンは1のもの2つ、-1のもの2つ。
  ・電荷
    ・電子は-1、陽電子は1、光子は0。
    ・崩壊前後共に総和は0になり、全体として変化しない。
  ・レプトン数
    ・電子は1、陽電子は-1、光子は0。
    ・崩壊前後共に総和は0になり、全体として変化しない。



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