Кіріспе

Жарық жылдамдығына жақын қозғалатын элементарлық бөлшек

Бөлшек физикасында релятивистік бөлшек – Эйнштейн қатынасы бойынша, тынығу энергиясынан үлкен немесе оған тең кинетикалық энергиясы бар элементарлық бөлшек. Бұл жағдай фотондар үшін толыққанды орындалады, сондай-ақ арнайы салыстырмалылық теориясының эффектілері осындай бөлшектердің өзіне тән эффектілерін сипаттауға мүмкіндік береді. Бір және бірнеше релятивистік бөлшектердің қозғалысын сипаттау үшін бірнеше тәсілдер бар, олардың ең танымал мысалы – Дирак теңдеуі арқылы бір бөлшектің қозғалысын постулаттау. Бөлшектің энергия-импульс қатынасын былай жазуға болады:

мұнда – энергия, – импульс, ал – тынығу массасы.

Тынығу массасы нөлге жақындағанда, мысалы, фотон үшін, немесе импульс өте үлкен болғанда, мысалы, жоғары жылдамдықты протон үшін, бұл қатынас сызықтық дисперсияға дейін ыдырайды, яғни:

Бұл классикалық бөлшектерге тән энергия-импульс қатынасының параболалық түрінен өзгеше. Сондықтан, практикада энергия-импульс қатынасының сызықтығы немесе параболалық еместігі релятивистік бөлшектердің маңызды белгісі болып саналады. Осы екі типті релятивистік бөлшектер сәйкесінше массасыз және массивті деп аталады. Эксперименттерде массивті бөлшектердің релятивистік болуы үшін олардың кинетикалық энергиясы тынығу массасына сәйкес келетін энергияға тең немесе одан жоғары болуы керек. Басқаша айтқанда, массивті бөлшек релятивистік болып есептелуі үшін оның жалпы масса-энергиясы тынығу массасынан кемінде екі есе көп болуы тиіс. Бұл жағдай бөлшектің жылдамдығы жарық жылдамдығына жақын екенін көрсетеді. Лоренц коэффициентінің формуласына сәйкес, бұл бөлшектің жарық жылдамдығының шамамен 85% жылдамдығымен қозғалуын талап етеді. Мұндай релятивистік бөлшектер бөлшектер үдеткіштерінде және табиғи түрде ғарыштық сәулеленуде пайда болады. Астрофизикада белсенді галактикалар мен квазарлардың орталықтарынан релятивистік плазма ағындары шығады. Зарядталған релятивистік бөлшектер әртүрлі диэлектрлік тұрақтысы бар екі ортаның шекарасын кесіп өткенде ауысу сәулеленуін тудырады. Бұл жоғары жылдамдықты бөлшектердің ауысу сәулеленуін анықтайтын детекторында қолданылады.

Үстелге арналған релятивистік бөлшектер

Релятивистік электрондар кейбір қатты күйдегі материалдарда да болуы мүмкін, оның ішінде графен, висмут-антимон қорытпалары сияқты жартылай металдарда және өтпелі металл дихалькогенидтері мен қара фосфорен қабаттары сияқты жартылай өткізгіштерде. Дирак теңдеуімен сипатталатын, решеткеге шектелген және релятивистік эффектілерге ие осы электрондар "жұмыс үстеліндегі релятивистік электрондар" немесе "Дирак электрондары" деп те аталады.