- •Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
- •Лекция 1. Оптика. Интерференция света
- •1.1. Понятие о когерентности. Интерференция колебаний.
- •Интерференция световых волн.
- •Интерференция в тонких плёнках.
- •Вопросы для самоконтроля
- •Лекция 2
- •Дифракция Фраунгофера от щели.
- •Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке.
- •Вопросы для самоконтроля
- •Лекция 3 оптика. Поляризация света. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом
- •3.1. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет.
- •Закон Малюса.
- •Поляризация при отражении и преломлении света на границе двух диэлектриков. Закон Брюстера.
- •3.2. Дисперсия света и дисперсия вещества. Нормальная и аномальная дисперсия. Закон Бугера.
- •Вопросы для самоконтроля
- •Лекция 4 квантовая природа излучения
- •4.1. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа для теплового излучения. Экспериментальные законы излучения абсолютно черного тела.
- •Тепловое излучение.
- •Квантовый характер излучения. Формула Планка. Излучение реальных тел.
- •4.2. Фотоэффект. Опыты Столетова. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
- •4.3. Эффект Комптона. Корпускулярно-волновой дуализм.
- •Вопросы для самоконтроля
- •Лекция 5 элементы квантовой физики атомов, молекул и твердых тел
- •5.1. Спектр испускания и поглощения водорода. Теория атома водорода по Бору.
- •5.2. Элементы квантовой механики. Соотношение неопределенностей. Операторы в квантовой механике. Уравнение Шредингера.
- •5.3. Уравнение Шредингера для атома водорода. Квантовая теория атома водорода. Квантовые числа. Принцип Паули.
- •Вопросы для самоконтроля
- •Лекция 6 элементы физики атомного ядра и элементарных частиц
- •6.1. Элементы физики атомного ядра. Модели атомного ядра. Ядерные силы. Виды радиоактивного излучения. Закон радиоактивного распада.
- •Ядерные реакции. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение.
- •6.2. Элементы физики элементарных частиц. Элементарные частицы. Типы взаимодействия элементарных частиц. Классификация элементарных частиц. Законы сохранения в реакциях с элементарными частицами.
- •Вопросы для самоконтроля.
- •Содержание
6.2. Элементы физики элементарных частиц. Элементарные частицы. Типы взаимодействия элементарных частиц. Классификация элементарных частиц. Законы сохранения в реакциях с элементарными частицами.
Методы
регистрации элементарных частиц: камера
Вильсона, диффузионная
Все элементарные частицы подразделяются на лептоны (и др.), мезоны (и др.), барионы (и др.).
Уравнение Дирака позволило предсказать существование античастицы электрона – позитрона. Из уравнения Дирака получаются для полной энергии свободного электрона не только положительные, но и отрицательные значения. Исследование уравнения показывает, что при заданном импульсе частицы существуют решения уравнения, соответствующие энергиям
Между наибольшей отрицательной энергией и наименьшей положительной энергиейимеется интервал значений энергии, которые не могут реализоваться. Ширина этого интервала равна. Следовательно, получается две области собственных значений энергии: одна начинается си простирается до, другая начинается си простирается до. Частица с отрицательной энергией могла бы излучать бесконечно большое количество энергии. У частицы с отрицательной энергией масса также отрицательна. Под действием тормозящей силы частица с отрицательной массой должна не замедляться, а ускоряться. Ввиду этих трудностей Дирак предположил, что переходы электронов в состояния с отрицательной энергией обычно не наблюдаются по той причине, что все имеющиеся уровни с отрицательной энергией уже заняты электронами. Согласно Дираку вакуум есть такое состояние, в котором все уровни отрицательной энергии заселены электронами, а уровни с положительной энергией свободны. Поскольку заняты все без исключения уровни, лежащие ниже запрещенной полосы, электроны на этих уровнях никак себя не обнаруживают. Если одному из электронов, находящихся на отрицательных уровнях, сообщить энергию, то этот электрон перейдет в состояние с положительной энергией и будет вести себя обычным образом, как частица с положительной массой и отрицательным зарядом. Вакансия «дырка», образовавшаяся при этом в совокупности отрицательных уровней, должна вести себя как электрон, имеющий положительный заряд. Действительно, отсутствие частицы, обладающей отрицательными массой и зарядом, будет восприниматься как наличие частицы с положительной массой и положительным зарядом. Эта первая из предсказанных теоретически частиц была названапозитроном. При встрече позитрона с электроном они аннигилируют (исчезают) – электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный уровень. Энергия, соответствующая разности энергий этих уровней, выделяется в виде излучения. В 1932 г. американский физик К.Андерсон обнаружил позитрон в составе космических лучей. В камере Вильсона, помещенной между полюсами электромагнита, позитрон оставлял такой же след, как и рождавшийся одновременно с ним электрон, только этот след был закручен в противоположную сторону.
Космические лучи, их общая характеристика. Космические лучи как уникальный природный источник частиц высоких и сверхвысоких энергий.
Космическими лучами называют поток атомных ядер и элементарных частиц высоких энергий, идущих из космического пространства, и образуемое ими в земной атмосфере вторичное излучение, в котором встречаются практически все известные в настоящее время элементарные частицы. Обладая огромной энергией, в среднем около 1010 эВ, частицы космического излучения превосходят по своей проникающей способности все другие виды ядерных излучений.
Космические лучи вне пределов земной атмосферы – первичное космическое излучение – состоят в основном из протонов большой энергии. В его состав входят также -частицы, электроны и в небольшом количестве ядра более тяжелых элементов, вплоть до ядер с зарядовым числом Z = 30. Электронов в космических лучах в сотни раз меньше, чем протонов. Космические лучи напоминают сильно разреженный релятивистский газ, частицы которого практически не взаимодействуют друг с другом, но испытывают редкие столкновения с веществом межзвездной и межпланетной сред и воздействие космических магнитных полей. Первичные космические лучи обладают колоссальными кинетическими энергиями, вплоть до 1021 эВ. Хотя их суммарный поток у Земли невелик и составляет всего примерно 1 частица/(см2с), плотность их энергии, порядка 1 эВ/см2, сравнима с плотностью энергии суммарного электромагнитного излучения звезд, энергии теплового движения межзвездного газа а также с плотностью энергии магнитного поля Галактики.
Другая важная особенность космических лучей – нетепловое происхождение их энергии. Действительно, даже при температуре около 109 К, по-видимому, близкой к максимальной для звездных недр, средняя энергия теплового движения частиц составляет величину порядка 3105 эВ. Основное же количество частиц космических лучей, наблюдаемых у Земли, имеет энергии от 108 эВ и выше. Это означает, что космические лучи приобретают энергию в специфических астрофизических процессах электромагнитной и плазменной природы. Есть основания предполагать, что основным источником космических лучей являются сверхновые звезды. Согласно данным о распределении межзвездного газа и остатков вспышек сверхновых звезд, возраст космических лучей не превышает 30 миллионов лет.
Космические лучи почти равномерно заполняют всю Галактику и лишь припланетное пространство и земное магнитное поле искажают эту изотропию. При подходе к Земле космические лучи попадают в зону действия ее магнитного поля. Поле изгибает траектории частиц и не подпускает к поверхности Земли медленно движущиеся частицы. Поле, однако, не действует на частицы, летящие вдоль силовых линий.
Медленные частицы могут, поэтому, достигать границ атмосферы лишь в области около полюсов, где силовые линии магнитного поля пересекают поверхность Земли. В области экватора на границу атмосферы могут попадать только протоны с энергией больше 1,51010 эВ.
Таким образом, на больших высотах космические лучи состоят почти исключительно из протонов большой энергии. Существенно иной состав имеет космическое излучение на поверхности Земли. Измерение коэффициента поглощения показывает, что в составе космических лучей на уровне моря имеются две группы частиц, сильно отличающихся по своим свойствам.
Та группа частиц, которая поглощается слоем свинца в 10 см, названа мягкой компонентой космического излучения, коэффициент поглощения ее довольно большой. Вторая группа частиц, для которой коэффициент поглощения оказывается существенно, почти в 20 раз, меньше носит название жесткой или проникающей компоненты.
Как показали дальнейшие исследования, описанное выше чисто феноменологическое разделение космических лучей на две группы совпадает с их разделением по составу: вблизи поверхности Земли жесткая компонента состоит в основном из мезонов и протонов, а мягкая — из электронов, позитронов и фотонов.
Процессы, в результате которых образуются мягкая и жесткая компоненты.
При прохождении через атмосферу частицы первичного излучения сталкиваются с атомными ядрами и вызывают различные ядерные превращения. Важную роль среди этих превращений играет процесс генерации -мезонов, рождающихся при столкновении протонов первичного излучения с нуклонами ядер. При этом образуются -мезоны большой энергии. Процесс образования -мезонов практически заканчивается на высоте около 10 километров над уровнем моря. При меньшей высоте резко падает число протонов первичного излучения и соответственно число вызываемых ими реакций.
Нейтральные -мезоны практически мгновенно распадаются на два -кванта. Эти -кванты дают начало электронно-фотонным ливням. Заряженные -мезоны распадаются на -мезон и нейтрино причем время жизни -мезона в связанной с ним системе координат составляет 2,610-8 секунды.
Распад -мезонов в плотных и разреженных веществах протекает существенно по-разному. В плотных веществах (фотоэмульсии) процесс торможения происходит столь быстро, что бóльшая часть -мезонов останавливается, не успев распасться. В атмосфере, наоборот, -мезоны теряют скорость очень медленно, при этом большинство -мезонов распадается на лету. В результате таких распадов в составе вторичного излучения образуются быстрые -мезоны.
Не взаимодействующие с ядрами -мезоны способны проходить в веществе огромные расстояния и образуют основную часть проникающей компоненты.
При столкновении с ядрами протоны первичного излучения могут выбить из них один или несколько нуклонов или даже полностью разрушить ядро. Дошедшая до Земли часть первичного излучения, -мезоны и образовавшиеся в результате ядерных реакций быстрые протоны и нейтроны составляют жесткую компоненту космических лучей.
Рассмотрим теперь, как образуется мягкая компонента космического излучения, состоящая, из электронов, позитронов и фотонов.
Быстро поглощающаяся в воздухе мягкая компонента существует в веществе лишь постольку, поскольку она генерируется жесткой. В каждой среде данному количеству жесткой компоненты соответствует вполне определенное количество мягкой. При смене среды происходят поэтому «переходные» процессы — поглощение излучения, являвшегося равновесным в первой среде, и замена его новым излучением, равновесным для второй среды. Входящие в состав мягкой компоненты электроны, позитроны и фотоны непрерывно возникают друг из друга: при столкновении с ядрами электроны и позитроны вызывают появление тормозных -квантов, кванты в свою очередь генерируют в поле ядер электронно-позитронные пары. Так образуются электронно-фотонные ливни. Процессы рождения пар и возникновения -квантов чередуются друг с другом до тех пор, пока энергия -фотонов не станет недостаточной для образования новых пар. Поскольку энергия первоначального фотона бывает очень большой, успевает возникнуть много поколений вторичных частиц, прежде чем прекращается развитие ливня.
На больших высотах начало таким ливням кладут -кванты, образующиеся при распаде °-мезонов. У поверхности Земли основную роль играют -электроны, то есть электроны отдачи, образующиеся при соударении быстрых частиц с атомами, и электроны, возникающие при распаде -мезонов:
.
Здесь — положительный или отрицательный мезон, — позитрон или электрон, a и — нейтрино и антинейтрино. Электроны и позитроны, образующиеся в этой реакции, имеют большую энергию, достаточную для образования ливней.
Прохождение космических лучей через атмосферу связано, конечно, и с рассеянием, то есть изменением направления полета. Для быстрых частиц, однако, рассеяние не вызывает заметного перемешивания частиц, летевших вначале в разных направлениях; вторичные частицы в существенной мере сохраняют направление первичных.
Исследование углового распределения космических лучей на уровне моря показывает, что их интенсивность резко зависит от направления, быстро увеличиваясь при переходе от горизонтального направления к вертикальному. Это объясняется тем, что для вертикально летящих частиц толщина пройденного слоя атмосферы является минимальной.
Эмпирическая формула интенсивности космических лучей в зависимости от угла падения
,
где и— интенсивности космического излучения в вертикальном направлении и под углом к вертикали.
Интенсивностью излучения называется отнесенное к единице телесного угла количество частиц, падающих под данным углом к вертикали на единичную площадку в единицу времени. Соответственно имеет размерность см-2с-1ср-1.
Поток первичного космического излучения на уровне моря составляет в среднем 1,7510-2 частиц/(см2с) и весьма мало меняется с солнечной активностью. Интенсивность и состав космического излучения, а также превращения, испытываемые ими в атмосфере, довольно хорошо изучены. Космические частицы, в первую очередь быстрые электроны, дали впервые возможность экспериментального исследования электромагнитных процессов при энергиях, превышающих миллиарды электрон-вольт. В космическом излучении были впервые обнаружены многие элементарные частицы (позитроны, пионы, мюоны, К-мезоны и гипероны). Исследования этого весьма слабого по своей интенсивности излучения стимулировали развитие многих новых экспериментальных методов и привели к важнейшим открытиям, существенно расширившим наши представления о природе элементарных частиц, о свойствах космического пространства и процессах в звездах, в которых генерируются космические лучи.
Микроволновое фоновое излучение Вселенной, которое называется также реликтовым излучением, было открыто в 1965 г. американскими астрономами А. Пензиасом и Р. Вильсоном. От излучения звезд, галактик и др. астрономических источников реликтовое излучение отличается двумя важнейшими свойствами: угловой изотропией и планковской (равновесной) формой спектра. Его температура . Спектр реликтового излучения хорошо изучен в диапазоне длин волн отдо. Интенсивность реликтового излучения в этом диапазоне не зависит от направления на небесной сфере с точностью до десятой доли %.
Расширение (нестационарность) Метагалактики было надежно установлено после того, как американский Астроном Э.Хаббл в 1929 г. вывел из данных наблюдений закон пропорциональности между величиной красного смещения и расстоянием до далекой галактики:
Отсюда следует, что чем дальше расположена галактика, тем с большей радиальной (лучевой) скоростью она движется:
Коэффициент пропорциональности называют постоянной Хаббла. По современным оценкам .