Материал презентаций по физике / Лекции для заочников / Физика для гуманитариев_1 / Вотинов_Перминов_Физика

В реакциях, обусловленных взаимодействиями частиц, гравитационные силы практически никакой роли не играют.

Перечисленные взаимодействия имеют, по-видимому, разную природу, т. е. не сводятся одно к другому. В настоящее время нет возможности судить, исчерпывают ли указанные взаимодействия все имеющиеся

âприроде взаимодействия.

Óкаждой элементарной частицы есть соответствующая ей античастица. Античастица — элементарная частица, имеющая те же значения массы и прочих физических характеристик, что и основная частица, но отличающаяся от нее знаком некоторых характеристик взаимодействий (электрического заряда и др.). Пример: электрон и позитрон.

Класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии, называется адронами (протон, нейтрон и др.). Класс частиц, не обладающих сильным взаимодействием, называется лептонами. К лептонам относятся электрон, мюон, нейтрино, тяжелый лептон и соответствующие им античастицы.

При столкновении частицы и античастицы они могут взаимно унич- тожиться — «аннигилировать». Аннигиляция — исчезновение (превращение) частицы и соответствующей ей античастицы с образованием

двух -квантов. При этом соблюдаются все известные законы сохранения — энергии, импульса, момента импульса, зарядов. Для рождения пары электрон — позитрон необходимо израсходовать энергию, не меньшую суммы собственных энергий этих частиц, т. е. ~ 106 эВ. При аннигиляции такой пары эта энергия либо отдается с порождаемым при аннигиляции излучением, либо распределяется среди других частиц.

Из закона сохранения заряда следует, что заряженная частица не может возникнуть без того, чтобы не возникла другая с зарядами обратных знаков (чтобы суммарный заряд всей системы частиц не менялся). Примером такой реакции является реакция превращения нейтрона в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино:

Электрический заряд при этом превращении сохраняется. Точно так же сохраняется он при превращении фотона в пару электрон — позитрон или при рождении такой же пары в результате столкновения двух электронов.

Существует гипотеза, что все элементарные частицы являются комбинациями трех основных частиц, называемых кварками, и их античас-

251

тиц. В свободном состоянии кварки не были обнаружены (несмотря на многочисленные их поиски на ускорителях высоких энергий, в космиче- ских лучах и окружающей среде).

Невозможно описать свойства и превращения микрочастиц без ка- кой-либо их систематизации. Систематизации, построенной на основе строгой теории, нет.

Две основные группы элементарных частиц составляют сильно взаимодействующие (адроны) и слабо взаимодействующие (лептоны) частицы. Адроны делятся на мезоны è барионы. Барионы подразделяются на нуклоны è гипероны. К лептонам относятся электроны, мюоны и нейтрино. Ниже приведены величины, с помощью которых систематизируют микрочастицы.

1. Массовое, или барионное, число À. Многочисленные факты, наблюдаемые в процессе деления ядер, рождения пары нуклон и антинуклон, позволяют утверждать, что в любом процессе число нуклонов остается постоянным. Всем барионам приписывают число À = +1, каждой античастице — À 1. Закон сохранения барионного заряда выполняется точно во всех ядерных процессах. Кратными значениями барионного числа обладают сложные частицы. У всех мезонов и лептонов барионное число равно нулю.

2.Электрический заряд q представляет собой число единиц электри- ческого заряда (в единицах положительного заряда протона), присущего частице.

3.Изотопический спин (не имеет отношения к реальному спину). Силы, действующие между нуклонами в ядре, почти не зависят от типа нуклонов, т. е. ядерные взаимодействия ð–ð, ð–n è n–n одинаковы. Эта симметрия ядерных сил приводит к сохранению величины, называемой изотопическим спином. Изоспин сохраняется в сильных взаимодействиях и не сохраняется в процессах, вызванных электромагнитным и слабым взаимодействием.

4.Странность. Чтобы объяснить, почему не происходят некоторые процессы с участием адронов, М. Гелл-Манн и К. Нишиджима в 1953 г. предложили ввести новое квантовое число, которое они назвали странностью. Странность стабильных адронов лежит в пределах от –3 до +3 (целые числа). Странность лептонов не определена. В сильных взаимодействиях странность сохраняется.

5.Ñïèí. Характеризует момент импульса частицы.

252

6. Четность. Внутреннее свойство частицы, связанное с ее симметрией по отношению к правому и левому. До недавнего времени физики полагали, что различия между правым и левым нет. Впоследствии оказалось, что они неравноценны для всех процессов слабого взаимодействия. Это стало одним из наиболее удивительных открытий в физике.

В классической физике вещество и физическое поле противопоставлялись друг другу как два вида материи. Вещество слагается из элементарных частиц, это вид материи, обладающей массой покоя. У вещества структура дискретна, у поля непрерывна. Но квантовая физика привела к нивелированию этого представления. В классической физике полагается, что на частицы действуют силовые поля — гравитационное и электромагнитное. Других полей классическая физика не знала. В квантовой физике за полями видят истинных переносчиков взаимодействия — кванты этих полей, т. е. частицы. Для классических полей это гравитоны и фотоны. Когда поля достаточно сильны и квантов много, мы перестаем различать их как отдельные частицы и воспринимаем как поле. Носителями сильных взаимодействий являются глюоны. С другой стороны, любая микрочастица (элемент вещества) обладает двойственной корпуску- лярно-волновой природой.

5.5. Элементы космологии

Космология — это учение о Вселенной. Предметом космологии является изучение истории Вселенной, ее строения и эволюции. Космология тесно связана с общей теорией относительности, так как во Вселенной приходится иметь дело с большими расстояниями, высокими скоростями и огромными массами. Основная трудность состоит в том, что в лаборатории нельзя провести детальный контролируемый космологический эксперимент — приходится изучать объекты, которые лежат на фантастических расстояниях от нас и на которые мы никак не можем влиять. Выводы космологии основываются на законах физики, данных астрономии, философских принципах. Важнейшим философским постулатом является положение, согласно которому законы физики (природы), установленные (чаще всего) на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы на всю Вселенную.

Эйнштейн показал, что общая теория относительности может объяснить существование статической Вселенной, т. е. Вселенной, которая

253

не изменяется со временем (идея Аристотеля о вечной не изменяющейся Вселенной). В то время казалось, что Вселенная статическая, и этот результат получил всеобщее признание. Однако в 1923 г. советским уче- ным А. А. Фридманом была создана теория расширяющейся Вселенной, а в 1929 г. Хаббл обнаружил, что в космосе «все разбегается», Вселенная расширяется. По современным представлениям, галактики разбегаются со скоростями, пропорциональными расстояниям до них.

Предположение об образовании Вселенной в результате гигантского взрыва (теория большого взрыва) было впервые высказано Г. Гамовым

â1948 г. Согласно этой теории, примерно 1010 лет назад (спустя всего одну сотую секунды после «начала»), все вещество и вся энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025 ã/ñì3 (в триллионы раз выше плотности воды) и температурой свыше 1016 К. В этих условиях не могли существовать ни ядра, ни тем более атомы. Чудовищное радиационное давление внутри сгустка привело к его необычайно быстрому расширению — «большому взрыву». Через несколько минут расширение Вселенной и ее охлаждение достигли такой степени, что стало возможным образование ядер. Пространство было заполнено облаком из раскаленных газов и ослепляющим светом. Свет, излученный первоначальным газовым облаком, все еще «бродит» во Вселенной. Претерпев сильные изменения, он сейчас заметен в виде микроволнового фона — «реликтового излучения».

Все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после большого взрыва. Через миллиард лет на- чалось образование галактик, звезд и стабильного вещества в современном виде. Звезды не рассеяны во вселенной равномерно, а сгруппированы в отдельные «острова» — галактики. Каждая галактика включает

âсебя в среднем более 100 млрд звезд, а также межзвездный газ и межзвездную пыль. Галактики обычно имеют форму спирали или эллипса. Диаметр их может достигать 105 световых лет. Млечный путь представляет собой одну такую галактику, ту самую «Галактику», которая

включает в себя (в качестве незначительной периферийной звезды)

èíàøå Солнце.

Âнастоящее время Вселенная расширяется, но будет ли это расширение продолжаться бесконечно, так что в пределе плотность вещества во Вселенной станет бесконечно малой? Общая теория относительности дает определенный ответ на этот вопрос. Согласно этой теории, сущест-

254

вует некоторая критическая масса Вселенной. Если действительная масса Вселенной меньше критической, гравитационного притяжения вещества во Вселенной будет недостаточно, чтобы остановить расширение, и оно будет продолжаться бесконечно. С другой стороны, если действительная масса Вселенной превосходит критическую, гравитационное притяжение, в конечном счете, замедлит расширение, приостановит его и затем приведет к сжатию. В этом случае Вселенную ожидает коллапс, в результате которого вновь образуется сгусток. Все будет готово для нового большого взрыва и нового расширения. Таким образом, Вселенная должна пульсировать между состояниями максимального расширения и коллапса.

Содержит ли Вселенная достаточную массу (в форме вещества и энергии) для того, чтобы стала возможной ее пульсация? Приблизительное количество вещества в звездах, галактических пыли и газе можно оценить различными способами. Можно оценить также энергию излу- чения звезд, магнитных полей в космическом пространстве, движения облаков газа, космических лучей и нейтрино. Все это, вместе взятое, оказывается меньше критической массы. В вычислениях существует, однако, большая неопределенность, поскольку мы не знаем количества вещества в межгалактическом пространстве.

Мы не знаем сколько-нибудь точно массу или размеры Вселенной. Мы не знаем, будет ли наблюдаемое расширение Вселенной продолжаться бесконечно или, в конце концов, прекратится и сменится сжатием. Мы не знаем, существует ли во Вселенной в каких-либо значительных количе- ствах антивещество. Существуют ли антигалактики? Мы не знаем природы квазаров, излучающих гигантскую энергию. Мы знаем слишком мало о деталях эволюции звезд. Мы очень мало знаем о происхождении Вселенной, хотя имеющиеся данные указывают на то, что ее расширение — это результат происшедшего около 10 миллиардов лет назад чудовищного взрыва, мощь которого невозможно себе представить. Но откуда взялось это гигантское количество изначальной энергии?

5.6.Вопросы для самоконтроля

1.Развитие представлений о строении атома. Модели Томсона и Резерфорда. Спектры излучения и поглощения в атомах водорода.

2.Постулаты Бора. Квантование орбит. Боровская теория атома водорода.

255

Часть II МАТЕРИАЛЫ

ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. МЕТОДИКА САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКИ

Методика изучения физики на заочном отделении в корне отличается от методик для дневной формы обучения. Так, если на дневном отделении основными формами обучения являются лекции, практические и лабораторные занятия, где преподаватель излагает программный материал, решает со студентами задачи, проводит лабораторные занятия, проверяет знания студентов, то учебный процесс на заочном отделении связан с углубленной самостоятельной работой и предусматривает:

1)изучение материала программы по учебникам или учебным пособиям;

2)самостоятельное решение задач;

3)выполнение контрольных работ;

4)выполнение лабораторных работ;

5)сдачу зачетов и экзаменов.

Для успешного овладения материалом и сдачи экзаменов по физике необходимо руководствоваться несколькими правилами.

1. Следует изучать курс систематически в течение всего учебного года. Попытка изучить физику в сжатые сроки перед экзаменом не даст глубоких, прочных знаний и приведет к неудаче.

257

2.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ÊРЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

Решение задач по физике способствует более глубокому пониманию изучаемого материала и помогает закреплению в памяти понятий, формулировок, определений, формул и физических законов, развивает у студентов логическое мышление, навык в применении полученных знаний для решения конкретных вопросов, имеющих практическое и познавательное значение. Поэтому в пособии приводится список тренировочных задач, работа над которыми закрепит знания и навыки студентов.

Задачи по физике разнообразны, и дать единый рецепт для их решения невозможно. Умение решать задачи приобретается в процессе систематических упражнений. Можно лишь указать условия, соблюдение которых необходимо для успешного решения задач.

В основу каждой физической задачи положен тот или иной частный случай проявления общих законов физики. Поэтому без твердого знания теории нельзя рассчитывать на успешное решение и анализ даже самых простых задач.

При решении задач необходимо:

1)хорошо вникнуть в условие задачи и установить, какие физиче- ские закономерности лежат в ее основе;

2)записать все данные в задаче физические величины в одной системе единиц (в системе единиц СИ);

3)если позволяет характер задачи, обязательно сделать чертеж, поясняющий ее сущность;

4)записать законы и формулы, на которых базируется решение, и дать словесную формулировку этих законов, разъяснить буквенные обозначения;

5)если при решении задачи применяется формула, полученная для частного случая, не выражающая какой-нибудь физический за-

259

кон или не являющаяся определением какой-нибудь физической величины, то ее следует вывести;

6)особое внимание следует обращать на векторный характер многих физических величин. Для полного определения таких вели- чин необходимо учитывать не только их числовое значение, но и направление;

7)получить решение задачи в общем виде, то есть выразить искомую величину в буквенных обозначениях величин, заданных в условии задачи. Правильность решения задачи в общем виде можно проверить, используя правило размерностей (наименований). При правильном решении размерность правой части формулы совпадает с размерностью искомой величины. Несоблюдение этого условия (оно необходимо, но недостаточно) свидетельствует об ошибке, допущенной в ходе решения;

8)решение задачи следует сопровождать краткими, но исчерпывающими пояснениями;

9)подставить числовые данные в полученные для искомых вели- чин формулы, произвести с ними необходимые действия. Проанализировать результат (оценить его правдоподобность);

10)проводя арифметические расчеты, нужно использовать правила приближенных вычислений, позволяющие экономить время без ущерба для точности. Точность ответа не должна превышать точности, с которой даны исходные величины. В тех задачах, где требуется начертить график, следует рационально выбрать масштаб и начало координат.

Умение решать задачи приобретается длительными и систематиче- скими упражнениями. При подготовке к выполнению контрольной работы следует после изучения каждой темы решить задачи из раздела «Тренировочные задачи». Они содержат элементы задач, предлагаемых для контрольных работ.

Задачи для тренировки несколько проще тех, которые входят в контрольные задания, и призваны подготовить студента к выполнению контрольной работы. Решение этих задач крайне полезно и необходимо.

При оформлении контрольных работ нужно помнить следующее:

1)контрольные работы для проверки оформляются в обычной уче- нической тетради синими или черными чернилами;

260