Ядерная физика - Курс лекций МГУ / ядернаяфизика_01

Элементарные

частицыПрироды

ЧеловекиВселенная

Мир, в котором мы живем, сложен и многообразен.

С глубокой древности человек стремился понять устройство Мира, в котором он живёт. Прошли тысячелетия, прежде чем возникла научная картина окружающего мира. Она складывалась по мере того, как с одной стороны накапливались знания о Земле, Солнце, планетах

извездах, с другой стороны человек пытался понять из каких элементарных составляющих образована окружающая его материя, и какие силы связывают эти элементарные составляющие.

Уфилософов древней Греции существовало два противоположных взгляда на природу материи. Сторонники одной школы (Демокрит, Эпикур) утверждали, что нет ничего, кроме атомов

ипустоты, в которой движутся атомы. Они рассматривали атомы как мельчайшие неделимые частицы, вечные и неизменные, пребывающие в постоянном движении и различающиеся формой и величиной. Сторонники другого направления (Аристотель, Платон, Сократ) придерживались прямо противоположной точки зрения. Они считали, что вещество можно делить бесконечно. На протяжении столетий атомная теория материи была чисто умозрительной. Лишь в конце XIX века открытия электрона и радиоактивности сделали атомную структуру материи общепризнанной.

ЧеловекиВселенная

Сегодня мы знаем, что мельчайшие частицы вещества, сохраняющие его химические свойства — это молекулы и атомы. Материя имеет иерархическую структуру. Атомы состоят из атомного ядра и электронов. Атомные ядра состоят из нуклонов — нейтронов и протонов. Нуклоны состоят из кварков. Но разделить нуклоны на составляющие их кварки уже нельзя. Что вовсе не означает, что кварки «элементарны». Понятие элементарности объекта в значительной мере определяется уровнем наших знаний. Поэтому привычное для нас утверждение «состоит из…» на субкварковом уровне может оказаться лишенным смысла. Взаимодействие между частицами приводит к рождению новых частиц, превращению одних частиц в другие. Стало ясно, что все взаимодействия в природе можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому. С изменением масштабов расстояний и энергий относительное значение каждого из взаимодействий меняется. Оказалось, что взаимодействия и частицы тесно связаны между собой. Одним из фундаментальных вопросов современной физики является вопрос об объединении взаимодействий. Не являются ли четыре фундаментальных взаимодействия следствием единого взаимодействия, которое поразному проявляет себя при различных энергиях и расстояниях.

ЧеловекиВселенная

В основе объединения взаимодействий лежит современное представление о симметриях. Из классической физики хорошо известен пример восстановления симметрии при переходе из кристаллической фазы (лёд) к жидкой фазе (вода). Высокие температуры стремятся восстановить симметрию, сделать систему более симметричной.

Привычные представления о природе четырех взаимодействий возникли потому, что мы живем в мире относительно низких энергий.

Физика частиц тесно связана с современной космологией. Реликтовое излучение позволяет получить информацию о ранних этапах эволюции Вселенной. Сегодня можно уверенно утверждать, что легчайшие химические элементы (изотопы водорода и гелия) образовались в первые минуты существования Вселенной. В настоящее время общепринятой является теория о рождении Вселенной в результате «Большого взрыва». Понимание этого сформировалось в процессе изучения физики субатомных явлений. Новое восприятие мира — гигантский скачок, совершенный человечеством в XX веке.

Элементарныечастицы

Элементарными частицами называют частицы, которые на современном уровне знаний являются неделимыми, не состоят из других частиц. По мере наших развитий о природе материи в качестве элементарных объектов выступали различные частицы. Аристотель (384 – 322 гг. до н.э.) считал, что все вещество во Вселенной состоит из четырех основных элементов – земли, воздуха, воды и огня, на которые действуют две силы: сила тяжести, влекущая землю и воду вниз, и сила легкости, под действием которой огонь и воздух устремляются вверх.

Такой подход к описанию строения Вселенной, когда все делится на вещество и взаимодействия, сохраняется до сих пор.

Элементарныечастицы

Позже в 19 веке в качестве элементарных частиц стали выступать атомы. Открытие электрона и атомного ядра привело к новым элементарным частицам: электрону и атомному ядру.

В 30-х годах 20 века стало ясно, что атомное ядро имеет сложную структуру, состоящую из протонов и нейтронов. В 60-х годах стало ясно, что протон и нейтрон также являются составными частицами, состоящими из двух типов кварков: u и d.

p(uud) n(udd)

На нашем сегодняшнем уровне знаний кварки и электрон являются элементарными частицами. Известные сегодня элементарные частицы обычно называют фундаментальными частицами. Таблица фундаментальных частиц состоит из 16 частиц (не считая античастиц и цветовых зарядов кварков). Из 12 фермионов (6 кварков и 6 лептонов) состоит вещество.

4 фундаментальных бозона переносят взаимодействие между фундаментальными фермионами.

γ (фотон) — переносчик электромагнитного

взаимодействия,

W , Z (промежуточные бозоны) — переносчики слабого

взаимодействия,

g (глюон) — переносчик сильного взаимодействия.

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

1869 г.

1834 - 1907

Периодическаясистемаэлементов

На протяжении всего XIX века список химических элементов непрерывно пополнялся. Каждый химический элемент обладал своими характерными свойствами. Однако не удавалось установить общую закономерность, которой они должны были подчиняться. Все попытки в основном сводились к тому, чтобы расположить химические элементы в порядке возрастания их атомного веса. Окончательный порядок в классификации элементов был наведен Д. И. Менделеевым. За основу классификации элементов Д. И. Менделеев выбрал химические свойства элементов. В тех случаях, когда химические свойства элемента заставляли поместить его в таблицу исходя из его химических свойств, а не его атомного веса, Менделеев изменял порядок следования элементов. Так, например, теллур, имеющий атомный вес 127,61 был помещен перед йодом, имеющим атомный вес 126,91 и это был не единственный пример. Гораздо более важным оказалось, то что, если в периодической таблице не хватало элементов для заполнения ячеек, Менделеев оставлял эти ячейки пустыми. Основываясь на свойствах соседних элементов, он описал свойства неизвестных элементов. Все предсказанные им элементы были открыты еще при его жизни. Это были галлий, скандий, германий. Все они имели именно те свойства, которые предсказал Менделеев.

Дж. Дж. Томсон

1897

Электрон

1904

Модель атома

Joseph Thomson

(1856-1940)

Нобелевская премия по физике 1906 г. – Дж. Дж. Томсон

За большие заслуги в теоретических и экспериментальных исследованиях электрической проводимости газов.