Лептоны

Наименование	Символ	Заряд (Мэв)	Масса	Время жизни
Электрон	е	-1e	0,511003	стабилен
Мюон	μ	-1e	105,6593	2,19713·10-6
Тау-лептон	τ	-1e	1784	3,4·10-13
Электронное нейтрино	νe	0	< 3·10-5	стабильно
Мюонное нейтрино	νμ	0	<0,51	стабильно
Тау нейтрино	ντ	0	<250	стабильно

Механика изучает механические движения тел и силы, которые его обуславливают. Основные законы механики сформулированы в конце XVII века английским физиком Исааком Ньютоном.

Положение любого тела в пространстве возможно определить только относительно другого тела или совокупности тел. В природе все тела движутся и нет тел, которые пребывают в состоянии абсолютного покоя. Таким образом, всякое движение тел и покой являются относительными. Тело или группа тел, относительно которых рассматривается движение данного тела, называется системой отсчета. Например, в Солнечной системе отсчета движение тел рассматривается относительно Солнца.

Передвижение тела в системе отсчета всегда имеет вектор. Вектор в физике и математике — это величина, имеющая абсолютное значение и направление. Например, скорость в физических терминах есть изменение положения тела за определенное время в определенном направлении, и может быть записана так: 90 км/час на Запад. Таким образом, скорость — это векторная величина. Другая векторная величина — это ускорение. Ускорение есть изменение скорости за определенное время в определенном направлении. Например, ускорение тела в гравитационном поле Земли имеет значение 9,8 м/сек за секунду по направлению к центру Земли.

Сила есть определенное воздействие на тело. Если это воздействие приведет к перемещению тела, то говорят, что была выполнена определенная физическая работа. Количество работы получается путем умножения силы на величину перемещения. Например, если силой 20 Kг переместить предмет на высоту 1,5 м над поверхностью пола, то работа равна 20 Кг 1,5 м = 30 Кгм (килограммометров). Фактор времени в отношении работы не принимается во внимание. Время учитывается при определении мощности. Мощность есть скорость выполнения работы, при этом количество работы делится на время.

В физике энергия означает способность выполнять работу. Эта способность может быть связана как с неподвижным телом (потенциальная энергия, например, вода за высокой плотиной), так и с движущимся (кинетическая энергия, например — падающий счетчик Гейгера). Если счетчик Гейгера лежит на краю стола, он имеет потенциальную энергию относительно пола. Величина этой энергии вычисляется путем умножения его массы на высоту и на ускорение силы тяжести, 9,8 м/с². Заметим, что потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую энергию движения путем сталкивания предмета со стола и достижения им пола. При столкновении с полом предмет достигает кинетической энергии равной потенциальной, которую он имел лежа на столе. Предмет, упавший на пол, может выполнить работу, деформируя пол, или нагревая паркет. Равенство кинетической и потенциальной энергий называется законом сохранения энергии. Энергия обычно измеряется в Джоулях (1 Дж = 6,242·10¹⁸ эВ). Количество кинетической энергии движущегося тела вычисляется как половина произведения массы на квадрат скорости.

Электричество рассматривает движение и взаимодействие электрических зарядов. Говорят, что тело несет электрический заряд, если оно обладает электрической потенциальной силой положения. Это значит, что оно может испытывать действие силы в электрическом поле и может двигаться к или от источника поля, если оно свободно. В природе существует два вида электрических зарядов: положительный и отрицательный. Правило о направлении силы, действующей на заряды, определяет, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные заряды притягиваются. Например, положительно заряженный электрод в ионизационной камере может притягивать (собирать) к себе электроны, находящиеся в ней.

Важным законом электричества, который многократно используется в радиационной защите, есть закон Кулона, определяющий величину сипы между двумя заряженными объектами. Этот закон назван в честь французского физика Шарля Кулона, который открыл его в 1780г. Закон Кулона выражается следующей формулой:

(1.3)

где: k — коэффициент пропорциональности;

Q₁ — заряд первого объекта;

Q₂ — заряд второго объекта;

r — расстояние;

В соответствии с законом Кулона, сила между зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами: чем ближе заряды, тем сила больше. В международной системе единиц (СИ) за единицу заряда принят кулон (Кл). Один кулон равен 6,3 · 10¹⁸ зарядов электрона.

Электрический ток есть перемещение зарядов по проводнику, например, через проволоку. Электрический ток назван по аналогии с течением (током) воды через трубу. Величина тока измеряется в амперах, (сокращенно — А. Все единицы в физике, названные в честь человека, открывшего закон, эффект и т. д., обозначаются заглавными буквами). Один ампер — это ток, который существует при прохождении заряда равного одному кулону через сечение проводника за одну секунду. Так как заряд электрона равен 1,6 · 10^-19 Кл, то ток величиной 1A означает протекание по проводнику 6,3 · 10¹⁸ электронов в сек.

Ион — это атом, который потерял или получил дополнительно заряд, обычно в виде заряда электрона. Например, облучая вещество, можно выбивать электроны из нормально активных атомов. Положительно заряженный атом и выбитый электрон образуют пару ионов. Например, в сфере радиационной защиты при воздействии ионизирующего излучения на человека первичным результатом является образование положительных и отрицательных ионов воды в клетках организма.

Разность потенциалов, часто неверно называемая напряжением, есть разница электрической потенциальной энергии между точками, которые, например, могут находиться в электрической цепи. Это аналогично давлению в водяной трубе. Единица измерения разности потенциалов называется вольт (В).

В водяной трубе трение воды о стенки приводит к ослаблению потока. В электрическом проводнике это ослабление называется сопротивлением. Сопротивление измеряется в Омах (Ом). Резисторы, применяемые в обычных электронных схемах, имеют сопротивление от нескольких десятых Ома до нескольких миллионов Ом. Такие материалы, как медь, которые имеют малое сопротивление, называются проводниками. Материалы типа стекла или пластика имеют большое сопротивление и называются изоляторами. Некоторые материалы имеют сопротивление, величина которого изменяется в пределах от проводников до изоляторов. Эти материалы называются полупроводниками. Примеры полупроводников — кремний и германий. Полупроводники находят все возрастающее применение в современной электронике.

Для проводников существует определенная связь между током, сопротивлением и разностью потенциалов. Эта зависимость выражается законом Ома, который выражается следующей формулой:

U = I·R, (1.4)

где: U — разность потенциалов в вольтах,

I — ток в амперах,

R — сопротивление в Омах.

Электрическая мощность (P) измеряется в ваттах (Вт). Мощность вычисляется как произведение тока на разность потенциалов : P = I·U.

Электрическая цепь характеризуется направлением потока электронов. Если электроны всегда перемещаются в одном направлении (пусть даже с разной скоростью в различные интервалы времени), тогда ток называется постоянным током. Если электроны перемещаются, изменяя время от времени направление движения, то такой ток называется переменным.

Необходимо отметить, что в периодических волнообразных процессах соотношение между длиной волны и частотой постоянно. Для электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света с (с = 3·10⁸ м/с), соотношение имеет вид:

, (1.5.)

где: λ —длинна волны;

ν — частота.

Энергия связи электронов в атомах и молекулах обычно выражается в электрон-вольтах (эВ). 1 эВ равен работе, которую совершает электрическое поле при перемещении электрона (или другой частицы, обладающей элементарным зарядом) между точками поля, разность потенциалов между которыми равно 1B. Соотношение между данными величинами имеют следующий вид:

E = e·U, (1.6)

где: E — энергия электрона;

е — заряд электрона;

U — разность потенциалов.

Численно 1 эВ = 1,6·10^-19 Кл·1В = 1,6·10^-19 Дж.

Частица, имеющая заряд Q, прошедшая разность потенциалов U, получит количество энергии, равное произведению Q·U. Например, если альфа-частица (заряд равен 2) ускоряется, проходя разность потенциалов 500 В, то она получит энергию 1000 эВ или 1 кэВ.

В 1879 году американский ученый и изобретатель Томас Эдисон открыл эффект возникновения электрического тока между электродами в вакуумной стеклянной колбе, если один из электродов нагреть до высокой температуры. Эффект испускания свободных электронов с поверхности нагретых тел называется термоэлектронной эмиссией.

Эра электроники началась с изобретением вакуумной электронной лампы (диода) Ли Форестом в 1906 г. Этот электронный прибор состоит из стеклянного баллона, в котором находятся два электрода: катод и анод. Катод изготовлен из тонкой металлической проволоки, свернутой в спираль, анод — из металлической пластины. Электрически подогреваемый катод действует как источник термоэлектронной эмиссии. Анод притягивает электроны согласно закону Кулона, если на него подать положительную разность потенциалов относительно катода. Такой прибор работает в цепи переменного тока, пропуская ток только в одном направлении. С помощью диода можно выпрямлять переменный ток, преобразуя его в постоянный.

Триод — это трехэлектродная электронная лампа. Дополнительный электрод в форме тонкой сетки, располагается между анодом и катодом, ближе к катоду. Так как сила кулоновского взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния, то даже малый потенциал на этом электроде-сетке оказывает большее воздействие на поток электронов из катода, что позволяет использовать электронную лампу как усилитель. Соединяя несколько электронных ламп соответствующим образом можно получить электронный усилитель с большим коэффициентом усиления. Усилители необходимы во многих типах детектирующих систем, применяемых в приборах радиационной защиты.

Следующая эра в электронике наступила с изобретением транзистора в лаборатории Бэлла в 1948 г. Транзистор состоит из трех крошечных участков полупроводникового материала, которые соответствуют определенным электродам вакуумного триода. Ток течет из эмиттера к коллектору и контролируется (управляется) сигналом, поступающим на базу. Транзисторы также можно соединять вместе для получения усилителей с большим коэффициентом усиления. Транзисторы намного меньше вакуумных ламп и намного прочнее.

Следующий большой прорыв в электронике имел место с разработкой в 70-х годах интегральных микросхем. Микросхемы были изобретены независимо Килби и Нансом в 1958-1959 гг. В этих приборах термин "микроэлектроника" применяется в своем действительном значении. С успешным применением травления и маскирования многослойной полупроводниковой пластинки стало возможным размещать транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие элементы электронной схемы все вместе на крошечной площади. Типичная интегральная микросхема 70-х содержала тысячи отдельных электронных компонентов на площади 1 мм². Вся электронная схема размещалась в корпусе (чипе), который устанавливался в гнездо на плате. Такая конструкция использовалась в более поздних цифровых электронных приборах радиационной защиты.

Дальнейшим развитием электроники в 80-х годах стали интегральные схемы большой степени интеграции. В этих приборах на пластинке размером с канцелярскую кнопку размещается до миллиона компонентов электронной схемы. Большие интегральные схемы стали основными компонентами современных калькуляторов, компьютеров и приборов.