Вопрос22
Частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома, называются элементарными. К ним относят и те частицы, которые получают в условиях эксперимента на мощных ускорителях. В настоящее время открыто более 350 микрочастиц.
Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что неразложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований.
Основными характеристиками элементарных частиц являются – масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.
Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, - фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны – лёгкие частицы (электроный и нейтрино),мезоны – средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона, барионы – тяжёлые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипертоны и многие резонансы.
Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положит, отриц или нулевым зарядом. В 1967г. американский физик М.Телл-Манн высказал гипотезу о существовании кварков – частиц с дробным электрическим зарядом.
По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц 5: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Элементарные частицы со средним временем жизни 10-23-10-22с называются резонансами. Они распадаются до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро.
Помимо заряда, времени жизни и массы элементарные частицы описываются также и понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием «спина», или собственно момента количества движения микрочастицы, и понятием квантовых чисел, выражающих состояние элементарных частиц.
Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на 2 класса – фермионы и бозоны.
К фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам – кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны). Эти частицы считаются истинно элементарными, т.е. далее неразложимыми. Остальные частицы классифицируются как условно элементарные, т.е. составные частицы, образованные из кварков и соответствующих квантов полей. Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.
Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий. Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. При определённых условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи – атомные ядра.
Электромагнитное взаимодействие свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон – квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомное ядро соединяются в атомы, атомы – в молекулы.
Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно связано с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрона в антинейтрино.
Гравитационное взаимодействие – самое слабое. В космических масштабах оно имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.
Все 4 взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира.
Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звёзды и Солнце не могли бы генерировать за счёт ядерной энергии теплоту и свет.
Без электромагнитного взаимодействия не было бы ни атомов, ни молекул, ни тепла и света.
Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах солнца и звёзд, необходимые для жизни тяжёлые элементы не могли бы распространиться во Вселенной.
Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звёзд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эволюционировать, т.к. гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и её эволюцию.
Современная физика пришла к выводу, что все 4 фундаментальных взаимодействия, необходимые для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира, можно получить из одного фундаментального взаимодействия – суперсилы. Наиболее ярким достижением стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все 4 взаимодействия объединяются в одно.
Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма. Среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц – это кварки: «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Остальные шесть – лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино.
Эти 12 частиц группируют в 3 поколения, каждое из которых состоит из четырёх членов.
В первом поколении – «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино.
Во втором поколении – «очарованный» и странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино.
в третьем поколении – «истинный» и «прелестный» кварки и тау-частицы со своим нейтрино.
Всё обычное вещество состоит из частиц первого поколения!
На основе кварковой модели физики разработали простое и изящное решение проблемы строения атомов.
Каждый атом состоит из тяжёлого ядра и электронной оболочки. Число протонов в ядре равно порядковому номеру в периодической таблице химических элементов Д.И.Менделеева. Протон имеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массы электрона, размеры порядка 10-13см. Электрический заряд нейтрона равен 0. Протон, согласно кварковой гипотезе, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Их нельзя представить в виде твёрдого шарика, скорее, они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.
Классическая концепция Ньютона
Классическая механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и неземных условиях, составляет основу для многих технических достижений в течение длительного времени. На её фундаменте формировались многие методы научных исследований в различных отраслях естествознания. Во многом она определила мышление и мировоззрение. Вплоть до начала 20 в. в науке господствовало механическое мировоззрение, физическая сущность которого заключается в том, что все явления природы можно объяснить движением частиц и тел. Примером большого успеха механического представления физических процессов можно считать разработку молекулярно-кинетической теории вещества, позволившей понять тепловые процессы. В книге «Эволюция физики» А.Энштейн и Л.Шефельд назвали развитие кинетической теории вещества одним из величайших достижений науки, непосредственно вызванной механическим воозрением.
В основе классической механики лежит концепция Ньютона, определившая лицо естествознания вплоть до 20в. Сущность концепции Ньютона наиболее кратко и отчётливо выразил А.Энштейн.
Согласно ньютоновской системе физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимодействие материальных точек). В ньютоновской концепции под физическими событиями следует понимать движение материальных точек в пространстве, управляемое неизменными законами. Материальная точка есть единственный способ нашего представления реальности, поскольку реальное способно к изменению.
В 1667г. Ньютон сформировал 3 закона динамики, составляющие основной раздел классической механики. Законы Ньютона играют исключительную роль в механике и являются (как и большинство физических законов) обобщением результатов огромного человеческого опыта, о чём сам Ньютон образно сказал: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов». Законы Ньютона рассматривают как систему взаимосвязанных законов.
Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействия со стороны других тел не заставит его изменить это состояние.
Стремление тела сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью, илиинерцией. Поэтому первый закон Ньютона называют также законинерции.
Для количественной формулировки второго закона динамики вводятся понятия ускорения а, массы тела mи силыF. Ускорением характеризуется быстрота изменения скорости движения тела.Масса тела– физическая величина – одна из основных характеристик материи, определяющая её инертные (инертная масса) и гравитационные (тяжёлая и гравитационная масса) свойства.
Сила– это векторная величина, мера механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою форму и размеры.
Второй закон Ньютона: ускорение, приобретаемое материальной точкой (телом), пропорционально вызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точке (тела):
a=F/m;
Второй закон Ньютона справедлив только в инерциальных системах средств отсчёта. Первый закон Ньютона можно получить из второго. Действительно, в случае равенства нулю равнодействующих ещё (при отсутствии воздействия на тело со стороны других тел) ускорение, также равно нулю. Однако первый закон Ньютона рассматривается как самостоятельный закон, а не как следствие второго закона, т.к. именно он утверждает существование инерциальных систем отсчёта.
Взаимодействие между материальными точками (телами) определяются третьим законом Ньютона: всякое действие материальных точек (тел) друг на друга носит характер взаимодействия; силы, с которыми действуют друг на друга материальные точки, всегда равны по модулю и противоположны по направлению и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки. Третий закон Ньютона позволяет осуществить переход от динамики отдельной материальной точки к динамике системы материальных точек, характеризующихся парным взаимодействием.
Законы Ньютона позволяют решить многие задачи механики – от простых до сложных. Спектр таких задач значительно расширился после разработки Ньютоном и его последователями нового для того времени математического аппарата – дифференциального и интегрального исчисления, весьма эффективного при решении многих динамических задач и особенно задач небесной механики.
Причинное объяснение многих физических явлений, т.е. реальное воплощение зародившегося ещё в древности принципа причинности в естествознании, привело в конце 18 – начало 19вв. к неизбежной абсолютизации классической механики. Возникло философское учение – механистический детерминизм, класическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749-1827), французский математик, физик и философ. Лапласовский детерминизмвыражает свою идею абсолютного детерминизма – уверенность в том, что всё происходящее имеет причину в человеческом понятии и есть непознанная разумом необходимость.
Согласно современным представителям, классическая механика имеет свою область применения: её законы выполняются для относительно медленных движений тел, скорость которых много меньше скорости света. В то же время практика показывает: классическая механика – безусловно истинная теория и таковой останется, пока будет существовать наука. Вместе с ней останутся и те общие и абстрактные «классические» образы природы – пространство, время, масса, сила и т.д., которые лежат в её основе. По крайней мере эти образы сохраняются в современной физике и во всём естествознании, только они стали чётче и объёмнее.