Міністерство освіти і науки України Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича

Чєрнега П.І.

Основи фізики Землі

Чернівці

“Рута"

2006

УДК 550.3(075.8)

ББК 26.20 я 7 4 491

І

Друкується за ухвалою редакційно-видавничої ради Че­рнівецького національного університету імені Юрія Федь- ковича

Ч 491 Чернсга П.І. Основи фізики Землі. Конспект лекцій.

• Чернівці: Рута, 2006. - 20 с.

В двох перших лекціях з курсу „ Основи фізики Землі” розгля­даються питання структури матерії (з чого ж саме побудова­ний відомий людству Всесвіт)згідно сучасних матеріалістичних поглядів на природу. Також подається інформація щодо сил (електрична, ядерна, слабкої взаємодії, гравітаційна), які при­ймають участь у побудові Всесвіту, галактик, зірок, планет тощо. Матеріал викладений у лекціях базується на знаннях, що отримані студентачи-географами з основ природничих наук у школі та на. молодших курсах географічних факультетів.

ББК 26.20я7

©"Рута", 2006 © Чернега П.І.. 2006

Тема 1. Структура матерії. Речовина та енергія.

Елементарні частини та їх властивості.

Електромагнітне випромінювання.

Античастинки. Матеріалізація та анігіляція.

Енергія. Її види та використання.

Література:

1. Йосип Клечек, Петр Якеш Вселенная и Земля (пер. на руск. язык Л. Белошевская, Л. Ленская ).- Прага.: Артия, 1986.-319 с.

2. Советский энциклопедический словарь/Гл. ред. А.М.Прохоров.-З-е изд. -М.: Сов. энциклопедия, 1985. -160с.

3. Элементарный учебник физики/Под ред. акад. Г.С. Ландсберга. -7-е изд.-М., 1971-Том 3-ий—640 с.

Властивості елементарних частинок

Атом, як “неподільний” має надзвичайно малі розміри. В од­ному кубічному міліметрі поміститься 10¹⁷ атомів. Атом подіб­ний за будовою до Сонячної системи, однак тип сил, що зв'язують в одне ціле атом, зовсім іншого характер, ніж сили в Сонячній системі. В атомі є “центральне тіло’’ - ядро і електро­ни, що обертаються навколо нього по певних орбітах.

Ядра атомів складаються з протонів (грецьке “protos” - пер­ший) і нейтронів (лат. “neuter” - нейтральний). Протони (р) - позитивно заряджені частинки, а нейтрони (п) - без електрично­го заряду, тобто нейтральні. Протони і нейтрони зв’язані між собою ядерними силами, а електрони з ядром - електромагніт­ними. Навколо ядра обертається стільки електронів (є ), скільки в ядрі протонів -тоді це нейтральні атоми. Якщо електронів ме­нше - позитивний іон, якщо електронів більше - негативний іон. Ядра атомів у 2000-4000 разів важчі від його електронів, тобто майже вся маса атома сконцентрована в ядрі, однак своїми роз­мірами атом завдячує електронним хмарам. У діаметрі атому поміститься близько 100 000 ядер.

Розміри елементарних частинок надзвичайно малі. Якщо взяти 10¹² елементарних частинок і розмістити їх у ряд, то отримаємо відрізок близько одного міліметра. Тобто діаметр елементарної ча­стинки складає 10 ¹² міліметра, або 10"¹³ метра. Ця величина отри­мала назву один фермі (за прізвищем італійського фізика І лріко Фермі). Незважаючи на такі неймовірно малі розміри протона, йо­го роль для Сонця та інших зірок надзвичайно важлива. Можна го­ворити, що протон - “герой всесвіту’". Він володіє ядерною, елект­ромагнітною та гравітаційною силами. Електрон має тільки елект­ромагнітну силу, а його гравітаційна сила незначна, тому він по­стійно намагається бути поблизу протона. В найбільшому тілі со­нячної системи - Сонці налічується близько 15 - Ю протонів, 7-10 нейтронів і 45- ИГ" електронів.

До нинішнього часу, мабуть, ніхто у світі достеменно не мо­же сказати, з чого складаються елементарні частинки. Проте можна визначити кількість Оцього" (невідомого) в одній частин­ці. Ця кількість і називається масою спокою елементарної час­тинки. Чим більша маса, тим більша вага, тому це тіло важче призвести до руху або зупинити його рух. Таке “небажання” ті­ла змінювати свій стан називається інерцією. Оскільки елемен­тарні частинки мають малу масу, їм властива мала інерція. Це є причиною за якою їх можна розігнати до швидкостей, що на­ближаються до швидкості світла (с =300 000 км/с). Деякі части­нки, наприклад фотони, володіють нульовою масою спокою, а отже, зразу ж після народження вони рухаються зі швидкістю світла. Тобто мова йде про масу елементарних частинок, коли вони не рухаються, знаходяться в стані спокою й володіють ма­сою спокою. Однак слід зазначити, що маса елементарної час­тинки може залежати й від швидкості її руху.

Протони (.т„ = 1836т,, електрона) і нейтрони («/„ = 1838т,, електрона) вважаються важкими частинками, а електрон - лег­кою. Маса електрона (т.) приблизно становить 10 ²⁷г, точніше 9Д-10‘²⁸г, або 9,1-Ю'³¹ кг. Знаючи масу спокою елементарної ча­стинки, можна обчислити її енергію спокою (Е₀). Наприклад, енергія спокою електрона складає: т_е ■ (300 000 км/с)², тобто пі,. ■ с² = 0,5 МеВ (мегаелектронвольт) (1 МеВ = 1,6 • 10'^ь Дж).

На відміну від електрона (однієї з найлегших частинок), най­важча частинка називається “омегою” (47). Вона в 3000 разів ва­жча за електрон, і навіть якщо взяти 10¹² Д то вони не зрушать найточніших ваг у світі. Близько одного грама складають 10²⁴ протонів.

При вивченні р, е, п у прискорювачах було відкрито ряд части­нок, які мають малий період життя, приблизно 10⁴ секунди. Та­кож були відкриті частинки, що існують всього лише 10'²² -Ю²⁰ секунди - їх назвали резонанси. До цього часу невідомо, чи це справді елементарні частинки. Згідно із сучасними уявленнями, вважається, що вони не відіграють важливої ролі у Всесвіті.

Елементарні частинки мають власний момент обертання, що отримав назву спін {„spin” (англ.) - обертання). Частинку зі спі­ном можна уявити у вигляді маленької дзиґи. їх обертання поді­бне до обертання великих тіл, але все ж відрізняється. На відмі­ну від великих тіл, обертання елементарних частинок неможли­во ні прискорити, ні сповільнити. Спін є невід’ємною і незмін­ною властивістю елементарної частинки, іншими словами, спін

• власний момент кількості руху елементарної частинки. Він має квантову природу і не пов’язаний із рухом елементарної ча­стинки як цілого, вимірюється постійною Планка її і має зна­чення (0. 1, 2, ... або 1/2, 3/2,...).

Деякі елементарні частинки володіють електричним зарядом. Напрямлений рух електрично заряджених частинок називається електричним струмом. Заряд, в 10¹⁹ електронів(стільки електро­нів проходить через нитку розжарювання в електричній лампо­чці) називають 1 кулон (К). Заряд в 1 кулон, що проходить через поперечний переріз провідника за одну секунду, створює силу струму, яка дорівнює 1 амперу (1 А). Звідси випливає, що заряд електрона дорівнює 10'¹⁴ кулона. Заряд, яким володіє електрон, мають всі негативно заряджені елементарні частинки. Заряд протона та інших позитивних частинок такий же самий, лише з протилежним знаком.

Частинки з електричним зарядом створюють навколо себе електричне поле. Поле діє з певною силою на будь-який заряд, поміщений у це поле. При русі зарядженої частинки створюєть­ся магнітне поле. Заряджені частинки при прискоренні чи упо­вільненні випромінюють порції електромагнітного випроміню­вання - фотони. При цьому електричний заряд не знищується - це закон збереження електричного заряду. Як вже раніше зазна­чалося, електрон - найменша електрично заряджена елементар­на частинка і не ділиться на дрібніші, яким би він міг передати свій заряд. Тобто він є стабільною частинкою.

Як видно з рисунку 1, однією із важливих груп елементарних частинок є баріони - важкі частинки. Основна їх властивість - баріонний заряд (Б). Баріони - це частинки з півцілим спіном і масою, не меншою від маси протона. До складу баріонів входять нуклони (р, п) та гіперони (сигма - £; ксі - лямбда - Я, омега

• £2 та ін.), а також всі так звані резонанси. Алгебраїчна сума всіх баріонних зарядів зберігається при різноманітних взаємоді­ях та перетвореннях.

Усі гіперони (див. рис.1) маложивучі і швидко розпадаються. Навіть нейтральний нейтрон, якщо він не знаходиться у взаємо­зв'язку з протоном, через 10 хв. після виникнення перетворюєть­ся в протон. Всі баріони стараються зайняти найбільш низьку по­зицію в ієрархії, тобто зменшити свою масу. Але найнижчим чле­ном цього ряду є протон, тому він не може більше розпадатися на. інші баріони. Кожному баріону надано позитивний баріонний за­ряд +1. В інших елементарних частинок баріонний заряд дорів­нює нулю (у фотонів, електронів тощо).

Сума всіх баріонів, що можуть перетворюватись, позначається N і називається загаїьним баріонним зарядом, або баріонним чис­лом. Як відзначалось раніше, загальний баріонний заряд залиша­ється незмінним, незалежно від процесів, що проходять у Всесві­ті. Це явище називається законом збереження баріонного заряду.

Збереження електричного і баріонного зарядів - це космічні закони і діють вони постійно. Якщо б протони і електрони мог­ли розпадатись до елементарних частинок з меншою масою спо­кою, то не могли б утворюватись атоми, молекули тощо, тому Всесвіт виглядав би, напевно, інакше.

Найлегші елементарні частинки - це частинки лептонної групи - / е р І о $- легкий. До них належать: електрон (е), нега­тивно заряджений мюон (//) та нейтрино - електронне (та мюонне (Г„).

Як і баріони володіють баріонним зарядом, лептони мають лептонний заряд (£). Кожному лептону присвоєно лептонний заряд +1, а античастинки лептонної групи мають заряд -1. Всі інші частинки мають нульовий лептонний заряд. Сума лептон­них зарядів при всіх перетвореннях залишається постійною, то­му що в даному випадку набирає сили закон збереження леп­тонного заряду.

Окрім вище названих властивостей, елементарні частинки мають властивості ізотонічного спіну, непередбачуваність та парність, але вони не є предметом вивчення даного курсу й ни­ми займаються спеціальні науки.