Кванты Молекулы атомы ядра поля-частицы 1 2 3

Кванты. Молекулы, атомы, ядра, поля-частицы 1. 2. 3. 4. Квантово-волновой дуализм. Соотношение неопределенностей. Ядерные взаимодействия и распады Бозоны и фермионы. Виды взаимодействий фундаментальных частиц. Представление о Стандартной Модели.

Фотоэффект Внешний фотоэффект - испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Схема для исследования внешнего фотоэффекта.

Эффект Комптона. Это упругое рассеяние рентгеновских квантов на свободных электронах, при котором изменяется длина волны света.

Равновесное излучение

Гипотеза Де-Бройля и ее экспериментальное подтверждение В 1923 году французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу, каждый микрообъект имеет: корпускулярные характеристики – энергию E и импульс p, волновые характеристики – частоту ν и длину волны λ. Следовательно, со всякой свободно движущейся частицей с импульсом р , связана плоская волна длина которой

Экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля: 1. Гипотеза де Бройля впервые была подтверждена на опыте американскими физиками Дэвисоном и Джермером в 1927 году. Они наблюдали дифракцию электронов, хотя изучали их рассеяние на поверхности монокристалла металла. Упорядоченные ряды атомов на поверхности металла действовали подобно штрихам тонкой дифракционной решетки.

Упрощенная схема опытов Г. Томсона по дифракции электронов. K – накаливаемый катод, A – анод, Ф – фольга из золота.

Картина дифракции электронов на поликристаллическом образце а) при длительной экспозиции б) при короткой экспозиции. Было доказано, что волновые свойства присущи отдельному электрону.

Соотношение неопределенностей Гейзенберга Получено в 1927 г немецким физиком В. Гейзенбергом. Согласно этому принципу в природе не существует состояния частицы с точно определенными значениями координаты и проекции импульса на эту координатную ось.

Спонтанное и индуцированное излучение 1. Поглощение излучения. Если атом находится в основном состоянии 1, то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние 2, приводящий к поглощению излучения. 2. Спонтанное излучение. Атом из возбужденного состояния 2, может спонтанно (самопроизвольно без внешних воздействий ) перейти в основное состояние, испуская при этом фотон с энергией hν = Е 2 – Е 1.

3. Вынужденное излучение. Если на атом, находящийся в возбужденном остоянии с 2, действует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию hν=Е 2–Е 1, то возникает вынужденный в основное состояние 1 с излучением фотона с той (индуцированный) же энергией, частотой, поляризацией, фазой и в том переход же направлении, что и у фотона, под действием которого произошел переход.

Твердотельные квантовые генераторы. Эффект усиления излучения в активных средах используется в оптических квантовых генераторах, или лазерах. Лазеры подразделяются: — по типу активной среды (твердотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные); — по методам накачки (оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др. ); — по режиму генерации (непрерывного или импульсного действия).

Первый твердотельный лазер — рубиновый — работает по трехуровневой схеме. (Al 2 O 3 с примесью (~0, 03%) Cr+3) (переход 1– 3) Излучение переводит атомы хрома в возбужденное короткоживущее состояние 3 (переход 3– 2) безызлучательный переход в долгоживущее состояние где происходит "накопление" атомов хрома на уровне 2.

Характеристики и особенности лазерного излучения 1. Временная и пространственная когерентность. 2. Строгая монохроматичность. 3. Большая плотность потока энергии. 4. Очень малое угловое расхождение пучка.

Использование В гос. университете г. Кливленд разработали способ дозаправки самолёта с помощью высокомощного лазера для повторной зарядки аккумуляторов, находящихся на борту.

Лазер Avenger способен сбить самолет «лазер на свободных электронах» n Американская оборонная корпорация Northrop Grumman объявила, что ей удалось разработать твердотельный электрический лазер мощностью около 100 киловатт.

Лазерный дальномер, установленный на винтовку, определяет расстояние до объекта

УСКОРИТЕЛИ ЧАСТИЦ n установки, в которых с помощью электрических и магнитных полей получаются направленные пучки электронов, протонов, ионов и других заряженных частиц с энергией, значительно превышающей тепловую энергию.

схема ускорения частиц: n 1) формирование пучка и его инжекция n 2) ускорение пучка n 3) вывод пучка на мишень или осуществление соударения встречных пучков в самом ускорителе.

ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ Частицы ускоряются в промежутках между дрейфовыми трубками. Внутри дрейфовых трубок они движутся с постоянной скоростью. Длина каждой трубки немного больше, чем предыдущей, и изменяется в пределах от 10 до 20 см, достигая постоянного значения в конце ускорителя, где скорость частиц становится близкой к скорости света. 1 – источник ионов (инжектор); 2 – ускоряющее напряжение; 3 – дрейфовая трубка; 4 – длинная линия; 5 – пучок.

ЦИКЛИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ Полярность напряжения на дуантах меняется после каждого полоборота, так что частицы ускоряются в зазоре, достигнув точки А, затем точки В и т. д. на протяжении большого числа оборотов. 1 – электрическое поле; 2 – дуант; 3 – ускоряющее напряжение.

Большой адронный коллайдер (Large Hadron Collider, LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначен ный для разгона протонов и ионов свинца и изучения продуктов их соударений.

Этапы разгона частиц

Дает возможность детально изучить кварковую структуру протона и других частиц состоящих из кварков (их называют адронами).

Всё вещество состоит из атомов n атомы состоят из компактного ядра и электронов, сидящих на своих электронных оболочках n ядро — это набор протонов и нейтронов, крепко связанных друг с другом за счет ядерного взаимодействия.

частицы делят на две категории: фермионы (частицы вещества) n бозоны (частицы взаимодействий, сил). n

Кварковая структура протона: 2 u-кварка и 1 d-кварк. Чем дальше кварки удаляются друг от друга, тем сильнее становятся связывающие их силы

Всё вещество состоит из 12 фундаментальных частицфермионов: 6 лептонов (электрон, мюон, тау- лептон, и три сорта нейтрино) и 6 кварков (u, d, s, c, b, t), частицы-переносчики взаимодействий (фотон, глюон, W- и Z -бозоны),

Стандартная модель — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя гравитацию. n До сих пор все предсказания Стандартной модели подтверждались экспериментом, иногда с фантастической точностью в миллионные доли процента. n Только в последние годы стали появляться результаты, в которых предсказания Стандартной модели слегка расходятся с экспериментом. С другой стороны, очевидно, что Стандартная модель не может являться последним словом в физике элементарных частиц, ибо она содержит слишком много внешних параметров, а также не включает гравитацию. n Поэтому поиск отклонений от Стандартной модели — одно из самых активных направлений исследования в последние годы. Ожидается, что эксперименты на коллайдере LHC смогут зарегистрировать множество отклонений от Стандартной модели.

СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ Хиггсовский бозон — единственная в этой таблице не открытая до сих пор частица.

Для исследований также используются вторичные пучки частиц Вторичные пучки мезонов можно использовать для образования нейтринных пучков, которые получаются при распаде мезонов.

Фундаментальные взаимодействия Взаимодействие Квант Радиус Примеры проявления взаимодейстия Сильное глюоны Ядро, адроны Электромагнитное γ-квант ∞ Атом, γ -переходы Слабое W, Z Гравитационное гравитон Слабые распады частиц, β-распад ∞ Сила тяжести