ЛЕКЦИЯ 3. ОРГАНИЗАЦИЯ МАТЕРИИ 1. 2. 3. 1 Понятие материи и ее виды. Микро-, макро- и мегамир. Фундаментальные взаимодействия. 09. 02. 2018 СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ И СИСТЕМНАЯ
1. ПОНЯТИЕ МАТЕРИИ. 09. 02. 2018 – одно из фундаментальных понятий философии, которое стало ареной борьбы материализма и идеализма. Вопрос о материи и ее свойствах, видах и формах бытия является коренным вопросом философии и естествознания на протяжении всей истории их развития. Материя есть философская категория для обозначения объективности реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, 2 существует независимо от них. Материя
1. ПОНЯТИЕ МАТЕРИИ. 1. 2. 3. 09. 02. 2018 Понятие материи выражает общий уровень знания людей о явлениях объективного мира и обуславливает решение всех других проблем философии и естествознания. Можно указать на три этапа становления понятия материи: наивно-материалистический – материя то, из чего состоят вещи и во что они превращаются, их «начала» или «элементы» ; механический – материя это масса или вещество, сами вещи, состоящие из элементов ( частиц, атомов, молекул … ); диалектико-материалистический – материя это объективная реальность, существующая в виде бесконечного многообразия закономерно взаимосвязанных и взаимодействующих между собой в пространстве и во времени качественно и количественно 3 различных ее видов и форм бытия, микро- и макротел и систем.
1. ПОНЯТИЕ МАТЕРИИ. 09. 02. 2018 Свойства: несотворимость, неуничтожимость, познаваемость, неисчерпаемость строения… Атрибуты: движение, пространство, время… В основе современных научных представлений о строении материи лежит идея о ее сложной системной организации. 4
09. 02. 2018 5
1. ПОНЯТИЕ МАТЕРИИ. Глубинные 09. 02. 2018 структуры материального мира представлены объектами элементарного уровня: элементарные частицы и физический вакуум. Физический вакуум – особое состояние материи, - это система квантовых полей с наинизшим уровнем энергии, причем все состояния с отрицательной энергией заняты виртуальными квантами, частицами. Виртуальные частицы нельзя обнаружить экспериментально. Рождение нашей Вселенной – результат развития, качественных преобразований одного состояния материи в другое. 6 Современная наука допускает возможность возникновения и существования множества миров.
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ. СЕЛЕННАЯ. В В истории физики наиболее плодотворной и важной для понимания явлений природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет прерывистое, дискретное строение, т. е. состоит из мельчайших частиц – атомов. Концепция атомизма, впервые была предложена древнегреческим философом Левкиппом в V в. до н. э. , далее развивалась его учеником Демокритом, материалистом Эпикуром (341 – 270 до н. э. ), римским философом Лукреций Кар (1 в. до н. э. ). Концепция атомизма была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним др. газы. Эта теория – гипотеза вплоть до XX века оставалась умозрительной, хотя и подтверждалась косвенно (броуновское движение, закон Авогадро и др. ) 7 09. 02. 2018
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ. ВСЕЛЕННАЯ. 09. 02. 2018 8
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ. ВСЕЛЕННАЯ. Концепция атомизма – концепция дискретного, квантованного строения материи – пронизывает естествознание на протяжении всей его истории. Многие ведущие ученые даже в конце XIX века не верили в реальность существования атомов. Расчеты по кинетической теории показывали, что мельчайшей частицей (корпускулой) является молекула. Соотношения между атомами и молекулами, их величины, их существование были определены только в XX веке. Реальность существования молекул была окончательно подтверждена в 1906 г. фр. физиком Жаном Перреном при изучении закономерностей броуновского движения. 09. 02. 2018 9
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ. ВСЕЛЕННАЯ. Современное представление: Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Число атомов в молекуле меняется от 2 до сотен миллионов- H 2, O 2, HF, KCL, белки, витамины, макромолекулы, ВМС, нуклеиновые кислоты, полимеры… Атом – составная часть молекулы. Электроны – это «атомы» электричества. Фотоны – это «атомы» света. 09. 02. 2018 10
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ. ВСЕЛЕННАЯ. 1. 2. 3. 4. 5. 6. До конца XIX века неделимость атома не вызывала сомнений. В 1897 г. Джозеф Джон Томсон (Лорд Кельвин) открыл электрон. В 1898 г. он определил заряд электрона. в 1903 г. Д. Томсон предложил первую модель атома – модель «бисквит» или «сыр» . в 1911 г. Э. Резерфорд предложил свою модель атома – «планетарная модель» . в 1913 г. Н. Бор разработал модель атома – «классическая модель с квантовомеханическими ограничениями» 09. 02. 2018 11
ПЕРВАЯ МОДЕЛЬ АТОМАДЖ. ТОМСОНА «БИСКВИТ» ИЛИ «СЫР» Атом Электроны 09. 02. 2018 12
ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА Э. РЕЗЕРФОРДА Ядро Электрон ы 09. 02. 2018 13
КЛАССИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АТОМАН. БОРА С КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКИМИ ОГРАНИЧЕНИЯМИ Стационарные уровни электронов E 1 – E 2 = hγ Ядро 09. 02. 2018 14
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ. ВСЕЛЕННАЯ. 1. 2. 3. 4. 5. 6. Размеры атомов – порядка 10 -10 м. Размеры ядер атомов – порядка 10 -14 м. Атом представляет собой единую квантовомеханическую систему, состоящую из ядра положительно заряженного и отрицательно заряженной электронной оболочки. Атомы состоят из нуклонов и электронов, причем нуклоны (протоны и нейтроны) входят в состав ядра атома. Атомное ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и весь его положительный заряд. Нуклоны это составные частицы из 6 видов кварков с зарядом -1/3 и +2/3 трех цветов – красный, зеленый, синий. 09. 02. 2018 15
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ. ВСЕЛЕННАЯ. Так , шаг за шагом современная физика открывала совершенно новый мир физических объектов – микромир или мир микрочастиц, для которых характерны преимущественно квантовые свойства. Поведение и свойства физических тел, составляющих макромир описываются классической физикой. Для описания процессов в микромире применяются квантовые и релятивистские теории современной физики. К двум разным объектам –микромиру и макромиру можно добавить и мегамир – мир звезд, галактик и Вселенной. Для мегамира 09. 02. 2018 необходимо применять уже нелинейную 16
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРОИ МЕГАМИРЫ. ВСЕЛЕННАЯ. Материя – это бесконечное множество всех существующих в мире объектов, систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. Современная наука выделяет в мире три структурных уровня: микромир, макромир, мегамир, тесно связанные между собой. 09. 02. 2018 17
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРОИ МЕГАМИРЫ. ВСЕЛЕННАЯ. Физика микромира (ядро, элементарные частицы, кварки, кванты) Физика мегамира (гравитация, релятивистика, космология) Физика макромира (динамика, аэрогидродинамика, термодинамика, электродинамика, акустика, оптика, физика твёрдого тела. . . ) 09. 02. 2018 18
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРОИ МЕГАМИРЫ. ВСЕЛЕННАЯ. Есть весьма веские основания предполагать, что Вселенная появилась в результате Большого взрыва (Big bang) и продолжает находиться в состоянии расширения. При этом в самом начале Вселенная с конечной массой и бесконечно большой плотностью была сосредоточена в бесконечно малом объеме пространства. (сингулярность) 09. 02. 2018 19
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ. ВСЕЛЕННАЯ. и время, которые заполнены материей, представляются гладкими и непрерывными. Однако встает вопрос, до каких пор можно уменьшать длину отрезка и промежуток времени. При расстояниях и промежутках времени, меньших соответствующих планковских, (10 -35 м, 10 -43 с ) перестает быть применимым понятие непрерывного пространства – времени. Пространство и время становятся «поврежденными зернистостью» . Пространство 09. 02. 2018 20
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ. ВСЕЛЕННАЯ. Различают три уровня мироздания: микромир, макромир и мегамир. К микромиру относят следующие объекты: элементарные частицы → ядра → атомы → молекулы. К мегамиру – звезды → галактики → Метагалактика (Вселенная). К макромиру относят все остальные объекты от мельчайших пылинок до планет. Пространственные диапазоны для этих миров указаны ниже : микромир от 10 -18 до 10 -7 м макромир от 10 -6 до 107 м мегамир от 108 до 1026 м 09. 02. 2018 21
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ. ВСЕЛЕННАЯ. частица во внешнем поле или система взаимодействующих частиц во внешнем и во внутреннем полях, будучи предоставлена самой себе, займет положение, соответствующее минимально возможному значению энергии, то есть расположится на дне «потенциальной ямы» – в этом и заключается принцип минимума энергии. Любая 09. 02. 2018 22
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ. ВСЕЛЕННАЯ. Взаимодействующие притягивающиеся частицы, объединившиеся в некоторое составное тело, окажутся в энергетически выгодном связанном состоянии. Чтобы отделить эти частицы друг от друга, то есть разрушить это составное тело, нужно затратить энергию, равную так называемой энергии связи. 09. 02. 2018 23
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ. ВСЕЛЕННАЯ. Для каждого структурного уровня существует свой порог энергии. При энергиях, ниже этого порога, все объекты данного уровня неделимы, и их можно считать бесструктурными. При воздействии на эти объекты энергией, сравнимой с пороговой или превышающей ее, они обнаруживают внутреннюю структуру и могут быть разделены на составляющие их элементы. 09. 02. 2018 24
2. КОНЦЕПЦИЯ АТОМИЗМА, МИКРО-, МАКРО- И МЕГАМИРЫ. СЕЛЕННАЯ. В Как видно из приведенного ниже, по мере углубления в микромир пороговая энергия возрастает, и мы встречаем все более стабильные объекты. Так разрушить атом гораздо легче, чем ядро атома. Объект Пороговая энергия, э. В атом 1 – 10 ядро 106 – 107 нуклон 108 – 109 1 э. В = 1, 6· 10 -19 Дж, где е = 1, 6· 10 -19 Кл – так называемый элементарный электрический заряд. 09. 02. 2018 25
3. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ МАТЕРИИ Живая природа Социальноорганизованная материя Метагалактика Биосфера Ноосфера Галактики и их системы Биогеоценозы Техносфера Экосистемы Человечество Популяции Цивилизация Многоклеточные Раса, нация, народность Звезды и их системы Планеты и их системы Макротела(тв. , газ, жидк. ) Молекулы Атом (микротела плазма) Простейшие Микроорганизмы Биополимеры Государство Коллектив Семья 26 Неживая природа 09. 02. 2018 Вселенная
3. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ МАТЕРИИ 1. 2. 3. 4. 5. Основные различия вещества и поля: Масса покоя – частицы вещества обладают массой покоя, поля же – нет; Закономерности движения – Скорости распространения полей всегда равны скорости света в пустоте, а скорость движения частиц вещества всегда меньше скорости света; Степень проницаемости- Вещество малопроницаемо, а поля – наоборот; Степень концентрации массы и энергии – очень большая у частиц вещества и очень малая у полей; Корпускулярная и волновая сущность – это различие исчезает на уровне микропроцессов, т. е. частицы вещества обладают волновыми свойствами, а поле обнаруживает на уровне микромира свой корпускулярный аспект. 09. 02. 2018 27
3. СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ МАТЕРИИ 09. 02. 2018 Структурные уровни вещества в микромире Молекулярный Атомный Нуклонный Кварковый 28
ОБЛАСТЬ ДОСТУПНЫХ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ МИКРОСКОПИЧЕСКИХ ИНТЕРВАЛОВ 1. 2. 3. 4. Уровень молекулярно-атомных явлений; Уровень релятивистских квантовоэлектродинамических процессов; Уровень элементарных частиц; Уровень ультрамалых масштабов, где пространственно-временные отношения отличны от классических ( пустота – бесконечная энергия – Зельдович – волна – 0. 5 hν ) 09. 02. 2018 29
Одной из главных составляющих физической парадигмы являются фундаментальные взаимодействия. Несмотря на удивительное разнообразие взаимодействий тел друг с другом, они сводятся, в конце концов, к взаимодействию частиц. В природе, по современным данным, имеется не более четырех типов взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, ядерные сильные и ядерные слабые. С проявлением всех четырех типов сил мы встречаемся, изучая то, что происходит во Вселенной, на нашей планете, исследуя вещество, живую материю, атомы и их ядра, взаимодействие элементарных частиц. Удивительно, что достаточно малому числу частиц соответствует еще меньшее число взаимодействий. 09. 02. 2018 30
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ УЧЕНИЯ О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ И ДВИЖЕНИИ Бытие всякого объекта означает нахождение его в состоянии взаимодействия и движения. Движение и взаимодействие являются способом существования материи. Взаимодействие представляет собой воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Движение представляет собой любое изменение, взаимодействие вообще. Движение включает в себя различные виды взаимодействия. Основные формы движения материи: механическая, физическая, химическая, биологическая, социальная. Взаимодействие обязательно предполагает передающую среду. Любые формы движения есть проявление фундаментальных взаимодействий материи. 09. 02. 2018 31
1. ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. 1. 2. 3. Догадка о единстве причин, управляющих движением планет и падением земных тел, высказывалась учеными еще задолго до И. Ньютона, одним из первых был Анаксагор. Античные и средневековые мыслители были далеки от правильного истолкования. Даже И. Кеплер считал причиной движения планет солнце. Ближе всех к разрешению загадки подошел Р. Гук: все тела обладают направленным к их центру притяжением; все тела вне сил движутся прямолинейно и равномерно; силы притяжения тем больше чем меньше расстояние. 09. 02. 2018 32
1. ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. Открытие закона всемирного тяготения считается одним из величайших триумфов науки и этим мы обязаны И. Ньютону: «Сила взаимного притяжения любых двух тел, размеры которых гораздо меньше расстояния между ними, пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между этими телами. » 09. 02. 2018 33
1. ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. r F 09. 02. 2018 m 2 m 1 F R , r<
1. ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. 1. 2. 3. 4. 5. Свойства гравитационных взаимодействий: Они имеют всеобщий, универсальный характер. Все, что имеет массу должно испытывать гравитационное воздействие. Исключение не составляет даже свет. Они вездесущие и всепроникающие, для гравитации нет преград. Гравитационные взаимодействия свободно передаются через любые формы материи, в т. ч. и вакуум – особую форму материи. Гравитационные взаимодействия являются самыми слабыми из всех четырех. Важным свойством является однонаправленность. Существуют только силы притяжения масс и нет сил гравитационного отталкивания. Гравитационные силы – это дальнодействующие силы. Радиус их действия равен бесконечности. 09. 02. 2018 35
1. ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. С исследованием движения планет связан один из величайших триумфов естествознания: предсказание французским ученым Леверрье и англичанином Адамсом новой планеты Нептун. На основе закона Ньютона сформулирована гипотеза О. Ю. Шмидта о происхождении Солнечной системы из гигантского облака. Из теории следует, что планеты должны двигаться вокруг солнца в одну и ту же сторону и что планеты ( за исключением Венеры и Урана) вращаются в одну и ту же 09. 02. 2018 36
1. ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. И. Ньютон считал, что гравитационные взаимодействия передаются посредством особой средыэфира, не осязаемой и не ощущаемой нами, но способной передавать взаимодействие мгновенно. Таким образом это допускает бесконечно большую скорость распространения. ( v= s/t, если t→ 0 то v→∞ ). Это и составляет сущность принципа дальнодействия. 09. 02. 2018 37
1. ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. Проблема гравитации вновь была рассмотрена спустя 234 года после открытия И. Ньютоном с принципиально новых позиций А. Эйнштейном. Это потребовало пересмотра представлений о пространстве и времени. До сих пор не создано завершенной теории гравитации, не обнаружены переносчики гравитационного взаимодействия – гравитоны. В то же время предложены эффекты гравитационного замедления времени и искривления пространства. 09. 02. 2018 38
2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ПРИНЦИП БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ. Электромагнитные взаимодействия намного превышают по величине гравитационные взаимодействия, но механизм электромагнетизма был понят и изучен позднее. Электромагнитную природу имеют большое количество явлений: силы упругости, силы трения, силы наших мышц, силы взрыва и т. п. Электромагнитным силам природа предоставила самую широкую арену деятельности. В жизни, за исключением притяжения к Земле и приливов, мы встречаемся только с различными видами электромагнитных взаимодействий. 09. 02. 2018 39
2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ПРИНЦИП БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ. При взаимодействии частиц в самых компактных системах природы – в атомных ядрах – и при взаимодействии космических тел электромагнитные силы играют выдающуюся роль. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы, образование кусков вещества определяются только электромагнитными силами. В основе действия всех этих сил лежат одни и те же общие закономерности – законы взаимодействия электрически заряженных тел. Взаимодействие между заряженными частицами осуществляется посредством электромагнитного поля. Открытие взаимодействия неподвижных электрических зарядов было сделано под влиянием 09. 02. 2018 40 идей Ньютона.
2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ПРИНЦИП БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ. В середине XVIII века уже высказывались предположения, что закон взаимодействия зарядов аналогичен закону всемирного тяготения. Первым доказал это экспериментально англичанин Кевендиш. Более 100 лет лежали его рукописи в библиотеке Кембриджского университета, пока их не извлек Дж. Максвелл и не опубликовал. К этому времени закон взаимодействия зарядов был установлен во Франции Кулоном и с тех пор носит его имя. 09. 02. 2018 41
2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ПРИНЦИП БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ. Сила взаимодействия неподвижных заряженных тел прямо пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. 09. 02. 2018 42
2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ПРИНЦИП БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ. 09. 02. 2018 43
2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ПРИНЦИП БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ. Свойства электромагнитных взаимодействий: 1. 2. 3. 4. Они не имеют столь универсального характера как силы гравитации и действуют лишь между зарядами. Они двунаправленные, т. е. существуют силы притяжения и отталкивания, в зависимости от знака заряда. Электромагнитные силы – дальнодействующие, т. е радиус действия равен бесконечности. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон – квант электромагнитного поля. 09. 02. 2018 44
2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ПРИНЦИП БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ. Магнетизм и электричество обнаружили глубокое сродство. Магнетизм связан не со статическим электричеством, а с электрическим током. Это подтвердил экспериментально Эрстед. Силы магнитного взаимодействия частиц гораздо слабее кулоновских в обычных условиях. Лишь при скоростях частиц, приближающихся к скорости света, они становятся сравнимыми. 09. 02. 2018 45
2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ПРИНЦИП БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ. Согласно М. Фарадею электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое и магнитное поля. Поле одного заряда действует на другой и наоборот. В основе представлений М. Фарадея об электрическом поле было понятие о силовых линиях. Дж. Клерк Максвелл сумел придать идеям Фарадея точную количественную форму – он написал систему уравнений электромагнитного поля. 09. 02. 2018 46
1. 2. 2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ПРИНЦИП БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ. Максвелл сумел теоретически показать, что электромагнитные взаимодействия распространяются с конечной скоростью, равной скорости света в пустоте. Это фундаментальный результат, ставящий крест на концепции дальнодействия. Фарадей предположил существование некоторой среды, посредством которой передается электромагнитное взаимодействие – эфира. Оба эти пункта и составляют сущность принципа близкодействия. 09. 02. 2018 47
2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ПРИНЦИП БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ. Электромагнитные взаимодействия определяют возникновение атомов, молекул и макротел. Оно описывается электростатикой, электродинамикой, квантовой электродинамикой. Оно в 100 -1000 раз слабее ядерного сильного взаимодействия. Модель электромагнетизма хорошо описала одни явления, но в то же время поставила не меньше вопросов, создала неразрешимые противоречия. Это послужило стимулятором возникновения новых идей: теория относительности, релятивистская физика, физика элементарных частиц, квантовая механика, квантовая химия и 09. 02. 2018 48 т. д.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К началу XX века выяснилось, что все известные к тому моменту силы сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: электромагнитному и гравитационному. В 1930 – е годы выяснилось, что атомы содержат ядра, состоящие из нуклонов. Было постулировано существование нового фундаментального взаимодействиясильного ядерного взаимодействия. Для описания процессов распада нейтрона было постулировано – слабое ядерное взаимодействие. Этих 4 взаимодействий было достаточно для описания всех до сих пор наблюдавшихся процессов. 09. 02. 2018 49
1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ. физика ставит проблемы, решение которых прямо упирается в самый основной вопрос – о строении вещества. Ядерное вещество настолько специфично, что оторвать вопрос о том, что взаимодействует от вопроса как взаимодействует невозможно. Основные идей протонно-нейтронной модели ядра были сформулированы Иваненко (СССР) Гейзенбергом (ФРГ) практически одновременно, как только появились сведения об опытах Чадвика, который открыл нейтрон в лаборатории Резерфорда в 1932 г. Ядерная 09. 02. 2018 50
1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ. Элементарные частицы являются глубинным уровнем структурной организации материи. Частицы имеют ту или иную структуру. Первые открытые элементарные частицы вселили надежду, что их будет не так много для построения единой картины мира. На сегодня известны более 300 частиц. Среди них имеются как экспериментально обнаруженные, так и теоретически вычисленные, включая такие, как резонансы, виртуальные частицы. 09. 02. 2018 51
1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ. Элементарные частицы – специфическая форма существования материи, не ассоциированная в атомы и ядра. К ним относятся: протоны, нейтроны, электроны, фотоны, пионы, мюоны, тяжелые лептоны, нейтрино, странные(каоны, гипероны), резонансы, мезоны со скрытым очарованьем, очарованные, промежуточные векторные бозоны и т. д. Элементарные частицы характеризуются следующими основными свойствами: 1. Масса; 2. электрический заряд; 3. среднее время жизни; 4. спин; квантовые числа 09. 02. 2018 5. 52
1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ. 1. Массу покоя элементарных частиц определяют к массе покоя электрона. Фотоны не имеют массы покоя. Остальные частицы по этому признаку делятся на: лептоны – легкие частицы ( электрон и нейтрино); мезоны – средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы – тяжелые частицы, масса которых превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят: протоны, нейтроны, гипероны и др. 09. 02. 2018 53
1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ. 2. Электрический заряд – важнейшая характеристика частиц. Все известные частицы обладают либо положительным, либо отрицательным, либо нулевым или нейтральным зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным электрическим зарядом. В 1963 -64 гг. была высказана гипотеза о существовании кварков – частиц с дробным электрическим зарядом и к 1994 году все 6 типов кварков были экспериментально обнаружены. 09. 02. 2018 54
1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ. 3. По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел, определяют их свойства. Нестабильные частицы существуют около 10 -10 – 10 -24 секунды, после чего распадаются. Нейтрон в свободном состоянии существует в среднем лишь около 15 минут, а затем самопроизвольно распадается на протон, электрон и нейтрино. Элементарные частицы с временем жизни 10 -22 – 10 -23 секунды называют резонансами. Резонансные состояния вычислены теоретически, экспериментально не подтверждены. 09. 02. 2018 55
1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ. 4. Спин – собственный момент количества движения микрочастицы. Частицы одного типа имеют абсолютно одинаковые спины. Электрон обладает моментом, равным 0. 50272∙ 10 -34 Дж∙с. Эта величина в точности равна h/2. (h-постоянная Планка - принята за единицу спина) Частицы обладающие полуцелым спином называются фермионами. Из них построена вещественная субстанция. Частицы обладающие целым спином называются бозонами. Они являются квантами полей или посредниками фундаментальных взаимодействий. 56 09. 02. 2018
1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ. 5. Квантовые числа – выражают состояния элементарных частиц и характеризуют электронные орбиты, причем различают главное, орбитальное, магнитное и спиновое квантовые числа. Масса, спин, квантовые числа и время жизни античастиц имеют те же значения, что и для частиц. Электрический заряд античастицы противоположен по знаку и равен по абсолютной величине заряду частицы. Помимо этих свойств элементарные частицы характеризуются: внутренними квантовыми числами, барионным и лептонным зарядами, четностью, кварковыми ароматами – изоспин, странность, очарованье, красота, цвет. 57 09. 02. 2018
1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ. Наиболее важное квантовое свойство элементарных частиц – испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами. Истинно элементарными частицами или фундаментальными считаются: кварки и лептоны, кванты полей, частицы Хигса. Масса большинства частиц имеют порядок массы протона 1. 7∙ 10 -27 кг. Размеры адронов порядка 10 -15 м, а размеры электрона и мюона не определены, но < 1009. 02. 2018 18 м. 58
2. СИЛЬНЫЕ ЯДЕРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. В характеристике элементарных частиц имеет место еще одно представление взаимодействие: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Свойства частиц определяются первыми тремя взаимодействиями. Сильное ядерное взаимодействие вызывает процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью и приводит к самой сильной связи частиц: нуклонов в ядрах атомов и кварков в адронах (гипотеза М, Гелл-Ман, 1964 г. ) 09. 02. 2018 59
2. СИЛЬНЫЕ ЯДЕРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. Сильное взаимодействие действует на расстоянии меньшем 10 -15 м. Сильное взаимодействие открыто Э. Резерфордом в 1911 году. Этими силами объясняется – рассеивание, проходящих через вещество α частиц. Величина заряда при сильном взаимодействии не меняется. Ядерные силы возникают при обмене между адронами – мезонами. Глюоны – нейтральные частицы со спином =1 и нулевой массой являются переносчиками сильного взаимодействия между кварками и «склеивают» их в адроны. 09. 02. 2018 60
3. СЛАБЫЕ ЯДЕРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. Слабое ядерное взаимодействие возможно между различными частицами на расстоянии меньших 10 -16 м. Слабое ядерное взаимодействие обеспечивает переход между различными типами кварков , определяет β распад, т. е. взаимопревращения протона и нейтрона с выделением электрона или позитрона и испусканием нейтрино или антинейтрино. За счет этого взаимодействия светит наше Солнце. 09. 02. 2018 61
3. СЛАБЫЕ ЯДЕРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. Большинство элементарных частиц нестабильно благодаря слабому ядерному взаимодействию. При слабом взаимодействии меняется электрический заряд. Посредником слабого взаимодействия является промежуточный векторный виртуальный бозон, которой и обмениваются частицы (кварки и лептоны). к слабым взаимодействиям обычно относят все процессы с участием нейтрино и все взаимодействия, меняющие квантовое число. 09. 02. 2018 62
3. СЛАБЫЕ ЯДЕРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. 1. 2. Все взаимодействия в природе обусловлены актами рождения и гибели частиц, происходящими в определенных точках пространства и времени: все взаимодействия состоят из процессов рождения и гибели частиц; все процессы рождения и гибели частиц происходят мгновенно и локализованы в точке, не распределены в пространстве и не длятся во времени. Ядерные силы короткодействующие, т. е. радиус их действия меньше 10 -15 м. 09. 02. 2018 63
3. СЛАБЫЕ ЯДЕРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. 1. 2. 3. От силы взаимодействия зависит время превращения частиц: Ядерные реакции (сильное) имеют время превращения 10 -24 – 10 -23 с; Электромагнитные взаимодействия – 10 -19 – 10 -21 с; Слабые взаимодействия – 10 -10 с. С позиции классической физики все явления внутри ядра абсолютно парадоксальны. 64 09. 02. 2018
3. СЛАБЫЕ ЯДЕРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. 1. 2. 3. Японский ученый Юкава выявил существенные детали ядерных взаимодействий: Взаимодействие является результатом обмена частицами; Радиус действия сил или расстояние на котором проявляется взаимодействие, тем меньше, чем больше масса частиц, переносящих взаимодействие; Взаимодействие является специфически квантовым. 09. 02. 2018 65