Тема 4 Структура микромира Элементарные частицы Вспомним античную

Тема 4. Структура микромира. Элементарные частицы. Вспомним античную эпоху: КОНТИНУАЛЬНАЯ КОНЦЕПЦИЯ Аристотеля (лат. continuum – протяжённость): в природе нет пустоты, материя бесконечно делима. КОРПУСКУЛЯРНАЯ КОНЦЕПЦИЯ Демокрита (лат. corpuscula – частица): наоборот, 2 независимых начала мира – неделимые атомы и пустота.

ПОВТОРЕНИЕ: Современные представления: 2 формы существования материи: - ВЕЩЕСТВО (m 0>0); - ПОЛЕ (m 0=0). что такое m 0? КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ – сочетание и проявление одним объектов свойств и вещества, и поля.

Поле: E=h Вещество: E=mc 2 Им соответствуют ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ КОНСТАНТЫ: с = 3 х 108 м/с (скорость света) h = 6, 63 х 10– 34 Дж*с (квант действия, постоянная Планка)

Опыты, подтверждающие поведение света (волны) подобно потоку частиц: 1. Вырывание светом электронов с поверхности металлов (фотоэффект Эйнштейна); 2. Рассеяние света на электронах (эффект Комптона).

В классической (неквантовой) физике движение частиц и волн – принципиально различные виду движения. Но из-за дуализма в микромире законы классической механики не выполняются.

По классическим представлениям частица, двигаясь по траектории, в каждый момент времени находится в определенной точке, поэтому не может в этот же момент времени находиться в других точках. По квантовым представлениям микрочастица-волна может одновременно находиться в разных точках. Т. е. , для описания движения микрочастиц ТЕРЯЕТ СМЫСЛ ПОНЯТИЕ ТРАЕКТОРИИ.

Л. де Бройль: корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам. Для частицы с импульсом p=mv=mc и энергией E=mc 2 Учитывая E=h и длину волны =c/v: mc 2=h -> mc= h /c -> =h/p

Гейзенберг (1927 г. ): принцип неопределенности: Частица не может иметь одновременно определенные координату х и импульс р, а неопределенность координаты х и импульса р связаны соотношением: х р ≥ h

Н. Бор (1927 г. ): принцип дополнительности: Получение экспериментальных данных об одних физических величинах микрообъекта неизбежно ведёт к потере некоторых других величин.

Строение атома и элементарные частицы К началу 1930 -х гг. были известны 4 элементарные частицы: протоны, нейтроны, электроны, фотоны.

АТОМ – мельчайшая (~10– 10… 10– 11 м) электронейтральная частица химического элемента, сохраняющая его свойства. В центре – компактное ЯДРО (10– 15… 10– 14 м), состоящее из ПРОТОНОВ (р+) и НЕЙТРОНОВ (n 0). Вокруг ядра движутся ЭЛЕКТРОНЫ, (е–) образующие электронную оболочку, радиус которой соответствуют размеру атома.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТОМА: 1. Заряд ядра Z (равен числу протонов, каждый из которых несёт 1 элементарный заряд +1, 9 х10– 19 Кл). Z равно числу электронов. При отдаче или присоединении электронов образуются частицы с целочисленным зарядом – ИОНЫ;

2. Массовое число М – суммарное количество протонов и нейтронов: М=Z+N. Почти вся масса атома (~99, 9%) – в ядре. Она складывается из масс протонов и нейтронов (1, 66 х10– 27 кг). Электроны намного легче (9, 1 х10 – 31 кг). 3. Число электронных (энергетических) уровней, совпадающее с номером периода элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева.

Современные представлени я о строении атома (на примере водорода)

В 1920 -е гг. на смену орбитальной модели Н. Бора (в которой электроны закреплены на постоянных траекториях) пришла волновая (квантовая) модель электронной оболочки атома, которую предложил Э. Шредингер.

Но в волновой модели орбиталь – это пространство около ядра, в котором обнаруживается электрон с вероятностью 95%. Электроны способны переходить на более высокие уровни. Обратный переход, идёт с выделением энергии (в виде ЭМ излучения). В зависимости от частоты оно находится в УФ или видимом диапазоне.

Возможные орбитали – формы движения электронов Ядро атома находится в точке пересечения координат.

ИЗОТОП – набор атомов с постоянным Z (т. е. , принадлежащих к одному химическому элементу), но с разным массовым числом. Разница масс изотопов – из-за неравного числа нейтронов. Массы изотопов выражаются целыми числами. В Периодической системе большинство элементов имеют дробные значения атомных масс. Это объясняется тем, что в природе элементы представлены одновременно несколькими изотопами.

Верхний индекс – массовое число, нижний – заряд ядра. 1 Н, 2 Н, 3 Н – изотопы водорода с 1 1 1 массами 1, 2 и 3. Ядра атомов ОДНИХ ЭЛЕМЕНТОВ МОГУТ ПЕРЕХОДИТЬ В ЯДРА ДРУГИХ в ходе ядерных реакций: - При самопроизвольном распаде нестабильного (радиоактивного) изотопа; - При бомбардировке ядер стабильных изотопов частицами высоких энергий. В ПРИРОДЕ ВСТРЕЧАЮТСЯ КАК СТАБИЛЬНЫЕ, ТАК И РАДИОАКТИВНЫЕ изотопы.

Чтобы ядро могло самопроизвольно распадаться, должна выделяться энергия Е. При этом сумма масс продуктов меньше массы исходного ядра: Е = m c 2 На использовании энергии Е дефекта масс m основана ядерная энергетика.

Фундаментальные взаимодействия: ГРАВИТАЦИОННЫЕ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ, СЛАБЫЕ, СИЛЬНЫЕ. Механизм: за счет обмена частицами – переносчиками.

Элементарные частицы / 1. Фермионы 2. Бозоны (составляют (участвуют в вещество) передаче фундаментальных - Лептоны взаимодействий) (существуют в свободном состоянии); -Кварки (существуют только в связанном состоянии)

ЛЕПТОНЫ Название частицы Спин Электронное нейтрино, ne Электрон, e- 1/2 Около 0 стабильно 0 1/2 0. 511 стабилен Около 0 стабильно -1 0 Мюонное нейтрино, nm мюон, m. Тау-нейтрино, nt Тау-лептон, t- Масса покоя, Мэ. В Время жизни, с Эл. заряд 1/2 106. 6 <164 2. 10 -6 стабильно -1 0 1/2 1784 3. 10 -12 -1

Взаимодействи Радиус Константа Частицы- Масса пое дейст взаимоперено коя -вия действ с-чики ия Электромагнитно фотоны 6. 10 – 39 0 ∞ е Гравитационное ∞ Слабое До 10 – 19 (отвечает за м устойчивость атомных ядер) Сильное До 10 – 16 (отвечает за м распад элементарных частиц) 1/137 0 10 – 14 гравитон ы векторны е бозоны >0 1 глюоны 0

Было обнаружено, что в ядерных реакциях не сохраняется момент импульса и даже нарушается закон сохранения энергии. Предположили, что должна существовать неизвестная ранее частица (нейтрино). Нейтрино должно было обладать невероятными свойствами – нулевой массой и зарядом, но иметь импульс, момент импульса, энергию и двигаться со скоростью света!

Нейтрино нашли в космических лучах, но из каждых 1012 частиц, падающих на Землю, в среднем все, кроме одной, свободно проходят сквозь Землю. Сравните: Автомобиль проходит 100 тыс. км (расстояние, в 107 раз превышающее его длину). Элементарные частицы за время жизни 10 -7 с проходят менее 1 м, что в 1015 раз превышает их размеры.

Частицы и античастицы У любой частицы есть своя античастица. Обе имеют равные массы, время жизни, тип распада, спиновые квантовые числа (собственный момент вращения) и противоположные электромагнитные свойства. Например, у электрона и позитрона электрические заряды и спиновые векторы имеют разные знаки.

При образовании пары позитрон (е+) – электрон (е–) электромагнитная энергия превращается в массу. При прохождении через вещество позитрон может столкнуться с электроном: тогда произойдет АННИГИЛЯЦИЯ (уничтожение) обеих частиц, и масса-энергия выделится в виде 2 фотонов с полной энергией: Е = 2 me 2 c

Тема 5. Микромир и эволюция Вселенной Вспомним модель А. Фридмана (нестационарная Вселенная). МОМЕНТ РОЖДЕНИЯ Вселенной (БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ) ~ 12 -16 млрд. лет назад.

1. 0… 10– 35 с: раздувающаяся (инфляционная) Вселенная. Т 1027 К, единый тип взаимодействий, элементарные частицы – скалярные Х-бозоны. 2. 10– 33 с. Разделение кварков и лептонов на частицы и античастицы. Дисимметрия частиц и античастиц (1: 10– 6).

3. 10– 10 c. T=1015 K. Разделение сильного и слабого взаимодействий. 4. 10– 2 c. Стандартная модель развития. Число фотонов = числу позитронов. 5. 1 сек. Т= 1010 К. Вселенная остыла. Остались фотоны (кванты света), нейтрино и антинейтрино, электроны и позитроны, примесь нуклонов.

При эволюции Вселенной идёт взаимное преобразование вещества в излучение и наоборот. Пример: рождение и аннигиляции элементарных части. + e+ + e – + Для рождения пары электронпозитрон надо затратить энергию около 1 Мэв: такие процессы могут идти при температуре выше 1010 К. (температура Солнца ок. 108 К).

Однородная и изотропная модель Вселенной - приближение, справедливое лишь в достаточно больших масштабах, превышающих 300 -500 млн. световых лет. В меньших масштабах вещество распределено неоднородно.

Вселенная представляла газовое облако (атомы Н и Не). Под действием гравитации частицы облака сжимаются и разогреваются. При достижении высокой температуры в центре сжатия начинают протекать термоядерные реакции с участием водорода (родилась звезда). Водород переходит в гелий (в желтых карликах типа Солнца).

В массивных звездах (красных гигантах) водород быстро сгорает, звезда сжимается и разогревается до температур несколько сот млн град. В них происходят сложные термоядерные реакции - напр. , три ядра гелия объединяются и образуют возбужденное ядро углерода. Затем углерод с гелием образуют кислород и так далее вплоть до образования атомов железа.

Более тяжелые элементы требуют участия заряженных частиц и нейтронов, а самые тяжелые элементы образуются при взрывах Сверхновых звёзд. Существуют газопылевые облака (водород, гелий, пыль – остатки звезды, т. е. тяжелые элементы, и возможно, соединения этих элементов), из которых возможно образование звезд следующих поколений.

Оптический телескоп

Радиотелескоп

Галактики – стационарные звездные системы, удерживаемые за счет гравитационного взаимодействия. В нашей Галактике (Млечный путь) ~ 1011 звезд. Галактики, как и звезды, образуют группы и скопления.

Нейтронные звезды (состоящие, в основном, из нейтронов) – компактные объекты размером около 10 км, с огромным магнитным полем (1013 гаусс). Нейтронные звезды обнаружены в виде пульсаров (пульсирующие источники радио- и рентгеновского излучений) и барстеров (вспышечные источники рентгеновского излучения).