Файл: Практическая работа 2 Фундаментальные взаимодействия.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.05.2024
Просмотров: 5
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №2
-
Фундаментальные взаимодействия (силы) - это наиболее глубокие физические структурные связи Вселенной, природы. Все действующие в природе силы можно свести к небольшому числу взаимодействий. В начале XX века их было известно два - гравитационное и электромагнитное. В 1930-х годах было обнаружено еще два - слабое и сильное. Цель физики - объединить все взаимодействия в одно и тем самым создать общую физическую теорию материи (единую теорию элементарных частиц).
Сильное взаимодействие обусловливает связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. Оно является наиболее интенсивным из всех фундаментальных взаимодействий, радиус действия его порядка 10-15 м (примерный радиус атомного ядра). При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи - атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.
Электромагнитное взаимодействие, примерами которого могут служить силы Кулона и силы Ампера, примерно в сто раз менее интенсивно, чем сильное. Силы электромагнитного взаимодействия медленно убывают с расстоянием (обратно пропорционально квадрату расстояния), и радиус его действия принимают равным бесконечности. Носителями электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон – квант э/м поля. В процессе э/м взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы в молекулы.
Слабое взаимодействие вызывает превращения элементарных частиц и обусловлено обменом промежуточными бозонами. Например, бета-распад. Радиус действия слабого взаимодействия составляет порядка 10-18.
Гравитационное взаимодействие, проявлением которого служит сила тяжести, является наименее интенсивным. Силы гравитационного взаимодействия медленно убывают с расстоянием, и радиус его действия считают бесконечным.
-
Вещество и поле различаются по массе покоя
Частицы вещества обладают массой покоя, электромагнитное и гравитационное поля - нет. Однако в микромире каждому полю сопоставляется частица (квант этого поля) и каждая частица рассматривается как квант соответствующего поля. Для ядерных полей (мезонного, нуклонного и т.д.) это различие уже неверно - кванты этих полей обладают конечной массой покоя.
Вещество и поле различаются по закономерностям движения
Скорость распространения электромагнитного и гравитационного полей всегда равна скорости света в пустоте (с), а скорость движения частиц вещества всегда меньше с. Однако наличие ядерных полей ликвидирует и эту границу. Для квантов этих полей как раз характерна невозможность движения со скоростью, равной с .
Вещество и поле различаются по степени проницаемости
Вещество мало проницаемо, электромагнитное и гравитационное поля - наоборот.
На уровне микромира и эта граница исчезнет. Для таких частиц, как нейтрино, вещество оказывается весьма проницаемым, с другой стороны, ядерные поля могут обладать очень малой проницаемостью.
Вещество и поле различаются по степени концентрации массы и энергии
Очень большая - у частиц вещества и очень малая - у электромагнитного и гравитационного полей. В микромире и это различие стирается. Ядерные поля обладают огромной концентрацией массы и энергии, и даже кванты электромагнитного поля могут достигать концентраций энергии, значительно превосходящих таковую у частиц вещества.
Вещество и поле различаются как корпускулярная и волновая сущности
Это различие исчезает на уровне микропроцессов. Частицы вещества обладают волновыми свойствами, а непрерывное в макроскопических процессах электромагнитное поле обнаруживает на уровне микромира свой корпускулярный аспект.
Общий вывод:
Различие вещества и поля верно характеризует реальный мир в макроскопическом приближении. Это различие не является абсолютным и при переходе к микрообъектам ярко обнаруживается его относительность. В микромире понятия «частицы» (вещество) и «волны» (поля) выступают как дополнительные характеристики, выражающие внутренне противоречивую сущность микрообъектов.
-
Микромир – пространственная протяжённость порядка 10-6 см и менее; основные объекты (структурные уровни материи) – молекулы, атомы и составляющие их элементарные частиц; основные типы взаимодействия – электромагнитное, сильное и слабое.
Также элементарные частицы можно классифицировать следующим образом:
1) По спину: нафермионы(полуцелый спин) ибозоны(целый спин).
2) По времени жизни частицы можно разбить на:
1) стабильные(электрон, протон, фотон, нейтрино);
2) квазистабильные— распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимодействий (нейтрон);
3) нестабильные— распадающиеся вследствие сильного взаимодействия (π-мезоны).
3) По массе все частицы разделены на три класса:
-
барионы(тяжелые): протон, нейтрон, гипероны, часть резонансов. Из них стабилен протон. Все они - фермионы. Имеют барионный заряд +1. Участвуют во всех типах взаимодействий. -
мезоны(средние, промежуточные): пи-мезоны, ка-мезоны и др. Нестабильны. Являются бозонами (нулевой или целочисленный спин). Барионного заряда нет. Участвуют во всех типах взаимодействий. Барионы + мезоны = адроны. -
лептоны(легкие): мюон, нейтрино, электрон. Мюоны являются фермионами, не участвуют в сильных взаимодействиях и обладают лептонным зарядом.
-
Классификация элементарных частиц
Элементарными частицами называют фундаментальные, т.е. неделимые, количества вещества или энергии. В соответствии с этим определением проводят наиболее общую классификацию элементарных частиц, которая выделяет элементарные частицы, представляющие собой структурные единицы вещества, и элементарные частицы, передающие фундаментальные взаимодействия и являющиеся квантами соответствующих полей.
Элементарные частицы вещества являются фермионами (т.е. имеют полуцелый спин) и бывают двух типов: кварки– основной строительный материал таких частиц, как протоны, нейтроны и –лептоны, к числу которых относятся электроны, мюоны и нейтрино.
Элементарные частицы, передающие взаимодействие, являются бозонами (обладают целым спином) и бывают четырех типов: гравитоны, передающие гравитационное взаимодействие, фотоны, передающие электромагнитное взаимодействие, слабые бозоны– для слабого взаимодействия иглюоны– для сильного ядерного взаимодействия.
-
Корпускулярно-волновые свойства частиц
В 20-х годах XX столетия было установлено, что любая частица имеет корпускулярно-волновую природу. Согласно теории Л. де Бройля (1924 г.), каждой частице с импульсом
соответствует волновой процесс с длиной волны λ, т.е. λ = h / p. Чем меньше масса частицы, тем больше длина волны. Для элементарных частиц В. Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, согласно которому невозможно одновременно определить положение частицы в пространстве и ее импульс. Следовательно, нельзя рассчитать траекторию движения электрона в поле ядра, можно лишь оценить вероятность его нахождения в атоме с помощью волновой функции ψ, которая заменяет классическое понятие траектории. Волновая функция ψ характеризует амплитуду волны в зависимости от координат электрона, а ее квадрат ψ2 определяет пространственное распределение электрона в атоме. В наиболее простом варианте волновая функция зависит от трех пространственных координат и дает возможность определить вероятность нахождения электрона в атомном пространстве или его орбиталь. Таким образом, атомная орбиталь (АО) – область атомного пространства, в котором вероятность нахождения электрона наибольшая. Волновые функции получаются при решении основополагающего соотношения волновой механики – уравнения Шредингера. (Точное решение получается для атома водорода или водородоподобных ионов, для многоэлектронных систем используются различные приближения). Поверхность, ограничивающая 90–95 % вероятности нахождения электрона или электронной плотности, называют граничной. Атомная орбиталь и плотность электронного облака имеют одинаковую граничную поверхность (форму) и одинаковую пространственную ориентацию. Атомные орбитали электрона, их энергия и направление в пространстве зависят от четырех параметров – квантовых чисел.