Лекция 19

Тема 16	ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
- частицы, которые на данном уровне развития науки рассматриваются как первичные, далее неразложимые.
Физика элементарных частиц	➨ устанавливает характеристики этих микрообъектов, проводит их классификацию, изучает свойства фундаментальных взаимодействий, анализирует обусловленные ими процессы.
Этапы в развитии физики элементарных частиц:
Первый этап - от электрона до позитрона 1897-1932 г.г.	➨ греческий философ Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами (что означает «неделимый»). В конце 19 века было открыто сложное строение атомов, электрон (1897г.) был выделен, как составная часть атома. В 20 веке были открыты протон (1919г.) и нейтрон (1932г.), – частицы, входящие в состав атомного ядра. Стало ясно, что атом имеет сложную структуру и не является элементарным.
Второй этап - от позитрона до кварков 1932-1964 г.г.	➨ выяснилось, что все элементарные частицы не являются неизменными. Они способны превращаться друг в друга, и эти взаимные превращения – главный факт их существования. Большинство элементарных частиц нестабильны и самопроизвольно превращаются с течением времени в другие частицы; исключение составляют фотон, электрон, протон и нейтрино. Все частицы имеют двойников – античастицы. Например, античастицей электрона является позитрон. Частица и античастица при столкновении исчезают (аннигилируют), превращаясь в другие частицы. Например, столкновение электрона и позитрона сопровождается рождение двух или трех -квантов.
Третий этап - от гипотезы о кварках (1964) до наших дней	➨ в 70-е годы число открытых элементарных частиц насчитывало несколько десятков. Была открыта группа так называемых «странных» частиц (К-мезонов и гиперонов) с массами, превышающими массу нуклонов. Затем к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, их назвали «очарованными». Были открыты короткоживущие частицы - резонансы с временем жизни порядка 10-22-10-23с. В связи с этим была высказана гипотеза, согласно которой все сильно взаимодействующие элементарные частицы построены из более фундаментальных частиц – кварков. Они были обнаружены внутри протонов и нейтронов при наблюдении рассеяния электронов и нейтрино больших энергий на нуклонах. В свободном состоянии кварки не найдены, видимо расщепить нуклоны и другие частицы на кварки невозможно. В настоящее время общее число известных элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400.
Уровень элементарных частиц
· классификация физических систем	➨ физические системы и процессы, в них протекающие, можно классифицировать по типичным размерам исследуемых объектов и типичным расстояниям между ними (характерные масштабы);
мегамир	➨ характерные масштабы большие, порядка миллионов световых лет (изучается космологией и астрофизикой);
макромир	➨ окружающие нас тела, обладающие «обычными» размерами (предмет макроскопической физики);
микромир	➨ характерные масштабы не превышают 10-8м (изучает квантовая физика);
Микромир · микроскопические уровни	➨ в микромире выделяются три уровня, различающиеся по характерным масштабам и энергиям ;
❶ молекулярно-атомный уровень	➨ ~ м; ~ эВ;
❷ ядерный уровень	➨ ~ м; ~ эВ;
❸ элементарные частицы	➨ в настоящее время уровень элементарных частиц разбит на два подуровня: · адронов; · фундаментальных частиц;
· уровень адронов	➨ на адроном уровне расположены составные частицы, в том числе протон и нейтрон ;
· уровень фундаментальных частиц	➨ уровень истинно элементарных частиц; на нем находятся: электрон (лептоны), фотон (переносчики взаимодействий), а так же частицы и (кварки).
Фундаментальные взаимодействия	➨ все процессы, в которых участвуют элементарные частицы, обусловленные взаимодействиями между ними;
· типы фундаментальных взаимодействий	➨ сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное; ➨ эти взаимодействия отличаются интенсивностью процессов, вызываемых среди элементарных частиц;
сильное (ядерное) взаимодействие	➨ самое сильное из фундаментальных взаимодействий; имеет характер притяжения; свойственно частицам, называемым адронами, к числу которых принадлежат протон и нейтрон ; обеспечивает стабильность атомных ядер;
электромагнитное	➨ характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем; характерно для всех элементарных частиц, за исключением нейтрино, антинейтрино и фотона; ответственно за существование атомов и молекул, обусловливая взаимодействие в них положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов;
слабое взаимодействие	➨ наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире; в отличие от других взаимодействий не приводит к образованию связанных состояний элементарных частиц, а имеет распадный характер;
гравитационное	➨ присуще всем без исключения частицам; имеет характер притяжения; осуществляется через гравитационное поле; ввиду малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало в процессах микромира;
· интенсивность взаимодействий	➨ об интенсивности взаимодействий можно судить по скорости процессов, вызываемых ими; для сравнения берут скорости процессов при энергиях сталкивающихся частиц около 1 ГэВ; обычно интенсивности взаимодей-ствий сравнивают с сильным взаимодействием, принятым за единицу.
· сравнительные характеристики Взаимодействий	Взаимо- действие	Интен- сивность	Длительность процессов, с	Радиус действия, см
Сильное		10-23	10-13
Электро-магнитное	10-2	10-20	∞
Слабое	10-14	10-9	10-16
Гравита-ционное	10-31	-	∞

Тема 17	МЕТОДЫ И ЗАКОНЫ ФИЗИКИ
ФИЗИКА	➨ наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, а также законы ее движения.
Физика – экспериментальная наука, ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем.
· экспериментальная физика	➨ опыты, проводимые для обнаружения новых фактов и проверки известных физических законов;
· теоретическая физика	➨ формулирование законов природы и объяснение конкретных явлений на основе законов, предсказание новых явлений. При изучении любого явления эксперимент и теория в равной степени необходимы и взаимосвязаны.
Эксперимент	➨ метод познания, при помощи которого в контролируемых и управляемых условиях исследуются явления природы.
Теория	➨ система основных идей в той или иной отрасли знания; форма научного знания, дающая целостное представление о закономерностях и существенных связях действительности.
Моделирование	➨ исследование каких-либо явлений, процессов или систем объектов путем построения и изучения их моделей
· математическое моделирование	➨ замена изучения некоторого объекта или явления теоретическим исследованием его модели, в основу которой положены теоретические физические законы, подтвержденные практикой.
· физическое (экспериментальное) моделирование	➨ замена изучения некоторого объекта или явления экспериментальным исследованием его модели, имеющей ту же физическую природу.
Научная гипотеза	➨ предположение, при котором на основе фактов делается вывод о существовании явления, связи, объекта. Научная гипотеза требует проверки, доказательства, после чего она становится или научной теорией, или отбрасывается, если результат проверки отрицательный.
Физический закон	➨ раскрывает внутреннюю связь явлений или свойств материальных объектов.
· частные законы	➨ пример – закон равномерного движения;
· общие законы	➨ для больших групп явлений, например, закон сохранения механической энергии, выполняется только в механике;
· универсальные (всеобщие) законы	➨ справедливы для любых явлений природы, например, закон сохранения и изменения энергии.
· границы применимости физических законов	➨ физические законы имеют границы своей применимости, например, формулы кинематики и динамики специальной теории относительности справедливы при скоростях, близких к скорости света; если скорость меньше скорости света, то они переходят в законы и формулы механики Ньютона.
Роль математики в физике	➨ законы физики представляют собой количественные соотношения и формулируются на математическом языке. Математика дает не только формы записи физических законов, но и создает методы получения этих законов.
Тема 18	ЕДИНАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
Физическая картина мира (ФКМ)	➨ представление о природе, исходящее из некоторых общих физических принципов. ФКМ зависит от уровня развития цивилизации. ФКМ – совместный плод развития философии и наук естественного цикла: физики, химии, математики. Границы, отделяющие физику от других естественных наук, условны и меняются с течением времени. Понятия и законы физики лежат в основе всего естествознания.
Эволюция ФКМ	➨ определяется общим характером развития научных знаний общества и сменой его представлений о физическом устройстве мира. В истории физики различают три уровня научного мировоззрения – три ФКМ: механическая картина мира (МКМ), электромагнитная картина мира (ЭМКМ), квантово-полевая картина мира (КПКМ).
· механическая картина мира (МКМ)	➨ основой для создания послужили открытые в 17 веке Ньютоном законы механики. Все сложные явления природы ученые пытались объяснить на основе законов механики. Исследования электромагнитных процессов показали, что они не подчиняются механике Ньютона.
- основные открытия этого периода	У. Гильберт	1544-1603 Англия	- исследования природного электромагнетизма
И. Кеплер	1571-1630 Германия	законы движения небесных тел
	Г. Галилей	1564-1642 Италия	- механическое движение, телескоп
	Р. Декарт	1596-1650 Франция	- система координат, функция, импульс
	Э. Торричелли	1608-1648 Италия	- атмосферное давление, барометр
	Э. Мариотт	1620-1684 Франция	- газовые законы
	Р. Бойль	1662-1691 Англия	- газовые законы
	Х. Гюйгенс	1629-1695 Голландия	- маятник, волновая теория света
	И. Ньютон	1642-1727 Англия	- механика, корпускулярная теория света
· электромагнитная картина мира (ЭМКМ)	➨ основой для создания послужил открытый Максвеллом новый тип фундаментальных законов – законов электромагнитного поля которые не находили объяснения в рамках МКМ и вступали с ней в противоречие.
- основные открытия этого периода	Л. Гальвани	1737-1798 Италия	- электрические контактные потенциалы
А. Вольта	1745-1827 Италия	- первый химический источник тока
	А. Ампер	1775-1836 Франция	- законы и теория магнетизма
	Х. Эрстед	1777-1851 Дания	- магнитное действие электрического тока
	Г. Ом	1787-1854 Германия	- основной закон электричества
	М. Фарадей	1791-1867 Англия	- электромагнитная индукция, электролиз
	Э. Ленц	1804-1865 Россия	- электромагнитная индукция, тепловое действие тока
	Д. Максвелл	1831-1879 Англия	- электромагнитная теория
· квантово-полевая (современная) картина мира (КПКМ)	➨ основой послужило открытие квантовых свойств материи: новые корпускулярно-волновые представления о материи органически объединили идеи дискретности, присущие МКМ, и идеи непрерывности, свойственные ЭМКМ. Принципы квантовой теории являются общими и применимыми для описания движения всех частиц, взаимодействия между ними и их взаимных превращений.
- основные открытия этого периода	Д. Менделеев	1834-1907 Россия	- периодическая система элементов
Г. Кирхгоф	1824-1887 Германия	- спектральный анализ излучения
	А. Беккерель	1852-1908 Франция	- открытие радиоактивности
	В. Рентген	1845-1923 Германия	- открытие рентгеновского излучения
	Э. Резерфорд	1871-1937 Англия	- исследования атома, модель атома
	М. Планк	1858-1947 Германия	- теория излучения
	Н. Бор	1885-1962 Дания	- модель атома, теория атома
	А. Эйнштейн	1879-1955 Германия	- теория фотоэффекта,
	Л.де Бройль	1892-1987 Франция	- корпускулярно-волновой дуализм
	П. Дирак	1902-1984 Англия	- квантовая теория, античастицы
	Э. Шредингер	1887-1961 Австрия	- волновая механика
	В. Гейзенберг	1901-1976 Германия	- квантовая механика
Единство в строении материи	➨ в основе лежит материальность всех элементарных частиц (открытие элементарных частиц и их превращения).
Принцип соответствия	➨ всякая новая, более общая теория является развитием классической теории, не отвергает ее полностью, а включает в себя классическую теорию, указывая границы ее применения. Например, при скоростях, много меньших скорости све-та законы и формулы специальной теории относительности переходят в законы и формулы механики Ньютона.
Принцип причинности	➨ категория для связи явлений, из которых одно, называемое причиной, обуславливает другое, называемое следствием. Согласно принципу причинности, совокупность ряда обстоятельств всегда ведет к появлению следствий. Следствие, определяясь причиной, не оказывает обратного воздействия на нее.

Библиографический список литературы

1. Бутиков, Е.И. Оптика: Учебное пособие для вузов / Под ред. Н.И. Калитиевского. - М.: Высш. шк, 1986.

2. Гершензон, Е.М. Курс общей физики: Оптика и атомная физика / Е.М. Гершензон, Н.Н. Малов, В.С. Эткин. – М.: Просвещение, 1981.

3. Григорьев, В.И. Силы в природе / В.И. Григорьев, Г.Я. Мякишев. – М.: Наука, 1983.

4. Иванов, Б.Н. Законы физики: уч. пособие для вузов. – М.: Высш. шк, 1986.

5. Ильин, В.А. История физики. Учебное пособие. М.: Издательский центр «Академия», 2003.

6 Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы.-3-е изд., испр.- М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001.

7 Калашников С.Г. Электричество. учеб. пособие.- М.: Наука,

1985.

8 Платунов Е.С.Физика. Словарь-справочник / Е.С. Платунов, В.А. Самолетов, С.Е. Буравой. - СПб: Питер, 2005.

9 Савельев И.В. Курс общей физики. т.3. М.: Наука,1985.

10 Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш.шк., 1985.

11 Физический энциклопедический словарь./Глав.ред. А.М. Прохоров-М.: Сов. энциклопедия, 1983.

12. Физическая энциклопедия: т.1-3.- М.: Изд-во Сов. Энциклопедия, 1988.

13 Яворский Б.М. Справочник по физике / Б.М. Яворский,

А.А. Детлаф. - М.: Наука, 1981.