Вопрос элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия.

Микрочастицами наз-ют элемент-ые частицы (электроны, протоны, нейтроны, фотоны и др. простые частицы), а также сложные частицы, образованные из сравнительно небольшого числа элементарных частиц(молекулы, атомы, ядра атомов т.п.). также под элемент-ми частицами можно понимать такие микрочастицы, внутреннюю

структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение др. частиц. Во всех наблюд-ся до сих пор явл-ях каждая иакая частица ведет себя как единое целое. Элементарные частицы могут превр-ся в др. друга. Для того, чтобы объяснить св-ва и поведение элемт-х частиц, их прихся наделить, кроме массы, электрич-го заряда и спина, рядом дополн-ых, характерных для них величин (квантовых чисел: n-главное кв. число(опред-ее энергию), l-орбит-ое кв. число(опред-ее величину орбит-го мом. импульса), m-магн-ое кв. число(опред-ее величину проекции орб-го мом. на направление внешнего магн/поля), m_s – спиновое кв. число(опред-ее проекцию спинового мом. на направл-ие внешнего м/поля)).

Известны 4 вида взаимод-ия между элемент-ми частицами:

1. сильное – обеспеч-ет связь нуклонов в ядре

2. электр/магн

3. слабое – ответственно за все виды β-распада ядер, за многие распады элем-х частиц, а также за все процессы взаимод-я нейтринос вещ-ом.

4. гравитационное – явл-ся универсальным, ему подвержены без искл-ия элемент-ые частицы.

Элемент-ые частицы подразделяют на 4 класса:

1. фотоны – γ (кванты Эл/магн поля), участвуют в Эл/м взаимод-ях, но не обладают сильным и слабым взаимод-ми.

2. лептоны – к их числу отно-ся частицы не облад-е сильным взаимод-ем: мюоны, электроны, электронные нейтрино. Все лептоны облад-т слабым взаимод-ем.

3. мезоны – сильно взаимод-ие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда(П-мезоны, К-мезоны. Они облад-ют слабым, сильным взаимод-ем, проявляющимся при взаимод-ии их между собой, а также при взаимод-ии между мезонами и барионами.

4. барионы – объед-ет в себе нуклоны (p,n) и нестабильные частицы смассой больше массы нуклонов. Все барионы облад-ют сильным взаимод-ем → активно взаимод-ют с атомными ядрами.

Методы регистрации частиц: в общем частицы обнаруживаются по ионизации, вызванной порожденными ими заряженными частицами. Приборы, применяемые для регистрации иониз-х частиц, подраздел-ся на 2 группы: 1 – устр-ва, которые регист-ют факт пролета частицы, также можно судить об ее энергии; 2 – трековые приборы(приборы, позвол-ие наблюдать следы частиц в вещ-ве).

К числу регист-их приборов относ-ся ионизац-е камеры и газоразрядные счетчики, а также черенковые счетчики, сцентилляционные счетчики и полупроводниковые счетчики.

К числу трековых приборов отно-ся камера Вильсона, диффузионные камеры, пузырьковые, искровые и эмульсионные.

Камера Вильсона: 1912г. Дорожка из ионов, проложенная летящей заряженной частицей, стан-ся видимой в камере, потому что на ионах происходит конденсация пересыщенных паров какой-либо жидкости. Пересыщение достиг-ся за счет внезапного охлаждения, вызываемого резким (адиабат-м) расширением рабочей смеси, состоящей из неконденсирующегося газа (гелий, азот) и паров воды, этилового спирта и т.п. в этот же момент производ-ся с нескольких точек фото-ие рабочего объема камеры. Это позволяет воссоздать пространственную картину зафиксированного явления.

Диф-ая камера: также рабочем вещ-ом явл-ся пересыщенный пар, но состояние пересыщения создается не адиабат-ким расширением, а рез-те диффузии паров спирта (наход-ся при Т~10⁰С) от крышки камеры к охлажденному твердой углекислотой дну. Недалеко от дна возникает слой пересыщенного пара, в этом слое образ-ся треки. Эта камера работает непрерывно.

Пузырьковая камера: 1952г Д.А.Глезер. вместо Перес-х паров – прозрачная перегретая жидкость(т.е. жидкость нах-ся под внешним давлением, меньшим давления ее насыщенных паров).пролетевшая через камеру иониз-я частица вызывает бурное вскипание жидкости, вследствие чего след частицы оказ-ся обозначенным цепочкой пузырьков пара – образ-ся трек. Камера работает циклами.

 

 

Тепловое излучение.

ТИ – электромагн-ое излучение испускаемое веществом и возникающее за счет энергии теплового движ-ия атомов и молекул. Свойства: 1.ТИ свойственно всем телам при

Т > 0К. 2.ТИ может быть равновесным, т.е распределение энергии между телами и излучателем остается неизменным во времени.

Основные характ-ки ТИ:

1.излучательная способность твердого тела (η) зависит от λ, Т: η_λ,Т=(dE_λT^изл/dλds) – излуч-я способность тела численно = мощности излуч-ия с един-цы площади поверхности тела в един-ом интервале длин волн.

2.светимость (интенсивность излуч-ой способности) R

R = ₀∫^∞ η_λT dλ

3.поглощательная способность тв-го тела (а):

а_λ,Т = (dE_λ,Т^поглощ/dE_λ,Т); dE_λ,Т^поглощ – энергия поглощ-го тела (dλ); dE_λ,Т – энергия падающая на тело;

а_λ,Т – монохром-ий коэф-т поглощения.

а_λ зависимость коэф-та

1 2 поглощения от λ с

3 определенной Т=const

 

1-произв-ое тело а = f(λ,T)

2-АЧТ а≠ f(λ,T)=1

АЧТ – тело, которое поглощает все падающее на него излучение любой длины волны и при любой Т.

3-серое тело - а≠ f(λ), а= f(T)

Серое тело – тело, поглощение которого один-во для всех длин волн излучения и зависит только от Т.

Закон Стефана-Больцмана.

(1879г.);

R = G T⁴, G = 5,67*10^-8 Вт м^-2 К^-4

для серых тел:

₀∫^∞η_λТ dλ = ₀∫^∞ a_T U_λТ dλ;

R_ст= a_TR_АЧТ*GT⁴.

Эксперем-но было показано, что зависимость излучательной способности АЧТ от λ имеет след-ие особенности:

1.спектр АЧТ сплошной U_λТ

T₁>T₂>T₃ Т₁

2.завис-ть хар-ся

присутствием Т₂

max и зависит его Т₃

полож-ие от Т АЧТ.

λ_m = в₁/Т – закон смещения

Вина – опред-ий Т светящ-ся

тела (пик); в₁ = 2,9*10^-3 м*к.

3.max значение η_λТ пропорц-но Т⁵

(U_λТ)_max = в₂ Т⁵; в₂ = 1,3*10^-5 Вт м³ К^-5.

Формула Вина: U_λТ=A e^-β_λT; A,β=const.

Формула Релея-Джинса: U_λТ=8 П² К Т λ^-4, К- постоянная Больцмана. Получены эти формулы на основе классической физики(излучение непрерывно и т.д.)

Квантовая гипотеза Планка. Формула Планка.

В 1900г. немецким физиком Максом Планка была предложена квантовая гипотеза: поглощение и излучение энергии эл/м излучения атомов и молекул возможно только отдельными порциями (квантами энергии). ε - энергия кванта, υ - частота излучения,

h - постоянная Планка. ε = h υ = h ^с_λ. H=6,63*10^-34 Дж с.

Формула Планка:

 

Твердые тела.

Любое твердое тело представляет собой систему многих микрочастиц. Существует два способа описания систем многих частиц: термодинамическое и статистическое описание.

При термод-ом описании систему рассматривают как макроскопич-ую систему, не интересуясь частицами. Такая система характериз-ся макропараметрами: р, Т, V. Этот способ не дает возможности исследовать свойства системы, которые зависят от микроструктуры вещества (проводимость).

Статистич-ое описание: система состоит из N частицы.

N → корд-ты x, y, z 3N

проекции имп-ов р_x, р_y, р_z 3N

Динамич-ий метод (уравнения Ньютона) не применим. Статистич-ий метод позволяет найти наиболее вероятные распределения частиц системы по координатам, импульсам, энергиям. Математически задача стат-го метода сводится к описанию функции распределения частиц(ФР). ФР характер-ет плотность вероятности распределения частиц системы по фазовому пространству координат и импульсов (для классич-х частиц) и по квантовым состояниям (для кван-х частиц).

классич-я система

6N классич-я механика

квантово-механич-я система.

Характер ФР зависит от индивидуальных свойств частиц системы. Идеальный газ подчиняется распределению Максвелла-Больцмана, а электронный газ – распределению Ферми-Дирака.