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.