Лекция: «Фундаментальные взаимодействия»
Сущность электромагнитной теории Дж. Максвелла
В 60-х гг. 19 в. Дж. Максвелл, развивая представления М. Фарадея об электромагнитном поле, создал теорию электромагнитного поля – первую завершенную теорию поля. Она описывает только электрическое и магнитное поля и успешно объясняет многие электромагнитные явления.
Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть электрические заряды и изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться движущимися электрическими зарядами (электрическими токами) и переменными электрическими полями. Причем, в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.
Следовательно, переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле – с порождаемым им магнитным, то есть электрическое и магнитное поля неразрывно взаимосвязаны и образую единое электромагнитное поле.
Лекция: «Корпускулярно-волновые свойства света»
В 17 в. существовало две гипотезы о природе света:
1) И. Ньютон предлагал корпускулярную гипотезу: свет – это поток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямолинейным траекториям.
2) Гюйгенс выдвинул волновую гипотезу: свет – это упругая волна, распространяющаяся в мировом эфире.
До начала 20 в. эти две гипотезы попеременно подтверждались различными опытами, пока не утвердилась концепция корпускулярно-волнового дуализма: свет имеет двойственную природу, сочетая в себе как волновые свойства, так и свойства, присущие частицам (частицы света – фотоны). В одних явлениях (интерференция, дифракция) свет ведет себя как волна, а в других (фотоэффект) – как поток частиц.
 |
Все окружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением. Шкала электромагнитных волн:
Световые волны занимают небольшой интервал шкалы – от 380 до 770 нм.
Волновые свойства света
Принцип интерференции света впервые сформулировал в 1801 г. Томас Юнг: при взаимном наложении двух волн происходит усиление или ослабление колебаний.
Дифракция света – это отклонение света от прямолинейного распространения (1818 г. О. Френель).
Волновую природу света подтверждает поляризация, состоящая в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны).
Дисперсиясвета: узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета, соответствующие разной длине волны.
Квантовые свойства света
В 1887 г. Г. Герц при освещении цинковой пластины обнаружил, что с поверхности пластины под действием света вырываются отрицательно заряженные частицы (позднее названные электронами). Испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом.
В 1900 г. М. Планк выдвинул гипотезу, согласно которой излучение и поглощение света происходит не непрерывно, а дискретно, то есть определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой волны.
В 1905 г. А. Эйнштейн обосновал квантовую природу света: не только излучение света, но и его распространение происходят в виде потока световых квантов – фотонов, импульс которых определяется длиной волны.
Все свойства и законы распространения света, его взаимодействие с веществом показывают, что свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств – корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного).
Лекция: «Фундаментальные взаимодействия»
Взаимодействие – это основная причина движения материи, поэтому оно универсально, то есть присуще всем материальным объектам вне зависимости от их природы происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов. Все взаимодействия можно отнести к 4 видам фундаментальный взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому.
1) Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения (И. Ньютон), который описывает падение материальных тел в поле Земли, движение планет, звезд и т.п.
В соответствии с квантовой теорией поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля.
2) Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. Благодаря этому взаимодействию существуют атомы и молекулы, происходят химические превращения веществ, различные агрегатные состояния вещества и т.п.
Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: закон Кулона, закон Ампера и др., и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла.
Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой.
3) Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре атома. Оно определяется ядерными силами, не зависящими от заряда. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер.
Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами, частицами, «склеивающими» кварки.
4) В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно проявляется в процессах распадов и взаимодействий элементарных частиц. Принято считать, что переносчиками слабого взаимодействия являются вионы.
 |
Для количественной характеристики фундаментальных взаимодействий используют безразмерную константу взаимодействия:
В результате экспериментальных исследований взаимодействий элементарных частиц в 1983 г. было обнаружено, что при больших энергиях (1011 эВ) слабое и электромагнитное взаимодействия не различаются, и их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие. Предполагается, что при энергии 1019 эВ или при чрезвычайно высокой температуре материи все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются одинаковой силой, то есть представляют собой одно взаимодействие.