Автор работы: Пользователь скрыл имя, 05 Ноября 2009 в 19:49, Не определен
Учебное пособие
Микрочастицы (элементарные частицы) – мельчайшие частицы материи при условии, что они не являются ядрами и атомами (исключение – протоны). Микрочастицы делятся на две группы адроны и лептоны.
Барионы (протон, нейтрон, гипероны)
Мезоны ( - мезоны, К - мезоны, h - мезоны)
Лептоны – электрон, мюон, t - лептон; электронное, мюонное и t -нейтрино.
Кроме
перечисленных частиц, существуют так
называемые резонансы (барионные и
мезонные). Особняком от этих микрочастиц
стоит фотон – квант
Объединение релятивистских и квантовых представлений привело к одному из наиболее выдающихся предсказаний - открытию античастиц, которые отличается от частиц электрическим зарядом, магнитным моментом или другими характеристиками. Античастицы могут собираться в антивещество (например, антигелий-3). Однако во Вселенной до сих пор не обнаружены области со сколь-нибудь заметным содержанием антивещества.
Ядра - центральные, массивные части атома, состоящие из нуклонов. Масса ядра более, чем в тысячу раз больше массы электронов, входящих в атом. Размеры ядра – 10-14 - 10-15 м. Число нуклонов в 1м3 достигает 1044 , а плотность – 1017 кг/ м3. Ядра могут быть стабильными и нестабильными.
Атомы и молекулы. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены отрицательно заряженными электронами. Такое электрически нейтральное образование называют атомом. Электроны, находящиеся на верхних орбитах определяют их способность вступать в соединения с другими атомами. Здесь мы вступаем в область химии, и условность границ раздела между физикой и химией в данном случае очевидна.
Наименьшей структурной единицей сложного химического соединения является молекула ( в том числе и одноатомная).Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет около 106. Некоторые атомы (углерод, водород и др.) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой образования макромолекул, проявляющие также и биологические свойства.
Макротела. При достаточно низких температурах практически все тела являются твердыми. В них атомы не могут значительно удаляться от своих равновесных положений. Твердые тела имеют различные механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические и другие свойства, которые определяются не только характером атомов, но и их взаимным расположением (алмаз и углерод).
При нагревании твёрдых тел происходит плавление и переход в жидкое состояние. В жидкостях атомы уже не являются строго локализованными, тепловое движение атомов и молекул носит довольно сложный характер.
При дальнейшем повышении температуры - жидкости превращаются в газообразное состояние. Газы с хорошей точностью подчиняются статистическим и термодинамическим закономерностям (см. п. 7).
При вecьмa значительном повышении температуры среды (до 104 - 105К) происходит ионизация атомов, т.е. распад их на ионы и свободные электроны. Такое состояние вещества называют плазмой. Плазма в противовес газам может проявлять коллективные свойства, что сближает их с конденсированным состоянием, т.е. с твердыми телами и жидкостями.
Планеты. Следующей ступенью в иерархии объектов природы являются макротела астрономического масштаба - планеты, изучение которых по существу только начинается. Однако, уже ceйчас ясно, что условия в которых находится вещество многих планет, отличаются от земных (так Юпитер, превосходящий по размерам Землю почти в 10 раз, вероятно, находится в жидком состоянии, исключая центральные области планеты, которые, по-видимому, состоят из металлического водорода). Однако в составе вещества планет не обнаружено никаких новых химических элементов по сравнению с земными.
Звёзды. Галактики. Вселенная
Как ни странно, но физики гораздо лучше представляют себе состояние вещества внутренних областей звёзд, чем планет. Так центральные области Солнца имеют температуру 107 К и давление 1016 Па. В этих условиях вещество полностью ионизировано (плазма) и при этом становятся возможными термоядерные реакции, окончательным итогом которых является слияние ядер водорода и превращение их в ядра гелия. Эта термоядерная реакция служит источником энергии звезд.
По мере потери энергии звезды уплотняются. Происходит захват электронов протонами с превращением последних в нейтроны, при этом одновременно испускаются нейтрино. В результате такой реакции уменьшается заряд ядра (при неизменной его массе), что, вообще говоря, приводит к уменьшению энергии связи ядра. В конце концов, ядра, содержащие слишком много нейтронов, станут неустойчивыми и распадутся. Вещество звезды будет представлять собой сверхплотный нейтронный газ.
Галактики — это звездные системы. Число звезд в них ~ 109 - 1012. Если масса звезды порядка 1030 кг (как у нашего Солнца), то масса Галактики ~ 1041 кг. Известная нам часть Вселенной содержит число галактик порядка 1011.
Оставим в стороне доказательства и способы измерений, которые сделали возможным привести названные здесь числа. Замечательно то, что эти числа нам известны; конечно, некоторые из них являются только приближенными.
Астрономические данные показывают, что галактики во Вселенной стремительно «разбегаются» друг от друга. Расширение Вселенной позволяет предположить, что когда-то в прошлом она занимала весьма малый объем. Это в свою очередь означает, что «дозвездное вещество» было сверхплотным и чрезвычайно горячим (температура порядка 1013 К). При таких температурах вещество может состоять в основном из излучений — фотонов и нейтрино (более подробно см. п. 11).
3. Представление о концепциях материи, движения,
пространства и времени
Важнейшая задача естествознания - создание естественно - научной картины мира. Естественно-научная картина природы образует в целом упорядоченную систему, которая по мере развития науки уточняется и пополняется. Научный язык во многом похож на повседневный язык общения людей, но и отличается от него тем, что научные термины являются, во-первых, более общими и абстрактными и, во-вторых, они более сконцентрированы и точны. Наука стремится выявить общее в предметах и явлениях, которые она изучает.
Выделение общего ведет к абстракциям, т. е. отвлечению от единичного, конкретного, случайного. Наиболее общие и абстрактные понятия, идеи и концепции естествознания выражают, с одной стороны, глубокие, а с другой - общие свойства природы. Такими понятиями и концепциями оперирует в первую очередь физика как фундаментальная основа естествознания. К наиболее общим, важным, фундаментальным концепциям физического описания природы относятся материя, движение, пространство и время. Эти понятия широко используются не только в естествознании, но и во многих гуманитарных сферах, например, в искусстве, в экономике, не говоря уже о философии.
Окружающий нас мир, всё существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю. Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них. В классическом представлении в естествознании различают два вида материи: вещество и поле. В современном представлении к этим двум следует добавить третий вид материи - физический вакуум. Некоторые ученые в духе концепции корпускулярно-волнового дуализма объединяют вещество и поле в единый тип реальности, которая действует на наши органы чувств и взаимодействует сама с собой, проявляясь в одних условиях как вещество (физические тела, молекулы, атомы, частицы), а в других - как поле. Однако такое объединение в большей степени касается не макро-, а микромира, многие свойства которого носят квантово-механический характер. Неотъемлемый атрибут материи – движение.
3.1.Основные свойства пространства и времени
Пространство и время - категории, обозначающие основные формы существования материи. Пространство выражает порядок существования отдельных объектов, время - порядок смены изменений явлений и объектов.
Свойства пространства, свободного от силовых полей (классическая концепция):
1.Трёхмерность.
2.Плоскостность, то есть подчинение геометрии Евклида.
3.Однородность,
то есть все точки
4.Изотропность,
то есть все направления
5.Непрерывность вплоть до 10-18м (затем пространство становится дискретным или зернистым); квант пространства равен 10-35м (предположительно).
Свойства времени:
1.Одномерность.
2.Однородность, то есть одно и то же событие развивается одинаково в разные моменты времени.
3.Анизотропность,
то есть для времени
4.Непрерывность вплоть до 10-23с; квант времени равен 10-43с (предположительно).
В релятивистской механике (от лат. relativus – относительный), когда скорость движения тела сравнима со скоростью света, выявилась зависимость пространственно - временных характеристик объектов от скорости их движения.
Частная теория относительности объединила пространство и время в единый континуум: пространство – время. Основанием для такого объединения послужили и постулат о предельной скорости передачи взаимодействий материальных тел - скорости света в вакууме с = 3 × 108 м/с, и принцип относительности. Из данной теории следует относительность одновременности двух событий, происшедших в разных точках пространства, а также относительность измерений длин и интервалов времени, произведенных в разных системах отсчета, равномерно движущихся относительно друг друга. Все это означает, что для реального мира пространство и время имеют не абсолютный, а относительный характер.
Общая
теория относительности (ОТО) вскрыла
зависимость метрических характеристик
пространства времени от распределения
гравитационных масс, наличие которых
приводит к искривлению пространства
- времени, при этом такие категории как
конечность и бесконечность также обнаружили
свою относительность.
3. 2. Принципы относительности и инвариантность. Симметрия
Установлено, что во всех инерциальных системах отсчета (движущихся без ускорения) законы классической динамики имеют одинаковую форму; в этом сущность механического принципа относительности – принципа относительности Галилея. Он означает, что уравнения динамики при переходе от одной инерциальной системы к другой не изменяются, т. е. инвариантны по отношению к преобразованию координат. Галилей обратил внимание на то, что никакими механическими опытами, проведенными в данной инерциальной системе отсчета, нельзя установить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно. Например, сидя в каюте корабля, движущегося равномерно и прямолинейно, мы не можем определить, движется ли корабль, не выглянув в окно.
Пуанкаре
распространил принцип
Вместе с принципом относительности в физике утвердились понятия инвариантности, инвариантов и симметрии, а также связь их с законами сохранения и вообще с законами природы.
Инвариантность означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. Из частной теории относительности вытекает ряд инвариантов для инерциальных систем отсчета: скорость света, масса, электрический заряд, интервал и д.р. Они остаются неизменными относительно преобразований Лоренца, предложенных им в 1904 г., еще до появления теории относительности, как преобразования, относительно которых уравнения Максвелла инвариантны.
Релятивистский эффект замедления времени экспериментально подтвержден при исследовании нестабильных, самопроизвольно распадающихся элементарных частиц в опытах с пи-мезонами.
Частная теория относительности, принципы которой сформулировал в 1905 г. А.Эйнштейн, представляет собой современную физическую теорию пространства и времени, в которой, как и в классической ньютоновской механике, предполагается, что время однородно, а пространство однородно и изотропно. Частную теорию относительности часто называют релятивистской теорией, а специфические явления, описываемые этой теорией, - релятивистским эффектом. В основе частной теории относительности лежат постулаты Эйнштейна: