На переднем крае физики микромира

                                   Псковский государственный университет

 

 

 

 

                                                          Доклад

 

 

 

Дисциплина: «Концепция современного естествознания»

                            Тема: «На переднем крае физики микромира»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                    

                                                               

 

                                                                Факультет: Управления и  экономики

                                                                  Направление: Государственное и                    

                                                                                          муниципальное управление

                                                                 Группа: 011-023

                                                                  Студентка: Чемякина Р.Д

                                                                 Руководитель: Однобоков В.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                 Псков  2011г.

 

                             Содержание

 

 

Введение………………………………………………………………………3

 

1)Основные вехи на пути в  субатомный мир………………………………4

 

2)Фундаментальные взаимодействия  в природе…………………………..8

 

3)Современные представления  об иерархии структурных элементов

 

 микромира……………………………………………………………………17

 

Заключение…………………………………………………………………...21

 

Информационные ресурсы………………………………………………….22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                               Введение

 

  Микромир – это мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов. (Пространственная размерность которых исчисляется значениями от 10-8 до 10-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24с.)

  Вопрос о внутренней структуре материи ("из чего все состоит?") является одним из главных в естествознании. Однако, несмотря на достигнутый в прошлом столетии прогресс в изучении этого вопроса, мы по-прежнему еще не пришли к однозначному представлению о первоосновах материального мира.

  Во второй половине XX в. основное внимание физиков обращено на создание теорий, раскрывающих с позиций квантово-релятивистских представлений сущность и основания единства четырех фундаментальных взаимодействий - электромагнитного, «сильного», «слабого» и гравитационного. Эта задача одновременно является и задачей создания единой теории элементарных частиц. В последние десятилетия созданы и получили эмпирическое обоснование квантовая электродинамика, теория электрослабого взаимодействия, квантовая хромодинамика. Есть перспективы создания единой теории электромагнитного, «слабого» и «сильного» взаимодействий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           Основные вехи на пути в субатомный мир

 

 

История исследования элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий насчитывает более двух с половиной тысяч лет и восходит к идеям древнегреческих натурфилософов о строении Мира. Однако серьезная научная разработка данного вопроса началась только в конце XIX-го века. В 1897 году выдающийся английский физик-экспериментатор Дж.Дж.Томсон определил отношение заряда электрона к его массе. Тем самым, электрон окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества.

В 1911 Э. Резерфорд, пропуская альфа-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги различных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях — ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны — частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, — нейтрон — была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия a-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц - структурных элементов атомов и их ядер.

     Вывод о  существовании частицы электромагнитного  поля - фотона - берёт своё начало  с работы М. Планка (1900). Предположив,  что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантованна, Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были даны Р. Милликеном (1912— 1915) и А. Комптоном (1922).

       Открытие нейтрино  — частицы, почти не взаимодействующей с веществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули (1930), позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устранить трудности с законом сохранения энергии в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 (Ф. Райнес и К Коуэн, США).

        С 30-х и до начала 50-х гг. изучение  элементарных частиц было тесно  связано с исследованием космических лучей. В 1932г. в составе космических лучей К. Андерсоном был обнаружен позитрон (е⁺) - частица с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей. Существование е⁺ непосредственно вытекало из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928—1931) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании космических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) — частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е^-, е⁺.

       В  1947 также в космических лучах  группой С. Пауэлла были открыты  p⁺ и p^--мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц было предположено Х. Юкавой в 1935.

        Конец 40-х — начало 50-х гг. ознаменовались  открытием большой группы частиц  с необычными свойствами, получивших  название «странных». Первые частицы этой группы К⁺- и К^--мезоны, L-, S⁺ -, S^- -, X^- -гипероны были открыты в космических лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях — установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые элементарных частиц, которые и становятся предметом изучения.

        С начала 50-х гг. ускорители превратились  в основной инструмент для  исследования элементарных частиц.  В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. электрон-вольт (ГэВ). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отражения-т.н. нарушению пространств четности (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды эВ позволил открыть тяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон W^- (с массой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными частицами) частиц, получивших название «резонансов». Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них D₁ (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основную часть элементарных частиц.

        В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов было обнаружено несохранение т, н. комбинированной чётности (введённой Ли-Цзун дао и Ян Чжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956), означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени.

          В 1974 были обнаружены массивные  (в 3—4 протонные массы) и  в то же время относительно  устойчивые y-частицы, со временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц - «очарованных», первые представители которого (D⁰, D⁺, L_с) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона t). В 1977 были открыты ¡-частицы с массой порядка десятка протонных масс.

          Таким образом, за годы, прошедшие  после открытия электрона, было  выявлено огромное число разнообразных  микрочастиц материи. Мир элементарных  частиц оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях оказались свойства обнаруженных частиц. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных из классической физики, таких, как электрический заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых специальных характеристик, в частности для описания странных частиц - странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман, 1953), «очарованных» частиц - «очарование» (американские физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойств частиц.

За сто с небольшим  лет физики провели тысячи сложнейших и точнейших экспериментов, призванных отыскать другие элементарные частицы  и выявить фундаментальные взаимодействия между ними. Результаты экспериментов объяснялись серией последовательно сменявших друг друга теорий. Последняя в их ряду - Стандартная модель взаимодействия элементарных частиц, включающая в себя минимальную модель электрослабого взаимодействия Глэшоу-Вайнберга-Салама и Квантовую хромодинамику (КХД). Можно сказать, что на сегодняшний день именно эта теория является реальным итогом многолетней работы сотен тысяч людей от "высоколобых" теоретиков до простых инженеров и лаборантов.

И на сегодняшний день, после относительного затишья, начиная с 2000-ого года, физику элементарных частиц буквально взорвал ряд новых экспериментальных результатов. Самый сильный из них - открытие нейтринных осцилляций Нейтринной обсерваторией Садбери в 2001-ом году. Несколько менее научную общественность взбудоражили эксперименты по обнаружению СР-нарушения в системах нейтральных B-мезонов, эксперименты по прецизионному измерению параметров СР-нарушения в системах нейтральных каонов и окончательное экспериментальное доказательство существования механизма прямого СР-нарушения. В последние годы были выполнены эксперименты по доказательству отличия тау-лептонного нейтрино от мюонного и электронно.

Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные взаимодействия.

            Фундаментальные взаимодействия в природе.

 

Современные экспериментальные данные свидетельствуют, что существует только четыре качественно различных вида взаимодействий, в которых участвуют элементарные частицы. Эти взаимодействия называются фундаментальными, то есть самыми основными, исходными, первичными. Фундаментальные взаимодействия — различные, не сводящиеся друг к другу типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. На сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий:

1)гравитационного

2)электромагнитного

3)сильного

4)слабого

Каждое из этих взаимодействий характеризуется соответствующим  параметром, называемым константой связи, численное значение которого определяет интенсивность взаимодействия.

   Гравитационное взаимодействие. Тяготение, или гравитация, - универсальное и наислабейшее из всех фундаментальных взаимодействий природы, в котором участвуют все тела и все классы элементарных частиц. Гравитационные силы проявляют себя только как силы притяжения, а феномен гравитационного отталкивания (антигравитация) не обнаружен. Радиус гравитационного взаимодействия равен бесконечности, т. е силы гравитации имеют дальнодействующий характер.

  Из-за ничтожной интенсивности гравитационного взаимодействия по  сравнению с другими фундаментальными силами эффекты гравитации во взаимодействии элементарных частиц, как правило, не учитываются. Однако благодаря дальнодействующему характеру гравитации и вследствие того, что гравитационные заряды(или массы частиц) существуют лишь одного знака, происходит когерентное усиление гравитационных эффектов в макроскопических масштабах, т.е гравитационные эффекты от всех частиц макроскопического тела суммируются. Этим определяется важная роль тяготения в макромире и его  исключительная  и определяющая роль в мегамире.

  До самого последнего времени считалось, что гравитационное взаимодействие  управляет динамикой  не только звезд и звездных систем, но и контролирует все процессы эволюции Вселенной, осуществляя связь между средней плотностью  вещества  Вселенной и скоростью  ее расширения. Во фридмановских моделях от гравитации зависит ,будет ли Метагалактика  расширятся вечно  или нынешнее ее расширение  остановится  и сменится сжатием. В последнее  время  появились  веские аргументы в пользу того, что динамикой  расширения Вселенной управляет не гравитация обычной материи, а вакуумная антигравитация.