Във Вселената всяко тяло живее в своето време, както и основните елементарни частици. Животът на повечето елементарни частици е доста кратък.

Някои се разпадат веднага след раждането си, поради което ги наричаме нестабилни частици.

След кратко време те се разпадат на стабилни: протони, електрони, неутрино, фотони, гравитони и техните античастици.

Най-важните микрообекти в нашето близко пространство - протони и електрони. Някои от далечните части на Вселената може да се състоят от антиматерия, най-важните частици там ще бъдат антипротон и антиелектрон (позитрон).

Общо са открити няколкостотин елементарни частици: протон (p), неутрон (n), електрон (e -), както и фотон (g), пи-мезони (p), мюони (m), неутрино от три видове (електронен ve, мюон v m, с лептон vт) и т.н. явно ще донесат още нови микрочастици.

Външен вид на частиците:

протони и електрони

Появата на протони и електрони датира от около десет милиарда години.

Друг вид микрообекти, които играят значителна роля в структурата на близкото пространство, са неутроните, които имат общо име с протона: нуклони. Самите неутрони са нестабилни, те се разпадат около десет минути след като са генерирани. Те могат да бъдат стабилни само в ядрото на атома. Огромен брой неутрони постоянно възникват в дълбините на звездите, където ядрата на атомите се раждат от протони.

Неутрино

Във Вселената непрекъснато се раждат и неутрино, които са подобни на електрона, но без заряд и с малка маса. През 1936 г. е открито разнообразие от неутрино: мюонни неутрино, които възникват по време на трансформацията на протоните в неутрони, в дълбините на свръхмасивни звезди и по време на разпадането на много нестабилни микрообекти. Те се раждат при сблъсък на космически лъчи в междузвездното пространство.

Големият взрив доведе до появата на огромен брой неутрино и мюонни неутрино. Техният брой в космоса непрекъснато нараства, тъй като те не се абсорбират от почти никаква материя.

Фотони

Подобно на фотоните, неутриното и мюонното неутрино изпълват цялото пространство. Това явление се нарича "море от неутрино".
След Големия взрив са останали много фотони, които наричаме реликтни или фосилни. Те са изпълнени с цялото космическо пространство и тяхната честота, а оттам и енергията непрекъснато намалява, тъй като Вселената се разширява.

В момента всички космически тела, предимно звезди и мъглявини, участват във формирането на фотонната част на Вселената. Фотоните се раждат на повърхността на звездите от енергията на електроните.

Връзка на частиците

В началния етап от формирането на Вселената всички основни елементарни частици са били свободни. Тогава не е имало атомни ядра, планети, звезди.

Атомите и от тях планетите, звездите и всички вещества са се образували по-късно, когато са изминали 300 000 години и нажежената материя се е охладила достатъчно по време на разширяването.

Само неутриното, мюонното неутрино и фотонът не влизат в никоя система: тяхното взаимно привличане е твърде слабо. Те са останали свободни частици.

Дори в началния етап от формирането на Вселената (300 000 години след нейното раждане) свободните протони и електрони се комбинират във водородни атоми (един протон и един електрон, свързани с електрическа сила).

Протонът се счита за основна елементарна частицасъс заряд +1 и маса 1,672 10 −27 kg (малко по-малко от 2000 пъти по-тежък от електрона). Протоните, които се озоваха в масивна звезда, постепенно се превърнаха в основното строително "желязо" на Вселената. Всеки от тях освободи един процент от масата си в покой. В свръхмасивни звезди, които се свиват в малки обеми в резултат на собствената си гравитация в края на живота си, протонът може да загуби почти една пета от енергията си на покой (и следователно една пета от масата си на покой).

Известно е, че "градивните микроблокове" на Вселената са протоните и електроните.

И накрая, когато протон и антипротон се срещнат, не възниква система, но цялата им енергия на покой се освобождава под формата на фотони ().

Учените твърдят, че съществува и призрачна основна елементарна частица гравитон, която носи гравитационно взаимодействие, подобно на електромагнетизма. Съществуването на гравитон обаче е доказано само теоретично.

Така възникнаха основните елементарни частици, които сега представляват нашата Вселена, включително Земята: протони, електрони, неутрино, фотони, гравитони и много други открити и неоткрити микрообекти.

Тези три частици (както и други, описани по-долу) се привличат и отблъскват взаимно според техните обвинения, които са само четири вида според броя на основните природни сили. Зарядите могат да бъдат подредени в ред на намаляване на съответните сили, както следва: цветен заряд (сили на взаимодействие между кварки); електрически заряд (електрични и магнитни сили); слаб заряд (сила при някои радиоактивни процеси); накрая, маса (гравитационна сила или гравитационно взаимодействие). Думата "цвят" тук няма нищо общо с цвета на видимата светлина; това е просто характеристика на най-силния заряд и най-големите сили.

Обвинения упорствам, т.е. Зарядът, който влиза в системата, е равен на заряда, който излиза от нея. Ако общият електрически заряд на определен брой частици преди тяхното взаимодействие е, да речем, 342 единици, то след взаимодействието, независимо от неговия резултат, той ще бъде равен на 342 единици. Това важи и за други заряди: цвят (силен заряд на взаимодействие), слаб и маса (маса). Частиците се различават по своите заряди: по същество те „са“ тези заряди. Таксите са, така да се каже, „сертификат“ за правото да се отговори на съответната сила. Така само цветните частици се влияят от цветовите сили, само електрически заредените частици се влияят от електрическите сили и т.н. Свойствата на една частица се определят от най-голямата сила, действаща върху нея. Само кварките са носители на всички заряди и следователно са обект на действието на всички сили, сред които цветът е доминиращ. Електроните имат всички заряди с изключение на цвета и доминиращата сила за тях е електромагнитната сила.

Най-стабилни в природата са, като правило, неутралните комбинации от частици, в които зарядът на частиците от един знак се компенсира от общия заряд на частиците от друг знак. Това съответства на минималната енергия на цялата система. (По подобен начин два прътовидни магнита са в една линия, като северният полюс на единия е обърнат към южния полюс на другия, което съответства на минималната енергия на магнитното поле.) Гравитацията е изключение от това правило: отрицателна маса не съществува. Няма тела, които биха паднали.

ВИДОВЕ МАТЕРИЯ

Обикновената материя се образува от електрони и кварки, групирани в обекти, които са неутрални по цвят и след това по електрически заряд. Силата на цвета се неутрализира, което ще бъде обсъдено по-подробно по-долу, когато частиците се комбинират в триплети. (Оттук и самият термин „цвят“, взет от оптиката: трите основни цвята, когато се смесят, дават бяло.) Така кварките, за които цветовата сила е основната, образуват триплети. Но кварките и те се подразделят на u-кварки (от английски up - горен) и д-кварки (от английски down - по-нисък), те също имат електрически заряд, равен на u-кварк и за д-кварк. две u-кварк и едно д-кварк придават електрически заряд +1 и образуват протон, и единица u-кварк и две д-кварките дават нулев електрически заряд и образуват неутрон.

Стабилните протони и неутрони, привлечени един към друг от остатъчните цветни сили на взаимодействие между съставните им кварки, образуват цветно неутрално атомно ядро. Но ядрата носят положителен електрически заряд и, като привличат отрицателни електрони, които се въртят около ядрото като планети, въртящи се около Слънцето, се стремят да образуват неутрален атом. Електроните в техните орбити се отстраняват от ядрото на разстояния десетки хиляди пъти по-големи от радиуса на ядрото - доказателство, че електрическите сили, които ги задържат, са много по-слаби от ядрените. Благодарение на силата на цветовото взаимодействие, 99,945% от масата на атома е затворена в неговото ядро. Тегло u- и д-кварките са около 600 пъти по-големи от масата на електрона. Следователно електроните са много по-леки и по-подвижни от ядрата. Тяхното движение в материята предизвиква електрически явления.

Има няколкостотин естествени разновидности на атоми (включително изотопи), които се различават по броя на неутроните и протоните в ядрото и съответно по броя на електроните в орбитите. Най-простият е водородният атом, състоящ се от ядро ​​под формата на протон и един въртящ се около него електрон. Цялата "видима" материя в природата се състои от атоми и частично "разглобени" атоми, които се наричат ​​йони. Йоните са атоми, които след като са загубили (или са спечелили) няколко електрона, са се превърнали в заредени частици. Материята, състояща се почти от един йон, се нарича плазма. Звездите, които изгарят поради термоядрени реакции, протичащи в центровете, са съставени главно от плазма и тъй като звездите са най-често срещаната форма на материя във Вселената, може да се каже, че цялата Вселена се състои главно от плазма. По-точно, звездите са предимно напълно йонизиран газообразен водород, т.е. смес от отделни протони и електрони и следователно почти цялата видима вселена се състои от него.

Това е видима материя. Но все още има невидима материя във Вселената. И има частици, които действат като носители на сили. Има античастици и възбудени състояния на някои частици. Всичко това води до явно прекомерно изобилие от "елементарни" частици. В това изобилие може да се намери индикация за истинската, истинска природа на елементарните частици и силите, действащи между тях. Според най-новите теории, частиците могат да бъдат основно разширени геометрични обекти - "струни" в десетизмерното пространство.

Невидим свят.

Във Вселената има не само видима материя (но също черни дупки и „тъмна материя“ като студени планети, които стават видими, когато бъдат осветени). Има и една наистина невидима материя, която прониква във всички нас и в цялата Вселена всяка секунда. Това е бързо движещ се газ от един вид частици - електронни неутрино.

Електронното неутрино е партньор на електрона, но няма електрически заряд. Неутриното носят само така наречения слаб заряд. Тяхната маса на покой по всяка вероятност е нула. Но те взаимодействат с гравитационното поле, защото имат кинетична енергия д, което съответства на ефективната маса м, според формулата на Айнщайн д = mc 2, където ° Се скоростта на светлината.

Ключовата роля на неутриното е, че допринася за трансформацията и-кварки в дкварки, което води до трансформация на протон в неутрон. Неутриното играе ролята на "игла на карбуратора" за звездни термоядрени реакции, при които четири протона (водородни ядра) се комбинират, за да образуват хелиево ядро. Но тъй като ядрото на хелия се състои не от четири протона, а от два протона и два неутрона, за такъв ядрен синтез е необходимо два и-кварки, превърнати в две д-кварк. Интензивността на трансформацията определя колко бързо ще горят звездите. А процесът на трансформация се определя от слаби заряди и сили на слабо взаимодействие между частиците. При което и-кварк (електрически заряд +2/3, слаб заряд +1/2), взаимодействащ с електрон (електрически заряд - 1, слаб заряд -1/2), образува д-кварк (електрически заряд -1/3, слаб заряд -1/2) и електронно неутрино (електричен заряд 0, слаб заряд +1/2). Цветните заряди (или просто цветовете) на двата кварка се компенсират в този процес без неутриното. Ролята на неутриното е да отнесе некомпенсирания слаб заряд. Следователно скоростта на трансформация зависи от това колко слаби са слабите сили. Ако бяха по-слаби, отколкото са, тогава звездите изобщо нямаше да горят. Ако бяха по-силни, тогава звездите отдавна щяха да са изгорели.

Но какво да кажем за неутрино? Тъй като тези частици взаимодействат изключително слабо с друга материя, те почти веднага напускат звездите, в които са родени. Всички звезди блестят, излъчвайки неутрино, а неутрино блести през нашите тела и цялата Земя ден и нощ. Така те се скитат из Вселената, докато влязат, може би, в ново взаимодействие на ЗВЕЗДАТА).

Носители на взаимодействие.

Какво причинява силите, които действат между частиците на разстояние? Съвременната физика отговаря: поради обмена на други частици. Представете си двама скейтъри, които подхвърлят топка. Давайки инерция на топката при хвърляне и получавайки инерция с получената топка, и двамата получават тласък в посока един от друг. Това може да обясни появата на отблъскващи сили. Но в квантовата механика, която разглежда явления в микросвета, се допуска необичайно разтягане и делокализация на събитията, което води, изглежда, до невъзможното: един от скейтърите хвърля топката в посоката отдругото, но все пак едното може бихвани тази топка. Не е трудно да си представим, че ако това беше възможно (а в света на елементарните частици е възможно), щеше да има привличане между скейтърите.

Частиците, поради обмена на които възникват сили на взаимодействие между четирите разгледани по-горе „частици материя“, се наричат ​​калибровъчни частици. Всяко от четирите взаимодействия - силно, електромагнитно, слабо и гравитационно - има свой собствен набор от калибрирани частици. Частиците носители на силно взаимодействие са глуони (има само осем от тях). Фотонът е носител на електромагнитно взаимодействие (той е един и ние възприемаме фотоните като светлина). Частиците-носители на слабото взаимодействие са междинни векторни бозони (през 1983 и 1984 г. са открити У + -, У- -бозони и неутрални З-бозон). Частицата-носител на гравитационното взаимодействие все още е хипотетичен гравитон (трябва да е такъв). Всички тези частици, с изключение на фотона и гравитона, които могат да пътуват на безкрайно дълги разстояния, съществуват само в процеса на обмен между материалните частици. Фотоните изпълват Вселената със светлина, а гравитоните - с гравитационни вълни (все още не са открити със сигурност).

Казва се, че частица, способна да излъчва калибровъчни частици, е заобиколена от подходящо силово поле. Така електроните, способни да излъчват фотони, са заобиколени от електрически и магнитни полета, както и от слаби и гравитационни полета. Кварките също са заобиколени от всички тези полета, но също и от полето на силно взаимодействие. Частиците с цветен заряд в полето на цветовите сили се влияят от цветовата сила. Същото важи и за другите природни сили. Следователно можем да кажем, че светът се състои от материя (материални частици) и поле (калибровъчни частици). Повече за това по-долу.

Антиматерия.

Всяка частица отговаря на античастица, с която частицата може взаимно да анихилира, т.е. „анихилират“, в резултат на което се освобождава енергия. „Чиста“ енергия сама по себе си обаче не съществува; в резултат на анихилация се появяват нови частици (например фотони), които отнемат тази енергия.

Античастицата в повечето случаи има противоположни свойства по отношение на съответната частица: ако частицата се движи наляво под действието на силни, слаби или електромагнитни полета, тогава нейната античастица ще се движи надясно. Накратко, античастицата има противоположни знаци на всички заряди (с изключение на масовия). Ако една частица е съставна, като например неутрон, тогава нейната античастица се състои от компоненти с противоположни знаци на заряда. Така антиелектронът има електрически заряд +1, слаб заряд +1/2 и се нарича позитрон. Антинеутронът се състои от и-антикварки с електрически заряд –2/3 и д-антикварки с електрически заряд +1/3. Истински неутралните частици са свои собствени античастици: фотонът е античастицата на фотона.

Според съвременните теоретични концепции всяка частица, която съществува в природата, трябва да има своя собствена античастица. И много античастици, включително позитрони и антинеутрони, наистина са получени в лабораторията. Последиците от това са изключително важни и са в основата на цялата експериментална физика на елементарните частици. Според теорията на относителността масата и енергията са еквивалентни и при определени условия енергията може да се превърне в маса. Тъй като зарядът се запазва и зарядът на вакуума (празното пространство) е нула, всяка двойка частици и античастици (с нулев нетен заряд) може да излезе от вакуума, като зайци от шапката на магьосник, стига енергията да е достатъчна, за да създаде техните маса.

Поколения на частици.

Експериментите с ускорител показаха, че четворката (квартет) от материални частици се повтаря поне два пъти при по-високи стойности на масата. Във второто поколение мястото на електрона се заема от мюона (с маса приблизително 200 пъти по-голяма от масата на електрона, но със същите стойности на всички останали заряди), мястото на електронното неутрино е мюонът (който придружава мюона при слаби взаимодействия по същия начин, както електронът придружава електронното неутрино), място и-кварк заема с-кварк ( очарован), а д-кварк - с-кварк ( странно). В третото поколение квартетът се състои от тау лептон, тау неутрино, T-кварк и b-кварк.

Тегло T-кваркът е около 500 пъти по-голям от масата на най-лекия - д-кварк. Експериментално е установено, че има само три вида леки неутрино. Така че четвъртото поколение частици или изобщо не съществува, или съответните неутрино са много тежки. Това е в съответствие с космологичните данни, според които не може да има повече от четири вида леки неутрино.

При експерименти с високоенергийни частици електронът, мюонът, тау-лептонът и съответните неутрино действат като отделни частици. Те не носят цветен заряд и влизат само в слаби и електромагнитни взаимодействия. Колективно те се наричат лептони.

Таблица 2. ГЕНЕРАЦИИ НА ФУНДАМЕНТАЛНИ ЧАСТИЦИ
частица	Маса на покой, MeV/ с 2	Електрически заряд	цветен заряд	Слаб заряд
ВТОРО ПОКОЛЕНИЕ
с-кварк	1500	+2/3	Червено, зелено или синьо	+1/2
с-кварк	500	–1/3	Един и същ	–1/2
Мюонно неутрино		0	0	+1/2
Мюон	106	0	0	–1/2
ТРЕТО ПОКОЛЕНИЕ
T-кварк	30000–174000	+2/3	Червено, зелено или синьо	+1/2
b-кварк	4700	–1/3	Един и същ	–1/2
Тау неутрино		0	0	+1/2
Тау	1777	–1	0	–1/2

Кварките, от друга страна, под въздействието на цветовите сили се комбинират в силно взаимодействащи частици, които доминират в повечето експерименти във физиката на високите енергии. Такива частици се наричат адрони. Те включват два подкласа: бариони(напр. протон и неутрон), които са съставени от три кварка, и мезонисъстоящ се от кварк и антикварк. През 1947 г. първият мезон, наречен пион (или пи-мезон), е открит в космическите лъчи и известно време се смяташе, че обменът на тези частици е основната причина за ядрените сили. Омега-минус адроните, открити през 1964 г. в Националната лаборатория Брукхейвън (САЩ), и частицата j-psy ( Дж/г-мезон), открит едновременно в Брукхейвън и в Станфордския център за линейни ускорители (също в САЩ) през 1974 г. Съществуването на омега-минус частицата е предсказано от М. Гел-Ман в неговия т.нар. SU 3-теория“ (друго име е „осемкратният път“), в която за първи път е предложена възможността за съществуване на кварки (и това име им е дадено). Десетилетие по-късно откриването на частицата Дж/гпотвърди съществуването с-кварк и накрая накара всички да повярват както в кварковия модел, така и в теорията, която комбинира електромагнитни и слаби сили ( виж отдолу).

Частиците от второ и трето поколение са не по-малко реални от тези от първото. Вярно е, че след като са възникнали, те се разпадат за милионни или милиардни от секундата в обикновени частици от първо поколение: електрон, електронно неутрино и също и- и д-кварки. Въпросът защо в природата има няколко поколения частици все още е загадка.

За различните поколения кварки и лептони често се говори (което, разбира се, е донякъде ексцентрично) като за различни "вкусове" на частиците. Необходимостта да ги обясним се нарича проблем с "вкуса".

БОЗОНИ И ФЕРМИОНИ, ПОЛЕ И ВЕЩЕСТВО

Една от основните разлики между частиците е разликата между бозоните и фермионите. Всички частици са разделени на тези два основни класа. Като бозоните могат да се припокриват или припокриват, но като фермионите не могат. Суперпозицията възниква (или не се случва) в дискретните енергийни състояния, на които квантовата механика разделя природата. Тези състояния са като че ли отделни клетки, в които могат да се поставят частици. И така, в една клетка можете да поставите произволен брой еднакви бозони, но само един фермион.

Като пример, разгледайте такива клетки или „състояния“ за въртящ се около ядрото на атом електрон. За разлика от планетите от Слънчевата система, според законите на квантовата механика, електронът не може да циркулира в нито една елиптична орбита, за него има само дискретен брой разрешени „състояния на движение“. Набори от такива състояния, групирани според разстоянието от електрона до ядрото, се наричат орбитали. В първата орбитала има две състояния с различни ъглови моменти и следователно две разрешени клетки, а в по-високите орбитали осем или повече клетки.

Тъй като електронът е фермион, всяка клетка може да съдържа само един електрон. От това следват много важни следствия - цялата химия, тъй като химичните свойства на веществата се определят от взаимодействията между съответните атоми. Ако преминете през периодичната система от елементи от един атом към друг в реда на увеличаване на броя на протоните в ядрото на единица (броят на електроните също ще се увеличи съответно), тогава първите два електрона ще заемат първата орбитала, следващите осем ще бъдат разположени във втория и т.н. Тази последователна промяна в електронната структура на атомите от елемент на елемент определя закономерностите в техните химични свойства.

Ако електроните бяха бозони, тогава всички електрони на един атом биха могли да заемат една и съща орбитала, съответстваща на минималната енергия. В този случай свойствата на цялата материя във Вселената биха били напълно различни и във вида, в който я познаваме, Вселената би била невъзможна.

Всички лептони - електрон, мюон, тау-лептон и съответното им неутрино - са фермиони. Същото може да се каже и за кварките. По този начин всички частици, които образуват "материята", основният пълнител на Вселената, както и невидимите неутрино, са фермиони. Това е много важно: фермионите не могат да се комбинират, така че същото важи и за обектите в материалния свят.

В същото време всички "калибровъчни частици", обменени между взаимодействащи материални частици и които създават поле от сили ( виж по-горе), са бозони, което също е много важно. Така например много фотони могат да бъдат в едно и също състояние, образувайки магнитно поле около магнит или електрическо поле около електрически заряд. Благодарение на това е възможен и лазер.

Завъртете.

Разликата между бозоните и фермионите е свързана с друга характеристика на елементарните частици - обратно. Колкото и изненадващо да изглежда, но всички фундаментални частици имат свой собствен ъглов момент или, с други думи, се въртят около собствената си ос. Ъгловият импулс е характеристика на въртеливото движение, точно както общият импулс е характеристика на транслационното движение. При всяко взаимодействие ъгловият момент и импулсът се запазват.

В микрокосмоса ъгловият импулс е квантован, т.е. приема дискретни стойности. В подходящи единици лептоните и кварките имат спин, равен на 1/2, а калибровъчните частици имат спин, равен на 1 (с изключение на гравитона, който все още не е наблюдаван експериментално, но теоретично трябва да има спин, равен на 2). Тъй като лептоните и кварките са фермиони, а калибровъчните частици са бозони, може да се предположи, че "фермионността" е свързана със спин 1/2, а "бозоновостта" е свързана със спин 1 (или 2). Наистина, както експериментът, така и теорията потвърждават, че ако една частица има полуцяло спин, тогава тя е фермион, а ако е цяло число, тогава е бозон.

ТЕОРИИ И ГЕОМЕТРИЯ НА ИЗМЕРИТЕЛИТЕ

Във всички случаи силите възникват поради обмена на бозони между фермиони. По този начин цветната сила на взаимодействие между два кварка (кварки - фермиони) възниква поради обмена на глуони. Такъв обмен постоянно се извършва в протоните, неутроните и атомните ядра. По същия начин фотоните, обменени между електрони и кварки, създават електрически сили на привличане, които задържат електрони в атом, а междинните векторни бозони, обменени между лептони и кварки, създават слаби сили на взаимодействие, отговорни за превръщането на протоните в неутрони по време на термоядрени реакции в звездите.

Теорията за такъв обмен е елегантна, проста и вероятно правилна. Нарича се калибровъчна теория. Но в момента съществуват само независими калибровъчни теории за силни, слаби и електромагнитни взаимодействия и калибровъчна теория за гравитацията, подобни на тях, макар и по различен начин. Един от най-важните физически проблеми е редуцирането на тези отделни теории в една единствена и в същото време проста теория, в която всички те биха станали различни аспекти на една реалност - като фасетите на кристал.

Таблица 3. НЯКОИ АДРОНИ

Таблица 3. НЯКОИ АДРОНИ
частица	Символ	Кварков състав *	маса за почивка, MeV/ с 2	Електрически заряд
БАРИОНИ
Протон	стр	uud	938	+1
Неутрон	н	udd	940	0
Омега минус	W-	sss	1672	–1
МЕЗОНИ
Пи плюс	стр +	u	140	+1
Пи-минус	стр –	ду	140	–1
фи	f	sє	1020	0
JPS	Дж/г	cў	3100	0
Ипсилон	Ў	b	9460	0
* Състав на кварк: u- горен; д- нисък; с- странно; ° С- омагьосан b- красив. Линията над буквата означава антикварки.

Най-простата и най-старата от калибровъчните теории е калибровъчната теория на електромагнитното взаимодействие. При него зарядът на един електрон се сравнява (калибрира) със заряда на друг отдалечен от него електрон. Как могат да се сравняват таксите? Можете например да приближите втория електрон до първия и да сравните техните сили на взаимодействие. Но не се ли променя зарядът на електрона, когато се премести в друга точка в пространството? Единственият начин да проверите е да изпратите сигнал от близкия електрон до далечния и да видите как реагира той. Сигналът е калибрована частица - фотон. За да може да се провери зарядът на далечни частици, е необходим фотон.

Математически тази теория се отличава с изключителна прецизност и красота. От описания по-горе "калибровъчен принцип" следва цялата квантова електродинамика (квантовата теория на електромагнетизма), както и теорията на Максуел за електромагнитното поле, едно от най-големите научни постижения на 19 век.

Защо толкова прост принцип е толкова плодотворен? Очевидно той изразява определена корелация на различни части на Вселената, позволявайки измервания във Вселената. В математически термини полето се тълкува геометрично като кривината на някакво мислимо "вътрешно" пространство. Измерването на заряда е измерването на общата "вътрешна кривина" около частицата. Калибровъчните теории за силни и слаби взаимодействия се различават от електромагнитната калибровъчна теория само по вътрешната геометрична "структура" на съответния заряд. На въпроса къде точно се намира това вътрешно пространство отговарят многомерните теории за единно поле, които не се разглеждат тук.

Таблица 4. ФУНДАМЕНТАЛНИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Взаимодействие	Относителна интензивност на разстояние 10–13 cm	Радиус на действие	Носител на взаимодействие	Маса на покой на носителя, MeV/ с 2	Завъртане на носача
силен	1		глуон	0	1
Електро- магнитен	0,01	Ґ	Фотон	0	1
слаб	10 –13		У +	80400	1
			У –	80400	1
			З 0	91190	1
Земно притегляне- рационален	10 –38	Ґ	гравитон	0	2

Физиката на елементарните частици все още не е завършена. Все още не е ясно дали наличните данни са достатъчни, за да разберем напълно природата на частиците и силите, както и истинската природа и измеренията на пространството и времето. Имаме ли нужда от експерименти с енергии от 10 15 GeV за това или усилието на мисълта ще бъде достатъчно? Все още няма отговор. Но можем да кажем с увереност, че крайната картина ще бъде проста, елегантна и красива. Възможно е да няма толкова много фундаментални идеи: принципът на калибровката, пространствата с по-високи измерения, свиването и разширяването и преди всичко геометрията.

719. Закон за запазване на електрическия заряд

720. Тела с електрически заряди с различни знаци, ...

Те са привлечени един от друг.

721. Еднакви метални топчета, заредени с противоположни заряди q 1 =4q и q 2 = -8q, се допират и раздалечават на същото разстояние. Всяка топка има заряд

q 1 \u003d -2q и q 2 \u003d -2q

723. Капка, която има положителен заряд (+2e), губи един електрон при осветяване. Зарядът на капката стана равен на

724. Еднакви метални топчета, заредени със заряди q 1 = 4q, q 2 = - 8q и q 3 = - 2q, доведени в контакт и отдалечени на същото разстояние. Всяка от топките ще има заряд

q 1 = - 2q, q 2 = - 2q и q 3 = - 2q

725. Еднакви метални топки, заредени със заряди q 1 \u003d 5q и q 2 \u003d 7q, бяха поставени в контакт и се раздалечиха на същото разстояние, след което втората и третата топка със заряд q 3 \u003d -2q бяха приведени в контакт и се отдалечиха на същото разстояние. Всяка от топките ще има заряд

q 1 = 6q, q 2 = 2q и q 3 = 2q

726. Еднакви метални топки, заредени със заряди q 1 = - 5q и q 2 = 7q, бяха приведени в контакт и се раздалечиха на същото разстояние, а след това втората и третата топка със заряд q 3 = 5q бяха приведени в контакт и се раздалечиха на същото разстояние. Всяка от топките ще има заряд

q 1 \u003d 1q, q 2 \u003d 3q и q 3 \u003d 3q

727. Има четири еднакви метални топки със заряди q 1 = 5q, q 2 = 7q, q 3 = -3q и q 4 = -1q. Първо зарядите q 1 и q 2 (1 система от заряди) бяха приведени в контакт и се раздалечиха на същото разстояние, а след това зарядите q 4 и q 3 бяха приведени в контакт (2-ра система от заряди). След това те взеха по един заряд от система 1 и 2 и ги присадиха в контакт и ги раздалечиха на същото разстояние. Тези две топки ще имат заряд

728. Има четири еднакви метални топчета със заряди q 1 = -1q, q 2 = 5q, q 3 = 3q и q 4 = -7q. Първо зарядите q 1 и q 2 (1 система от заряди) бяха приведени в контакт и се раздалечиха на същото разстояние, а след това зарядите q 4 и q 3 бяха приведени в контакт (2 системи от заряди). След това те взеха един заряд от система 1 и 2 и ги поставиха в контакт и ги раздалечиха на същото разстояние. Тези две топки ще имат заряд

729. В атома има положителен заряд

Ядро.

730. Осем електрона се движат около ядрото на кислороден атом. Броят на протоните в ядрото на кислородния атом е

731. Електрическият заряд на електрона е равен на

-1,6 10 -19 С.

732. Електрическият заряд на протона е

1,6 10 -19 С.

733. Ядрото на литиев атом съдържа 3 протона. Ако 3 електрона се въртят около ядрото, тогава

Атомът е електрически неутрален.

734. В ядрото на флуора има 19 частици, от които 9 са протони. Броят на неутроните в ядрото и броят на електроните в неутрален флуорен атом

Неутрони и 9 електрона.

735. Ако в някое тяло броят на протоните е по-голям от броя на електроните, то тялото като цяло

положително заредени.

736. Капка с положителен заряд +3e загуби 2 електрона по време на облъчване. Зарядът на капката стана равен на

8 10 -19 Cl.

737. Отрицателен заряд в атома носи

Черупка.

738. Ако кислороден атом се е превърнал в положителен йон, тогава той

Загубен електрон.

739. Има голяма маса

Отрицателен водороден йон.

740. В резултат на триене от повърхността на стъклената пръчка са отнети 5 10 10 електрона. Електрически заряд на пръчка

(e = -1,6 10 -19 C)

8 10 -9 Cl.

741. В резултат на триене ебонитова пръчка получи 5 10 10 електрона. Електрически заряд на пръчка

(e = -1,6 10 -19 C)

-8 10 -9 Cl.

742. Силата на взаимодействието на Кулон на два точкови електрически заряда с намаляване на разстоянието между тях с 2 пъти

Ще се увеличи 4 пъти.

743. Силата на взаимодействието на Кулон на два точкови електрически заряда с намаляване на разстоянието между тях 4 пъти

Ще се увеличи 16 пъти.

744. Два точкови електрически заряда действат един върху друг според закона на Кулон със сила 1N. Ако разстоянието между тях се увеличи 2 пъти, тогава силата на кулоновото взаимодействие на тези заряди става равна на

745. Два точкови заряда действат един върху друг със сила 1N. Ако стойността на всеки от зарядите се увеличи 4 пъти, тогава силата на взаимодействието на Кулон става равна на

746. Силата на взаимодействие на два точкови заряда е 25 N. Ако разстоянието между тях се намали с коефициент 5, тогава силата на взаимодействие на тези заряди става равна на

747. Силата на взаимодействието на Кулон на два точкови заряда с увеличаване на разстоянието между тях 2 пъти

Ще намалее 4 пъти.

748. Силата на взаимодействието на Кулон на два точкови електрически заряда с увеличаване на разстоянието между тях 4 пъти

Ще намалее 16 пъти.

749. Формула на закона на Кулон

.

750. Ако 2 еднакви метални топки със заряди +q и +q се доведат до контакт и се отдалечат на едно и също разстояние, тогава модулът на силата на взаимодействие

Няма да се промени.

751. Ако 2 еднакви метални топки със заряди +q и -q се доведат до контакт и се отдалечат на едно и също разстояние, тогава силата на взаимодействие

Ще стане 0.

752. Два заряда взаимодействат във въздуха. Ако се поставят във вода (ε = 81), без да се променя разстоянието между тях, тогава силата на взаимодействието на Кулон

Ще намалее 81 пъти.

753. Силата на взаимодействие на два заряда от 10 nC всеки, разположени във въздуха на разстояние 3 cm един от друг, е равна на

()

754. Заряди от 1 μC и 10 nC взаимодействат във въздуха със сила 9 mN на разстояние

()

755. Два електрона на разстояние 3 10 -8 cm един от друг се отблъскват ; e \u003d - 1,6 10 -19 C)

2,56 10 -9 Н.

756

Намалете 9 пъти.

757. Напрегнатостта на полето в точка е 300 N/C. Ако зарядът е 1 10 -8 C, тогава разстоянието до точката

()

758. Ако разстоянието от точковия заряд, който създава електрическо поле, се увеличи 5 пъти, тогава интензитетът на електрическото поле

Ще намалее 25 пъти.

759. Сила на полето на точков заряд в дадена точка 4 N/C. Ако разстоянието от заряда се удвои, тогава интензитетът става равен на

760. Посочете формулата за силата на електричното поле в общия случай.

761. Математическа нотация на принципа на суперпозиция на електрическите полета

762. Посочете формулата за интензитета на точков електрически заряд Q

.

763. Модул на интензитета на електрическото поле в точката, където се намира зарядът

1 10 -10 C е равно на 10 V / m. Силата, действаща върху заряда, е

1 10 -9 N.

765. Ако върху повърхността на метална топка с радиус 0,2 m се разпредели заряд от 4·10 -8 C, тогава плътността на заряда

2,5 10 -7 C/m 2 .

766. Във вертикално насочено еднородно електрично поле има прашинка с маса 1·10 -9 g и заряд 3,2·10-17 C. Ако силата на гравитацията на прашинка се балансира от силата на електрическото поле, тогава силата на полето е равна на

3 10 5 N/C.

767. В три върха на квадрат със страна 0,4 m има еднакви положителни заряди по 5 10 -9 C всеки. Намерете напрежението в четвъртия връх

() 540 N/Cl.

768. Ако два заряда са 5 10 -9 и 6 10 -9 C, така че да се отблъскват със сила 12 10 -4 N, тогава те са на разстояние

768

Ще се увеличи 8 пъти.

Намалява.

770. Произведението на заряда на електрона и потенциала има размерност

Енергия.

771. Потенциалът в точка А на електрическото поле е 100V, потенциалът в точка B е 200V. Работата, извършена от силите на електричното поле при преместване на заряд от 5 mC от точка A до точка B, е

-0,5 J.

772. Частица със заряд +q и маса m, разположена в точките на електрическо поле с интензитет E и потенциал, има ускорение

773. Електронът се движи в еднородно електрическо поле по линия на напрежение от точка с по-висок потенциал до точка с по-нисък потенциал. В същото време скоростта му

Повишаване на.

774. Атом, който има един протон в ядрото, губи един електрон. Това създава

Водороден йон.

775. Електрическо поле във вакуум се създава от четири точкови положителни заряда, поставени във върховете на квадрат със страна a. Потенциалът в центъра на квадрата е

776. Ако разстоянието от точковия заряд намалее 3 пъти, тогава потенциалът на полето

Ще се увеличи 3 пъти.

777

778. Зарядът q е преместен от точка на електростатично поле до точка с потенциал. Коя от следните формули:

1) 2) ; 3) можете да намерите работа, за да преместите заряда.

779. В еднообразно електрическо поле със сила 2 N / C заряд от 3 C се движи по силовите линии на полето на разстояние 0,5 м. Работата на силите на електричното поле при преместване на заряда е

780. Електрическо поле се създава от четири точкови заряда с противоположни имена, поставени във върховете на квадрат със страна a. Заряди със същото име са в противоположни върхове. Потенциалът в центъра на квадрата е

781. Потенциалната разлика между точки, лежащи на една и съща линия на полето на разстояние 6 cm една от друга, е 60 V. Ако полето е равномерно, тогава силата му е

782. Единица за потенциална разлика

1 V \u003d 1 J / 1 C.

783. Нека зарядът се движи в еднородно поле с интензитет E=2 V/m по силова линия 0,2 m.Намерете разликата между тези потенциали.

U = 0,4 V.

784.Според хипотезата на Планк, абсолютно черно тяло излъчва енергия

На порции.

785. Енергията на фотона се определя по формулата

1. E = pс 2. E=hv/c 3. E=h 4. E=mc 2 . 5. E=hv. 6.E=hc/

1, 4, 5, 6.

786. Ако енергията на кванта се е удвоила, тогава честотата на излъчване

се увеличи 2 пъти.

787. Ако фотони с енергия 6 eV паднат върху повърхността на волфрамова плоча, тогава максималната кинетична енергия на избитите от тях електрони е 1,5 eV. Минималната фотонна енергия, при която е възможен фотоелектричният ефект за волфрама, е:

788. Твърдението е правилно:

1. Скоростта на фотона е по-голяма от скоростта на светлината.

2. Скоростта на фотона във всяко вещество е по-малка от скоростта на светлината.

3. Скоростта на фотона винаги е равна на скоростта на светлината.

4. Скоростта на фотона е по-голяма или равна на скоростта на светлината.

5. Скоростта на фотона във всяко вещество е по-малка или равна на скоростта на светлината.

789. Фотоните на радиация имат голям импулс

Син.

790. Когато температурата на нагрятото тяло намалява, максималната интензивност на излъчване

©2015-2019 сайт
Всички права принадлежат на техните автори. Този сайт не претендира за авторство, но предоставя безплатно използване.
Дата на създаване на страницата: 2016-02-13

Страница 1

Невъзможно е да се даде кратко определение на таксата, което да е задоволително във всички отношения. Ние сме свикнали да намираме разбираеми обяснения за много сложни образувания и процеси, като атома, течните кристали, разпределението на молекулите по скорости и т.н. Но най-основните, фундаментални понятия, неделими на по-прости, лишени според днешната наука от всякакъв вътрешен механизъм, не могат да бъдат обяснени накратко по задоволителен начин. Особено ако обектите не се възприемат пряко от нашите сетива. Именно към такива фундаментални понятия принадлежи електрическият заряд.

Нека първо се опитаме да разберем не какво е електрически заряд, а какво се крие зад твърдението, дадено тяло или частица има електрически заряд.

Вие знаете, че всички тела са изградени от най-малките, неделими на по-прости (доколкото сега е известно на науката) частици, които затова се наричат ​​елементарни. Всички елементарни частици имат маса и поради това се привличат една към друга. Според закона за всемирното привличане силата на привличане намалява сравнително бавно с увеличаване на разстоянието между тях: обратно пропорционално на квадрата на разстоянието. Освен това повечето елементарни частици, макар и не всички, имат способността да взаимодействат помежду си със сила, която също намалява обратно пропорционално на квадрата на разстоянието, но тази сила е огромно число, пъти по-голямо от силата на гравитацията. И така, във водородния атом, показан схематично на фигура 1, електронът е привлечен от ядрото (протона) със сила 1039 пъти по-голяма от силата на гравитационното привличане.

Ако частиците взаимодействат една с друга със сили, които бавно намаляват с разстоянието и са многократно по-големи от силите на универсалната гравитация, тогава се казва, че тези частици имат електрически заряд. Самите частици се наричат ​​заредени. Има частици без електрически заряд, но няма електрически заряд без частица.

Взаимодействията между заредените частици се наричат ​​електромагнитни. Когато казваме, че електроните и протоните са електрически заредени, това означава, че те са способни на взаимодействие от определен тип (електромагнитно) и нищо повече. Липсата на заряд върху частиците означава, че не открива такива взаимодействия. Електрическият заряд определя интензивността на електромагнитните взаимодействия, точно както масата определя интензивността на гравитационните взаимодействия. Електрическият заряд е втората по важност характеристика на елементарните частици (след масата), която определя поведението им в околния свят.

По този начин

Електрически заряде физическа скаларна величина, която характеризира свойството на частиците или телата да влизат в електромагнитни силови взаимодействия.

Електрическият заряд се обозначава с буквите q или Q.

Точно както в механиката често се използва понятието материална точка, което позволява значително да се опрости решаването на много проблеми, когато се изучава взаимодействието на зарядите, понятието точков заряд се оказва ефективно. Точковият заряд е заредено тяло, чиито размери са много по-малки от разстоянието от това тяло до точката на наблюдение и други заредени тела. По-специално, ако говорим за взаимодействието на два точкови заряда, тогава приемаме, че разстоянието между двете разглеждани заредени тела е много по-голямо от техните линейни размери.

Електрически заряд на елементарна частица

Електрическият заряд на елементарна частица не е специален „механизъм“ в частица, който може да бъде отстранен от нея, разложен на съставните части и сглобен отново. Наличието на електрически заряд в електрона и други частици означава само наличието на определени взаимодействия между тях.

В природата има частици с противоположни знаци. Зарядът на протона се нарича положителен, а този на електрона – отрицателен. Положителният знак на заряда на една частица не означава, разбира се, че тя има специални предимства. Въвеждането на заряди с два знака просто изразява факта, че заредените частици могат както да привличат, така и да отблъскват. Частици с еднакъв знак на заряд се отблъскват, а с различни знаци се привличат.

Сега няма обяснение за причините за съществуването на два вида електрически заряди. Във всеки случай не се откриват фундаментални разлики между положителните и отрицателните заряди. Ако знаците на електрическите заряди на частиците бяха обърнати, тогава природата на електромагнитните взаимодействия в природата не би се променила.

Положителните и отрицателните заряди са много добре компенсирани във Вселената. И ако Вселената е ограничена, тогава общият й електрически заряд по всяка вероятност е равен на нула.

Най-забележителното е, че електрическият заряд на всички елементарни частици е абсолютно еднакъв по абсолютна стойност. Съществува минимален заряд, наречен елементарен, който всички заредени елементарни частици притежават. Зарядът може да бъде положителен, като протон, или отрицателен, като електрон, но модулът на заряда е един и същ във всички случаи.

Невъзможно е да се отдели част от заряда, например, от електрон. Това е може би най-удивителното нещо. Никоя съвременна теория не може да обясни защо зарядите на всички частици са еднакви и не може да изчисли стойността на минималния електрически заряд. Определя се експериментално с помощта на различни опити.

През 60-те години на миналия век, след като броят на новооткритите елементарни частици започна да расте заплашително, беше изложена хипотезата, че всички силно взаимодействащи частици са съставни. По-фундаменталните частици бяха наречени кварки. Оказа се поразително, че кварките трябва да имат частичен електрически заряд: 1/3 и 2/3 от елементарния заряд. За да се конструират протони и неутрони, са достатъчни два вида кварки. И максималният им брой, очевидно, не надвишава шест.

Единица за електрически заряд

Елементарната частица е най-малката, неделима, безструктурна частица.

ОСНОВИ НА ЕЛЕКТРОДИНАМИКАТА

Електродинамика- дял от физиката, който изучава електромагнитните взаимодействия. Електромагнитни взаимодействия– взаимодействия на заредени частици. Основните обекти на изучаване на електродинамиката са електрически и магнитни полета, създадени от електрически заряди и токове.

Тема 1. Електрическо поле (електростатика)

Електростатика -клон на електродинамиката, който изучава взаимодействието на неподвижни (статични) заряди.

Електрически заряд.

Всички тела са наелектризирани.

Да наелектризираш едно тяло означава да му придадеш електрически заряд.

Наелектризираните тела си взаимодействат – привличат се и се отблъскват.

Колкото по-наелектризирани са телата, толкова по-силно си взаимодействат.

Електрическият заряд е физическа величина, която характеризира свойството на частиците или телата да влизат в електромагнитни взаимодействия и е количествена мярка за тези взаимодействия.

Съвкупността от всички известни експериментални факти ни позволява да направим следните изводи:

Има два вида електрически заряди, условно наречени положителни и отрицателни.

Зарядите не съществуват без частици

Зарядите могат да се прехвърлят от едно тяло на друго.

· За разлика от масата на тялото, електрическият заряд не е неразделна характеристика на дадено тяло. Едно и също тяло при различни условия може да има различен заряд.

· Електрическият заряд не зависи от избора на отправна система, в която се измерва. Електрическият заряд не зависи от скоростта на носителя на заряда.

Зарядите със същото име отблъскват, за разлика от привличането.

SI единица – висулка

Елементарната частица е най-малката, неделима, безструктурна частица.

Например в атом: електрон ( , протон ( , неутрон ( .

Една елементарна частица може да има или да няма заряд: , ,

Елементарният заряд е заряд, принадлежащ на елементарна частица, най-малката, неделима.

Елементарен заряд - зарядът на електрона по модул.

Зарядите на електрона и протона са числено равни, но противоположни по знак:

Електрификация на тел.
Какво означава "макроскопичното тяло е заредено"? Какво определя заряда на всяко тяло?

Всички тела са изградени от атоми, които включват положително заредени протони, отрицателно заредени електрони и неутрални частици - неутрони. . Протоните и неутроните са част от атомните ядра, електроните образуват електронната обвивка на атомите.

В неутрален атом броят на протоните в ядрото е равен на броя на електроните в обвивката.

Макроскопичните тела, състоящи се от неутрални атоми, са електрически неутрални.

Атом на дадено вещество може да загуби един или повече електрони или да получи допълнителен електрон. В тези случаи неутралния атом се превръща в положително или отрицателно зареден йон.

Електрификация на тела– процесът на получаване на електрически заредени тела от електрически неутрални.

Телата се наелектризират, когато влязат в контакт едно с друго.

При съприкосновение част от електроните от едно тяло преминава в друго, двете тела се наелектризират, т.е. получават заряди, равни по големина и противоположни по знак:
„Излишъкът“ от електрони в сравнение с протоните създава „-“ заряд в тялото;
„Липсата“ на електрони в сравнение с протоните създава „+“ заряд в тялото.
Зарядът на всяко тяло се определя от броя на излишните или недостатъчните електрони в сравнение с протоните.

Зарядът може да се прехвърля от едно тяло към друго само на части, съдържащи цяло число електрони. По този начин електрическият заряд на тялото е дискретна стойност, кратна на заряда на електрона: