У Всесвіті кожне тіло живе у своєму часі та основні елементарні частинки також. Час життя в більшості елементарних частинок досить короткий.

Деякі відразу після свого народження розпадаються, тому ми називаємо їх нестабільними частинками.

Вони через короткий час розпадаються на стабільні: протони, електрони, нейтрино, фотони, гравітони та їх античастинки.

Найважливіші мікрооб'єкти в нашому близькому космосі протони та електрони. Якісь із віддалених частин Всесвіту можуть складатися з антиречовини, найважливішими частинками там будуть антипротон і антиелектрон (позитрон).

Всього відкрито кілька сотень елементарних частинок: протон (р), нейтрон (n), електрон (e -), а також фотон (g), пі-мезони (p), мюони (m), нейтрино трьох типів (електронне v e, мюонне) v m, з лептоном v t), і т.д. явно принесуть ще нові мікрочастинки.

Поява частинок:

Протонів та електронів

Поява протонів і електронів належить до часу , та його вік налічує приблизно десять мільярдів років.

Ще один вид мікрооб'єктів, які відіграють істотну роль у структурі близького космосу - нейтрони, що мають загальну назву з протоном: нуклони. Самі собою нейтрони нестабільні, вони розпадаються приблизно десять хвилин після виникнення. Стабільними вони можуть бути лише у ядрі атома. Величезна кількість нейтронів постійно виникає в глибинах зірок, де з протонів народжуються ядра атомів.

Нейтріно

У Всесвіті також постійно відбувається народження нейтрино, які схожі на електрон, але без заряду і з малою масою. В 1936 відкрито різновид нейтрино: мюонні нейтрино, які виникають при перетворенні протонів в нейтрони, в надрах надмасивних зірок і при розпаді багатьох нестабільних мікрооб'єктів. Вони народжуються під час зіткнення космічних променів у міжзоряному просторі.

Великий вибух спричинив появу величезної кількості нейтрино та мюонних нейтрино. Їхнє число в космосі постійно збільшується, тому що вони не поглинаються практично ніякою матерією.

Фотонів

Як і фотони, нейтрино та мюонне нейтрино заповнюють весь космічний простір. Це називається «нейтринним морем».
З часу Великого вибуху залишилося безліч фотонів, які ми називаємо реліктовими чи фоссильними. Ними наповнено весь космічний простір, та його частота, отже, і енергія постійно зменшується, оскільки Всесвіт розширюється.

В даний час всі космічні тіла, насамперед зірки та туманності, беруть участь в утворенні фотонної частини Всесвіту. Фотони народжуються на поверхні зірок із енергії електронів.

З'єднання частинок

У початковій стадії утворення Всесвіту всі основні елементарні частки були вільними. Тоді не існувало ні ядер атомів, ні планет, ні зірок.

Атоми, а з них планети, зірки та всі речовини утворилися пізніше, коли минуло 300 000 років і розпечена матерія при розширенні достатньою мірою охолоне.

Лише нейтрино, мюонне нейтрино і фотон не увійшли в жодну систему: їхнє взаємне тяжіння надто слабке. Вони так і залишилися вільними частинками.

Ще на початковому етапі утворення Всесвіту (через 300 000 років після його народження) вільні протони та електрони з'єдналися в атоми водню (один протон та один електрон, пов'язані електричною силою).

Протон вважається основною елементарною частинкоюіз зарядом +1 та масою 1,672 ·10 −27 кг (трохи менше ніж 2000 разів важчий за електрон). Протони, що опинилися в масивній зірці, поступово перетворилися на основне будівельне «залізо» Всесвіту. Кожен із них при цьому звільнив один відсоток своєї маси спокою. У надмасивних зірках, які наприкінці свого життя внаслідок власної гравітації стискуються у малі обсяги, протон може втратити майже п'яту частину своєї енергії спокою (а отже, і п'яту частину своєї маси спокою).

Відомо, що «будівельними мікроблоками» Всесвіту є протони та електрони.

Нарешті, під час зустрічі протона і антипротону немає ніякої системи, але їх енергія спокою звільняється як фотонів ().

Вчені стверджують, що ніби існує ще й примарна основна елементарна частка гравітону, яка переносить гравітаційну взаємодію аналогічну електромагнетизму. Проте наявність гравітону доведено лише теоретично.

Таким чином, виникли і зараз представляють наш Всесвіт, у тому числі і Землю, основні елементарні частинки: протони, електрони, нейтрино, фотони, гравітони та ще безліч відкритих та невідкритих мікрооб'єктів.

Ці три частинки (як і інші описані нижче) взаємно притягуються і відштовхуються відповідно до своїх зарядам, яких всього чотири види за кількістю фундаментальних сил природи. Заряди можна розташувати у порядку зменшення відповідних сил таким чином: колірний заряд (сили взаємодії між кварками); електричний заряд (електричні та магнітні сили); слабкий заряд (сили у деяких радіоактивних процесах); нарешті, маса (сили тяжіння, чи гравітаційної взаємодії). Слово «колір» тут немає нічого спільного з кольором видимого світла; це просто характеристика сильного заряду та найбільших сил.

Заряди зберігаються, тобто. заряд, що входить до системи, дорівнює заряду, що з неї виходить. Якщо сумарний електричний заряд деякого числа частинок до взаємодії дорівнює, скажімо, 342 одиницям, він і після взаємодії незалежно з його результату дорівнює 342 одиницям. Це стосується й інших зарядів: колірного (заряду сильної взаємодії), слабкого та масового (маси). Частинки розрізняються своїми зарядами: по суті, вони і є зарядами. Заряди – це хіба що «довідка» про право відповідати відповідну силу. Так, тільки на кольорові частинки діють колірні сили, тільки на електрично заряджені частинки діють електричні сили тощо. Властивості частки визначаються найбільшою силою, що діє на неї. Тільки кварки є носіями всіх зарядів і, отже, схильні до дії всіх сил, серед яких домінуючою є колірна. Електрони мають усі заряди, крім колірного, а домінуючою їм є електромагнітна сила.

Найбільш стійкими у природі виявляються, зазвичай, нейтральні комбінації частинок, у яких заряд частинок одного знака компенсується сумарним зарядом частинок іншого знака. Це відповідає мінімуму енергії усієї системи. (Точно так само два стрижневі магніти розташовуються в лінію, причому північний полюс одного з них звернений до південного полюса іншого, що відповідає мінімуму енергії магнітного поля.) Гравітація ж є винятком з цього правила: негативної маси не існує. Немає тіл, які б падали вгору.

ВИДИ МАТЕРІЇ

Звичайна матерія утворюється з електронів і кварків, що групуються в об'єкти, нейтральні за колірним, а потім і електричним зарядом. Колірна сила нейтралізується, про що докладніше буде сказано нижче, коли частки об'єднуються в триплети. (Звідси і сам термін «колір», взятий з оптики: три основні кольори при змішуванні дають білий.) Таким чином, кварки, для яких колірна сила є головною, утворюють триплети. Але кварки, а вони поділяються на u-кварки (від англ. up – верхній) та d-кварки (від англ. down - нижній), мають ще й електричний заряд, що дорівнює u-кварка і для d-Кварювання. Два u-кварка та один d-Кварк дають електричний заряд +1 і утворюють протон, а один u-кварк і два d-кварка дають нульовий електричний заряд і утворюють нейтрон

Стабільні протони і нейтрони, що притягуються один до одного залишковими силами взаємодії між складовими їх кварками, утворюють нейтральне за кольором ядро ​​атома. Але ядра несуть позитивний електричний заряд і, притягуючи негативні електрони, що обертаються навколо ядра на зразок планет, що обертаються навколо Сонця, прагнуть утворити нейтральний атом. Електрони на своїх орбітах віддалені від ядра на відстані, що в десятки тисяч разів перевищують радіус ядра, – свідчення того, що електричні сили, що їх утримують, набагато слабші за ядерні. Завдяки силі взаємодії кольору 99,945% маси атома укладено в його ядрі. Маса u- І d-кварків приблизно в 600 разів більше за масу електрона. Тому електрони набагато легші і рухливіші за ядер. Їхнім рухом у речовині обумовлені електричні явища.

Існує кілька сотень природних різновидів атомів (включаючи ізотопи), що відрізняються числом нейтронів і протонів в ядрі і відповідно числом електронів на орбітах. Найпростіший - атом водню, що складається з ядра у вигляді протона і єдиного електрона, що обертається навколо нього. Вся «видима» матерія у природі складається з атомів і частково «розібраних» атомів, які називаються іонами. Іони - це атоми, які, втративши (або придбавши) кілька електронів, стали зарядженими частинками. Матерія, що складається майже з одних іонів, називається плазмою. Зірки, що горять за рахунок термоядерних реакцій, що йдуть в центрах, складаються в основному з плазми, а оскільки зірки - найпоширеніша форма матерії у Всесвіті, можна сказати, що і весь Всесвіт складається в основному з плазми. Точніше, зірки – це цілком іонізований газоподібний водень, тобто. суміш окремих протонів і електронів, а отже, з неї і складається майже весь видимий Всесвіт.

Це – видима матерія. Але у Всесвіті є ще невидима матерія. І є частинки, які у ролі носіїв сил. Існують античастинки та збуджені стани деяких частинок. Все це призводить до явно надмірного достатку «елементарних» частинок. У цьому достатку можна знайти вказівку на дійсну, справжню природу елементарних частинок і сил, що діють між ними. Згідно з останніми теоріями, частинки у своїй основі можуть бути протяжними геометричними об'єктами – «струнами» в десятивимірному просторі.

Невидимий світ.

У Всесвіті є не лише видима матерія (а також чорні дірки та «темна матерія», наприклад, холодні планети, які стануть видимими, якщо їх висвітлити). Існує і справді невидима матерія, що пронизує всіх нас і весь Всесвіт щомиті. Вона являє собою швидко рухається газ із частинок одного сорту – електронних нейтрино.

Електронне нейтрино є партнером електрона, але немає електричного заряду. Нейтрино несуть лише так званий слабкий заряд. Їх маса спокою, ймовірно, дорівнює нулю. Але з гравітаційним полем вони взаємодіють, оскільки мають кінетичну енергію. E, якій відповідає ефективна маса m, згідно з формулою Ейнштейна E = mc 2 , де c- швидкість світла.

Ключова роль нейтрино полягає в тому, що воно сприяє перетворенню і-кварків в d-кварки, внаслідок чого протон перетворюється на нейтрон. Нейтрино грає роль «голки карбюратора» для зіркових термоядерних реакцій, у яких чотири протона (ядра водню) об'єднуються, утворюючи ядро ​​гелію. Але оскільки ядро ​​гелію складається не з чотирьох протонів, а з двох протонів і двох нейтронів, для такого ядерного синтезу потрібно два і-кварка перетворилися на два d-Кварювання. Від інтенсивності перетворення залежить, наскільки швидко горітимуть зірки. А процес перетворення визначається слабкими зарядами та силами слабкої взаємодії між частинками. При цьому і-Кварк (електричний заряд +2/3, слабкий заряд +1/2), взаємодіючи з електроном (електричний заряд - 1, слабкий заряд -1/2), утворює d-кварк (електричний заряд –1/3, слабкий заряд –1/2) та електронне нейтрино (електричний заряд 0, слабкий заряд +1/2). Колірні заряди (або просто кольори) двох кварків у цьому процесі компенсуються без нейтрино. Роль нейтрино полягає в тому, щоб забирати некомпенсований слабкий заряд. Тому швидкість перетворення залежить від того, наскільки слабкі слабкі сили. Якби вони були слабшими, ніж вони є, то зірки взагалі не горіли б. Якщо б вони були сильнішими, то зірки давно б вигоріли.

А що ж нейтрино? Оскільки ці частинки вкрай слабо взаємодіють з іншою речовиною, вони майже відразу йдуть із зірок, у яких народилися. Усі зірки сяють, випускаючи нейтрино, а нейтрино вдень і вночі просвічують наші тіла та всю Землю. Так вони мандрують Всесвітом, поки не вступлять, можливо, в нову взаємодію ЗІРКИ) .

Переносники взаємодій.

За рахунок чого з'являються сили, що діють між частинками на відстані? Сучасна фізика відповідає: з допомогою обміну іншими частками. Уявіть собі двох ковзанярів, що перекидаються м'ячем. Повідомляючи м'ячу імпульс при кидку та отримуючи імпульс з прийнятим м'ячем, обидва одержують поштовх у напрямку один від одного. Так можна пояснити виникнення сил відштовхування. Але в квантовій механіці, що розглядає явища в галузі мікросвіту, допускаються незвичайні розтягнення та справакалізація подій, що призводить, здавалося б, до неможливого: один із ковзанярів кидає м'яч у напрямку відіншого, але той проте можецей м'яч зловити. Неважко збагнути, що, якби таке можливо (а у світі елементарних частинок це можливо), між ковзанярцями виникло б тяжіння.

Частинки, завдяки обміну якими виникають сили взаємодії між чотирма розглянутими вище «частинками матерії», називаються калібрувальними частинками. Кожній із чотирьох взаємодій – сильній, електромагнітній, слабкій та гравітаційній – відповідає свій набір калібрувальних частинок. Частинками-переносниками сильної взаємодії є глюони (їх лише вісім). Фотон – переносник електромагнітної взаємодії (він один, а фотони ми сприймаємо як світло). Частинками-переносниками слабкої взаємодії є проміжні векторні бозони (1983 і 1984 були відкриті W + -, W- -бозони та нейтральний Z-бозон). Частинкою-переносником гравітаційної взаємодії є поки що гіпотетичний гравітон (він має бути один). Всі ці частинки, крім фотона та гравітону, які можуть пробігати нескінченно великі відстані, існують лише у процесі обміну між матеріальними частинками. Фотони заповнюють Всесвіт світлом, а гравітони – гравітаційними хвилями (поки що з достовірністю не виявленими).

Про частинку, здатну випускати калібрувальні частинки, говорять, що вона оточена відповідним полем сил. Так, електрони, здатні випускати фотони, оточені електричними та магнітними полями, а також слабкими та гравітаційними полями. Кварки теж оточені усіма цими полями, але ще й полем сильної взаємодії. На частинки з колірним зарядом у полі колірних сил діє колірна сила. Те саме стосується інших сил природи. Тому можна сказати, що світ складається з речовини (матеріальних частинок) та поля (калібрувальних частинок). Про це детальніше нижче.

Антиречовина.

Кожній частинці відповідає античастка, з якою частка може взаємно знищитися, тобто. «Анігілювати», внаслідок чого вивільняється енергія. «Чистої» енергії самої собою, проте, немає; в результаті анігіляції виникають нові частинки (наприклад, фотони), що забирають цю енергію.

Античастка в більшості випадків має протилежні по відношенню до відповідної частки властивостями: якщо частка під дією сильного, слабкого або електромагнітного полів рухається вліво, то її античастка рухатиметься вправо. Коротше кажучи, античастинка має протилежні знаки всіх зарядів (крім масового заряду). Якщо частинка складова, як, наприклад, нейтрон, її античастка складається з компонент з протилежними знаками зарядів. Так, антиелектрон має електричний заряд +1 слабкий заряд +1/2 і називається позитроном. Антинейтрон складається з і-антикварків з електричним зарядом –2/3 та d-антикварки з електричним зарядом +1/3. Істинно нейтральні частинки є своїми власними античастинками: античастинка фотону - фотон.

Відповідно до сучасних теоретичних уявлень, своя античастка має бути для кожної існуючої в природі частинки. І багато античасток, у тому числі позитронів і антинейтронів, дійсно були отримані в лабораторії. Наслідки цього є виключно важливими і лежать в основі всієї експериментальної фізики елементарних частинок. Відповідно до теорії відносності, маса та енергія еквівалентні, і в певних умовах енергія може бути перетворена на масу. Оскільки заряд зберігається, а заряд вакууму (порожнього простору) дорівнює нулю, з вакууму, як кролики з капелюха фокусника, можуть виникати будь-які пари частинок і античастинок (з нульовим сумарним зарядом), аби енергія була достатньою для створення їхньої маси.

Покоління частинок.

Експерименти на прискорювачах показали, що четвірка (квартет) матеріальних частинок принаймні двічі повторюється за більш високих значень маси. У другому поколінні місце електрона займає мюон (з масою, приблизно в 200 разів більшої маси електрона, але з колишніми значеннями решти всіх зарядів), місце електронного нейтрино – мюонне (яке супроводжує у слабких взаємодіях мюону так само, як електрону супроводжує електронне нейтрино), місце і-кварка займає з-кварк ( зачарований), а d-кварка - s-кварк ( дивний). У третьому поколінні квартет складається з тау-лептону, тау-нейтрино, t-кварка та b-Кварювання.

Маса t-кварка приблизно в 500 разів більше за масу найлегшого – d-Кварювання. Експериментально встановлено, що є лише три типи легких нейтрино. Таким чином, четверте покоління частинок або немає зовсім, або відповідні нейтрино є дуже важкими. Це узгоджується з космологічними даними, відповідно до яких можуть існувати трохи більше чотирьох типів легких нейтрино.

В експериментах з частинками високих енергій електрон, мюон, тау-лептон та відповідні нейтрино виступають як відокремлені частки. Вони не несуть колірного заряду і вступають лише у слабкі та електромагнітні взаємодії. У сукупності вони називаються лептонами.

Таблиця 2. ПОКОЛІННЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНИХ ЧАСТОК
Частка	Маса спокою, МеВ/ з 2	Електричний заряд	Колірний заряд	Слабкий заряд
ДРУГЕ ПОКОЛІННЯ
з-кварк	1500	+2/3	Червоний, зелений чи синій	+1/2
s-кварк	500	–1/3	Те саме	–1/2
Мюонне нейтрино		0	0	+1/2
Мюон	106	0	0	–1/2
ТРЕТЄ ПОКОЛІННЯ
t-кварк	30000–174000	+2/3	Червоний, зелений чи синій	+1/2
b-кварк	4700	–1/3	Те саме	–1/2
Тау-нейтріно		0	0	+1/2
Тау	1777	–1	0	–1/2

Кварки під дією колірних сил об'єднуються в сильно взаємодіючі частки, переважають у більшості експериментів фізики високих енергій. Такі частки називаються адронами. У них входять два підкласи: баріони(наприклад, протон і нейтрон), які складаються з трьох кварків, та мезони, що складаються з кварка та антикварка. У 1947 у космічних променях було відкрито перший мезон, названий півоніям (або пі-мезоном), і деякий час вважалося, що обмін цими частинками – головна причина ядерних сил. Особливою популярністю у фізиці елементарних частинок користувалися також адрони омега-мінус, відкриті в 1964 у Брукхейвенській національній лабораторії (США), та джей-псі-частка ( J/y-мезон), відкрита одночасно в Брукхейвені і в Стенфордському центрі лінійних прискорювачів (теж у США) у 1974. SU 3-теорії» (інша назва – «вісімковий шлях»), в якій вперше було висловлено припущення про можливість існування кварків (і було дано їм цю назву). Десятиліття після відкриття частки J/yпідтвердило існування з-Кварка і змусило, нарешті, всіх повірити і в кваркову модель, і в теорію, що об'єднала електромагнітні та слабкі сили ( див. нижче).

Частинки другого та третього покоління не менш реальні, ніж першого. Щоправда, виникнувши, вони за мільйонні чи мільярдні частки секунди розпадаються на звичайні частки першого покоління: електрон, електронне нейтрино, а також і- І d-Кварки. Питання, чому у природі існують кілька поколінь частинок, досі залишається загадкою.

Про різні покоління кварків і лептонів часто говорять (що, звичайно, дещо ексцентрично) як про різні «аромати» частинок. Необхідність їхнього пояснення називається проблемою «аромату».

БОЗОНИ І ФЕРМІОНИ, ПОЛЕ І РЕЧОВИНА

Однією з важливих відмінностей між частинками є різницю між бозонами і ферміонами. Усі частинки поділяються на ці два основні класи. Однакові бозони можуть накладатися один на одного або перекриватися, а однакові ферміони – ні. Накладення відбувається (чи відбувається) у дискретних енергетичних станах, куди квантова механіка ділить природу. Ці стани являють собою окремі осередки, в які можна поміщати частинки. Так от, в одну комірку можна помістити скільки завгодно однакових бозонів, але тільки один ферміон.

Як приклад розглянемо такі осередки, чи «стану», для електрона, що обертається навколо ядра атома. На відміну від планет Сонячної системи, електрон за законами квантової механіки не може звертатися будь-якою еліптичною орбітою, для нього існує лише дискретний ряд дозволених «станів руху». Набори таких станів, що групуються відповідно до відстані від електрона до ядра, називаються орбіталями. У першій орбіталі є два стани з різними моментами імпульсу і, отже, дві дозволені осередки, а вищих орбіталях – вісім і більше осередків.

Оскільки електрон відноситься до ферміонів, у кожному осередку може бути лише один електрон. Звідси випливають дуже важливі наслідки – вся хімія, оскільки хімічні властивості речовин визначаються взаємодією між відповідними атомами. Якщо йти по періодичній системі елементів від одного атома до іншого в порядку збільшення на одиницю числа протонів в ядрі (кількість електронів теж відповідно збільшуватиметься), то перші два електрони займуть першу орбіталь, наступні вісім розташуються на другій і т.д. Цим послідовним зміною електронної структури атомів від елемента до елемента і зумовлені закономірності у тому хімічних властивостях .

Якби електрони були бозонами, то всі електрони атома могли б займати ту саму орбіталь, що відповідає мінімальній енергії. При цьому властивості всієї речовини у Всесвіті були б зовсім іншими, і в тому вигляді, в якому ми її знаємо, Всесвіт був би неможливим.

Усі лептони – електрон, мюон, тау-лептон та відповідні їм нейтрино – є ферміонами. Те саме можна сказати про кварки. Таким чином, усі частинки, які утворюють «речовину», основний наповнювач Всесвіту, а також невидимі нейтрино є ферміонами. Це дуже суттєво: ферміони не можуть поєднуватися, так що те саме стосується предметів матеріального світу.

У той же час усі «калібрувальні частинки», якими обмінюються взаємодіючі матеріальні частинки і створюють поле сил ( див. вище), є бозонами, що також дуже важливо. Так, наприклад, багато фотонів можуть бути в одному стані, утворюючи магнітне поле навколо магніту або електричне поле навколо електричного заряду. Завдяки цьому ж можливий лазер.

Спін.

Різниця між бозонами та ферміонами пов'язана із ще однією характеристикою елементарних частинок – спином. Хоч як це дивно, але всі фундаментальні частинки мають власний момент імпульсу або, простіше кажучи, обертаються навколо осі. Момент імпульсу – характеристика обертального руху, як і сумарний імпульс – поступального. У будь-яких взаємодіях момент імпульсу та імпульс зберігаються.

У мікросвіті момент імпульсу квантується, тобто. набуває дискретних значень. У відповідних одиницях виміру лептони і кварки мають спін, рівний 1/2, а калібрувальні частинки - спін, рівний 1 (крім гравітону, який експериментально поки не спостерігався, а теоретично повинен мати спін, рівний 2). Оскільки лептони та кварки – ферміони, а калібрувальні частинки – бозони, можна припустити, що «ферміонність» пов'язана зі спином 1/2, а «бозонність» – зі спином 1 (або 2). Справді, і експеримент, і теорія підтверджують, що й у частки напівцілий спин, вона – ферміон, і якщо цілий – то бозон.

КАЛІБРУВАЛЬНІ ТЕОРІЇ І ГЕОМЕТРІЯ

У всіх випадках сили виникають унаслідок обміну бозонами між ферміонами. Так, колірна сила взаємодії між двома кварками (кварки – ферміони) виникає з допомогою обміну глюонами. Подібний обмін постійно відбувається у протонах, нейтронах та атомних ядрах. Так само фотони, якими обмінюються електрони і кварки, створюють електричні сили тяжіння, утримують електрони в атомі, а проміжні векторні бозони, якими обмінюються лептони і кварки, створюють сили слабкої взаємодії, відповідальні перетворення протонів в нейтрони при термоядерних реакціях.

Теорія такого обміну витончена, проста і, мабуть, правильна. Вона називається калібрувальною теорією. Але в даний час існують лише незалежні калібрувальні теорії сильної, слабкої та електромагнітної взаємодій і подібна з ними, хоча в чому і відрізняється, калібрувальна теорія гравітації. Однією з найважливіших фізичних проблем є зведення цих окремих теорій у єдину разом із тим просту теорію, у якій вони стали б різними аспектами єдиної реальності – як грані кристала.

Таблиця 3. ДЕЯКІ АДРОНИ

Таблиця 3. ДЕЯКІ АДРОНИ
Частка	Символ	Кварковий склад *	Маса спокою, МеВ/ з 2	Електричний заряд
Баріони
Протон	p	uud	938	+1
Нейтрон	n	udd	940	0
Омега-мінус	W –	sss	1672	–1
МЕЗОНИ
Пі-плюс	p +	u	140	+1
Пі-мінус	p –	du	140	–1
Фі	f	sє	1020	0
Джей-псі	J/y	cв	3100	0
Іпсилон	Ў	b	9460	0
* Кварковий склад: u- Верхній; d- нижній; s- Дивний; c- Зачарований; b- Вродливий. Рисою над літерою позначені антикварки.

Найпростішою і найстарішою з калібрувальних теорій є калібрувальна теорія електромагнітної взаємодії. У ній заряд електрона порівнюється (калібрується) із зарядом іншого електрона, віддаленого від нього. Як можна порівнювати заряди? Можна, наприклад, наблизити другий електрон до першого та порівнювати їх сили взаємодії. Але чи змінюється заряд електрона під час його переміщенні до іншої точки простору? Єдиний спосіб перевірки – надіслати від ближнього електрона до далекого сигналу і подивитися, як він зреагує. Сигналом є калібрувальна частка – фотон. Щоб можна було перевірити заряд на віддалених частинках, потрібний фотон.

У математичному відношенні ця теорія відрізняється надзвичайною точністю та красою. З описаного вище «калібрувального принципу» випливає вся квантова електродинаміка (квантова теорія електромагнетизму), і навіть теорія електромагнітного поля Максвелла – одне з найбільших наукових досягнень 19 в.

Чому ж такий простий принцип виявляється таким плідним? Мабуть, він висловлює певну співвіднесеність різних частин Всесвіту, дозволяючи проводити виміри у Всесвіті. У математичному плані поле інтерпретується геометрично як кривизна деякого мислимого «внутрішнього» простору. Вимірювання ж заряду – це вимір повної «внутрішньої кривизни» навколо частки. Калібрувальні теорії сильної та слабкої взаємодій відрізняються від електромагнітної калібрувальної теорії лише внутрішньою геометричною «структурою» відповідного заряду. На питання, де саме знаходиться цей внутрішній простір, намагаються відповісти багатовимірні єдині теорії поля, які тут не розглядаються.

Таблиця 4. ФУНДАМЕНТАЛЬНІ ВЗАЄМОДІЇ
Взаємодія	Відносна інтенсивність з відривом 10 –13 см	Радіус дії	Переносник взаємодії	Маса спокою переносника, МеВ/ з 2	Спин переносника
Сильне	1		Глюон	0	1
Електро- магнітне	0,01	Ґ	Фотон	0	1
Слабке	10 –13		W +	80400	1
			W –	80400	1
			Z 0	91190	1
Гравіта- ційне	10 –38	Ґ	Гравітон	0	2

Фізика елементарних частинок поки що не завершена. Ще далеко не ясно, чи достатньо даних для повного розуміння природи частинок і сил, а також істинної природи та розмірності простору та часу. Чи потрібні нам для цього експерименти з енергіями 10 15 ГеВ чи буде достатньо зусиль думки? Відповіді наразі немає. Але можна сказати з упевненістю, що остаточна картина буде простою, витонченою і красивою. Можливо, що принципових ідей виявиться не так багато: калібрувальний принцип, простори вищих розмірностей, колапс та розширення, а насамперед – геометрія.

719. Закону збереження електричного заряду

720.Тіла, що мають електричні заряди різного знака, …

Притягуються один до одного.

721.Одінакові металеві кульки, заряджені різноіменно зарядами q 1 =4q і q 2 = -8q привели в дотик і розсунули на колишню відстань. Кожна з кульок має заряд

q 1 =-2q і q 2 = -2q

723.Крапля, що має позитивний заряд (+2е), при освітленні втратила один електрон. Заряд краплі став рівний

724.Одінакові металеві кульки, заряджені зарядами q 1 = 4q , q 2 = - 8q і q 3 = - 2q привели в дотик і розсунули на колишню відстань. Кожна з кульок матиме заряд

q 1 = - 2q, q 2 = - 2q і q 3 = - 2q

725.Одінакові металеві кульки, заряджені зарядами q 1 = 5q і q 2 = 7q привели в дотик і розсунули на колишню відстань, а потім привели в дотик другий і третій кулька з зарядом q 3 =-2q і розсунули на колишню відстань. Кожна з кульок матиме заряд

q 1 = 6q, q 2 = 2q і q 3 = 2q

726.Одінакові металеві кульки, заряджені зарядами q 1 = - 5q і q 2 = 7q привели в дотик і розсунули на колишню відстань, а потім привели в дотик другу і третю кульку з зарядом q 3 = 5q і розсунули на колишню відстань. Кожна з кульок матиме заряд

q 1 =1q, q 2 = 3q і q 3 = 3q

727. Є чотири однакові металеві кульки із зарядами q 1 = 5q, q 2 = 7q, q 3 = -3q і q 4 = -1q . Спочатку привели в дотик і розсунули на колишню відстань заряди q 1 і q 2 (1 система зарядів), а потім привели в дотик заряди q 4 і q 3 (2-а система зарядів). Потім взяли по одному заряду системи 1 і 2 і їх прищепили в дотик і розсунули на колишню відстань. Ці дві кульки матимуть заряд

728. Є чотири однакові металеві кульки із зарядами q 1 = -1q, q 2 = 5q, q 3 = 3q і q 4 = -7q . Спочатку привели до зіткнення і розсунули на колишню відстань заряди q 1 і q 2 (1 система зарядів), а потім привели до зіткнення заряди q 4 і q 3 (2 система зарядів). Потім взяли по одному заряду системи 1 і 2 і їх привели в дотик і розсунули на колишню відстань. Ці дві кульки матимуть заряд

729.В атомі позитивний заряд має

Ядро.

730.Навколо ядра атома кисню рухається 8 електронів. Число протонів в ядрі атома кисню дорівнює

731.Електричний заряд електрона дорівнює

-1,6 · 10-19 Кл.

732. Електричний заряд протона дорівнює

1,6 · 10 -19 Кл.

733.Ядро атома літію містить 3 протони. Якщо навколо ядро ​​обертається 3 електрони, то

Атом електрично нейтральний.

734.В ядрі фтору 19 частинок, їх 9 протонів. Кількість нейтронів у ядрі та кількість електронів у нейтральному атом фтору

Нейтронів та 9 електронів.

735.Якщо в якому-небудь тілі число протонів більше за кількість електронів, то тіло в цілому

Заряджено позитивно.

736.Крапля, що має позитивний заряд +3е при опроміненні втратила 2 електрони. Заряд краплі став рівний

8 · 10 -19 Кл.

737. Негативний заряд в атомі несе

Оболонка.

738.Якщо атомом кисню, перетворився на позитивний іон, то він

Втратив електрон.

739.Велику масу має

Негативний іон водню.

740.В результаті тертя з поверхні скляної палички було видалено 5 10 10 електронів. Електричний заряд на паличці

(Е = -1.6 · 10 -19 Кл)

8 · 10 -9 Кл.

741.В результаті тертя ебонітова паличка отримала 5 · 10 10 електронів. Електричний заряд на паличці

(Е = -1.6 · 10 -19 Кл)

-8 · 10 -9 Кл.

742.Сила кулонівської взаємодії двох точкових електричних зарядів при зменшенні відстані між ними у 2 рази

Збільшиться у 4 рази.

743.Сила кулонівської взаємодії двох точкових електричних зарядів при зменшенні відстані між ними у 4 рази

Збільшиться у 16 ​​разів.

744.Два точкові електричні заряди діють один на одного за законом Кулона з силою 1Н. Якщо відстань між ними збільшити вдвічі, то сила кулонівської взаємодії цих зарядів стане рівною

745.Два точкові заряди діють один на одного з силою в 1Н. Якщо величину кожного із зарядів збільшити у 4 рази, то сила кулонівської взаємодії стане рівною

746.Сила взаємодії двох точкових зарядів 25 Н. Якщо відстань між ними зменшити у 5 разів, то сила взаємодії цих зарядів стане рівною

747.Сила кулонівської взаємодії двох точкових зарядів зі збільшенням відстані між ними в 2 рази

Зменшиться у 4 рази.

748.Сила кулонівської взаємодії двох точкових електричних зарядів зі збільшенням відстані між ними в 4 рази

Зменшиться у 16 ​​разів.

749. Формула закону Кулону

.

750.Якщо 2 однакові металеві кулі, що мають заряди +q і +q привести в дотик і розсунути на колишню відстань, то модуль сили взаємодії

Не зміниться.

751.Якщо 2 однакові металеві кулі, що мають заряди +q і -q, кулі привести в дотик і розсунути на колишню відстань, то сила взаємодії

Стане рівною 0.

752.Два заряди взаємодіють у повітрі. Якщо їх помістити у воду (ε = 81), не змінюючи відстань між ними, то сила кулонівської взаємодії

Зменшиться у 81раз.

753.Сила взаємодії двох зарядів по 10 нКл, що знаходиться в повітрі на відстані 3 см один від одного, дорівнює

()

754.Заряди 1 мкКл та 10 нКл взаємодіють у повітрі з силою 9 мН на відстані

()

755. Два електрони, що знаходяться один від одного на відстані 3 · 10 -8 см відштовхуються з силою ( ; е = - 1.6 · 10 -19 Кл)

2,56 · 10 -9 Н.

756.При збільшенні відстані від заряду в 3 рази, модулю напруженість електричного поля

Зменшиться у 9 разів.

757.Напруженість поля у точці дорівнює 300 Н/Кл. Якщо заряд дорівнює 1 10 -8 Кл, то відстань до точки

()

758. Якщо відстань від точкового заряду, що створює електричне поле, збільшиться в 5 разів, то напруженість електричне поле

Зменшиться у 25 разів.

759.Напруженість поля точкового заряду в деякій точці 4 Н/Кл. Якщо відстань від заряду збільшити в 2 рази, то напруженість дорівнюватиме

760.Вкажіть формулу напруженості електричного поля у загальному випадку.

761.Математичний запис принципу суперпозиції електричних полів

762.Вкажіть формулу напруженості точкового електричного заряду Q

.

763.Модуль напруженості електричного поля в точці, де знаходиться заряд

1·10 -10 Кл дорівнює 10 В/м. Cила, що діє на заряд, дорівнює

1 · 10 -9 Н.

765.Якщо на поверхні металевої кулі радіусом 0,2 м, розподілений заряд 4 · 10 -8 Кл, то щільність заряду

2,5 · 10 -7 Кл/м 2 .

766.У вертикально спрямованому однорідному електричному полі знаходиться порошинка масою 1·10 -9 г і зарядом 3,2·10-17 Кл. Якщо сила тяжіння порошинки врівноважена силою електричного поля, то напруженість поля дорівнює

3·10 5 Н/Кл.

767.У трьох вершинах квадрата зі стороною 0,4 м знаходяться однакові позитивні заряди по 5 10 -9 Кл. Знайти напруженість у четвертій вершині

() 540 Н/Кл.

768.Якщо два заряди 5·10 -9 і 6·10 -9 Кл, щоб вони відштовхуються із силою 12·10 -4 Н, то вони знаходяться на відстані

768. Якщо модуль точкового заряду зменшити в 2 рази і відстань до заряду зменшити в 4 рази, то напруженість електричного поля в даній точці

Збільшиться у 8 разів.

Зменшується.

770.Виробництво заряду електрона на потенціал має розмірність

Енергія.

771. Потенціал у точці А електричного поля дорівнює 100В, потенціал у точці В дорівнює 200В. Робота, яку здійснюють сили електричного поля при переміщенні заряду 5мКл з точки А до точки В дорівнює

-0,5 Дж.

772.Частина із зарядом +q і масою m, що знаходиться в точках електричного поля з напруженістю Е і потенціалом, має прискорення

773. Електрон рухається в однорідному електричному полі вздовж лінії напруженості з точки з більшим потенціалом в точку з меншим потенціалом. Його швидкість при цьому

Збільшується.

774. Атом, що має в ядрі один протон, втрачає один електрон. При цьому утворюється

Іон водню.

775.Електричне поле у ​​вакуумі створено чотирма точковими позитивними зарядами, розміщеними у вершинах квадрата стороною а. Потенціал у центрі квадрата дорівнює

776. Якщо відстань від точкового заряду зменшиться в 3 рази, то потенціал поля

Збільшиться у 3 рази.

777.При переміщенні точкового електричного заряду q між точками з різницею потенціалів 12 В виконано роботу 3 Дж. При цьому переміщено заряд

778. Заряд q перемістили з точки електростатичного поля в точку з потенціалом. За якою з наведених формул:

1) 2) ; 3) можна знайти роботу з переміщення заряду.

779.В однорідному електричному полі напруженістю 2 Н/Кл переміщається вздовж силових ліній поля заряд 3 Кл на відстані 0,5 м. Робота сил електричного поля з переміщення заряду дорівнює

780.Електричне поле створено чотирма точковими різноіменними зарядами, розміщеними у вершинах квадрата зі стороною а. Однойменні заряди перебувають у протилежних вершинах. Потенціал у центрі квадрата дорівнює

781.Різність потенціалів між точками, що лежать на одній силовій лінії на відстані 6 см один від одного, дорівнює 60 В. Якщо поле однорідне, то його напруженість дорівнює

782. Одиниця різниці потенціалів

1 В = 1 Дж/1 Кл.

783.Нехай заряд перемістився в однорідному полі з напруженістю E=2 В/м вздовж силової лінії 0,2 м. Знайти різницю між цими потенціалами.

U = 0,4 ст.

784. Згідно з гіпотезою Планка абсолютно чорне тіло випромінює енергію

порціями.

785. Енергію фотона визначає формула

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. Якщо енергія кванта збільшилася в 2 рази, то частота випромінювання

збільшилася у 2 рази.

787. Якщо фотони з енергією 6 еВ падають на поверхню вольфрамової пластини, то максимальна кінетична. Енергія вибитих ними електронів дорівнює 1,5 еВ. Мінімальна енергія фотонів, за якої можливий фотоефект, для вольфраму дорівнює:

788.Правильно затвердження:

1. Швидкість фотона більша за швидкість світла.

2. Швидкість фотона в будь-якій речовині менша за швидкість світла.

3. Швидкість фотона завжди дорівнює швидкості світла.

4. Швидкість фотона більша або дорівнює швидкості світла.

5. Швидкість фотона в будь-якій речовині менша або дорівнює швидкості світла.

789.Великий імпульс мають фотони випромінювання

Синього.

790.При зменшенні температури нагрітого тіла максимум інтенсивності випромінювання

©2015-2019 сайт
Усі права належати їх авторам. Цей сайт не претендує на авторства, а надає безкоштовне використання.
Дата створення сторінки: 2016-02-13

Сторінка 1

Дати коротке, задовільне у всіх відносинах визначення заряду неможливо. Ми звикли знаходити зрозумілі нам пояснення складних утворень і процесів на кшталт атома, рідких кристалів, розподілу молекул за швидкостями тощо. А ось найголовніші, фундаментальні поняття, нерозчленовані на простіші, позбавлені, за даними науки на сьогоднішній день, будь-якого внутрішнього механізму, коротко задовільним чином вже не пояснити. Особливо, якщо об'єкти безпосередньо не сприймаються нашими органами почуттів. Саме таких фундаментальних понять належить електричний заряд.

Спробуємо спочатку з'ясувати не що таке електричний заряд, а що ховається за твердженням дане тіло або частка мають електричний заряд.

Ви знаєте, що всі тіла побудовані з найдрібніших, неподільних на простіші (наскільки зараз науці відомо) частинок, які тому називають елементарними. Всі елементарні частинки мають масу і завдяки цьому притягуються одна до одної. Відповідно до закону всесвітнього тяжіння сила тяжіння порівняно повільно зменшується зі збільшенням відстані між ними: назад пропорційно квадрату відстані. Крім того, більшість елементарних частинок, хоча і не всі, мають здатність взаємодіяти один з одним з силою, яка також зменшується пропорційно квадрату відстані, але ця сила у величезне число, раз перевищує силу тяжіння. Так, в атомі водню, схематично зображеному на малюнку 1, електрон притягується до ядра (протону) з силою, що у 1039 разів перевищує силу гравітаційного тяжіння.

Якщо частинки взаємодіють один з одним із силами, які повільно зменшуються зі збільшенням відстані та у багато разів перевищують сили всесвітнього тяжіння, то кажуть, що ці частинки мають електричний заряд. Самі частки називаються зарядженими. Бувають частинки без електричного заряду, але немає електричного заряду без частинки.

Взаємодії між зарядженими частинками звуться електромагнітних. Коли ми говоримо, що електрони та протони електрично заряджені, то це означає, що вони здатні до взаємодій певного типу (електромагнітним), і нічого більше. Відсутність заряду у частинок означає, що подібних взаємодій вона не виявляє. Електричний заряд визначає інтенсивність електромагнітних взаємодій, як маса визначає інтенсивність гравітаційних взаємодій. Електричний заряд – друга (після маси) найважливіша характеристика елементарних частинок, що визначає їхню поведінку в навколишньому світі.

Таким чином

Електричний заряд- Це фізична скалярна величина, що характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітні силові взаємодії.

Електричний заряд позначається літерами q чи Q.

Подібно до того, як у механіці часто використовується поняття матеріальної точки, що дозволяє значно спростити вирішення багатьох завдань, при вивченні взаємодії зарядів ефективним виявляється уявлення про точковий заряд. Точковий заряд – це таке заряджене тіло, розміри якого значно менші за відстань від цього тіла до точки спостереження та інших заряджених тіл. Зокрема, якщо говорять про взаємодію двох точкових зарядів, то тим самим припускають, що відстань між двома зарядженими тілами, що розглядаються, значно більша за їх лінійні розміри.

Електричний заряд елементарної частки

Електричний заряд елементарної частинки - це не особливий "механізм" у частинці, який можна було б зняти з неї, розкласти на складові та знову зібрати. Наявність електричного заряду в електрона та інших частинок означає існування певних взаємодій між ними.

У природі є частинки із зарядами протилежних знаків. Заряд протона називається позитивним, а електрона негативним. Позитивний знак заряду в частки не означає, звичайно, наявності у неї особливих переваг. Введення зарядів двох знаків просто висловлює той факт, що заряджені частинки можуть притягуватися, так і відштовхуватися. При однакових знаках заряду частинки відштовхуються, а різних – притягуються.

Жодного пояснення причин існування двох видів електричних зарядів зараз немає. У всякому разі, жодних важливих відмінностей між позитивними та негативними зарядами не виявляється. Якби знаки електричних зарядів частинок змінилися протилежні, то характер електромагнітних взаємодій у природі не змінився б.

Позитивні та негативні заряди дуже добре компенсовані у Всесвіті. І якщо Всесвіт кінцевий, то його повний електричний заряд, ймовірно, дорівнює нулю.

Найбільш чудовим є те, що електричний заряд всіх елементарних частинок строго однаковий за модулем. Існує мінімальний заряд, званий елементарним, який має всі заряджені елементарні частинки. Заряд може бути позитивним, як у протона, або негативним, як у електрона, але модуль заряду завжди один і той же.

Відокремити частину заряду, наприклад, у електрона неможливо. Це, мабуть, найдивовижніше. Ніяка сучасна теорія неспроможна пояснити, чому заряди всіх частинок однакові, і може обчислити значення мінімального електричного заряду. Воно визначається експериментально з допомогою різних дослідів.

У 60-ті рр., після того як число новостворених елементарних частинок стало загрозливо зростати, була висунута гіпотеза про те, що всі сильно взаємодіючі частинки є складовими. Більше фундаментальні частки були названі кварками. Вражаючим виявилося те, що кварки повинні мати дробовий електричний заряд: 1/3 та 2/3 елементарного заряду. Для побудови протонів та нейтронів достатньо двох сортів кварків. А максимальне їхнє число, мабуть, не перевищує шести.

Одиниця виміру електричного заряду

Елементарна частка - найдрібніша, неподільна, не має структури частка.

ОСНОВИ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

Електродинаміка- Розділ фізики, що вивчає електромагнітні взаємодії. Електромагнітні взаємодії- Взаємодії заряджених частинок. Основними об'єктами вивчення в електродинаміці є електричні та магнітні поля, створювані електричними зарядами та струмами.

Тема 1. Електричне поле (електростатика)

Електростатика -розділ електродинаміки, що вивчає взаємодію нерухомих (статичних) зарядів.

Електричний заряд.

Усі тіла електризуються.

Наелектризувати тіло – це означає повідомити електричний заряд.

Наелектризовані тіла взаємодіють – притягуються та відштовхуються.

Чим більше наелектризовані тіла, тим більше вони взаємодіють.

Електричний заряд - це фізична величина, яка характеризує властивість частинок або тіл вступати в електромагнітні взаємодії і є кількісним заходом цих взаємодій.

Сукупність всіх відомих експериментальних фактів дозволяє зробити такі висновки:

· Існує два роду електричних зарядів, умовно названих позитивними та негативними.

· Заряди не існують без частинок

· Заряди можуть передаватися від одного тіла до іншого.

· На відміну від маси тіла електричний заряд не є невід'ємною характеристикою даного тіла. Те саме тіло в різних умовах може мати різний заряд.

· Електричний заряд залежить від вибору системи відліку, де він вимірюється. Електричний заряд залежить від швидкості руху носія заряду.

· однойменні заряди відштовхуються, різноіменні – притягуються.

Одиниця виміру в СІ - Кулон

Елементарна частка - найдрібніша, неподільна, не має структури частка.

Наприклад, в атомі: електрон ( , протон ( , Нейтрон ( .

Елементарна частка може мати заряд, а може не мати заряду: , ,

Елементарний заряд -заряд, що належить елементарній частинці, найменший, неподільний.

Елементарний заряд – заряд електрона за модулем.

Заряди електрона та протона чисельно рівні, але протилежні за знаком:

Електризація тел.
Що означає «макроскопічне тіло заряджено»? Чим визначається заряд будь-якого тіла?

Усі тіла складаються з атомів, до складу яких входять позитивно заряджені протони, негативно заряджені електрони та нейтральні частки – нейтрони . Протони та нейтрони входять до складу атомних ядер, електрони утворюють електронну оболонку атомів.

У нейтральному атомі число протонів у ядрі дорівнює числу електронів в оболонці.

Макроскопічні тіла, які з нейтральних атомів, електронейтральні.

Атом цієї речовини може втратити один або кілька електронів або придбати зайвий електрон. У цих випадках нейтральний атом перетворюється на позитивно або негативно заряджений іон.

Електризація тіл– процес отримання електрично заряджених тіл із електронейтральних.

Тіла електризуються під час контакту один з одним.

При контакті частина електронів з тіла переходить в інше, обидва тіла електризуються, тобто. отримують заряди рівні за величиною та протилежні за знаком:
«надлишок» електронів у порівнянні з протонами створює в тілі «-» заряд;
"Недолік" електронів у порівнянні з протонами створює в тілі "+" заряд.
Заряд будь-якого тіла визначається кількістю надлишкових чи недостатніх порівняно з протонами електронів.

Заряд може передаватися від одного тіла до іншого лише порціями, що містять ціле число електронів. Таким чином, електричний заряд тіла – дискретна величина, кратна заряду електрона: