Практическая работа. Микромир – мир элементарных частиц. Развитие представлений о строении Вселенной

ЗАНЯТИЕ 3

Коллоквиум. История и современные достижения химии

Задание 1. ^* Выясните характеристики элементарных частиц и принципы их классификации (прил. 1. Дайте определение элементарным частицам и охарактеризуйте их основные свойства, заполнив таблицу 1.

Элементарные частицы –

Таблица 1

Классификация элементарных частиц

по массе покоя	по электрическому заряду	по спину	по времени жизни	по типу взаимодействия
группы частиц	характе- ристика	группы частиц	характе-ристика, примеры	группы частиц	характе-ристика, примеры	группы частиц	характе- ристика, примеры	группы частиц	характе-ристика

Задание 2.^* Изучите основные принципы концепций взаимодействия, дальнодействия и близкодействия состояния материи (прил. 2).

Ответьте на следующие вопросы: 1. Что подразумевается в физике под взаимодействием? 2. Объясните суть концепций дальнодействия и близкодействия состояния материи. В чем фундаментальное отличие этих двух концепций? 3. Что является посредником взаимодействия? 4. Как возникает и с какой скоростью распространяется магнитное поле? 5. Расположите четыре типа фундаментальных взаимодействий в порядке возрастания интенсивности взаимодействия.

Письменно дать определение понятию «взаимодействие» и ответить на 5-й вопрос.

Задание 3.^* Изучите основные характеристики четырех фундаментальных взаимодействий (прил. 3).

Ответьте на следующие вопросы и заполните таблицу 3: 1. Назовите основные характеристики гравитации. Дайте им определение. 2. Почему до сих пор не обнаружены элементарные частицы гравитоны – материальные носители гравитации? 3. Между какими частицами возможно гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие? 4. Назовите общие черты электромагнитного и гравитационного взаимодействия. 5. Назовите общие черты слабого и сильного взаимодействия. 6. Объясните, почему все четыре вида взаимодействия и их константы обуславливают нынешнее строение и существование Вселенной? 7. В чем заключается суть теории Великого объединения?

Таблица 3

Характеристики фундаментальных взаимодействий

Взаимодействие	Радиус действия	Константа	Частицы-переносчики взаимодействия	Проявления взаимодействия
Гравитационное
Электромагнитное
Слабое
Сильное

Задание 4.^* Изучите представления о системе мира в Древнем Вавилоне – центре астрономических исследований древности (прил. 4).

Задание 5.^* Изучите представления о строении Вселенной Клавдия Птолемея – основателя геоцентрической системы мира (прил. 5). Какие космические объекты в этой системе считались подвижными, а какие – неподвижными?

Задание 6.^* Изучите представления о строении Вселенной Николая Коперника – основателя гелиоцентрической системы мира (прил. 6). В чем заключаются отличия и сходства гелиоцентрической системы мира от геоцентрической? Сопоставьте эти сведения с современными знаниями о строении Солнечной системы.

Заполнить таблицу.

Таблица

Параметры сравнения	Геоцентрическая система	Гелиоцентрическая система	Современное представление о структуре Солнечной системы
Центр Вселенной
Последовательность расположения космических тел
Способность к движению планет и звезд
Орбиты движений космических тел

Задание 7. Изучите представления о строении Вселенной Исаака Ньютона (прил. 7).

Ответьте на следующие вопросы: 1. На какие научные концепции опирался И. Ньютон при описании модели Вселенной? 2. Каковы основные характеристики Вселенной выделил И. Ньютон? 3. Благодаря каким силам в модели И. Ньютона обеспечивалась стационарность Вселенной?

Письменно ответить на 2 и 3 вопросы.

Задание 8.^* Изучите современные представления о строении Вселенной, сформированные на основе теории относительности А. Эйнштейна и результатах современных астрономических исследований (прил. 8).

Ответьте на следующие вопросы: 1. Какой физический фактор ввел А. Эйнштейн для обоснования стационарности Вселенной? С какой целью он это сделал? 2. Какие характеристики модели Вселенной А. Эйнштейна оказались верными с позиций современной науки? 3. Какие открытия позволили опровергнуть доводы о стационарности Вселенной? 4. Изучите график зависимости скорости удаления галактик от расстояния до нашей Галактики. Запишите математическое выражение этой зависимости. Что позволяет оценить закон Хаббла? 5. Благодаря чему происходит постоянное расширение Вселенной? 6. Какой физический параметр и каким образом во много определит дальнейшую судьбу Вселенной? 7. Ознакомьтесь с прогнозами дальнейшего развития Вселенной? Справедлив ли принцип универсального эволюционизма по отношению к Вселенной?

Записать основные характеристики модели Вселенной, исходя из ОТО А. Эйнштейна.

Приложение 1

Элементарные частицы – мельчайшие известные частицы физической материи, которые в известной мере можно считать некими «кирпичиками» мироздания на современном уровне познания материи. Единой классификации элементарных частиц не разработано. Характеристиками элементарных частиц, по которым создаются их классификации, являются масса, электрический заряд, спин, время жизни частицы, внутренние квантовые числа, магнитный момент, лептонный заряд, барионный заряд и др.

Под массой элементарной частицы понимают массу покоя (М₀), поскольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя (фотон), движется со скоростью света. Нет двух других частиц с одинаковыми массами. Электрон – самая легкая частица с ненулевой массой, масса фотона вообще равна нулю. Самая тяжелая элементарная частица – Z -частица – обладает массой в 200000 раз большей массы электрона. По значению массы покоя элементарные частицы можно подразделить на 4 класса: фотоны (М₀ = 0), лептоны (М₀ > 0, но меньше или равна массе электрона), мезоны (М₀ равно или больше массы электрона, но меньше массы протона), барионы (М₀ равно или больше массы протона, но меньше массы дейтрона – ядра тяжелого изотопа водорода – дейтерия). Среди барионов различают нуклоны и более тяжелые частицы – гипероны.

Электрический заряд, в отличие от массы, меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен элементарной единице заряда – заряду электрона (–1; +1). Некоторые частицы (нейтрон, фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда. По электрическому заряду все частицы делятся на электронейтральные, электроположительные и электроотрицательные.

Спин – собственный момент импульса частицы – определяет свойства элементарной частицы в зависимости от оборота. Известны элементарные частицы как с целым (фотон), так и с дробным спинами (нейтрон, электрон). Частицы со спином 0 при любом угле поворота выглядят одинаково. Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. В зависимости от спина все частицы делятся на 2 группы: бозоны, через которые осуществляется взаимодействие, – частицы с целыми спинами 0, 1 и 2; фермионы, которые составляют вещество, – частицы с полуцелыми спинами 1/2 и 3/2.

По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы – это электрон, протон, фотон и нейтрон. Все остальные известные частицы нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10^-24 с.

По типам фундаментальных взаимодействий элементарные частицы обычно разделяют на следующие классы:

1. Фотоны – кванты (неделимые порции) электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаи­модействия, но участвуют в электромагнитном.

2. Лептоны (от греч. leptos – «легкий»), к числу которых относятся электроны, нейтрино; все они не обладают сильным взаимодействием, но участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд – также и в электромагнитном взаимодействии.

3. Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы.

4. Барионы (от греч. barys – «тяжелый»), в состав которых входят стабильные нуклоны (протоны и нейтроны), а также нестабильные частицы с массами, боль­шими массы нейтрона, гипероны, многие из резонансов. Иногда мезоны и барионы объединяют в один класс – адроны.

Приложение 2

Взаимодействие в физике – воздействие тел или других частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения. Первоначально в физике считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться мгновенно на прямую непосредственно через пустое пространство. Так, считалось, что перемещение Земли должно сразу же приводить к изменению силы тяготения, действующей на Луну. В этом состояла, так называемая, концепция дальнодействия. Эти представления были оставлены как несоответствующие действительности после открытия и исследования электромагнитного поля. Было доказано, что взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется немгновенно и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя определенное время. Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие частицы, то есть взаимодействие передается через посредника – электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в пустоте: ~ 300000 км/с. Возникла новая концепция близкодействия, которая затем была распространена и на любые другие взаимодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение – посредством гравитационного поля), испускаемых соответствующими частицами, непосредственно распределенными в пространстве (корпускулярно-волновой дуализм). Несмотря на разнообразие воздействий тел друг на друга (зависящих от взаимодействия слагающих их элементарных частиц), в природе, по современным данным, имеется лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий. Это (в порядке возрастания интенсивности взаимодействия): гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. Каждое из четырех взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики.

Приложение 3

Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 10³⁹ раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной? Все дело в универсальности гравитации. Каждое тело во Вселенной (будь то планета или частица) испытывает на себе действие гравитации и само является источником гравитации. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Гравитация – дальнодействующая сила природы, радиус действия бесконечно большой. Это означает, что хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной разваливаться на части. Гравитационное взаимодействие удерживает планеты на их орбитах и тела – на Земле. Гравитационное излучение и элементарные частицы – гравитоны, кванты которых образуют гравитационное поле, экспериментально пока не обнаружены из-за слабого взаимодействия с веществом. Фундаментальная константа гравитационного взаимодействия (α_g): α_g = Gm/ħс ≈ 10^-39, где G – гравитационная постоянная; m – масса электрона; ħ – квант минимального действия, с помощью которого определяют точность изменения импульса или координаты частицы; с – скорость света в вакууме.

Проявление электромагнитного взаимодействия (электромагнетизма) известны людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.). В отличие от гравитации, носителями электрического заряда являются не все частицы. Этой способностью обладают только заряженные частицы. Переносчиком этого взаимодействия является фотон. Электрическая и магнитная силы являются дальнодействующими, радиус их действия бесконечно большой. Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Электромагнитное взаимодействие (как и гравитационное) проявляется на всех уровнях материи – в мегамире, макромире и микромире. Электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов, отвечает за большинство физических и химических явлений и процессов (кроме ядерных). К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, – им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др. Электромагнитное взаимодействие удерживает электроны в атомах и соединяет их в молекулы, из которых состоят все живые существа. Константа электромагнитного взаимодействия: α_е = е²/ħ²с ≈ 1/137, где е – заряд электрона.

Слабое взаимодействие меняет внутреннюю природу частиц, определяет их распад. Слабое взаимодействие обеспечивает длительное горение Солнца, дающего энергию для протекания всех процессов на Земле. Так, слабое взаимодействие определяет превращение протона в нейтрон, позитрон и нейтрино (после чего благодаря сильному взаимодействию четыре протона превращаются в ⁴ Не). С проявлением слабого взаимодействия столкнулись при открытии радиоактивности. В системах, где присутствует слабое взаимодействие, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Радиус распространения слабого взаимодействия не превышает 2·10^{-16 см} от источника, поэтому его влияние распространяется лишь на объекты микромира. Переносчики слабого взаимодействия – векторные бозоны. В отличие от фотонов и гравитонов, эти частицы довольно массивны. Константа слабого взаимодействия: α_w = qm²c²/ħ³с ≈ 10^-5, где q – константа Ферми.

Сильные взаимодействия обусловливают различные ядерные реакции, а также возникновение сил, связывающих нейтроны и протоны в ядрах, обеспечивая тем самым стабильное существование атомов. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Человек научился высвобождать сильное взаимодействие (создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции). По своей величине сильное взаимодействие превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, однако за пределами ядра 10^{-13 см} сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают все протоны и нейтроны, а электроны, фотоны и нейтрино не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют только тяжелые частицы. Переносчики сильных взаимодействий – глюоны (от английского слова glue – «клей»), с массой покоя равной нулю. Константа сильного взаимодействия: α_s=q_s/ħс≈10^-5, где q_s – цветовой заряд.

Существует точка зрения, что все четыре взаимодействия представляют собой явления одной природы и может быть найдено их единое теоретическое описание – теория Великого объединения. По мнению физиков, создание единой теории всех фундаментальных взаимодействий – дело отнюдь не отдаленного будущего.

Приложение 4

Система мира – это представления о расположении в пространстве и движении Земли, Солнца, Луны, звезд (рис. 1).

Рис. 1. Представления о системе мира в Древнем Вавилоне

Приложение 5

Древнегреческий ученый Клавдий Птолемей (ок. 90-ок.160 гг. н.э.) в своем труде «Альмагест» описал геоцентрическую систему мира. В центре Вселенной неподвижная Земля, неподвижная сфера со звездами, подвижные 5 планет, Солнце и Луна. За неподвижной звездной сферой, по Птолемею, располагались рай и ад (рис. 2).

Рис. 2. Геоцентрическая система

Приложение 6

Николай Коперник (1473 – 1543 гг.) провозгласил в своей книге «Об обращении небесных сфер» гелиоцентрическую систему мира (рис. 3).

Рис. 3. Гелиоцентрическая система

Приложение 7

Сэр Исаак Ньютон (1643 – 1727 гг.) в своем труде «Математические начала натуральной философии» (1687 г.) заложил основы классической физики: 1. Существует абсолютное пространство, которое однородно, изотропно и имеет бесконечную протяженность. 2.Существует абсолютное (истинное и математическое) время. Время бесконечно и имеет одно измерение.

В основе механики И. Ньютона лежат три аксиомы (три закона):

1. Первый закон – закон инерции: всякое тело, на которое не действует внешняя сила, сохраняет по инерции (вследствие наличия инертной массы) состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

2. Второй закон – закон движения: F = ma, где F – вынуждающая сила, a – ускорение, m – инерциальная масса.

3. Третий закон – закон действия и противодействия: всякому действию соответствует равное по величине и противоположно направленное противодействие.

В конце XVII века И. Ньютон установил закон всемирного тяготения: между всеми телами действуют силы притяжения – гравитационные силы.

На основании этих законов Ньютон попытался описать самую большую физическую систему – Вселенную. По И. Ньютону Вселенная – шар, и вещество (звезды) во Вселенной однородно распределено по объему шара. Между частицами – звездами – действуют, как считал И. Ньютон, только гравитационные силы, т.е. силы притяжения, поэтому шар должен сжаться в точку, т.е. произойти гравитационный коллапс (рис. 4).

Рис. 4. Модель Вселенной по И. Ньютону

Но если Вселенная – бесконечна, то произвольная точка в бесконечной Вселенной испытывает одинаковое притяжение в любом направлении и поэтому остается на месте. Бесконечная и стационарная (т.е. неизменная во времени) Вселенная существовать может, но сам Ньютон понимал, что такая Вселенная очень неустойчива.

Приложение 8

Изначально А. Эйнштейн (как и И. Ньютон) считал, что Вселенная – это стационарная, изотропная и однородная система. Чтобы уравновесить силы притяжения, А. Эйнштейн ввел новую силу – силу отталкивания. По мнению А. Эйнштейна, вещество во Вселенной удерживается двумя силами – притяжения и отталкивания. Математические расчеты показали, что такая Вселенная может быть стационарной, но только если она (Вселенная) имеет конечныеразмеры и неограниченна(т.е. имеет сферическую форму). Такая Вселенная не распространена бесконечно во все стороны, а замыкается сама на себя. Послав в каком-либо направлении световой сигнал, он обойдет всю Вселенную, и со временем его можно обнаружить с противоположной стороны.

В начале ХХ в. изотропность и однородность Вселенной были подтверждены с помощью астрономических исследований, в то время как вопрос о стационарности Вселенной оставался открытым. Американский астроном Хаббл в 1929 г. измерял скорости движения галактик. Для этого он определял, так называемое, «красное смещение» – наблюдаемый в спектрах излучения галактик сдвиг спектральных линий, присущих определенным химическим элементам, в сторону более длинных волн (красного цвета) по сравнению с их нормальными значениями. Наблюдаемое Хабблом «красное смещение» означает, что объект удаляется от наблюдателя (хорошо известный в физике эффект Доплера – при удалении от наблюдателя белый свет источника переходит в красный, а при приближении – в синий).

Рис. 5. Увеличение скорости (V) удаления галактик в зависимости от их расстояния (R) от нашей Галактики (Э. Хаббл, 1929)

График изменения скорости галактик (v) от их удаленности от Земли (R) описывается простым выражением v = HR. Постоянная Н называется постоянной Хаббла и ее современное значение составляет 66 км/с Мпк.

Открытие Хаббла эмпирически доказало, что Вселенная нестационарна, галактики разбегаются относительно Земли (рис. 5). Но это не означает, что Земля (или наша галактика) является центром Вселенной. Удаление во Вселенной друг от друга космических объектов аналогично «разбеганию» нарисованных на воздушном шарике точек при его надувании (рис. 6).

Рис. 6. «Разбегание» точек 1, 2 и 3 по поверхности шара при увеличении его размеров

Так и во Вселенной. Все галактики разбегаются друг от друга. Но возникает вопрос: «Почему?»

В начале 20-х годов XX в. российский ученый А.А. Фридман на основе общей теории относительности А. Эйнштейна предложил модель нестационарной Вселенной. Если сейчас галактики разбегаются, то вчера они были ближе, а позавчера еще ближе друг к другу, а значит, был момент времени t = 0, когда все началось из какой-то точки. Если бы галактики не разбегались друг от друга, то тогда бы они в силу взаимного тяготения стали притягиваться друг к другу, и Вселенная, в конце концов, стала бы сжиматься. Это существенный довод, опровергающий стационарность Вселенной. Таким образом, эволюция Вселенной связана с постоянным расширением, а расширение, в свою очередь, обусловлено гигантским («Большим») взрывом.

Время рождения Вселенной грубо можно оценить из закона Хаббла: зная расстояние между галактиками и скорость их расхождения, можно из S = vt найти время t. После введения поправок на замедление расширения получаем время рождения Вселенной – 10 – 18 млрд лет тому назад.

Иными словами, после «взрыва» частицы получают огромную начальную скорость и начинают разлетаться во все стороны. Если силы притяжения, которые стремятся собрать частицы воедино, малы, то частицы все время будут разлетаться. Однако если силы притяжения велики, то через некоторое время они изменят знак скорости движения частиц на противоположный, и частицы начнут сближаться. В этом случае Вселенную ожидает коллапс, в результате которого вновь образуется сгусток вещества. Тем самым, готовы условия для нового Большого взрыва и последующего потом расширения. Возможно, мы живем в такой Вселенной, которая пульсирует (взрывается, расширяется и снова сжимается) каждые 80 млрд лет. Гравитационные силы зависят от плотности частиц в объеме Вселенной: чем больше плотность, тем больше силы тяготения. Из приведенных условий ясно, что сценарий развития Вселенной зависит от плотности вещества во Вселенной. Открытая модель соответствует ρ < ρ_кр. Обратное неравенство справедливо для закрытой модели. По современным данным, критическая плотность вещества составляет ρ_кр. = 5 х 10^-30 г/см ³. Плотность вещества в современной Вселенной – ρ = 3 x 10^-29 г/см ³, – т.е. чуть ниже критической. Изменение размера R Вселенной с течением времени t (t_c – наше время) для Вселенной (как открытой или закрытой системы) приведено на рисунке 7.

Рис. 7. Прогнозы дальнейшей эволюции Вселенной

Дата добавления: 2015-05-08