Лекція №10

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Носителями электромагнитного взаимодей­ствия являются виртуальные фотоны — кванты электромагнитного поля, которыми обмениваются заряды. Электрическое поле воз­никает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле — при их движении. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера, законом Фарадея — Максвелла и др. Его более общее описание дает электромагнитная теория Дж. Максвелла(1831 — 1879), основанная на фундаментальных урав­нениях, связывающих электрическое и магнитное поля. В процес­се электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы — в молекулы. Различные агрегатные состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное, плазменное), явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, ко­торое по своей природе является электромагнитным.

Классификация элементарных частиц

Мегамир - (от греч. мегас – великий, грандиозный) – мир космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами. Это планеты, звезды, галактики и их скопления.

Макромир (от греч. макрос – большой, крупный) в достаточной степени условное понятие, обычно под ним понимают объекты, которые окружают человека в повседневной жизни, соразмерные человеку. Среди микро- и макроскопических структур есть объекты живой и неживой природы.

Рассмотрим более подробно свойства объектов, относящихся к микромиру.

2. Этапы развития концепции атомизма

В основе концепций о микромире лежит атомистическая концепция о строении материи, которая была впервые выдвинута древнегреческим философом Левкиппом. Он ввел такие понятия как «атом» и «пустота». Представления Левкиппа были дополнены затем древнегреческим философом Демокритом. Согласно гипотезе Демокрита, в абсолютной пустоте окружающего пространства существует бесконечное число мельчайших неделимых частиц – атомов, которые имеют разнообразную форму и движутся в пустоте беспорядочно, иногда они сталкиваются и отскакивают друг от друга, но иногда сцепляются в разных положениях и сочетаниях, что означает образование вещей с разным качеством. Затем Эпикур наделил атомы свойством тяжести. Атомы вечны, а вещи, которые образуются из них гибнут, разъединяются, сами же атомы остаются и образуют новые вещи. Так из атомов возникают не только обычные вещи, но и Земля, звезды, космические миры.

Концепция атомизма далее была развита в 18 веке Дальтоном, который принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. Благодаря этому стали изучаться физико-химические свойства атомов. В 19 веке Д.И.Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе.

Систематические исследования строения атомов начались в 1897 году благодаря открытию Томсоном электрона – заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. В 1903 году Томсон, развивая идеи Кельвина о строении атома (согласно которой положительно заряженный заряд в атоме распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как изюм в пудинг), усовершенствовал модель атома. Атом по Томсону, представлял собой положительно заряженный шар с вкрапленными в него электронами, суммарный отрицательный заряд которых по модулю равен положительному заряду шара (модель атома Томсона). Поскольку масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода, то предполагалось, что вся масса атома определяется массой положительного заряда.

В 1908 году сотрудники лаборатории Резерфорда провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкую фольгу из золота и других металлов и обнаружили, что почти все они проходят сквозь фольгу, будто нет препятствия, и только 1/10000 из них испытывает сильное отклонение. С помощью модели Томсона это объяснить не удалось, но Резерфорд нашел выход. Он обратил внимание на то, что большая часть частиц отклоняется на малый угол, а меньшая – до 150 ºС.

Резерфорд пришел к выводу, что они взаимодействуют с каким-то массивным объектом малого размера, этот объект представляет собой ядро атома – положительно заряженную микрочастицу, размер которой очень мал по сравнению с размером атома, но в нем сосредоточена почти вся масса атома.

В 1911 году Резерфордпредложил модель атома, которая напоминала Солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по орбитам движутся электроны. Однако эта модель содержала неразрешимое противоречие, которое заключалось в том, что электроны по круговым орбитам движутся с ускорением, а, следовательно, они должны упасть на ядро, что на самом деле не происходит.

Датский физик Бор усовершенствовал планетарную модель атома Резерфорда. Для этого он ввел два постулата:

из бесчисленного множества электронных орбит осуществляются только некоторые дискретные круговые орбиты, которые удовлетворяют некоторым квантовым условиям. Электрон, находящийся на одной из этих орбит, несмотря на то, что движется с ускорением, не излучает электромагнитных волн;

излучение испускается или поглощается атомом в виде порции (кванта) энергии при переходе электрона из одного стационарного (устойчивого) состояния в другое, т.е. при переходе из одной орбиты на другую (рис. 1).

Модель атома Бора смогла объяснить свойства только атома водорода, имеющего всего один электрон. Свойства же многоэлектронных атомов эта теория не смогла объяснить. Это удалось сделать только после создания квантовой механики в 1926 году Шредингером и Гейзенберогом.

Следующий шаг в развитии атомистической концепции был сделан английским физиком Чедвиком, который открыл электрически нейтральную частицу нейтрон (от лат neuter – ни тот, ни другой). Было установлено, что все ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Протон (от греч. protos - первый) – ядро атома водорода, имеющее положительный заряд, равный по модулю заряду электрона. Протон был открыт Резерфордом. Таким образом, в начале 30-х годов 20 века стало ясно, что роль первичных неделимых частиц, из которых состоит вся материя, перешла от атомов к электронам, протоном и нейтронам. Эти частицы получили название элементарных. Это понятие отражает мечтания ученых найти первичные кирпичики мироздания.

Элементарные частицы – это частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома. Знакомство со свойствами этих трех частиц, наиболее распространенных в изученной части Вселенной, показало что термин «элементарная частица» является условным. Например, нейтрон – в свободном состоянии существует лишь около 17 мин, а затем самопроизвольно превращается в протон и электрон (бета-частицу).

Для объяснения бета-распада немецкий физик Паули в 1931 г. выдвинул гипотезу о существовании в природе еще одной элементарной частицы, названной нейтрино.

Гипотеза Паули о существовании нейтрино была подтверждена экспериментально в 1953 г. Количество элементарных частиц, в число которых был включен и фотон, увеличилось до 5: электрон, протон, нейтрон, нейтрино, фотон.

Однако история этим не закончилась.

В 1928 г. английский физик Поль Дирак при решении задачи о движении электрона со скоростью, близкой к скорости света, пришел к выводу о возможности существования в природе частицы с такой же массой, какой обладает электрон, но с положительным электрическим зарядом.

Предсказанная Дираком частица была экспериментально обнаружена в 1932 г. в составе космических лучей. След этой частицы в камере Вильсона, помещенной в магнитное поле, был отклонен противоположно направлению отклонения электрона. Эту частицу назвали позитроном.

В 1933 г. французские физики Фредерик и Ирен Жолио-Кюри обнаружили, что гамма-квант при прохождении вблизи атомного ядра может превратиться в две частицы – электрон и позитрон. Это явление назвали рождением пар. Позитрон называют античастицей электрона, электрон является античастицей позитрона. Процесс превращения пары электрон-позитрон в гамма-излучение называют аннигиляцией (от лат. nihil – ничто). Аннигиляция частицы с античастицей происходит с образованием двух гамма-квантов с одинаковой частотой, которые движутся в противоположных направлениях.

К настоящему времени установлено, что каждой частице в природе соответствует своя античастица.

Исследования космических лучей привели к открытиям большого количества неизвестных ранее элементарных частиц. Первой среди них был позитрон. Затем были обнаружены частицы с массой около 207 масс электрона, которых назвали мюонами. Эти частицы оказались нестабильными: примерно через две микросекунды после рождения отрицательный мюон превращается в позитрон и два нейтрино, положительный мюон – в позитрон и два нейтрино.

В 1947 г. в космическом излучении были обнаружены частицы с массой, равной 273 электронным массам. Эти частицы были названы π-мезонами или пионами. Пионы обнаружены положительные, отрицательные и нейтральные. Исследования их свойств показали, что это именно те частицы, которые были предсказаны теорией для объяснения природы ядерных сил. В свободном состоянии пионы живут две стомиллионные доли секунды после момента рождения. Заряженный π-мезон распадается на мюон и нейтрино, нейтральные пионы распадаются на гамма-кванты.

Вслед за π-мезонами в космических лучах были обнаружены заряженные и нейтральные К-мезоны или каоны. Малое время жизни мюонов, пионов и каонов показывает, что они не приходят из космического пространства, а рождаются в атмосфере Земли.

Далее в космических лучах и опытах на ускорителях заряженных частиц были обнаружены частицы с массами, превышающими массу протона. Эти частицы назвали гиперонами и обозначили заглавными буквами греческого алфавита (Λ – лямбда, Σ – сигма, Ξ – кси и Ω – омега). Все гипероны оказались нестабильными частицами. Конечными продуктами распада гиперонов являются протоны, нейтроны, электроны, позитроны и нейтрино.

К нескольким десяткам открытых к концу 20 века частиц добавились сотни новых частиц.

В настоящее время открыто около 400 элементарных частиц. Открытие большого числа элементарных частиц привело к необходимости их классификации.

Когда количество известных элементарных частиц достигло нескольких десятков, а затем и многих сотен, возникла проблема классификации частиц – разделения их на группы по каким-либо общим свойствам. Самой простой была идея расположения частиц в порядке возрастания их массы и выделения родственных групп, подобно химическим элементам в таблице Менделеева. По такой классификации частицы разделились на три группы. В первой группе находится только одна частица – фотон с нулевой массой. Во вторую группу входят шесть частиц – электрон и электронное нейтрино ν_е, мюон μ и мюонное нейтрино ν_μ, таон τ и таонное нейтрино ν_τ. Частицы этой группы назвали лептонами (от греч. leptos – легкий). Массы всех лептонов за исключение таона меньше масс всех элементарных частиц.

Все остальные частицы назвали адронами (от греч. hadros – большой, сильный). Адроны, в свою очередь, делятся на две группы частиц – мезоны и барионы. К мезонам относятся адроны с нулевым или целым спином, к барионам – адроны с полуцелым спином.

Поскольку у одной из частиц, отнесенных к группе лептонов, масса больше, чем у частиц из другой группы, следует, основным признаком для деления элементарных частиц на группы является не масса, а какие-то другие свойства. Таким свойством является способность частиц к фундаментальным взаимодействиям.

Фундаментальные взаимодействия – это те взаимодействия, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам взаимодействия. Их четыре – гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Сильное взаимодействие обусловливает очень сильное сцепление нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах, а порожденные им процессы протекают с большой интенсивностью, т.е. «сильно». Частицы, обладающие сильным взаимодействием, назвали адронами (от греч. hadros – большой, сильный). Адроны делятся на два семейства – барионы и мезоны. Барионы образуются из протонов и превращаются в них.

Частицы, участвующие в слабом взаимодействии, называются лептонами (от греч. leptos – легкий, тонкий). К лептонам относятся электроны, мюоны, тау-частицы и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино). Нейтрино – наиболее распространенные частицы во Вселенной. Они электрически нейтральны, имеют малую массу, точное значение которой неизвестно. Изучать свойства нейтрино очень сложно, поскольку они не участвуют ни в сильном, ни в слабом взаимодействиях, и проходят сквозь вещество, практически с ним не реагируя.

Фундаментальные элементарные частицы

Если протон и нейтрон могут иметь различные возбужденные состояния в виде гиперонов, то можно предположить, что сами эти частицы не являются «настоящими» элементарными частицами, а состоят из каких-то еще меньших частиц. Такое предположение подтверждается результатами опытов по изучению рассеяния очень быстрых электронов на протонах и нейтронах. В этих опытах было обнаружено, что большая часть электронов проходит сквозь протоны и нейтроны, не испытывая существенных отклонений, а небольшая часть из них рассеивается на каких-то центрах. Этот результат похож на результаты опытов Резерфорда по исследованию альфа-частиц при прохождении сквозь атомы.

Для объяснения этого наиболее плодотворной оказалась теория кварков, которую независимо друг от друга выдвинули американские физики Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг. Они высказали гипотезу о существовании частиц, из которых состоят все адроны, и назвали их к варками. Кварки – это предполагаемые «настоящие» элементарные частицы. Название «кварк» взято из фантастического романа Джойса «Поминки по Финнегану» и означает что-то пустяковое и странное. Непонятность этого слова и сыграла роль при выборе названия для открытых ими необычных частиц.

Вначале считали, что существует три кварка, которые были обозначены буквами и, d и s (от англ. up – вверх, down – вниз, strange – странный). Однако трех кварков оказалось недостаточно для объяснения свойств всех адронов. Далее пришлось предположить о существовании еще трех кварков, которые обозначили буквами с, b и t (от англ. charm – очарование, beauty – прелесть, truth – истина). Согласно теории все кварки обладают спином, равным ½, поэтому к ним относится принцип запрета Паули.

Однако были открыты частицы с такими свойствами, что их следовало признать состоящими из трех одинаковых s-кварков. Из этого следовало, что кварки отличаются друг от друга какими-то другими свойствами, до сих пор неизвестными в физике. Эти новые свойства в теории кварков назвали «цветовыми зарядами» или просто «цветами» кварков. Эти цвета, конечно, не связаны с теми оптическими цветами тел, к которым мы привыкли, они лишь условно обозначают существование трех различных типов зарядов кварков.

Обычно говорят о красном, синем и желтом цветах кварков. Антикварки соответственно антикрасные, антисиние и антижелтые. Цвета кварков нейтрализуют друг друга при сложении, поэтому все адроны бесцветные.

Если адроны построены из кварков, то какие силы удерживают кварки внутри адронов. Предполагается, что сильное взаимодействие между кварками достигается за счет обмена глюонами (от греч. glue – клей). Глюоны должны быть безмассовыми частицами со спином 1, электрически нейтральными, но несущими цветовой заряд. Вводится 8 глюонов, каждый из которых состоит из цвета и антицвета. При испускании или поглощении глюона кварк меняет свой цвет, что обеспечивает взаимодействие между кварками.

Существуют ли кварки? Когда мы говорим, что атом состоит из ядра и электронов, а атомное ядро – из протонов и нейтронов, то мы предполагаем, что эти частицы могут существовать в свободном состоянии и что при воздействии на атом или ядро эти частицы можно оттуда освободить. Как же кварки? Многочисленные попытки отыскать в природе хотя бы один свободный кварк или освободить их из недр элементарных частиц оканчивались неудачей. Однако серия неудач в опытах не привела к отказу от гипотезы существования кварков и глюонов.

В настоящее время на роль настоящих элементарных частиц претендует 6 лептонов и 6 кварков. Их назвали фундаментальными частицами, под которыми понимаются микрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободной частиц.

В обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами и атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона.

Виртуальные частицы – это частицы, существующие в промежуточных, имеющих малую длительность состояниях, для которых не выполняется обычное соотношение между энергией, импульсом и массой. Другие характеристики виртуальных частиц - электрический заряд, спин, и т.д. - такие же, как у соответствующих реальных частиц.

Понятие виртуальных частиц и виртуальных процессов занимает центральное место в современной квантовой теории поля. В этой теории взаимодействие частиц и их взаимные превращения рассматриваются как рождение или поглощение одной свободной частицей других (виртуальных) частиц. Любая частица непрерывно испускает и поглощает виртуальные частицы различных типов. Например, протон испускает и поглощает виртуальные пи-мезоны и, благодаря этому, оказывается окружённым облаком виртуальных частиц.

С точки зрения классической физики, свободная частица (частица, на которую не действуют внешние силы, т. е. покоящаяся или движущаяся равномерно и прямолинейно) не может ни породить, ни поглотить другую частицу (например, свободный электрон не может ни испустить, ни поглотить фотон), так как в таких процессах нарушался бы либо закон сохранения энергии, либо закон сохранения импульса. Действительно, покоящийся электрон имеет минимальную возможную энергию (энергию покоя, равную, согласно теории относительности, m₀с², где m₀ - масса покоя электрона, с - скорость света). Поэтому такой электрон не может испустить фотон, всегда обладающий энергией: при этом нарушался бы закон сохранения энергии. Если электрон движется с постоянной скоростью, он также не может (за счёт своей кинетической энергии) породить фотон, так как в таком процессе нарушался бы закон сохранения импульса: потеря импульса электроном, связанная с потерей энергии на рождение фотона, была бы большей импульса фотона, соответствующего его энергии (из-за различия масс этих частиц). То же относится и к процессу поглощения фотона свободным электроном.

В квантовой механике, поскольку имеет место соотношение неопределенностей между энергией кванта и длительностью его существования, взаимодействие элементарных частиц, осуществляемое через испускание и поглощение виртуальных частиц – квантов поля – возможно.

Виртуальные частицы, существование которых нашло экспериментальное подтверждение – это фотон, глюон и мезон.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРИРОДЕ

В настоящее время известны четыре вида фундаментальных взаи­модействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравита­ционное.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы.

Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами кварками. Кварк, при­надлежащий одному нуклону, переходит в другой нуклон, кварк которого в свою очередь переходит в первый нуклон. Этот обмен эквивалентен обмену между нуклонами виртуальной парой «кварк — антикварк», которую иногда называют пионом, и говорят, что силь­ное взаимодействие между нуклонами в ядре осуществляется за счет обмена между ними виртуальными пионами. Виртуальными части­цами называют такие частицы, экспериментально обнаружить ко­торые в ходе обменного процесса невозможно. Сильное взаимо­действие между нуклонами действует на расстоянии ~10~¹³ см, т.е. практически в пределах ядра. Энергия связи между нуклонами является чрезвычайно большой, например, для ядра гелия она равна 7,1 МэВ/нуклон, а для ядра цинка - 8,7 МэВ/нуклон. Это является причиной высокой устойчивости ядер.

Слабое взаимодействие несет ответственность за некоторые виды ядерных процессов. Слабое взаимодействие между частицами осу­ществляется посредством обмена так называемыми промежуточными бозонами. Оно простирается на расстояние ~10 и связано главным образом с распадом частиц, например с проис­ходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с современным уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря сла­бому взаимодействию.

Гравитационное взаимодействие характерно для всех материаль­ных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным за­коном всемирного тяготения: между двумя точечными телами дей­ствует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли. Законом всемирного тяготения описывается, например, движение планет Солнечной системы, а также других макрообъектов. Предполагается, что гравитацион­ное взаимодействие обусловлено некими элементарными части­цами — гравитонами, существование которых к настоящему вре­мени экспериментально не подтверждено.

Гравитационное взаимодействие – самое слабое, не учитыва­емое в теории элементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях ~10^{-13 см оно дает чрезвычайно малые эффекты. Однако на ультрамалых расстояниях (~10-33 см) и при ультраболь­ших энергиях гравитация приобретает существенное значение. Здесь начинают проявляться необычные свойства физического вакуума. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геомет­рию пространства. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.}

От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц. Ядерные реак­ции, связанные с сильными взаимодействиями, происходят в течение 10^-24 – 10^-23с. Приблизительно это тот кратчайший интер­вал времени, за который частица, ускоренная до высоких энергий, когда ее скорость близка к скорости света, пролетает расстояние ~10^{-13 см. Изменения, обусловленные электромагнитными взаимодействиями, осуществляются в течение 10-21} – 10^-19 с, а слабыми (например, распад элементарных частиц) – в основ­ном в течение 10^-10 с.

По времени различных превращений можно судить о силе связанных с ним взаимодействий.

В совокупности эти четыре взаимодействия необходимы и до­статочны для построения разнообразного мира. Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии тепло­ту и свет. Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света. Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространяться во Вселенной. Без гра­витационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эволюционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспе­чивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Современная физика пришла к выводу, что все четыре фунда­ментальных взаимодействия, необходимые для создания из эле­ментарных частиц сложного и разнообразного материального мира, можно получить из одного фундаментального взаимодей­ствия – суперсилы.

При энергиях больше 100 ГэВ (100 млрд электрон-вольт) объ­единяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Темпера­тура, соответствующая такой энергии, равна температуре Вселен­ной через 10^-10 с после Большого взрыва. Теория электрослабого взаимодействия, объединяющего электромагнитное и слабое взаи­модействия, была создана в 1967—1968 годах двумя независимо работавшими физиками-теоретиками – американцем С. Вайнбергом (род. 1933) и пакистанцем А. Саламом (род. 1926). Эта теория, называемая теорией Вайнберга-Салама, в 1983 году получила экспериментальное подтверждение.

В 1973-1974 годах А. Салам выдвинул гипотезу о Великом объединении, включающем сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия, которое может иметь место при энергиях больше 10¹⁴ ГэВ и на расстояниях 10^{-29 см. В этом случае кварки и лептоны становятся неразличимыми, поскольку сильное и слабое взаимо­действия при этих условиях протекают совершенно одинаково, что следует из их общей природы. Эти теории называются Теориями Великого Объединения (ТВО).}

Предполагается, что при энергиях больше 10¹⁹ ГэВ происходит объединение всех четырех взаимодействий. Модели, в рамках ко­торых объединяются сильное, электромагнитное, слабое и гравита­ционное взаимодействия, носят название моделей супергравитации. Это предположение имеет чисто теоретический характер, по­скольку в настоящее время экспериментальным путем его прове­рить невозможно. Косвенно эти идеи подтверждаются астрофизи­ческими данными, которые можно рассматривать как эксперимен­тальный материал, накопленный Вселенной.

“ Застосування технічних пристроїв для регулювання напруг в електричних мережах”

Питання лекції:

1. Вимоги до рівнів напруги в EEC.

2 Синхронні генератори електростанцій

3 Синхронні компенсатори

4. Батареї конденсаторів

5. Статичні тиристорні компенсатори на базі БК

6.Реактори.

7.Комбіновані ДРП.

Дата добавления: 2013-12-13