Кривизна пространства-времени.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 3Следующая ⇒

Важно отметить, что основным отличием пространства-времени ОТО от пространства-времени СТО является его кривизна.

Говоря о влиянии гравитации на пространство и время, можно назвать следующие физические эффекты: искривление пространства под действием гравитации и замедление хода времени вблизи тяготеющих масс.

Эмпирические доказательства ОТО.

В настоящее время ОТО – успешная теория гравитации, хорошо подтверждённая наблюдениями. Такими наблюдениями стали три гравитационные эффекта, перечисленных ниже:

1) Объяснение аномальной прецессии перигелия Меркурия – дополнительный сдвиг орбиты планеты по сравнению с расчетами на основе механики Ньютона (связано с искривлением пространства).

2) В 1919 году наблюдалось отклонение светового луча в гравитационном поле Солнца при полном солнечном затмении (видимые положения звезд изменяются вблизи Солнца из-за искривления пространства в точном соответствии с предсказаниями ОТО).

3) Гравитационное красное смещение: уменьшение частоты света (связано с замедлением времени в гравитационном поле).

Было обнаружено в спектрах звёзд и подтверждено экспериментами в земных условиях.

Существуют и другие физические эффекты, доказывающие справедливость ОТО:

запаздывание электромагнитных волн в гравитационном поле Солнца и Юпитера (эффект Шапиро),

прецессия гироскопа вблизи вращающегося тела (эффект Лензе-Тирринга),

астрофизические подтверждения существования чёрных дыр.

В заключение сделаем принципиальное замечание.

Согласно принципу соответствия, сформулированного Бором, теория относительности не отвергает классическую физику, а включает ее как предельный случай: релятивистская механика при малых скоростях (v << с) и гравитационных полях малой интенсивности переходит в классическую механику Ньютона.

Квантовая механика.

На рубеже 19-20 веков физики столкнулись с явлениями и закономерностями, необъяснимыми с позиции классических представлений: закономерности распределения энергии излучения по частотам ;явление фотоэффекта;спектры излучения химических элементов .

Впервые квантовые представления были введены физику в 1900 году в работе Планка «К теории распределения энергии излучения в нормальном спектре». При исследовании спектров излучения абсолютно чёрного тела выяснилось, что распределение энергии по частотам находятся в противоречии с существующими теориями.

Разрешил противоречие Планк, предположивший, что излучение и поглощение телами энергии Е происходит квантами (порциями), величина которых пропорциональна частоте волны ν:

Е = h · ν

где h – постоянная Планка: h = 6,62606·10⁻³⁴ Дж·с.

Одним из первых принял гипотезу о квантах Эйнштейн, дополнительно выдвинув предположение, что квантование относится не только к поглощению и излучению, но является свойством самого света, т.е. электромагнитные волны распространяются в виде квантов (впоследствии кванты получили название фотонов).

В 1905 году Эйнштейн использовал квантовую гипотезу для объяснения явления фотоэффекта. Начиная с 1839 года, это явление в различных процессах наблюдали Беккерель, Смит, Герц. А в 1890 году его систематически изучил Столетов, установивший законы внешнего фотоэффекта . Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием излучений.

Для исследований Столетов использовал установку, позволявшую из света брать узкий диапазон частот и направлять его на катод внутри вакуумного прибора. С фотокатода под действием излучения эмитировались электроны. Измерение силы тока позволяло судить о количественных характеристиках фотоэффекта.

Законы Столетова:

1. При неизменной частоте излучений фототок насыщения пропорционален величине светового потока (освещенности катода).

2. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

3. Для каждого вещества существует красная граница, т.е. минимальная частота света ν, ниже которой фотоэффект невозможен.

Объясняя закономерности фотоэффекта в рамках квантовой теории, Эйнштейн представил свет в качестве частиц, обладающих энергией h · ν, которую они передают электронам, находящимся в поверхностной зоне фотокатода. Чтобы покинуть эту зону, электрону необходимо преодолеть энергетический барьер, равный совершению работы выхода А в по удалению электрона из вещества.

Используя закон сохранения энергии, Эйнштейн вывел формулу для фотоэффекта:

Ек = h ·ν = Ав + m · υ ²/ 2

т.е. энергия падающего на катод фотона Е к идет на совершение работы выхода электрона из вещества А в и на сообщение электрону кинетической энергии mυ ²/2

Из формулы следует существование красной границы фотоэффекта – наименьшей частоты, ниже которой энергии кванта уже недостаточно для «выбивания» электрона из металла: это имеет место при Е к < А в . Красная граница зависит от химической природы вещества и состояния поверхности фотокатода.

Планетарная модель атома.

Квантовая теория нашла применение при объяснении Бором планетарной модели атома, предложенной Резерфордом в 1911 г. Она пришла на смену модели «пудинга с изюмом» Томсона, согласно которой электроны распределены внутри положительно заряженной сферы атома.

Новую модель Резерфорд предложил как вывод из эксперимента по рассеянию положительно заряженных альфа-частиц на атомах золотой фольги. Планируя эксперимент, он ориентировался на прежнюю модель атома по Томсону и по ходу эксперимента неожиданно для себя обнаружил рассеивание некоторых альфа-частицы на большие углы, что свидетельствовало о наличии в центрах атомов компактных положительных зарядов.

По модели Резерфорда атом состоит из положительно заряженного ядра,вокруг которого движутся электроны. Расчёты показали, что положительно заряженное ядро должен быть намного меньше размера атома, который уже тогда оценивался как ≈ 10^{-10 м}.

Развитием планетарной модели стала модель Бора, постулирующая законы движения электронов и энергетических состояний атомов в рамках квантовой механики.

Квантовые постулаты Бора.

1. Атом может находиться только в особых стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергияE_n. В стационарном состоянии атом электромагнитных волн не излучает.

2. При переходе атома из одного состояния в другое (переходе электрона с орбиты на орбиту) испускается или поглощается квант энергии ΔE = hν: излучение фотона происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией; при обратном переходе происходит поглощение кванта энергии.

Физические свойства фотона.

Фотон – нейтральная по отношению к заряду частица. Спин фотона равен 1 (является бозоном). Массу покоя фотона считают равной нулю, основываясь на теоретических обоснованиях. «Релятивистская масса» рассчитывается по формуле: m = hν /с².

Если энергия фотона равна Е, то импульс Р связан с энергией соотношением: Е = с·Р. В вакууме энергия и импульс фотона зависят только от его частоты ν (или от длины волны: λ = с/ν). Формулы, связывающие корпускулярные и волновые характеристики фотона:

Е = h·ν = h·с/λ р = h·ν/с

В зависимости от частоты ν (длины волны λ) свет распространяется в веществе с разной скоростью, что порождает явление, называемое дисперсией света. Наблюдается в виде разложения света в спектр, например, при прохождении его сквозь стеклянную призму.

Излучение и поглощение фотонов атомами вещества используется в спектральном анализе.

Атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет.

Спектры излучения и поглощения атомов абсолютно индивидуальны, подобно отпечаткам пальцев у людей.

Физика элементарных частиц.

Открытие в 1897 г. электрона привело к установлению строения атома (1911 г.). Следующим этапом стало открытие составных частей ядра: протона (1919 г.) и нейтрона (1932 г.). Огромное количество новых частиц было открыто в 30-х годах ХХ века благодаря использованию циклотрона – предшественника современного синхрофазотрона и коллайдера.

В физике микромира состояние частиц задается квантовыми величинами (числами): главное квантовое число n, элементарный заряд е, масса m, спин j, орбитальный момент L и др.

Пла́нковское время – единица времени в планковской системе единиц: ≈ 5,391 ·10⁻⁴⁴ с. Физический смысл этой величины: время, за которое волна или частица (не имеющая массы покоя), двигаясь со скоростью света, преодолеет планковскую длину (≈ 1,6·10⁻³⁵ м).

Квантовые закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц.

Наиболее важное свойство всех элементарных частиц – способность рождаться и уничтожаться при взаимодействии с другими частицами. Микрообъекты по-разному участвуют в фундаментальных физических взаимодействиях: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном (перечислены в порядке убывания интенсивности).

Сильное взаимодействие приводит к самой «прочной» связи элементарных частиц: именно оно обеспечивает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах. Слабое взаимодействие вызывает некоторые процессы с элементарными частицами, в частности, распады квазистабильных частиц. Гравитационное взаимодействие элементарных частиц дает крайне незначительные эффекты из-за малости их масс.

У микрообъктов проявляется корпускулярно-волновой дуализм, впервые обнаруженный у фотонов. В 1923 г. Луи де Бройль предположил, что корпускулярно-волновой дуализм присущ не только свету, но всем элементарным частицам.

В это время физики сомневаются в возможности описывать состояния элементарных частиц с помощью динамических уравнений, взятых из классической механики.

В 1925 г. Гейзенберг для описания квантовых состояний микрообъектов разработал «матричную механику»– впоследствии ее стали именовать квантовой механикой. В 1926 г. Шредингер предложил новую теоретическую модель описания явлений в микромире – волновую механику, созданную на базе выведенного им уравнения для волновой функции. Борн показал тождественность волновой механики Шредингера и квантовой механики Гейзенберга. Однако волновая механика была удобнее матричной, и вскоре стала общепризнанной.

В 1927 г. Дэвиссон обнаружил дифракцию электронов, что было воспринято как подтверждение вероятностной концепции. Статистический, вероятностный характер взаимодействий в микромире подтвердил сформулированный Гейзенбергом принцип неопределённости, согласно которому невозможно одновременно с абсолютной точностью определить координату и импульс (энергию и время) частицы. Бор обобщил его до принципа дополнительности: корпускулярное и волновое описание явлений дополняют друг друга.

В 1928 г. Дирак дал релятивистский вариант квантовой механики и предсказал существование позитрона, положив начало квантовой электродинамике.

Современная физика существенно продвинулась вглубь материи – в понимании структурных уровней микромира. Физики стали различать сначала внутриатомный, ядерный уровень, затем – уровеньэлементарных частиц (лептонов, мезонов и барионов), и наконец –глубинный кварковый уровень. На сегодняшний день фундамент микрообъектов составляют 12 частиц – 6 лептонов и 6 кварков.

Число открытых элементарных частиц к настоящему времени идет на сотни, и оно в несколько раз превышает число элементов периодической системы Менделеева. Попытки объединить все частицы в систему наподобие таблицы химических элементов, отражающей их фундаментальные свойства и связи, пока не увенчались успехом.

Существуют относительно простые классификации, объединяющие частицы по их свойствам. Общепринятой стало разделение частиц в соответствии с их массами на три класса – лептоны, мезоны и барионы. Большой популярностью пользуется объединение частиц в соответствии с их способностью участвовать в различного рода взаимодействиях: в сильном взаимодействии – класс адронов, в слабом взаимодействии – класс лептонов; к классу переносчиков взаимодействий относят фотоны, бозоны, глюоны и гравитоны.

Лептоны.

Самые легкие частицы. Лептоны могут участвовать в электромагнитном и слабом взаимодействиях. У каждого лептона есть своя античастица. Первой открытой античастицей был позитрон – с массой электрона, но положительным электрическим зарядом; позитрон в 1932 г. был предсказан Дираком и обнаружен в составе космических лучей Андерсоном.

Электрон. Единственный из лептонов, входящий в состав атома (имеет массу, заряд, спин = 1/2). Заряд электрона неделим и равен −1,602176565(35)·10⁻¹⁹ Кл (был впервые измерен в экспериментах А. Ф. Иоффе в 1911 г.); эта величина служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц. Масса электрона равна 9,10938291·10⁻³¹ кг, или0,510998928 МэВ.

Мюон. По параметрам напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет бóльшую массу и нестабилен (m ≈ 206,7 m.е.; за 2,2·10^-6 с – распадается в соответствии с законами сохранения заряда и энергии). На долю мюона приходится значительная часть космического излучения. Отрицательно заряженные мюоны распадаются на электрон е‾, электронное антинейтрино νе и мюонное нейтрино νμ:

μ‾ → е‾ + νе + νμ

Положительно заряженный мюон является античастицей по отношению к μ‾ и распадается на позитрон e⁺, электронное нейтрино ν_e и мюонное антинейтрино νμ:

μ⁺→e⁺ + ν_e + νμ

Тау-лептон. Самый тяжелый лептон (масса составляет ≈ 3500 m.е.). Нестабилен: время жизни 2.9·10^-13 с (распадается с разной процентной вероятностью либо на электрон и два нейтрино, либо на мюон и два нейтрино, либо на адроны).

Нейтрино. Наиболее распространенная частица во Вселенной. Не имея массы покоя и не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, обладает огромной проникающей способностью (легко проникают через массивы планет и звезд). Существуют нейтрино трех видов – электронное, мюонное, тау-нейтрино.

Основные характеристики лептонов:

Название	Масса (кратная е)	Масса (кг)	Заряд	Спин
Электрон	1	9,1·10⁻³¹	-1	1/2
Мюон	206,7	1,8·10⁻²⁸	-1	1/2
Тау-лептон	3536,0	3,2·10⁻²⁷	-1	1/2
Электронное нейтрино	0	0	0	1/2
Мюонное нейтрино	0	0	0	1/2
Тау-нейтрино	0	0	0	1/2

Адроны.

Тяжелее лептонов частицы – мезоны и барионы, объединенные, благодаря участию их в сильных взаимодействиях, в отдельный класс частиц, названных адронами. Среди представителей адронов наиболее известны и широко распространены два бариона – нейтрон и протон, входящие в состав ядра атома. Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях.

Для объяснения обнаруженной у сильновзаимодействующих частиц симметрии Гелл-Ман и Цвейг высказали в 1964 г. гипотезу о существовании особых частиц кварков, которая, спустя пять лет, была экспериментально подтверждена.

Суть кварковой модели.

Все адроны построены из более элементарных частиц, называемых кварками. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами «кварк-антикварк». Из трех кварков состоят барионы, а из двойных структур – мезоны.

В природе существует шесть видов кварков, которым физики дали весьма причудливые названия: верх – u , d – низ, s – странность, c – очарование, b – красота, t – истина.

Кварки обладают необычными свойствами:

1) Имеют дробный в сравнении с протоном электрический заряд (u, c, t = +2/3; d, s, b = –1/3).

2) Не наблюдаются в свободном состоянии (свойство confinement – заточение в тюрьму).

3) Имеют специфический заряд, названный цветом (существует три разновидности – красный, зеленый, синий; и цветовые заряды антикварков – антикрасный, антизеленый, антисиний). Для комбинации кварков в структуре частицы выполняется принцип бесцветности: в барионах соединяются красный, зеленый и синий, дающие в совокупности бесцветную систему, т.е. нулевой цветной заряд; в мезонах – кварк и антикварк, например, красный и антикрасный.

4) Соединяются кварки посредством носителей сильного взаимодействия – глюонов (в переводе – буквально клей). В отличие от кулоновских и гравитационных сил с увеличением расстояния между кварками сила притяжения не уменьшается, а увеличивается подобно упругой силе и на расстоянии, соизмеримом с размерами атомных ядер, резко ослабевает до нуля.

Протон Как фундаментальная частица: фермион Структура: два u-кварка + один d-кварк Участвует в фундаментальных взаимодействиях: сильное, электромагнитное, слабое , гравитационное

Адроны характеризуются рядом дополнительных характеристик. Барионный зарядВ – одна из внутренних характеристик частиц, отличная от нуля для барионов и равная нулю для всех остальных частиц. В барионов полагают равным +1, а антибарионов –1. Суммарный барионный заряд системы частиц равен разности между числами барионов и антибарионов. В частности, В атомного ядра равен их массовому числу (числу нуклонов). В процессах взаимодействий и превращений частиц барионный заряд сохраняется. Именно благодаря сохранению барионного заряда самый легкий из барионов протон является стабильной частицей.

Изотопи́ческий спинI – квантовое число, определяющее число зарядовых состояний адронов. В частности, протон и нейтрон, находясь в ядре, различаются значением проекции изоспина, тогда как абсолютные значения их изоспина одинаковы (свойство изотопической инвариантности сильного взаимодействия).

Эта модель была разработана из-за близости свойств протона и нейтрона в качестве нуклонов при нахождении их в ядре: любой нуклон обладает изотопическим спином, равным 1/2, у которого есть две возможные проекции в особом изотопическом пространстве. Когда проекция изотопического спина I_z равна +1/2, то нуклон становится протоном, а когда −1/2 — нейтроном.

Четность – квантовая характеристика состояния микрообъекта (атома, атомного ядра, элементарной частицы), отображающая свойства его симметрии относительно зеркальных отражений.

В процессах, обусловленных сильными и электромагнитными взаимодействиями, имеет место закон сохранения четности Р : физическая система, обладавшая в начальном состоянии зеркальной симметрией определённого типа, сохраняет эту симметрию во все последующие моменты времени.

В слабых взаимодействиях, обусловливающих, в частности, Бета-распад ядер, закон сохранения Р нарушается, что связано с распадом нейтронов, которые устойчивы только в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон n – нестабильная частица, распадающаяся на протон p ⁺, электрон е‾ и электронное антинейтрино ν е:

n → p ⁺ + е‾ + ν е

Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 80; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!