Вопрос Концептуальные основы современной физики
Вопрос Структурные уровни организации материи
Известные в настоящее время структурные уровни материи могут быть выделеныв следующие области.
1. Микромир. Сюда относятся:
– частицы элементарные и ядра атомов — область порядка 10 – 15 см;
– атомы и молекулы 10–8—10–7 см.
Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10—8 до 10—16 см, а время жизни — от бесконечности до 10-24 с.
2. Макромир: макроскопические тела 10–6—107 см.
Макромир — мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.
Мегамир — это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет.
И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро — и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.
3. Мегамир: космические системы и неограниченные масштабы до 1028 см.
Разные уровни материи характеризуются разными типами связей.
|
|
|
1. В масштабах 10–13 см — сильные взаимодействия, целостность ядра обеспечивается ядерными силами.
2. Целостность атомов, молекул, макротел обеспечивают электромагнитные силы.
3. В космических масштабах — гравитационные силы.
Фундаментальные взаимодействия
Взаимодействие – основная причина движения материи, поэтому взаимодействие присуще всем материальным объектам независимо от их природного происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов. Всего известно четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.
Гравитационное взаимодействие первым из известных фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. Оно проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу, передается посредством гравитационного поля и определяется законом всемирного тяготения, который был сформулирован И. Ньютоном
Закон всемирного тяготения описывает падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т. п. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия возрастают. Гравитационное взаимодействие – наиболее слабое из всех известных современной науке взаимодействий. Тем не менее гравитационные взаимодействия определяют строение всей Вселенной: образование всех космических систем; существование планет, звезд и галактик. Важная роль гравитационного взаимодействия определяется его универсальностью: все тела, частицы и поля участвуют в нем.
|
|
|
Переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – кванты гравитационного поля.
Электромагнитное взаимодействие также является универсальным и существует между любыми телами в микро-, макро– и мегамире. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается с помощью электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при движении электрических зарядов. Электромагнитное взаимодействие описывается: законом Кулона, законом Ампера и др. и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и происходят химические реакции. Химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий и являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. Различные агрегатные состояния вещества, силы упругости, трения и т. д. определяются электромагнитным взаимодействием. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой покоя.
|
|
|
Внутри атомного ядра проявляются сильные и слабые взаимодействия. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Данное взаимодействие определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре и кварки внутри нуклонов и отвечает за стабильность атомных ядер. С помощью сильного взаимодействия ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки, которые входят в состав протонов, нейтронов и других частиц.
|
|
|
Слабое взаимодействие также действует только в микромире. В этом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности. Первая теория слабого взаимодействия была создана в 1934 г. Э. Ферми и развита в 1950-е гг. М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом и другими учеными. Переносчиками слабого взаимодействия принято считать частицы с массой в 100 раз больше массы протонов – промежуточные векторные бозоны.
Одна из важнейших задач современного естествознания – создание единой теории фундаментальных взаимодействий, объединяющей различные виды взаимодействия. Создание подобной теории означало бы также построение единой теории элементарных частиц.
Физика микромира
- квантовая механика - возникла как следствие введения в физику представления о квантах. Физика микромира с ее квантовыми представлениями дает все новые и новые сведения о неизвестных ранее свойствах времени - это и различие между необратимостью времени и его асимметрией, и физическая дискретность, атомарность времени и более специальные проблемы, например, связанные с отражением времени, за которые недавно Янг и Ли были удостоены Нобелевской премии. Вфизике микромира, где видимые движения бывают только механическими, также существует связь между массой, полной энергией и импульсом частицы. И здесь дело облегчается тем, что у мельчайших частиц масса не может быть какой угодно, у каждого вида частиц есть своя масса и никакой другой массы эти частицы иметь не могут, так что стоит лишь определить массу невидимой частицы ( по унесенным ею энергии и импульсу), и мы сразу узнаем, что это за частица.
Вфизике микромира пренебрегают универсальным гравитационным взаимодействием. Она как бы обеспечивает переход отфизики микромира к макрофизическим процессам. Гинзбург писал недавно, что значениефизики микромира в последние два десятилетия уменьшилось. Падает число публикаций, меньше стало физиков, посвятивших свою жизнь этой области знаний. Вместе с тем молодежь охотнее увлекается наиболее перспективными проблемами науки.
Физика высоких энергий - это прежде всегофизика микромира, наука о строении и свойствах материи на субъядерном уровне, о мельчайших кирпичиках, из которых построена наша Вселенная, и об их взаимодействиях. А поскольку чем проще система, тем более общими законами определяются ее свойства, физика элементарных частиц является в то же время наукой о наиболее общих принципах и законах природы, наукой глобальной. Поэтому она оказывает глубокое и постоянно возрастающее влияние на многие другие естественные науки. Это соотношение необходимо для понимания многих особенностейфизики микромира. В частности, оно приво - v дит к важнейшему следствию: микрочастицы не могут покоиться. В самом деле, если ддг - 0, то Ар - да, т.е. возрастает разброс возможных значений кинети-ческой энергии.
Основным экспериментальным и теоретическим методом исследования вфизике микромира является метод рассеяния. Основным экспериментальным и теоретическим методом исследования вфизике микромира является метод рассеяния. Достаточно вспомнить хотя бы опыты Резер-форда, Франка - Герца, Штерна - Герлаха, Комптона. Всякий опыт по рассеянию всегда ставится так, что весь процесс можно разделить на три основных этапа.
Таким образом, вероятностное описание микрочастиц является основным вфизике микромира, и понятно поэтому, какую важную роль играет статистика в современной физике. Эти представления мы положим в основу дальнейших рассуждений.
Эти примеры составляют лишь небольшую часть фундаментальных открытий вфизике микромира, сделанных посредством изучения столкновений.
Чтобы понять ее суть, нам необходимо познакомиться с важным дляфизики микромира понятием четность. Это понятие характеризует симметрию физической величины относительно некоторых дискретных преобразований. Применительно к частицам четность характеризует симметрию относительно этих преобразований волновой функции частицы или системы частиц.
вопрос Концептуальные основы современной физики
Наиболее важными представляются следующие концепции физики: классическая механика, молекулярно-кинетическая теория, термодинамика, электромагнитная концепция, оптика, квантовая теория, физика атомного ядра и физика элементарных частиц.
Классическая механика. Механика изучает простейшую форму движения в природе - «механическое движение», состоящее в изменении взаимного расположения тел или их частей в пространстве с течением времени.
Классическая механика состоит из трех основных разделов – статики, кинематики и динамики. В статике рассматриваются законы сложения сил и условия равновесия тел. В кинематике дается математическое описание всевозможных видов механического движения безотносительного к тем причинам, которые обеспечивают осуществление каждого конкретного вида движения. В динамике исследуется влияние взаимодействия между телами на их механическое движение.Движущееся тело обладает определенными размерами – протяженностью в пространстве. Само движение также происходит в какой-то части пространства, размер которого мы называем масштабом движения.Материальная точка - это тело, размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с масштабом движения. Понятие материальная точка есть научная абстракция.
Движение в механике рассматривается как перемещение отдельных материальных точек в пространстве с течением времени.
При этом первостепенной задачей является изучение кинематических характеристик движения одной материальной точки. Для этого необходимо выявить систему отсчета материальной точки.
Основы молекулярной физики и термодинамики. Молекулярная физика – раздел физики, в котором изучаются строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все вещества состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении. Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Законы поведения огромного числа молекул изучаются с помощью статистического метода, который основан на том, что свойства макроскопической системы определяются свойствами частиц системы и особенностями их движения.
Термодинамика – раздел физики, в котором изучаются общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамический метод не учитывает молекулярного строения вещества и этим она отличается от статистического метода. Термодинамика базируется на трех началах (законах термодинамики) – фундаментальных законах, установленных в результате обобщения опыта.
Молекулярно-кинетическая теория. Согласно основному положению молекулярно-кинетической теории, все тела состоят из мельчайших частиц – атомов, молекул или ионов – находящихся в непрерывном хаотическом движении, которое называется тепловым движением. Опытным обоснованием этого положения является броуновское движение.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 728; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!