Сучасна фізична картина світу

Просторова і часова метагалактика - 2 год.

План

1.Речовина та поле.

2.Кваркі.

3.Ядерні сили.

4.Мезони.

5.Нейтрони.

1.Речовина та поле.

Речовина� — вид матерії, яка на відміну від поля, характеризується масою та складається з елементарних частинок (електронів, протонів, нейтронів, мезонів тощо). Характерною властивістю таких частинок є відмінні від нуля баріонний заряд або лептонний заряд.

Молекулярна формула — одна з кількісних харатеристик рчовини. Коли у науковій практиці одержують нову речовину, одним з кроків перої її ідентифікайції є знаходження молекулярної брутто-формули. Для цього виконують якісний та кількісний елементний аналізи.

Більшість речовин молекулярної будови (кисень, вода, аміак, метан), але є й атомарні речовини (грфіт, алмаз, гелій,і всі інертні гази), і навіть іонні речовини (всі метали).

Відомо 4 стани речовини:

-гази,

-тверді тіла,

-рідини,

-плазма.

Фізичне поле — вид матерії на макроскопічному рівні, посередник взаємодії між частинками речовини або віддаленими одне від одного макроскопічними тілами.

Приклади фізичного поля:

-електромагнітне поле;

-гравітаційне поле;

-поле ядерних сил.

Фізичне поле набуло характеру фізичної реальності зі встановленням скінченності швидкості поширення взаємодії (електромагнітне та гравітаційне поля) і виникненням класичної електродинаміки й теорії відносності. Протиставлення речовини і поля як дискретного і неперервного було знято на рівні елементарних частинок.

2.Кваркі.

Кварки — фундаментальні частинки, з яких за сучасними уявленнями складаються адрони, зокрема протони та нейтрони. На сьогодні відомо 6 сортів (їх прийнято називати «ароматами») кварків: d,u,s,c,b і t.

Кварки мають спін 1/2ħ де ħ - зведена стала Планка, та дробовий електричний заряд. Кожен кварк має також один з трьох кольорів (ще одне квантове число, подібно до спіну чи аромату). Кожному з шести кварків відповідає своя античастинка - антикварк.

На відміну від інших елементарних частинок, кварки мають не цілий, а дробовий електричний заряд кратний 1/3 елементарного заряду.

Усім кваркам, крім d та u, приписується певне ароматове квантове число (ароматовий заряд):

-дивність; -чарівність; -красу; -правдивість.За абсолютною величиною цей заряд приймається рівним 1,

а знак прийнято вибирати таким, як і знак електричного заряду кварка.

Ізоспін кварків дорівнює 1/2, а отже його проекція, в залежності від аромату кварка, може приймати два значення: -1/2 та +1/2.

Кварки можна згрупувати у три покоління. До кожного покоління належать два кварки, які мають протилежні за знаком проекції ізоспіну, один з них має заряд -1/3, а другий +2/3.

За масою кварки розрізняють на:- легкі: d,u,s;

-важкі: c,b і t.

Гіпотеза про існування кварків виникла на початку шістдесятих років двадцятого століття, коли робилися спроби побудувати схему класифікації відомих на той час адронів. Найбільш вдала схема класифікації була запропонована у 1961 році Мюрреєм Ґелл-Манном та, незалежно від нього, Казухіко Нішіджимою. Вона дозволила не лише класифікувати відомі на той час адрони, але й дозволила передбачити існування та описати властивості на той час ще невідомої Ω--частинки.Пізніше Мюррей Ґелл-Манн та Джордж Цвейг прийшли до висновку, що все різноманіття відомих на той час адронів можна пояснити, постулювавши існування лише трьох частинок, які були названі кварками. У сучасних позначеннях це — u-, d- та s-кварки. Адрони інтерпретувалися як зв’язані стани цих частинок та їхніх античастинок:мезони — кварка та антикварка;баріони — трьох кварків.

3.Ядерні сили. Ядерні сили — короткодіючі, оскільки проявляють себе на відстанях у межах атомного ядра (10-15 м).

Обмінний характер ядерної взаємодії подібний до ковалентного зв'язку між атомами в молекулі, де роль такого «посередника»

відіграють валентні

електрони.

У 1935 р. японський

фізик X. Юкава висунув

припущення, що природа

ядерних сил полягає в

їхньому обмінному

характері, тобто, за

його передбаченням, наявність ядерних сил зумовлює

гіпотетична частинка ненульової маси, якою обмінюються між собою нуклони під час взаємодії.

Нуклони в ядрі атома утримуються завдяки ядерним силам, які є проявом однієї з чотирьох фундаментальних взаємодій — сильної взаємодії. За своєю природою вони короткодіючі (г~ 10-15 м), але дуже інтенсивні. У межах атомного ядра вони майже у 100 разів переважають сили електростатичної взаємодії двох протонів і в 1038 разів — силу їхньої гравітаційної взаємодії. Проте на відстанях, більших за розміри ядер, вони настільки малі, що їхньою дією можна знехтувати.

Ядерні сили діють незалежно від наявності в нуклонах електричного заряду. Внаслідок цього в атомному ядрі утримуються електронейтральні нейтрони і не розлітаються однойменно заряджені протони. Експериментальні дослідження сил ядерної взаємодії протон-протонних, протон-нейтронних і нейтрон-нейтронних пар показали, що в усіх випадках вони однакові і не залежать від типу нуклона.

4.Мезони.

Мезони - родина елементарних частинок, адрони з цілим спіном, які складаються з кварка та антикварка. Нестабільні частинки.Історично назва пов’язана з тим, що маса перших відкритих мезонів була більша за масу електрона, але менша за масу нуклона.

Хідекі Юкава запропонував ідею про те, що ядерна взаємодія опосередкована певним полем (ввів потенціал Юкави для його опису). Він розрахував, що маси частинок, які переносять цю взаємодію, повинні бути порядку 250 мас електрона. Потім справді спостерігали піони, що мають масу 273 мас електрона для заряджених піонів і 264 мас електрона - для нейтральних.

Мезони беруть участь у всіх трьох видах взаємодії: -сильній;-електромагнітній;-слабкій, при цьому сильна взаємодія превалює (на близьких

відстанях).

Розрізняють: піони (π- мезони), каони (К-мезони), етони (η-мезон) та багато інших.

5.Нейтрони.

Нейтрон (рос. нейтрон, англ. neutron, нім. Neutron) — елементарна частинка, яка входить до складу ядра.Нейтрон — електрично нейтральна частинка, що входить до групи частинок під назвою баріони, котрі в свою чергу входять до складу групи адронів. Електрична нейтральність нейтрона зумовлюється тим, що заряд u-кварка, котрий входить до складу нейтрона, компенсується зарядами двох d-кварків. У нейтрона є античастинка, яка називається антинейтроном.

Маса нейтрона приблизно дорівнює масі протона 1,6749543•10-24г = 1838,5 мас електрона. Це тільки на ~2,5 електронних мас перевищує масу протона. З нейтронів і протонів складаються ядра атомів, в яких нейтрон стабільний. У вільному стані нейтрон нестабільний і радіоактивний. Середній період існування 12,5 хв. Перетворюється на протон+електрон+антинейтрино.

На нейтрон, як і на інші адрони, діють всі чотири фундаментальні фізичні сили:

-Сильна взаємодія;-Слабка взаємодія;-Електромагнітна взаємодія;-Гравітація.

Нейтрон не має електричного заряду, але взаємодіє з елеткромагнітним полем завдяки своєму магнітному моменту. Магнітний момент нейтрона дорівнює −1,9130427 0,0000005 ядерних магнетонів. Стабільний нейтрон лише в складі ядра. У вільному стані розпадається з періодом піврозпаду 886 с. Основна реакція розпаду:

n = p + e + νe, де-n — нейтрон;-p — протон;-e — електрон;-νe — електронне нейтрино.

Висновок:Речовина� — вид матерії, яка на відміну від поля, характеризується масою та складається з елементарних частинок (електронів, протонів, нейтронів, мезонів тощо).

Відомо 4 стани речовини:-гази,-тверді тіла,-рідини,-плазма.Кварки — фундаментальні частинки, з яких за сучасними

уявленнями складаються адрони, зокрема протони та нейтрони.Ядерні сили — короткодіючі, оскільки проявляють себе на відстанях у межах атомного ядра (10-15 м).Мезони - родина елементарних частинок, адрони з цілим спіном, які складаються з кварка та антикварка. Нестабільні частинки.Нейтрон (рос. нейтрон, англ. neutron, нім. Neutron) — елементарна частинка, яка входить до складу ядра.