Лекция 3

Содержание

Элементарные частицы. Типы взаимодействия элементарных частиц. Классификация элементарных частиц. Законы сохранения в реакциях с элементарными частицами.

Элементы физики элементарных частиц.

Методы регистрации элементарных частиц: камера Вильсона, диффузионная ИИера, пузырьковая камера, искровая камера.

Все элементарные частицы подразделяются на лептоны (и др.), мезоны (и др.), барионы (и др.).

Уравнение Дирака позволило предсказать существование античастицы электрона – позитрона. Из уравнения Дирака получаются для полной энергии свободного электрона не только положительные, но и отрицательные значения. Исследование уравнения показывает, что при заданном импульсе частицы существуют решения уравнения, соответствующие энергиям

Между наибольшей отрицательной энергией и наименьшей положительной энергией имеется интервал значений энергии, которые не могут реализоваться. Ширина этого интервала равна . Следовательно, получается две области собственных значений энергии: одна начинается с и простирается до , другая начинается с и простирается до . Частица с отрицательной энергией могла бы излучать бесконечно большое количество энергии. У частицы с отрицательной энергией масса также отрицательна. Под действием тормозящей силы частица с отрицательной массой должна не замедляться, а ускоряться. Ввиду этих трудностей Дирак предположил, что переходы электронов в состояния с отрицательной энергией обычно не наблюдаются по той причине, что все имеющиеся уровни с отрицательной энергией уже заняты электронами. Согласно Дираку вакуум есть такое состояние, в котором все уровни отрицательной энергии заселены электронами, а уровни с положительной энергией свободны. Поскольку заняты все без исключения уровни, лежащие ниже запрещенной полосы, электроны на этих уровнях никак себя не обнаруживают. Если одному из электронов, находящихся на отрицательных уровнях, сообщить энергию , то этот электрон перейдет в состояние с положительной энергией и будет вести себя обычным образом, как частица с положительной массой и отрицательным зарядом. Вакансия «дырка», образовавшаяся при этом в совокупности отрицательных уровней, должна вести себя как электрон, имеющий положительный заряд. Действительно, отсутствие частицы, обладающей отрицательными массой и зарядом, будет восприниматься как наличие частицы с положительной массой и положительным зарядом. Эта первая из предсказанных теоретически частиц была названа позитроном. При встрече позитрона с электроном они аннигилируют (исчезают) – электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный уровень. Энергия, соответствующая разности энергий этих уровней, выделяется в виде излучения. В 1932 г. американский физик К.Андерсон обнаружил позитрон в составе космических лучей. В камере Вильсона, помещенной между полюсами электромагнита, позитрон оставлял такой же след, как и рождавшийся одновременно с ним электрон, только этот след был закручен в противоположную сторону.

Космические лучи, их общая характеристика. Космические лучи как уникальный природный источник частиц высоких и сверхвысоких энергий.

Космическими лучами называют поток атомных ядер и элементарных частиц высоких энергий, идущих из космического пространства, и образуемое ими в земной атмосфере вторичное излучение, в котором встречаются практически все известные в настоящее время элементарные частицы. Обладая огромной энергией, в среднем около 10¹⁰ эВ, частицы космического излучения превосходят по своей проникающей способности все другие виды ядерных излучений.

Космические лучи вне пределов земной атмосферы – первичное космическое излучение – состоят в основном из протонов большой энергии. В его состав входят также a-частицы, электроны и в небольшом количестве ядра более тяжелых элементов, вплоть до ядер с зарядовым числом Z = 30. Электронов в космических лучах в сотни раз меньше, чем протонов. Космические лучи напоминают сильно разреженный релятивистский газ, частицы которого практически не взаимодействуют друг с другом, но испытывают редкие столкновения с веществом межзвездной и межпланетной сред и воздействие космических магнитных полей. Первичные космические лучи обладают колоссальными кинетическими энергиями, вплоть до 10²¹ эВ. Хотя их суммарный поток у Земли невелик и составляет всего примерно 1 частица/(см²×с), плотность их энергии, порядка 1 эВ/см², сравнима с плотностью энергии суммарного электромагнитного излучения звезд, энергии теплового движения межзвездного газа а также с плотностью энергии магнитного поля Галактики.

Другая важная особенность космических лучей – нетепловое происхождение их энергии. Действительно, даже при температуре около 10⁹ К, по-видимому, близкой к максимальной для звездных недр, средняя энергия теплового движения частиц составляет величину порядка 3×10⁵ эВ. Основное же количество частиц космических лучей, наблюдаемых у Земли, имеет энергии от 10⁸ эВ и выше. Это означает, что космические лучи приобретают энергию в специфических астрофизических процессах электромагнитной и плазменной природы. Есть основания предполагать, что основным источником космических лучей являются сверхновые звезды. Согласно данным о распределении межзвездного газа и остатков вспышек сверхновых звезд, возраст космических лучей не превышает 30 миллионов лет.

Космические лучи почти равномерно заполняют всю Галактику и лишь припланетное пространство и земное магнитное поле искажают эту изотропию. При подходе к Земле космические лучи попадают в зону действия ее магнитного поля. Поле изгибает траектории частиц и не подпускает к поверхности Земли медленно движущиеся частицы. Поле, однако, не действует на частицы, летящие вдоль силовых линий.

Медленные частицы могут, поэтому, достигать границ атмосферы лишь в области около полюсов, где силовые линии магнитного поля пересекают поверхность Земли. В области экватора на границу атмосферы могут попадать только протоны с энергией больше 1,5×10¹⁰ эВ.

Таким образом, на больших высотах космические лучи состоят почти исключительно из протонов большой энергии. Существенно иной состав имеет космическое излучение на поверхности Земли. Измерение коэффициента поглощения показывает, что в составе космических лучей на уровне моря имеются две группы частиц, сильно отличающихся по своим свойствам.

Та группа частиц, которая поглощается слоем свинца в 10 см, названа мягкой компонентой космического излучения, коэффициент поглощения ее довольно большой. Вторая группа частиц, для которой коэффициент поглощения оказывается существенно, почти в 20 раз, меньше носит название жесткой или проникающей компоненты.

Как показали дальнейшие исследования, описанное выше чисто феноменологическое разделение космических лучей на две группы совпадает с их разделением по составу: вблизи поверхности Земли жесткая компонента состоит в основном из мезонов и протонов, а мягкая — из электронов, позитронов и фотонов.

Процессы, в результате которых образуются мягкая и жесткая компоненты.

При прохождении через атмосферу частицы первичного излучения сталкиваются с атомными ядрами и вызывают различные ядерные превращения. Важную роль среди этих превращений играет процесс генерации p-мезонов, рождающихся при столкновении протонов первичного излучения с нуклонами ядер. При этом образуются p-мезоны большой энергии. Процесс образования p-мезонов практически заканчивается на высоте около 10 километров над уровнем моря. При меньшей высоте резко падает число протонов первичного излучения и соответственно число вызываемых ими реакций.

Нейтральные p-мезоны практически мгновенно распадаются на два g-кванта. Эти g-кванты дают начало электронно-фотонным ливням. Заряженные p-мезоны распадаются на m-мезон и нейтрино причем время жизни p-мезона в связанной с ним системе координат составляет 2,6×10^-8 секунды.

Распад p-мезонов в плотных и разреженных веществах протекает существенно по-разному. В плотных веществах (фотоэмульсии) процесс торможения происходит столь быстро, что бóльшая часть p-мезонов останавливается, не успев распасться. В атмосфере, наоборот, p-мезоны теряют скорость очень медленно, при этом большинство p-мезонов распадается на лету. В результате таких распадов в составе вторичного излучения образуются быстрые m-мезоны.

Не взаимодействующие с ядрами m-мезоны способны проходить в веществе огромные расстояния и образуют основную часть проникающей компоненты.

При столкновении с ядрами протоны первичного излучения могут выбить из них один или несколько нуклонов или даже полностью разрушить ядро. Дошедшая до Земли часть первичного излучения, m-мезоны и образовавшиеся в результате ядерных реакций быстрые протоны и нейтроны составляют жесткую компоненту космических лучей.

Рассмотрим теперь, как образуется мягкая компонента космического излучения, состоящая, из электронов, позитронов и фотонов.

Быстро поглощающаяся в воздухе мягкая компонента существует в веществе лишь постольку, поскольку она генерируется жесткой. В каждой среде данному количеству жесткой компоненты соответствует вполне определенное количество мягкой. При смене среды происходят поэтому «переходные» процессы — поглощение излучения, являвшегося равновесным в первой среде, и замена его новым излучением, равновесным для второй среды. Входящие в состав мягкой компоненты электроны, позитроны и фотоны непрерывно возникают друг из друга: при столкновении с ядрами электроны и позитроны вызывают появление тормозных g-квантов, кванты в свою очередь генерируют в поле ядер электронно-позитронные пары. Так образуются электронно-фотонные ливни. Процессы рождения пар и возникновения g-квантов чередуются друг с другом до тех пор, пока энергия g-фотонов не станет недостаточной для образования новых пар. Поскольку энергия первоначального фотона бывает очень большой, успевает возникнуть много поколений вторичных частиц, прежде чем прекращается развитие ливня.

На больших высотах начало таким ливням кладут g-кванты, образующиеся при распаде p°-мезонов. У поверхности Земли основную роль играют d-электроны, то есть электроны отдачи, образующиеся при соударении быстрых частиц с атомами, и электроны, возникающие при распаде m-мезонов:

Здесь — положительный или отрицательный мезон, — позитрон или электрон, a и — нейтрино и антинейтрино. Электроны и позитроны, образующиеся в этой реакции, имеют большую энергию, достаточную для образования ливней.

Прохождение космических лучей через атмосферу связано, конечно, и с рассеянием, то есть изменением направления полета. Для быстрых частиц, однако, рассеяние не вызывает заметного перемешивания частиц, летевших вначале в разных направлениях; вторичные частицы в существенной мере сохраняют направление первичных.

Исследование углового распределения космических лучей на уровне моря показывает, что их интенсивность резко зависит от направления, быстро увеличиваясь при переходе от горизонтального направления к вертикальному. Это объясняется тем, что для вертикально летящих частиц толщина пройденного слоя атмосферы является минимальной.

Эмпирическая формула интенсивности космических лучей в зависимости от угла падения

где и — интенсивности космического излучения в вертикальном направлении и под углом q к вертикали.

Интенсивностью излучения называется отнесенное к единице телесного угла количество частиц, падающих под данным углом к вертикали на единичную площадку в единицу времени. Соответственно имеет размерность см^-2×с^-1×ср^-1.

Поток первичного космического излучения на уровне моря составляет в среднем 1,75×10^-2 частиц/(см²×с) и весьма мало меняется с солнечной активностью. Интенсивность и состав космического излучения, а также превращения, испытываемые ими в атмосфере, довольно хорошо изучены. Космические частицы, в первую очередь быстрые электроны, дали впервые возможность экспериментального исследования электромагнитных процессов при энергиях, превышающих миллиарды электрон-вольт. В космическом излучении были впервые обнаружены многие элементарные частицы (позитроны, пионы, мюоны, К-мезоны и гипероны). Исследования этого весьма слабого по своей интенсивности излучения стимулировали развитие многих новых экспериментальных методов и привели к важнейшим открытиям, существенно расширившим наши представления о природе элементарных частиц, о свойствах космического пространства и процессах в звездах, в которых генерируются космические лучи.

Микроволновое фоновое излучение Вселенной, которое называется также реликтовым излучением, было открыто в 1965 г. американскими астрономами А. Пензиасом и Р. Вильсоном. От излучения звезд, галактик и др. астрономических источников реликтовое излучение отличается двумя важнейшими свойствами: угловой изотропией и планковской (равновесной) формой спектра. Его температура . Спектр реликтового излучения хорошо изучен в диапазоне длин волн от до . Интенсивность реликтового излучения в этом диапазоне не зависит от направления на небесной сфере с точностью до десятой доли %.

Расширение (нестационарность) Метагалактики было надежно установлено после того, как американский Астроном Э.Хаббл в 1929 г. вывел из данных наблюдений закон пропорциональности между величиной красного смещения и расстоянием до далекой галактики :

Отсюда следует, что чем дальше расположена галактика, тем с большей радиальной (лучевой) скоростью она движется:

Коэффициент пропорциональности называют постоянной Хаббла. По современным оценкам .

Вопросы для самоконтроля.

1) Какие модели атомного ядра вы знаете.

2) Что называется ядерными силами.

3) Назовите виды радиоактивного излучения.

4) Сформулируйте закон радиоактивного распада.

5) Какие реакции называются ядерными.

6) В чем заключается тормозное и характеристическое рентгеновское излучение.

7) Какие частицы называются элементарных.

8) Какие типы взаимодействия элементарных частиц вы знаете.

9) Сформулируйте законы сохранения в реакциях с элементарными частицами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1. Детлаф, А.А. Курс физики учеб. пособие / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский.-7-е изд. Стер.-М. : ИЦ «Академия».-2008.-720 с.

2. Савельев, И.В. Курс физики: в 3т.: учебное пособие/ И.В. Савельев.-4-е изд. стер. – СПб.; М. Краснодар: Лань.-2008.- 480 с.

Т.2: Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика. – 480 с.

Т.3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – 320 с.

3. Трофимова, Т.И. курс физики: учеб. пособие/ Т.И. Трофимова.- 15-е изд., стер.- М.: ИЦ «Академия», 2007.-560 с.

Дополнительная

1. Фейнман, Р.Фейнмановские лекции по физике / Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс.– М.: Мир.

Т.1. Современная наука о природе. Законы механики. – 1965. –232 с.

Т. 2. Пространство, время, движение. – 1965. – 168 с.

Т. 3. Излучение. Волны. Кванты. – 1965. – 240 с.

2. Берклеевский курс физики. Т.1,2,3. – М.: Наука, 1984

Т. 1. Китель, Ч. Механика / Ч. Китель, У. Найт, М. Рудерман. – 480 с.

Т. 2. Парселл, Э. Электричество и магнетизм / Э. Парселл. – 448 с.

Т. 3. Крауфорд, Ф. Волны / Ф. Крауфорд – 512 с.

3. Фриш, С.Э. Курс общей физики: в 3 т.: учеб. / С.Э. Фриш, А.В. Тиморева.- СПб.: М.; Краснодар: Лань.-2009.

Т. 1. Физические основы механики. Молекулярная физика. Колебания и волны: учебник - 480 с.

Т.2: Электрические и электромагнитные явления: учебник. – 518 с.

Т. 3. Оптика. Атомная физика : учебник– 656 с.

Библиографический список

1. Детлаф А.А. Курс физики учеб. пособие / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский.-7-е изд. Стер.-М. : ИЦ «Академия».-2008.-720 с.

2. Савельев, И.В. Курс физики: в 3 т.:учеб.пособие/И.В. Савельев.-4-е изд. стер. – СПб.; М. Краснодар: Лань,2008

Т.1: Механика .Молекулярная физика. – 352 с.

Т.2: Электричество. Колебания и волны. Волновая оптика. – 480 с.

Т.3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – 320 с.

3. Трофимова ,Т.И. курс физики: учеб. пособие/ Т.И. Трофимова.- 15-е изд., стер.- М.: ИЦ «Академия», 2007.-560 с.

4. Иродов, И.Е. Задачи по общей физике учеб. пособие/ И.Е. Иродов.-12-е изд., стереотип.- СПб.;М.; Краснодар.: Лань. 2007.-416 с.

5. Савельев, И.В. Сборник вопросов и задач по общей физике: учеб. пособие/ И.В.Савельев.- 5-е изд., стереотип.-СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2007.-288.

6. Грабовский, Р.И. Курс физики / Грабовский Р.И. – 6 изд. – СПб.: Издательство «Лань», 2002.-608с.

7. Бухман, Н.Н. Упражнения по физике: учеб. пособие/ Н.Н. Бухман.- 2-е изд., испр. и доп. – СПб; М.; Краснодар: Лань, 2008.- 96 с.

8. Волькенштейн, В.С. Сборник задач по общему курсу физики/ В.С. Вольткенштейн .-СПб.; Книжный Мир, 2007.- 328 с.

9. Рогачев, Н.М. Решение задач по курсу общей физики: учеб. пособие / под ред. Н.М. Рогачева.- 2-е изд., испр.- СПб.; М.; Краснодар.: Лань, 2008.-304 с.

10. Фирганг, Е.В. Руководство к решению задач по курсу общей физики: учеб. пособие/Е.В. Фирганг.-3-е изд., стер.- СПб.; М.; Краснодар: Лань, 2008.- 352 с.

Лекция 1. ОПТИКА. ИНТЕРФЕРНЦИЯ
1.1. Понятие о когерентности. Интерференция колебаний.
Лекция 2. ОПТИКА. ДИФРАКЦИЯ
2.1. Принцип Гюйгенса и Гюйгенса-Френеля. Зоны Френеля.. Дифракция на круглом отверстии. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке.
Лекция 3. ОПТИКА. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН С ВЕЩЕСТВОМ
3.1. Поляризация света. Естественный и поляризованный свет.
3.2. Дисперсия света и дисперсия вещества. Нормальная и аномальная дисперсия. Закон Бугера.
Лекция 4. КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ
4.1. Тепловое излучение и его характеристики. Закон Кирхгофа для теплового излучения. Экспериментальные законы излучения абсолютно черного тела. 4.2.Фотоэффект. Опыты Столетова. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
4.3. Эффект Комптона. Корпускулярно-волновой дуализм.
Лекция 5. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ АТОМОВ, МОЛЕКУЛ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ
5.1. Спектр испускания и поглощения водорода. Теория атома водорода по Бору. 5.2. Элементы квантовой механики. Соотношение неопределенностей. Операторы в квантовой механике. Уравнение Шредингера. 5.3. Уравнение Шредингера для атома водорода. Квантовая теория атома водорода. Квантовые числа. Принцип Паули.
Лекция 6. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
6.1. Элементы физики атомного ядра. Модели атомного ядра. Ядерные силы. Виды радиоактивного излучения. Закон радиоактивного распада. Ядерные реакции. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение.
6.2. Элементы физики элементарных частиц. Элементарные частицы. Типы взаимодействия элементарных частиц. Классификация элементарных частиц. Законы сохранения в реакциях с элементарными частицами.
Библиографический список
Содержание

Понятие и основные классификации институтов

1. Институт как базовое понятие.

2. Институты и правила.

3. Типология институтов.