Елементарні і фундаментальні частинки

Елементарна частинка - збірний термін, що відноситься до мікрооб'єктів в суб'ядерними масштабі, які неможливо розщепити (або поки це не доведено) на складові частини. Їх будова і поведінку вивчається фізикою елементарних частинок. Поняття елементарних частинок ґрунтується на факті дискретного будови речовини. Ряд елементарних частинок має складну внутрішню структуру, однак розділити їх на частини неможливо. Інші елементарні частинки є безструктурними і можуть вважатися первинними фундаментальними частинками.

З часів першого відкриття елементарної частинки (електрона) в 1897 році виявлено вже понад 400 елементарних частинок. Фундаментальні (безструктурні) частки:

лептони - ферміони, які мають вигляд точкових частинок (т. е. не перебувають ні з чого) аж до масштабів порядку 10-18 м. Не беруть участь в сильних взаємодіях. Участь в електромагнітних взаємодіях експериментально спостерігалася тільки для заряджених лептонів (електрони, мюони, тау-лептони) і не спостерігалося для нейтрино. Відомі 6 типів лептонів.

кварки - дробнозаряженние частки, що входять до складу адронів. У вільному стані не спостерігалися. Як і лептони, діляться на 6 типів і є безструктурними, однак, на відміну від лептонів, беруть участь у сильній взаємодії.

калібровані бозони - частинки, за допомогою обміну якими здійснюються взаємодії:

фотон - частинка, що переносить електромагнітну взаємодію;

вісім глюонів - частинок, що переносять сильну взаємодію;

три проміжних векторних бозона W +, W- і Z0, які переносять слабку взаємодію;

гравітон - гіпотетична частинка, що переносить г гравітаційна взаємодія. Існування гравітонів, хоча поки не доведено експериментально в зв'язку зі слабкістю гравітаційної взаємодії, вважається цілком вірогідним; проте гравітон не входить в Стандартну модель.

Фундаментальні взаємодії. Процеси, в яких беруть участь різні елементарні частинки, сильно розрізняються по енергіях і характерним часам їх протікання. Відповідно до сучасних уявлень, у природі здійснюється чотири види взаємодій, які не можуть бути зведені до інших, більш простих видів: сильне, електромагнітну, слабку і гравітаційне. Ці види взаємодій називають фундаментальними.

Сильне (або ядерну) взаємодія - найбільш інтенсивне. Воно зумовлює винятково міцний зв'язок між протонами і нейтронами в ядрах атомів. У сильній взаємодії можуть брати участь тільки важкі частинки - адрони (мезони і баріони). Сильна взаємодія проявляється на відстанях порядка10-15 м і менше. Тому його називають короткодействующим.

Електромагнітна взаємодія. У ньому можуть брати участь будь-які електрично заряджені частинки, а так само фотони - кванти електромагнітного поля. Електромагнітне взаємодія відповідально зокрема, за існування атомів і молекул. Воно визначає багато властивостей речовин в твердому, рідкому і газоподібному станах. Кулонівське відштовхування протонів призводить до нестійкості ядер з великими масовими числами. Електромагнітне взаємодія обумовлює процеси поглинання і випромінювання фотонів атомами і молекулами речовини та багато інших процеси фізики мікро- і макросвіту.

Слабка взаємодія - визначає хід найбільш повільних процесів, що протікають в мікросвіті. У ньому можуть брати участь будь-які елементарні частинки, крім фотонів. Слабка взаємодія відповідально за протікання процесів за участю нейтрино або антинейтрино, наприклад, # 946; розпад нейтрона

а також безнейтринного процеси розпаду частинок з великим часом життя (# 964; ≥ 10-10 с).

Гравітаційна взаємодія притаманне всім без винятку частинкам, однак через малість мас елементарних частинок сили гравітаційної взаємодії між ними нехтує малі і в процесах мікросвіту їх роль несуттєва. Гравітаційні сили відіграють вирішальну роль при взаємодії космічних об'єктів (зірок, планет і т. П.) З їх величезними масами.

У 30-і роки XX століття виникла гіпотеза про те, що в світі елементарних частинок взаємодії здійснюються за допомогою обміну квантами будь-якого поля. Ця гіпотеза спочатку була висунута нашими співвітчизниками І. Е. Таммом і Д. Д. Іваненко. Вони припустили, що фундаментальні взаємодії виникають в результаті обміну частками, подібно до того, як ковалентний хімічний зв'язок атомів виникає при обміні валентними електронами, які об'єднуються на незаповнених електронних оболонках.

Взаємодія, що здійснюється шляхом обміну частками, отримало у фізиці назву обмінної взаємодії. Так, наприклад, електромагнітне взаємодія між зарядженими частинками, виникає внаслідок обміну фотонами - квантами електромагнітного поля.

Теорія обмінного взаємодії отримала визнання після того, як в 1935 р японський фізик Х. Юкава теоретично показало, що сильна взаємодія між нуклонами в ядрах атомів може бути пояснено, якщо припустити, що нуклони обмінюються гіпотетичними частинками, які отримали назву мезонів. Юкава обчислив масу цих частинок, яка виявилася приблизно рівною 300 електронним масам. Частинки з такою масою були згодом дійсно виявлені. Ці частинки отримали назву π-мезонів (піонів). В даний час відомі три види піонів: π +, π- і π0 (див. Табл. 6.9.1).

У 1957 році було теоретично передбачено існування важких часток, так званих векторних бозонів W +, W- і Z0, які обумовлюють обмінний механізм слабкої взаємодії. Ці частинки були виявлені в 1983 році в експериментах на прискорювачі на зустрічних пучках протонів і антипротонів з високою енергією. Відкриття векторних бозонів стало дуже важливим досягненням фізики елементарних частинок. Це відкриття ознаменувало успіх теорії, що об'єднала електромагнітне і слабке взаємодії в єдине так зване електрослабкої взаємодія. Ця нова теорія розглядає електромагнітне поле і поле слабкої взаємодії як різні компоненти одного поля, в якому поряд з квантом беруть участь векторні бозони.

5.1 Молекурярно-кінетичні уявлення про будову речовини в різних агрегатних станах.

Статистичний метод опису стану та поведінки систем багатьох частинок.

Розподіл молекул ідеального газу за станам .:

Тіла, які нас оточують (тверді, рідкі, газоподібні) сприймаються нашими органами чуття як суцільні. Однак, тіла не суцільні, а складаються з дрібних невидимих ​​неозброєним оком частинок, розташованих не впритул один до одного, а на деякій відстані. Називають ці дрібні частки речовини молекулами (зменшувальне від латинського слова "маса").

Демокріт (V ст. До н. Е.) Назвав найдрібніші частинки, з яких складаються всі тіла в світі, атомами (неподільними). Згідно Демокріту атоми мають різні розміри, вага, форму тощо

1) Усі речовини складаються з найдрібніших частинок - молекул. Молекула - найменша частинка речовини, яка зберігає всі його хімічні властивості. Всі молекули, що утворюють дану речовину, абсолютно однакові. Молекули складаються з атомів. Атом - дрібна частка хімічного елемента (105 шт.- 94 природних і 11 штучних).

2) Між молекулами тіла одночасно діють сили взаємного тяжіння і відштовхування.

3) Молекули, що утворюють тіла знаходяться в стані безперервного безладного руху (осциляції).

Швидкість руху молекул тим вище, чим вище температура тіла. Температура - міра середньої кінетичної енергії молекул тіла. Швидкість руху молекул тіла, що визначають кінетичну енергію, визначає тепловий стан тіла, величину його внутрішньої енергії. Хаотичний рух молекул називають тепловим.

Розщеплення молекули на атоми називається дисоціацією. Дисоціація відбувається під дією 1) високої температури, 2) хімічних реакцій, 3) опромінення.

В основу термодинаміки входять два методи дослідження часток: термодинамічний і статичний.

Поведінка величезного числа молекул, що складають макротела, вивчається статистичним методом, який заснований на тому, що властивості макротел визначаються властивостями молекул, особливостями їх руху (швидкістю, енергією, імпульсом і т.д.) і взаємодії. Наприклад, температура може бути виражена через середнє значення кінетичної енергії руху молекул. Статистичний метод дає уявлення про механізм теплових процесів, розглядаючи їх як би зсередини макротел, він істотно доповнює термодинамічний метод. Основні закони термодинаміки також мають статистичний сенс.

У газі, що знаходиться в стані рівноваги, встановиться деякий стаціонарне (з часом не змінюється) розподіл молекул за швидкостями, яке підпорядковується цілком певного статистичному закону. Такий закон був теоретично виведений Максвеллом.

При виведенні цього закону Максвелл припускав, що газ складається з дуже великого числа N тотожних молекул, що знаходяться в стані хаотичного теплового руху при однаковій температурі. Передбачалося також, що зовнішні поля на газ не діють.

Закон Максвелла описується деякою функцією f (v), званої функцією розподілу молекул за швидкостями. Розрізняють три форми запису розподілу Максвелла.

5.2 Термодинамічний метод опису стану та поведінки систем багатьох частинок.

Термодинамічні параметри, їх зв'язок з середнім значенням показників молекул:

Основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії ідеального газу, внутрішня енергія ідеального газу, температура.

Для вивчення теплових процесів в природознавстві сформувався термодинамічний метод дослідження. Він полягає в тому, що термодинамічна система розглядається як один цілісний об'єкт (а не як безліч її елементів, молекул), і її стан системи задається термодинамічними параметрами (параметрами системи), що характеризують її властивості. Серед таких зазвичай вибирають абсолютну температуру (температуру за шкалою Кельвіна - Т), тиск (Р), молярний об'єм (обсяг одного благаючи речовини - VМ). Параметри пов'язані один з одним, тому стан системи можна уявити у вигляді рівняння. Наприклад, для ідеального газу масою в один моль цей зв'язок висловлює рівняння Менделєєва-Клапейрона:

PVМ = RT, (5.1) .где R = 8,314 Дж / моль * К - універсальна газова постійна.

Основні рівняння кінетичної теорії газів де S - площа цієї поверхні; - сума доданих перпендикулярно сил. При нерівномірному розподілі сил по поверхні рівність визначає середній тиск на цей майданчик, а в межі, при прагненні S до кулю, - тиск в даній точці:

За кінетичної теорії тиск газу на стінки посудини виникає в результаті безперервних ударів об них окремих молекул. Ці удари молекул об стінки призводять до деяких змішання частинок матеріалу стінки і, отже, до її деформації. Деформована ж стінка діє на газ пружною силою, спрямованої в кожній точці перпендикулярно до стінки. Сила ця дорівнює за абсолютним значенням і протилежна за напрямком силі, з якою газ діє на стінку.

Визначення температури в кінетичної теорії газів. У кінетичної теорії газів доводиться, що якщо дві підсистеми (з однакових або різних молекул) можуть обмінюватися енергією, то в стані рівноваги виявляються рівними середні кінетичні енергії поступального руху їх молекул. Виходячи з цього, кінетична теорія газів визначає температуру як величину, пропорційну середньої кінетичної енергії поступального руху молекули:

де k - постійна Больцмана, яка виражається через універсальну газову постійну і число Авогадро (див. розд. 2.1): k = R / Na

1,38 • 10 -23 Дж / К. Коефіцієнт пропорційності обраний так, щоб рівняння стану ідеального газу.

Внутрішня енергія даної маси ідеального газу залежить тільки від його температури і не залежить ні від тиску, ні від обсягу.

5.3 Рівняння стану ідеального газу. Рівняння ізопроцессов ідеального газу.

Співвідношення називається рівнянням стану ідеального газу. Для одного моля будь-якого газу це співвідношення приймає вигляд: pV = RT.

Ізотермічний процес (T = const) ізотермічний процес називають квазістатичний процес, що протікає при постійній температурі T. pV = const

Ізохорний процес (V = const) Ізохорний процес - це процес квазістатичного нагрівання або охолодження газу при постійному об'ємі V і за умови, що кількість речовини # 957; в посудині залишається незмінним.

Ізобарний процес (p = const) Ізобаричний процесом називають квазістатичний процес, що протікає при незмінним тиску p.

5.4 Внутрішня енергія, способи її зміни. Способи теплообміну. Кількість теплоти. Перший закон термодинаміки як закон збереження енергії.

Газ, що знаходиться в стані термодинамічної рівноваги, можна характеризувати внутрішньою енергією. Внутрішньою енергією називають повну енергію його молекул. У термодинаміки вона включає в себе сумарну кінетичну енергію теплового руху молекул і потенційну енергію їх взаємодії.

Існує два способи зміни внутрішньої енергії системи - механічна робота і теплопередача (теплообмін).

Процес передачі енергії від одного тіла до іншого без здійснення роботи називається

Існує три види теплообміну:

Перший закон термодинаміки - це закон збереження енергії, поширений на теплові явища. Він показує, від яких причин залежить зміна внутрішньої енергії.

термодинаміки розглядаються тіла, положення центра ваги яких практично не змінюється. Механічна енергія таких тіл залишається постійною, змінюватися може лише внутрішня енергія кожного тіла.

У загальному випадку при переході системи з одного стану в інший внутрішня енергія змінюється одночасно як за рахунок здійснення роботи, так і за рахунок передачі теплоти.

Перший закон термодинаміки формулюється саме для таких загальних випадків:

Зміна внутрішньої енергії системи при переході її з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил і кількості теплоти, переданого системі:

Якщо система є ізольованою, то робота зовнішніх сил дорівнює нулю (А = 0) і система не обмінюється теплотою з навколишніми тілами (Q = 0). У цьому випадку згідно з першим законом термодинаміки або U1 = U2. Внутрішня енергія ізольованої системи залишається незмінною (зберігається).

Внутрішня енергія термодинамічної системи може змінюватися двома способами: за допомогою здійснення роботи над системою і за допомогою теплообміну з навколишнім середовищем. Енергія, яку отримує або втрачає тіло в процесі теплообміну з навколишнім середовищем, називається кількістю теплоти або просто теплотою.

5.5 Робота газу, теплоємність, зміна внутрішньої енергії, перший закон термодинаміки при ізопроцессамі.

Роботою газу називається його неквазістатіческое розширення, а також подальший тиск на певну поверхню (як правило даний закон виконаємо для газу, що знаходиться в закритому просторі, наприклад, поршні) під дією зовнішніх сіл.Теплоемкость- властивість матеріалу поглинати певну кількість тепла при нагріванні і виділяти його при охлажденіі.Газ, що знаходиться в стані термодинамічної рівноваги, можна характеризувати внутрішньою енергією.

Внутрішньою енергією називають повну енергію його молекул. У термодинаміки вона включає в себе сумарну кінетичну енергію теплового руху молекул і потенційну енергію їх взаімодействія.Закон Генрі - закон, за яким при постійній температурі розчинність газу в даній рідини прямо пропорційна тиску цього газу над розчином. Закон придатний лише для ідеальних розчинів і невисоких тисків. Власне, закон Генрі констатує досить простий факт: чим вище тиск газу над поверхнею рідини, тим важче розчиненого в ній газу вивільнитися. І це абсолютно логічно з точки зору молекулярно-кінетичної теорії, оскільки молекулі газу, щоб вирватися на свободу з поверхні рідини, потрібно подолати енергію зіткнень з молекулами газу над поверхнею, а чим вище тиск і, як наслідок, число молекул в прикордонній області, тим складніше розчиненої молекулі подолати цей бар'єр.