1. в света на елементарното надя Кискинова наоп, Стара Загора



Дата11.11.2017
Размер97.25 Kb.
1.
В СВЕТА
НА
ЕЛЕМЕНТАРНОТО

Надя Кискинова

НАОП, Стара Загора
2.

Според древните философи (III-IV в.пр.н.е.) всичко на света е изградено от четири вещества или субстанции: земя, вода, въздух и огън.

На всяка от тези субстанции са приписвали някакви свойства:

    "земя" - сухо и студено


    "вода" - студено и влажно
    "въздух" - топло и влажно
    "огън" - топло и сухо

    Други елементи в природата няма.


3.

През ІІІ-ІV век пр.н.е. Демокрит създава
атомната теория и материалистическото схващане за строежа на света и материята.


Две хилядолетия по-късно станало ясно,

че атомът не е най-малката неделима частица материя,

че той има своя структура и съдържа още частици.
4.

през 1897г. Томсън открива електрона

Днес учени от шведския университет на

гр. Лунд твърдят, че са са го снимали

Използвайки сложен фотокомплекс, включващ лазер, спектрометър и стробоскоп, учените получили



енергийния “портрет"

на електрона, представляващ десет концентрични кръга.
5.

през 30-те години на ХХ век
се утвърждава планетарния модел на атома


около атомното ядро,

съдържащо

протони р+ и неутрони n

наричани общо

нуклони

обикалят като планетите около Слънцето електрони e¯.


6.

Атомът е електрически неутрален,
защото броят на протоните и електроните е равен


Масите на протоните и неутроните са почти равни и приблизително 2000 пъти по-големи от тази на електроните.

     Ядрото на всеки елемент съдържа различен брой протони и неутрони.



Тази разлика определя различните химични и физични свойства на елементите от Менделеевата таблица
7.

Сега протоните, неутроните и електроните биват считани за същинските неделими “атоми” на древните гърци.

Но през 1968 г. експериментаторите в

Центъра на Станфордския линеен укорител, откриват, че протоните и неутроните се състоят от три кварка.
Названието на тези частици е заимствано от фантастичния роман на Джеймс Джойс “Бдение над Финеган”.

Идеята е на физика теоретик Мъри Гел-Ман, който предвидил съществуването им.
8.

Кварките са две разновидности, наречени прозаично
горни и долни


Протонът се състои от 2 горни кварка и 1 долен.
Неутронът - от 1 горен и 2 долни кварка.
9.

И така
всичко във Вселената е изградено от комбинации на
електрони, горни и долни кварки.

10.

това обаче не е всичко
11.

открити били още

4 кварка:
очарован (charm) c

странен (strange) s

красив (beauty) или низов (botton) b

топ или върхов (top) t

и

частици:
неутрино, мюон, таон
За разлика от другите частици, кварките съществуват само в комбинация с други кварки и имат дробен заряд. За да се различава от характеристиките на останалите частици, прието е зарядът им да се нарича цветен заряд или цвят. Цветът на кварките е червен, зелен и син. Силите на взаимодействие между кварките се определя от техния цветен заряд. Тези сили са най-големи в рамките на елементарните частици и се наричат силно взаимодействие.
12.

всяка от тези частици си има своя античастица

През 1932 г. Андерсън открива двойник на електрона в космическите лъчи, но с противоположен положителен заряд – позитрон. Оказва се, че всяка частица си има своя антипод – античастица. При взаимодействие на частица и нейния антипод античастица се получава анихилация, след която частицата и античастицата изчезват и се появяват фотони или се пораждат други частици.

И така, Вселената е изградена от материя и антиматерия. Защо обаче преоблада материята сега. Отговорът на този въпрос се крие някъде в първите мигове от зараждането на Вселената и все още се търси.
13.

В края на 50-те години на ХХ век започват да работят ускорители на елементарни частици, в които се "раждат" частици с много висока енергия. При ударите между тях възникват нови ядрени частици с много кратко време на живот, които със същото право могат да бъдат разглеждани като елементарни и безструктурни.


Днес са известни няколко стотици елементарни частици - фактически повече от атомите в периодичната система на елементите.
Това показва, че т. нар. елементарни частици притежават някаква вътрешна структура, която засега не е добре известна.
14.

класификация на елементарните частици

Елементарните частици (с изключение на фотоните) се разделят на три семейства.

Първоначално това разделение е направено на база



масата на частиците.

Първото семейство е лептони (от гр. лептос - малък, лек).

Тук влизат например електроните.

Второто е бариони (от гр. барис - тежък).

Протоните и неутроните са част от това семейство.

И третото е мезони (от гр. мезос - среден),

чиито частици по маса заемат междинно положение.

     Вторият начин за разделяне е на базата на това, в какви взаимодействия могат да участват частиците. В такъв случай ги разделяме на



лептони и адрони (от гр. - силен)
/слабо и силно взаимодействие/
     Третият е в зависимост от спина на елементарните частици.

Те могат да се разделят на фермиони и бозони.


Частиците имат разнообразни маси, но не толкова класификацията по маса дава някаква същностна информация за тях, колкото структурата им или по-точно, комбинацията от кварки, която е характерна за тях.

Тежките частици – барионите, т.е. протоните и неутроните са изградени от 3 кварка – горни и долни, но с 3 различни цвята – син, червен и зелен.

Мезоните са изградени от кварк и антикварк с различни цветове, примерно син кварк и червен антикварк.

Като цяло мезоните и барионите са безцветни. Аналогията с оптиката е очевидна, но все пак трябва да се има предвид, че тук става дума за съвсем различна характеристика на кварките.


15.

При лептоните и кварките физиците забелязват някаква общност и ги групират в


семейства (по вертикала):
16.

семейство 1



  • електрон с маса 0,00054 от

масата на протона


  • електронно неутрино с маса < 10*(-8)




  • долен кварк с маса 0,0074




  • горен кварк с маса 0,0047

Протоните и неутроните са изградени именно от двата кварка – горен и долен. От протони и неутрони е изграден заобикалящаният ни свят сега. Може да се приеме, че именно семейство 1 от горния и долен кварк, елктрона и електронното неутрино всъщност на 4-те основни елементарни частици, от които зависи цялото разнообразие на действителността. Останалите, приети също за основни елементарни частици от другите две семейства съществуват в екстремални условия – пораждат се в ускорителите при взаимодействия на много тежки частици и съществуват реално при най-екзотичните вселенски структури или са възникнали на определен етап от еволюцията на Вселената като цяло.
17.

семейство 2



  • мюон с маса 0,11




  • мюонно неутрино с маса < 0,0003




  • странен кварк с маса 1,6




  • очарован кварк с маса 0,16

18.


семейство 3

  • таон

маса 1,9





  • красив /низов/ кварк маса 5,2




  • топ /върхов/ кварк маса 189

19.


ВЗАИМОДЕЙСТВИЯТА В ПРИРОДАТА

В природата има 4 взаимодействия, определящи облика на Вселената. Само гравитацията се простира на безкрайно голямо разстояние; електромагнитното взаимодействие е в мащабите както на безкрайно голямото, така и на безкрайно малкото. Силното и слабото – само в рамките на атомните ядра и атоми.

Към основните семейства от елементарни частици се добавят и частиците-преносители на взаимодействията: фотоните на електромагнитното взаимодействие адроните и глюоните на силното и междинните векторни бозони на слабото взаимодействие. Гравитонът на гравитационното взаимодействие засега единствен остава неоткрит. Масата му трябва да е нулева или почти нулева, трябва да съществува единствено, движейки със скоростта на светлината като фотоните, но спинът му трябва да е 2. Гравитационното взаимодействие е толкова слабо на микрониво, че все още не е уловена частицата-преносител гравитона.
20.

Всъщност, защо точно четири са взаимодействията във Вселената! Дали не са повече? Може би има вселени с различен брой взаимодействия?


21.

Засега подобни въпроси остават без отговори. Остава да приемем, че Вселената е такава, каквато е...


22.

Вселената е такава, каквато е, защото има точно тези частици и тези взаимодействия.

Не знаем защо, но можем да си представим,


че при съвсем малко по-различни характеристики на една от частиците,
Вселената и ние
няма да сме това, което сме.

23.

КВАНТОВА МЕХАНИКА

Квантовата механика е концептуален апарат за разбиране на микроскопичните свойства на Вселената.



Квантовата механика е математически издържана теория и нейните предвиждания са проверени с изумителна точност.
24.

Макс Планк
1900 година

електромагнитните вълни

са безброй много по вид

с различни дължини λ и честоти на вълната ν, НО



вълна с определена дължина или честота носи точно определено количество или порция енергия, наричана

квант или фотон

Е = ћ . ν или Е = ћ . 1/λ

25.


константа на Планк ћ

ћ = 6,62.10*/-34/ J.s
Константата на Планк е едно от фундаменталните числа, определящи облика на Вселената.

Тя играе решаваща роля в микросвета и касае самата структура на Вселената.

Планк няма “оправдание” за своето революционно въвеждане на енергийни порции – кванти.

Имал е само изумително точни

експериментални резултати.
26.

ФОТОЕФЕКТ
Айнщайн
1905 година

Електромагнитните вълни се разпространяват като вълни с определена честота или дължина на вълната, определяща вида им и причисляваща ги към определен диапазон от електромагнитния спектър, но взаимодействат с веществото като частици.


Така се слага край на няколковековния спор за същността на светлината /както и за електромагнитното излъчване изобщо/. До този момент благодарение на опитите по интерференция и дифракция, разкриващи вълновата природа на светлината било неоспоримо именно тази нейна същност. Но фотоефектът доказва, че при определени условия светлината се държи като поток от частици.

Именно за това неоспоримо експериментално откритие по-късно на Айнщайн е присъдена Нобелова награда, а не за Теорията му на относителността, която стои в основата на съвременната физика!


27.

корпускулярно-вълнов дуализъм

През 1923 г. Луи дьо Бройл изказва предположението:



самите материални частици понякога трябва да имат поведението на вълни!
Вдъхновила го известната

формула на Айнщайн



Е = m . c²
Двойнствената природа на светлината и всяко друго електромагнитно лъчение веднъж като вълна, друг път като поток от частици се дължи на същността на това, което наричаме елементарни частици. Оказва се, че такова поведение за елементарните частици е съвсем естествено.
28.

на микрониво веществото се държи като вълна

Това не забелязваме от позициите си на гиганти в този свят.

Вълновият характер на веществото става видим директно само при внимателно вглеждане в микросвета.

Също както голямата стойност на скоростта на светлината ни кара да се чувстваме вселенски пигмеи и скрива природата на пространството и времето, така константата на Планк крие вълновите свойства на веществото в недостъпния за нас микросвят.

29.

Добре, веществото може и да е вълна, но вълна от какво?

Борн твърди, че вълновата природа в микросвета трябва да се интерпретира от гледна точка на вероятностите.



Вероятност в ежедневието

е мярка за някаква степен на несигурност,

на недостиг на знание.

Вероятността в Квантовата механика

е математически начин да се опише вълновата природата на веществото.

Тук тя е израз на нещо фундаментално.
30.

Така към 1927 година физиката загубва
класическата си невинност.
Родена е Квантовата механика.

Бог не играе на зарове

възкликва Айнщайн

и греши


Вероятностното поведение на елементарните частици е тяхна същност.
31.

Принципът на Хайзенберг
Това, което отличава квантовият начин на мислене от класическия е изразил
Хайзенберг през 1927 г. и неговият принцип е основата на случващото се в микросвета

Принцип на неопределеността в Квантовата механика

Колкото по-точно искаме да регистрираме частицата, толкова повече й влияем

ние като наблюдатели.
32. ИЛИ

В Квантовата механика не е възможно да се знаят едновременно положението и скоростта на частиците.

Колкото по-точно се знае положението, толкова скоростта е по-неопределена и обратно.

Още


Квантовата механика не може да предвиди точно каква енергия ще има частицата в точно определен интервал време.
33.

квантова клаустрофобия

Ако затворим един електрон в нещо като “кутия” и бавно започнем да приближаваме стените й, електронът ще става все по-необуздан.

Като полудял ще се блъска все по-неистово в стените с непредвидима скорост.

Природата не позволява на градивните й частици да бъдат “хващани натясно”.


34.

тунелен ефект

Принципът на неопределеността обяснява една странност в квантовия свят:


частици могат да преодолеят енергийна бариера не по техните възможности.
Те могат да проникват през “стени”.
35.

Но ако ние искаме да сторим това, ще трябва да чакаме подобна възможност повече,


отколкото е възрастта на Вселената.
Ето защо в нашия свят вероятността за тунелен ефект е нищожно, изчезващо малка.
И причина за това е малката стойност на константата на Планк – достатъчна за микросвета, но не и за нашия свят.
36. ИЗТОЧНИЦИ

  • quant.hit.bg/glava3_6.html




  • Елегантната Вселена”, Брайън Грийн








База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2016
отнасят до администрацията

    Начална страница