Електромагнітні поля у вакуумі. Напруженість електричного і магнітного поля. Індукція. Принцип суперпропозиц.

Електромагнітні поля у вакуумі. Напруженість електричного і магнітного поля. Індукція. Принцип суперпропозиц.

Сукупність нерозривно взаємопов'язаних змінних вихрових електричного і магнітного полів називають електромагнітним полем. У природі взагалі немає відокремлених одне від одного електричних і магнітних полів, а існують електромагнітні поля як особливий вид матерії, через який відбувається електромагнітна взаємодія.

Процес поширення змінного електромагнітного поля в просторі з плином часу називають електромагнітною хвилею. Максвелл показав, що швидкість поширення електромагнітної хвилі є величиною скінченною і у вакуумі дорівнює швидкості світла (тобто c 3·10^8 м/с).

Електромагнітна хвиля поширюється в діелектрику, але ще краще у вакуумі. Наявність прискорення - головна умова випромінювання електромагнітної хвилі.

У вакуумі електромагнітні хвилі досягають найбільшої швидкості - швидкості світла (c = 3·108 м/с). Властивості електромагнітних хвиль найлегше вивчати, використовуючи передавач і приймач, які працюють на сантиметровому діапазоні. Випромінювання і приймання таких хвиль можна зробити спрямованими. Досліди Герца і пізніше проведені експерименти показали, що електромагнітні хвилі мають такі властивості:

1) в однорідному середовищі поширюються рівномірно і прямолінійно;

2) відбиваються діелектриками, а ще краще провідниками, при цьому виконуються закони відбивання хвиль;

3) заломлюються;

4) фокусуються;

5) дають явища дифракції і інтерференції;

6) поляризуються.

Властивості електромагнітних хвиль виявились такими ж, як і властивості хвиль будь-якої іншої природи.

Напру́женість електри́чного по́ля — це векторна фізична величина, яка дорівнює силі, яка діє у даній точці простору у даний момент часу на пробний одиничний електричний заряд у електричному полі.

 

де F — сила, q — електричний заряд, E — напруженість електричного поля.

В системі СІ вимірюється у В/м, на практиці здебільшого у В/см.

Напруженість магнітного поля обчислюють в ерстедах (в СГСМ системні одиниці) і в („ампер на метр”) в МКСА системі одиниць). Напрям вектора Н магнітного поля, створюваного електричним струмом у провіднику або контурі, можна визначити за правилом гвинта. Для наочної характеристики магнітного поля запроваджено поняття про лінії напруженості магнітного поля або лінії магнітної індукції, що є кривими лініями, дотичні до яких в кожній точці збігаються відповідно з напрямами векторів Н або В. самі ж величини цих векторів виражають густиною ліній напруженості чи індукції, тобто кількістю відповідних ліній, які перетинають перпендикулярну до них площину в 1 см2 або в 1 м2.

Електромагні́тна інду́кція — виникнення електрорушійної сили у провіднику, що перебуває у змінному магнітному полі.

Явище електромагнітної індукції відкрив у 1831 році Майкл Фарадей. До того було відомо, що електричний струм у провіднику створює магнітне поле. Однак оберненого явища не спостерігалося. Постійне магнітне поле не створює електричного струму. Фарадей встановив, що струм виникає при зміні магнітного поля. Якщо підносити й віддаляти до рамки з провідного матеріалу постійний магніт, то стрілка підключеного до рамки вольтметра відхилятиметься, детектуючи електричний струм. Ще краще це явище проявляється, якщо вставляти (виймати) магнітне осердя в котушку з намотаним провідником.

Фарадей встановив кількісний закон електромагнітної індукції, описавши його рівнянням:

Де Є — електрорушійна сила (ЕРС), яка виникає в котушці, що перебуває у змінному магнтіному полі, у вольтах

N — кількість витків у котушці

Φ — магнітний потік у веберах

Якщо в провіднику виникає електрорушійна сила, то відповідно, індукований в ньому струм буде визначатися за законом Ома формулою

де R — опір провідника. Такий струм називається індукційним струмом.

Принцип суперпозиції.

У найпростішому формулюванні принцип суперпозиції говорить: результат впливу на частинку кількох зовнішніх сил є векторна сума впливу цих сил.

Найбільш відомий принцип суперпозиції в електростатиці, в якій він стверджує, що напруженість електростатичного поля, створюваного в даній точці системою зарядів, є сума напруженостей полів окремих зарядів.

Принцип суперпозиції може приймати і інші формулювання, які повністю еквівалентні наведеному вище.

Рівняння, що описують поведінку багаточастинкових системи, є лінійними за кількістю частинок. Саме лінійність фундаментальної теорії в даній галузі фізики є причина виникнення в ній принципу суперпозиції.

Підкреслимо, що електродинамічний принцип суперпозиції не є непорушний закон Природи, а є всього лише наслідком лінійності рівнянь Максвелла, тобто рівнянь класичної електродинаміки. Тому, коли ми виходимо за межі застосовності класичної електродинаміки, цілком варто очікувати порушення принципу суперпозиції.

Рівняння Лоренца.

Лоренца - Максвелла рівняння - фунд. р-ня класичн. електродинаміки, що визначають мікроскопіч. ел - магн. поля, створювані окремими зарядженими частинками. Л - М. рівняння лежать в основі електронної теорії. У цій теорії середу розглядається як сукупність заряджений. частинок (електронів і атомних ядер), що рухаються у вакуумі. Основний постулат теорії Лоренца полягає у припущенні, що р-ня класичн. електродинаміки (Максвелла рівняння) точно описують поля в будь-якій точці простору в будь-який момент часу t.

У Л - М. рівнянні. ел - магн. поле описується двома векторами: напруженням мікроскопіч. полів - електричного е і магнітного h.

В диф. формі в абсол. системі одиниць Гаусса Л.-М. рівняння мають вигляд:

Граничні умови.

Граничні умови для нормальних складових магнітного поля

Оскільки для магнітного поля справедливий закон нерозривності силових ліній, то

, або

Нормальні складові вектора магнітної індукції на межі поділу двох середовищ неперервні. Оскільки , то

Як бачимо, в загальному випадку напруженість магнітного поля на межі поділу зазнає стрибок.

Граничні умови для нормальних складових електричного поля

Якщо густина поверхневих електричних зарядів на межі поділу дорівнює нулю, то і .

Тобто нормальні складові векторів електричного зміщення на межі поділу двох середовищ неперервні, в той час як нормальні складові напруженості електричного поля в загальному випадку зазнають стрибок.

Якщо на межі поділу рівномірно розподілений поверхневий електричний заряд з густиною σ_пов, то

Тобто складові векторів електричного зміщення зазнають стрибок на величину густини поверхневого заряду в даній точці, що досліджується.

Матеріальні рівняння.

 

де k_м — магнітна сприйнятливість речовини,

μ_а — абсолютна магнітна проникність речовини.

Ці співвідношення називаються матеріальними рівняннями електромагнітного поля.

Вони відіграють важливу роль в електродинаміці. Рівняння описують макроскопічні властивості речовини, істотні при впливі на них електромагнітних полів.

Якщо μ<1, то речовину називають діамагнітною, якщо ж μ>1, то вона відноситься до парамагнітних речовин. Особливий клас речовин становлять ті, для яких μ>>1; такі речовини звуться феромагнетиками.

 

 

10. Магнетики і їх класифікація.

Магнетик, речовина, що має магнітними властивостями, які визначаються наявністю власних або індукованих зовнішнім магнітним полем магнітних моментів, а також характером взаємодії між ними. Найбільше застосування в електро- і радіотехніці знаходять феромагнітні метали Fe, Ni, Co.

Розрізняють діамагнетик, парамагнетики, феро- та феримагнетики, антиферомагнетики.

Діамагнетик — речовина з від'ємною магнітною сприйнятливістю. Явище діамагнетизму зумовлене ларморівською прецесією електронів у магнітному полі. Процеси, які визначають діамагнітні властивості речовини, відбуваються у всіх без винятку матеріалах, але вони слабкі й у випадку парамагнетиків не грають суттєвої ролі порівняно із іншими процесами. Ідеальний діамагнетик має магнітну сприйнятливість рівну −1, що призводить до виштовхування магнітного поля із речовини. Ідеальними діамагнетиками є надпровідники.

Парамагнетики – речовини з невеликою позитивною магнітною сприйнятливістю, які у зовнішньому магнітному полі намагнічуються вздовж поля і дещо підсилюють його. Атоми парамагнетиків мають свій магнітний момент. Магнітна сприйнятливість парамагнетиків завжди додатна і лежить у діапазоні 10^-4 — 10^-7. До парамагнетиків належать: 1) речовини, атоми або молекули яких мають непарне число електронів; 2) вільні атоми (йони) з недобудованою внутрішньою електронною оболонкою; 3) багато лужних і лужноземельних металів, Al, Sc, V; кисень О₂, NO; 4) Феромагнетики та антиферомагнетики при температурах, вищих від температур Кюрі та Нееля, відповідно.

Ряд речовин має так званими сильно магнітними властивостями, тобто магнітні моменти в них розташовані впорядковано навіть за відсутності зовнішнього магнітного поля нижче певної критичної температури; до них відносяться феро- і феримагнетики, антиферомагнетики, а також магнетики з більш складними (неколінеарних) розташуванням магнітних моментів (наприклад, слабкі феромагнетики).

Феромагнетики - речовини (як правило, в твердому кристалічному або аморфному стані), в яких нижче певної критичної температури (точки Кюрі) встановлюється дальній феромагнітний порядок магнітних моментів атомів або йонів (в неметалічних кристалах) чи моментів колективізованих електронів (у металевих кристалах). До феромагнетиків належать деякі метали (залізо, нікель, кобальт, гадоліній, манган, хром та їхні сплави) з великою магнітною проникністю, що проявляють явище гістерезису; розрізняють м'які феромагнетики з малою коерцитивною силою та тверді феромагнетики з великою коерцитивною силою. Феромагнетики використовуються для виробництва постійних магнітів, осердь електромагнітів та трансформаторів.

Антиферомагнетики — магнітновпорядковані кристалічні речовини, які при низьких температурах мають дві повністю намагнічені спінові ґратки, які повністю компенсують одна одну. Температура переходу антиферомагнетиків із магнітновпорядкованого стану в розупорядкований стан називається температурою Нееля. До антиферомагнетиків належать FeO, NiO, CoO, CoF₂, NiSO₄ та інші. При малих зовнішніх магнітних полях антиферомагнетики поводять себе, як парамагнетики. Утім, починаючи з певного критичного магнітного поля, в них з'являється намагніченість, яка спочатку росте лінійно з ростом напруженості зовнішнього поля, а потім виходить на насичення. Елементарними збудженнями в антиферомагнетиках є магнони.

Феримагнетики або ферити — магнітновпорядковані речовини, які при низьких температурах, складаються із кількох спінових ґраток, що не повністю компенсують одна одну. Ферити — це комплексні солі перехідних металів, наприклад, MnO Fe₂O₃, FeO Fe₂O₃, CoO Fe₂O₃ тощо. Температура переходу з феримагнітного стану в парамагнітний називається, як і для феромагнетиків, температурою Кюрі. Поведінка феримагнетиків у магнітному полі дуже схожа на поведінку феромагнетиків, проте для них існує певна температура, при якій магнітні моменти ґраток повністю компенсуються.

 

(Або це

 

Магнетики – речовини і тіла, що намагнічуються у зовнішньому магнітному полі, тобто навколо них утворюється додаткове магнітне поле.

Магнетики поділяються на три основних класи:

ü діамагнетики,

ü парамагнетики,

ü феромагнетики.

Діамагнетики ослаблюють зовнішнє магнітне поле своїми наведеними магнітними моментами атомів, які протилежні до зовнішнього поля.

Розрізняють діамагнетики “класичні”, аномальні, надпровідні.

Парамагнетики підсилюють зовнішнє магнітне поле за рахунок орієнтації атомарних магнітних моментів уздовж магнітних ліній цього поля.

Виділяють нормальні парамагнетики, у яких магнітна сприйнятливість обернено пропорційна т-рі, лужні метали та перехідну групу металів.

Феромагнетики мають доменну структуру і значно підсилюють зовнішнє магнітне поле.

Енергія магнітного поля.

Провідник, по якому протікає електричний струм, завжди оточений магнітним полем, причому магнітне поле появляється і зникає разом з появою і зникненням струму. Отже, частина енергії струму йде на створення магнітного поля.

Енергія магнітного поля дорівнює роботі, яка затрачається струмом на створення цього поля.

Енергія магнітного поля в просторі задається формулою

Відповідно, густина енергії магнітного поля дорівнює

Енергія магнітного поля провідника зі струмом дорівнює:

де I - сила струму, а L - індуктивність, що залежить від форми провідника.

 

 

Рівняння Шредінгера

- основне рівняння нерелятивістської квантової механіки, яке визначає закон еволюції квантової системи з часом.

,де - хвильова функція, H - гамільтоніан.

Внаслідок квантового принципу суперпозиції станів рівняння, що описує еволюцію системи, має бути лінійним. Рівняння Шредінгера є саме таким.

Рівняння Шредінгера не лоренц-інваріантне, тобто справедливе лише для частинок, швидкість яких набагато менша за швидкість світла. Загальніше рівняння Дірака переходить у рівняння Шредінгера при малих швидкостях. Тому при взаємодії з магнітним полем (яке є чисто релятивістським явищем) не можна використовувати звичайне рівняння Шредінгера.

Комплексно спряжене рівняння збігається з рівнянням Шредінгера, якщо замінити t на −t, а хвильову функцію на . Цей факт відображає зворотність процесів у квантовій механіці.

Рівняння Шредінгера не виводиться, а постулюється. Правильність цього рівняння підтверджується узгодженням з експериментами, що, у свою чергу, надає йому характер закону природи.

З погляду математики рівняння Шредінгера є лінійним диф. рівнянням з частинними похідними. Відомо, що такі р-ня мають багато розв’язків, причому таких, що лінійна комбінація будь-якої сукупності розв’язків рівняння також буде розв’язком рівняння.

Існує формальний розв'язок рівняння Шредінгера

Тут є не числом, а оператором, який називають оператором еволюції.

Принцип Паулі.

При́нцип ви́ключення Па́улі (або принцип заборони Паулі)— квантово-механічний принцип, згідно з яким у багаточастинковій системі невзаємодіючих ферміонів, жодні дві частки не можуть описуватися одночастинковими хвильовими функціями із однаковим набором усіх квантових чисел.Принцип був сформульований Вольфгангом Паулі в 1925 році. Він є наслідком принципу нерозрізнюваності часток (або принципу тотожності частинок).Ферміони характеризуються тим, що їхні хвильові функції антисиметричні щодо перестановки ідентичних частинок. Щоб забезпечити антисиметричність, хвильову функцію системи багатьох ферміонів зазвичай будують за допомогою детермінанта Слейтера, використовуючи певний набір одночастинкових хвильових функцій. Із цих одночастинкових функцій не може бути двох однакових, бо згідно з властивостями визначника при двох однакових рядках чи стовпчиках визначник дорівнює нулю.

Наслідок для атомів, молекул та твердих тіл При побудові стану багаточастинкової квантовомеханічної системи із одноелектронних станів два електрони не можуть знаходитися в однаковому стані. Здебільшого спінова підсистема незалежна від координатної, тож, враховуючи дві можливі проекції спіна, один орбітальний стан можуть займати два електрони із протилежними спінами. Електронні конфігурації атомів і молекул будуються з врахуванням цього фактора. Принцип Паулі формально означає неявну взаємодію у багаточастинковій системі, навіть коли явної взаємодії нема, оскільки знаючи стан однієї частинки, точно відомо, що жодна інша частинка не перебуває у цьому стані.Розглянемо два електрони, просторові координати яких збігаються, тоді якщо спінові координати теж збігаються (спіни співнапрямлені), то електрони не можуть перебувати в одній точці, але якщо спіни напрямлені у протилежні сторони, то електрони можуть знаходитися в одній точці простору.

Атом гелію.

Гелій - другий елемент періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва з атомним номером 2. Розташований в головній підгрупі восьмий групи, першому періоді періодичної системи. Очолює групу інертних газів в періодичній системі. Позначається символом He. Проста речовина гелій - це інертний одноатомний газ без кольору, смаку і запаху. Гелій - один з найбільш поширених елементів у Всесвіті, він посідає друге місце після водню. Також гелій є другим за легкістю (після водню) хімічною речовиною. Гелій здобувається з природного газу процесом низькотемпературного розділення - так званої фракційної перегонкою. Гелій - найменш хімічно активний елемент. Багато з'єднання гелію існують тільки в газовій фазі у вигляді так званих ексимерних молекул, у яких стійкі порушені електронні стану і нестійкий основний стан. Гелій утворює двоатомні молекули He2 +, фторид HeF, хлорид HeCl (ексимерні молекули утворюються при дії електричного розряду або ультрафіолетового випромінювання на суміш гелію з фтором або хлором). Природний гелій складається з двох стабільних ізотопів: 4He (ізотопна поширеність - 99,99986%) і набагато більш рідкісного 3He (0,00014%; зміст гелію-3 в різних природних джерелах може змінюватись у досить широких межах). Відомі ще шість штучних радіоактивних ізотопів гелію.

 

2 5. Молекула водню.

Моле́кула во́дню — найпростіша хімічна молекула, що складається з двох атомів водню. До її складу входять два ядра хімічного елементу водню й два електрони. Внаслідок взаємодії між електронами утворюється ковалентний хімічний зв'язок. Окрім основної ізотопічної модифікації H₂, існують різновиди, в яких один або обидва протії замінені іншими ізотопами водню — дейтерієм і тритієм: HD, HT, D₂, DT, T₂. Симетричність чи несиметрічність молекули відіграє роль при її обертанні. А́том во́дню — найпростіший із атомів хімічних елементів.Він складається з позитивно зарядженого ядра, яке для основного ізотопа є просто протоном, і одного електрона. Квантовомеханічна задача про дозволені енергетичні стани атома водню розв'язується точно. Зважаючи на цю обставину, хвильові функції, отримані як власні функції цієї задачі, є базовими для розгляду решти елементів періодичної таблиці. Саме тому атом водню має велике значення для фізики й хімії. Для водню відомо теж три ізотопи: ¹H (ядро складається лише з одного протона), ²H (ядро складається з одного протона і одного нейтрона), ³H (ядро складається з одного протона і двох нейтронів). Деякі ж хімічні елементи складаються з досить великої кількості ізотопів.

Природа хімічного зв’язку.

Лише деякі хімічні елементи (благородні гази) за звичайних умов знаходяться в стані одноатомного газу. Атоми інших елементів, навпаки, в індивідуальному вигляді не існують, а входять до складу молекул або кристалічних ґраток, утворених сукупністю атомів. Отже, існує причина, за якою атоми зв’язуються один з одним. Цією причиною є хімічний зв’язок, який зумовлений тим, що між атомами діють певні електростатичні сили, здатні утримувати атоми один біля одного. Доведено, що в утворенні хімічного зв’язку між атомами головна роль належить валентним електронам (електронам зовнішнього рівня, які найслабше зв’язані з ядром). Згідно з теорією хімічного зв’язку найбільшу міцність мають зовнішні оболонки, які складаються з двох або восьми електронів. Благородні гази мають саме такі електронні оболонки. Це і є причиною того, що благородні гази за звичайних умов не вступають у хімічні реакції з іншими елементами. Атоми, які мають на зовнішньому рівні менше восьми (або двох) електронів, намагаються набути структури благородних газів. Тому при утворенні молекули в ході хімічної реакції атоми намагаються набути стійку восьмиелектронну або двохелектронну оболонку. Таким чином хімічні зв’язки утворюються завдяки зсуву або перенесенню електронів від одного атома до іншого.

 

Стаціонарна теорія збурень.

Тео́рія збу́рень — метод розв'язку математичних задач, що базується на відомому розв'язку й розглядає відхилення від цього розв'язку пропорційними певному малому параметру. Метод збурень є одним із основних методів знаходження розв'язків квантово-механічних рівнянь руху, зокрема рівняння Шредінгера. Розрізняють метод збурень для стаціонарного рівняння Шредінгера й метод збурень для часового рівняння Шредінгера в тому випадку, коли збурення залежить від часу. Стаціонарне рівняння Шредінгера — рівняння, яким визначається хвильова функція квантової системи в стані, який не змінюється з часом. , де -гамільтоніан, -хвильова функція, яку треба визначити, -це певне дійсне число, яке треба визначити — енергія стаціонарного стану. Стаціонарне рівняння Шредінгера є рівнянням Штурма-Ліувіля, із якого потрібно визначити хвильові функції можливих квантових станів і можливі значення енергії . Знайдені із стаціонарного рівняння Шредінгера хвильові функції зазвичай індексуються квантовими числами.Визначений спектр енергії може бути дискретним чи неперервним. Стаціонарне рівняння Шредінгера займає центральне місце в квантовій механіці. Воно розв'язується аналітично лише для невеликого числа систем, серед яких більшість модельних. Розвинуто багато методів наближеного розв'язання стаціонарного рівняння Шредінгера, серед яких квазікласичне наближення, теорія збурень, варіаційний метод а також чисельні методи.

28,.Метод квазікласичного наближення.

Квазікласичне наближення - метод розв'язування квантовомеханічних задач, що використовує малість сталої Планка, а тому застосовний для квантовомеханічних систем, поведінка яких близька до поведінки відповідних систем класичної фізики.

Квазікласичне наближення часто називають також наближенням ВКБ (Вентцеля-Крамерса-Брілюена).

У квантовій механіці визначальну роль відіграє стала Планка. При квантові ефекти зникають і фізичні системи описуються рівняннями класичної фізики. Стала Планка - мала величина, й у багатьох випадках поведінка квантовомеханічної системи близька до поведінки відповідної класичної системи. Квазістатичне наближення - це метод розкладу хвильової функції за степенями , який дозволяє значно спростити розв'язування квантовомеханічних задач, водночас зберігаючи їхню квантову природу.

Хвильову функцію можна задати у вигляді

,

де A - стала, а - певна функція, що задовільняє рівнянню

де m - маса квантовомеханічної частинки, U - потенціал, в якому вона рухається.

Це рівняння лише останнім членом відрізняється від класичного рівняння Гамільтона-Якобі. Якщо в ньому покласти , то рух частинки стане повністю класичним.

Метод квазістатичних наближень пропонує провести розклад S в ряд Тейлора:

 

Наближення часу релаксації

Рівняння Больцмана - складне інтегродиференціальне рівняння в часткових похідних. Окрім того, інтеграл зіткнень залежить від контретної системи, від типу взаємодії між частинками та інших факторів. Знаходження загальних характеристик нерівноважних процесів - непроста справа.

Однак, відомо, що в стані термодинамічної рівноваги інтеграл зіткнень дорівнює нулю. Справді, в стані рівноваги в однорідній системі при відсутності зовнішніх полів усі похідні в лівій частині рівняння Больцмана дорівнюють нулю, тож інтеграл зіткнень теж повинен дорівнювати нулю.

При малих відхиленнях від рівноваги функцію розподілу можна подати у вигляді

,

де - рівноважна функція розподілу, що залежить лише від швидкостей частинок і відома з термодинаміки, а - невелике відхилення.

В цьому випадку можна розкласти інтеграл зіткнень у ряд Тейлора відносно функції , і записати його у вигляді:

,

де τ - час релаксації. Таке наближення називається наближенням часу релаксації.

Час релаксації, який входить у рівняння Больцмана залежить від швидкості частинок, а отже енергії. Час релаксації можна розрахувати для конкретної системи із конкретним процесами розсіювання частинок.

Рівнянн Больцмана в наближенні часу релаксації записується у вигляді

.

 

Влатсивості атомних ядер

У ядрізосередженамайже вся маса атома (масаелектронів, щовходять в атом, зневажливо мала в порівнянні з масою ядра), вономаєпозитивний заряд, еквівалентнийсумарному заряду вхідних у ньогоелектронів. Заряд ядра будь-якогоелементадорівнюєйого порядковому номеру в періодичнійсистеміелементів. Маса нейтрона близька до маси протона.Електричний заряд у протона відсутніхД.Д.Іваненкосформулювавпротоно-нейтроннуконцепціюбудови атомного ядра, щопотімрозробивВ.Гейзенберг. Ядра, щоскладаються з протонів і нейтронів одержали назву нуклонов. Зіткенняелектрона і позитрона призводить до анігіляції - їхньогоперетворення в два фотони, виспускає у протилежнихнапрямках.

 

Ядерна взаємодія

ЯдернувзаємодіюможнаприблизноописатипотенціаломЮкави:

,

де U — потенціалвзаємодії, g — константа, щоописуєінтенсивністьвзаємодії, k — величина оберненарадіусуядерноївзаємодії. Цейпотенціаланалогічнийекранованомукулонівськомупотенціалу.

Ядернавзаємодіявідповідає за притяганнянуклонів у складі ядра.Вона протидієкулонівськомувідштовхуваннюзарядівпротонів. Оскількиядернавзаємодіязростаєіззбільшеннямзарядового числа ядра повільніше, ніжкулонівська, ядрам ізбільшим зарядом потрібнобільшенейтронів для забезпеченнястабільності. Однак, нейтрон нестабільначастинкащодослабкоївзаємодії, тому ядра атомівіз великиматомним номеромнестабільніщодорадіоактивногорозпадуабоподілу

 

Моделі атома

Виявилося, що атом складається не з позитивно зарядженої хмари, у котрому (подібноізюму в булці) знаходятьсяелектрони, як це припускав Д.Томсон, а з електрона і ядра розміромбіля 10-13 см., у якомузосередженамайже вся маса атома. Атом подібнийСонячнійсистемі: уцентріньогознаходитьсяважке ядро, навколоньогообертаютьсяелектрони. Проте, відповідно до електродинаміки Максвелла, такий атом не може бути стійким: рухаючись по круговим (абоеліптичним) орбітах, електронвідчуваєприскорення, а тому вінповиннийвипромінюватиелектромагнітніхвилі, щонесутьенергію. Втратаенергіїпризведеелектрон до падіння на ядро. Таким чином, подібний атом не може бути стійким, а тому в реальності не можеіснувати. Розробка такоїмоделі атома належитьН.Бору. Узявши за основу модель Резерфорда, вінвикористовував і ідеїквантовоїтеорії.

Структура атомного ядра

У ядрізосередженамайже вся маса атома (масаелектронів, щовходять в атом, зневажливо мала в порівнянні з масою ядра), вономаєпозитивний заряд, еквівалентнийсумарному заряду вхідних у ньогоелектронів. Заряд ядра будь-якогоелементадорівнюєйого порядковому номеру в періодичнійсистеміелементів. Маса нейтрона близька до маси протона.Електричний заряд у протона відсутніхД.Д.Іваненкосформулювавпротоно-нейтроннуконцепціюбудови атомного ядра, щопотімрозробивВ.Гейзенберг. Ядра, щоскладаються з протонів і нейтронів одержали назву нуклонов. Зіткенняелектрона і позитрона призводить до анігіляції - їхньогоперетворення в два фотони, виспускає у протилежнихнапрямках.

46, Ядерні реакції

Ядерні реакції – це штучне перетворення ядер одних хімічних елементів в ядра інших хімічних елементів під дією на ядра – мішені частинок-снарядів.

Ядерні реакції відбуваються з виконанням законів збереження сумарного масового числа і сумарного електричного заряду. При здійсненні ядерних реакцій виконуються також закон збереження енергії, імпульсу, моменту імпульсу. Ядерні реакції можуть бути ендотермічними і екзотермічними. Найменша енергія частинки-снаряду при якій можлива ендотермічна ядерна реакція, називається енергетичним порогом ядерної реакції.

Екзотермічні реакції не мають енергетичного порога і можуть відбуватись при будь-яких значеннях енергії частинок-снарядів. Ядерна реакція відбувається протягом дуже малого часу необхідного для пролітання нуклоном з швид., близькою до швид. світла, через ядро. Такі реакції наз. прямими ядерними реакціями. Серед ядерних реакцій, які відбуваються через складене ядро слід відмітити ядерні реакції відриву і ядерні реакції захоплення. При ядерних реакціях відриву частинки – снаряди віддають ядру – мішені або один протон, або один нейтрон згідно з схемою:

При ядерних реакціях захоплення ядро – мішень поглинувши один протон, або один нейтрон випромінює дейтрон:

 

 

48, Структура елементарних частинок

За величиною спіну всі елементарні частинки поділяють на два класи: ферміони — частинки з напівцілим спіном (електрон, протон, нейтрон); бозони — частинки з цілим спином (фотон). За видами взаємодій елементарні частинки поділяють на такі групи: адрони — частинки, що беруть участь у всіх видах фундаментальних взаємодій. Вони складаються з кварків і поділяються, у свою чергу, на: мезони,баріони. До них, зокрема, відносяться частинки, що становлять ядро атома, —протон і нейтрон.лептони — ферміони, які мають вид точкових частинок. Не беруть участь в сильних взаємодіях. Участь в електромагнітних взаємодіях експериментально спостерігалася тільки для заряджених лептонів і не спостерігалася для нейтрино. Відомі 6 типів лептонів. кварки — дробовозаряджені частинки, що входять до складу адронів. У вільному стані не спостерігалися. Як і лептони, діляться на 6 типів і є безструктурними, проте, на відміну від лептонів, беруть участь у сильній взаємодії. калібрувальні бозони — частинки, за допомогою обміну якими здійснюються взаємодії:фотон — частинка, що переносить електромагнітну взаємодію;вісім глюонів — частинок, що переносять сильну взаємодію; три проміжні векторні бозони W ⁺, W ^- і Z ⁰, що переносять слабку взаємодію; гравітон — частинка, що переносить гравітаційну взаємодію. Існування гравітонів, хоча поки не доведено експериментально, у зв'язку зі слабкістю гравітаційної взаємодії, вважається цілком імовірним. Адрони і лептони утворюють речовину. Калібрувальні бозони — це кванти різних видів випромінювання.

 

49, Взаємодія частинок у ФЕЧ принципово відрізняється від взаємодії об'єктів в інших областях фізики. Наприклад, вмеханіці ми вивчаємо рух тіл, які, в принципі, можуть один з одним взаємодіяти. Проте як саме, за рахунок чого така взаємодія відбувається — механіка не вивчає. В протилежність цьому, ФЕЧ приділяє однакову увагу, як самим частинкам, так і процесу взаємодії між ними. Зв'язано це з тим, що у ФЕЧ вдається описати електромагнітну, сильну і слабку взаємодію як обмінвіртуальними частинками. Важливим постулатом в такому описі з'явилася вимога симетрії нашого світу щодо калібрувальних перетворень.Рівноправність частинок і їх взаємодій красивим чином виявляється в теоріях суперсиметрій, в яких постулується існування в нашому світі ще однієї прихованої симетрії: суперсиметрії. Можна сказати, що при перетворенні суперсиметрії частинки перетворюються на взаємодії, а взаємодії — в частинки. Вже звідси видна виняткова фундаментальність ФЕЧ — в ній робиться спроба зрозуміти багато властивостей нашого світу, які до цього (в інших розділах фізики) приймалися лише як даність.

 

50, Сучасні концепції фізики елементарних частинок

У трактуванні взаємодії історично змінювали один одного різні концепції. Першою виникла концепція дальнодействия, суть якої полягає в уявленні, що взаємодія між тілами може здійснюватися безпосередньо через порожній простір, який бере участь в передачі взаємодії. Після відкриття електромагнітного поля виникла концепція близкодействия. Було встановлено, що взаємодія електрично заряджених часток здійснюється не миттєво, а з деякою кінцевою швидкістю, рівній швидкості світла. Електромагнітне поле виступає посередником, що здійснює передачу взаємодії між електрично зарядженими частками.

Виявилося. що класифікацію елементарних часток найзручніше здійснювати по типах їх взаємодій.

Перший тип -Усі відомі частки прийнято розділяти на дві групи, в одну з яких входять частки із спіном 1/2 (з них складається речовина Всесвіту), а в іншу - частки із спіном 0, 1 і 2. Перші підкоряються принципу заборони Паули (що свідчить, що дві однакові частки не можуть існувати в одному і тому ж стані). Виявилось, що кожній частці відповідає античастинки, які при зіткненні анігілюють (знищуються).

Третій тип - слабка взаємодія, що відповідає за радіоактивність і існуюче між усіма частками речовини із спіном 1/2, - в нім не беруть участь частки із спіном 0, 1, 2 (фотони і гравітони). Теорія передбачала, що частки, абсолютно різні при низьких енергіях, при високих енергіях виявляються однією і тією ж часткою, але що знаходиться в різних станах.

Четвертий тип - сильна ядерна взаємодія, що утримує кварки усередині протона і нейтрона, а протони і нейтрони - усередині атомного ядра.