ЛК_ОПТИКА. Курс лекций минск 2007 министерство по чрезвычайным ситуациям республики беларусь
 Скачать 1.3 Mb.
|
|
12. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ. ВИДЫ ВЗАИМОДЕЙСВИЙ Элементарными частицами называют мельчайшие известные в настоящее время элементы материи. Экспериментально обнаружено несколько сотен эле- ментарных частиц. Подавляющее большинство элементарных частиц неста- бильно, т.е. они спонтанно превращаются в другие элементарные частицы. Ста- бильными частицами являются только фотон, электрон, протон, все виды ней- трино и их античастицы. Понятие античастицы появилось в физике элементарных частиц после то- го как Дирак, анализируя предложенное им же для описания электрона кванто- вомеханическое релятивистское уравнение, обнаружил, что это уравнение име- ет решения, описывающие не только состояния электрона, но и состояния дру- гой частицы, имеющей ту же массу покоя и спин, но положительный заряд +е 0 Такая частица должна вести себя как положительно заряженный электрон и была названа античастицей по отношению к электрону. Позднее она была об- наружена в космических лучах и теперь называется позитроном. Современная физика элементарных частиц считает, что все элементарные частицы имеют свои античастицы. Частица и античастица обязательно имеют одинаковую массу покоя и спин, но для них отличаются некоторые другие ха- рактеристики (квантовые числа). В частности, однако, частица и античастица могут быть неотличимы друг от друга (например, антифотон неотличим от фо- тона, поэтому вводить понятие антифотона не имеет смысла). При столкнове- нии частицы и античастицы происходит их аннигиляция, т.е. превращение в другие элементарные частицы. Например, при столкновении электрона с пози- троном эти частицы исчезают, а вместо них образуется несколько γ-квантов. Все многообразие явлений окружающего нас мира обусловлено взаимо- действием элементарных частиц. В настоящее время известны четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Интенсивность взаимодействия принято характери- зовать так называемой константой взаимодействия. Константа взаимодействия – это безразмерная величина, определяющая вероятность процессов, обуслов- ленных данным видом взаимодействия. Константа сильного взаимодействия имеет значение порядка 10. Сильное взаимодействие обеспечивает, в частности, связь нуклонов в ядре. Радиус действия сильного взаимодействия порядка 10 –15 м. Константа электромагнитного взаимодействия равна 1/137 ≈ 10 –2 . Ради- ус действия для электромагнитного взаимодействия равен бесконечности. Кон- станта слабого взаимодействия по порядку величины равна 10 –14 , а радиус дей- ствия порядка 10 –18 м. Благодаря слабому взаимодействию происходят все виды β-распада, взаимодействие нейтрино с веществом. Слабое взаимодействие от- ветственно за многие распады элементарных частиц. Гравитационное взаимо- действие является самым слабым, константа взаимодействия для него имеет значение порядка 10 –39 . Радиус действия этого взаимодействия неограничен. 128 Вследствие слабости гравитационного взаимодействия им пренебрегают при описании процессов взаимодействия элементарных частиц. Когда элементарных частиц было обнаружено довольно много, их стали классифицировать по типу взаимодействий, в которых они участвуют. Класс фотонов образует единственная частица, которая участвует лишь в электромаг- нитном взаимодействии – это фотон. Частицы, участвующие в слабых и элек- тромагнитных взаимодействиях, образуют класс лептонов. Всего известно 12 лептонов (электрон е – , мюон µ – , тау-лептон τ – , электронное, мюонное и тау- нейтрино, а также соответствующие им античастицы). Класс адронов образуют частицы, участвующие в сильном, слабом и – при наличии электрического за- ряда – в электромагнитном взаимодействии. Адроны с нулевым спином назы- вают мезонами ( π 0 , π + -мезоны, Κ 0 и Κ + -мезоны и η 0 -мезон и соответствующие им античастицы). Более массивные, чем мезоны, адроны называют барионами. Все они имеют спин s = 1/2. К барионам относят, в частности, протон, нейтрон и более массивные частицы – гипероны. Слишком большое количество адронов вызывало сомнение в их элемен- тарности. В 1964 г. Гелл-Манн и Цвейг выдвинули теорию, согласно которой все адроны являются составными частицами, образованными кварками и ан- тикварками. Кварки и антикварки имеют дробные электрические заряды ± ± 0 0 3 1 и 3 2 e e и спин s = 1/2. В настоящее время можно считать твердо уста- новленным, что все адроды состоят из шести видов (ароматов) кварков: u, d, c, s, b, t кварков и соответствующих им антикварков. Мезон состоит из кварка и антикварка, протон имеет кварковую структуру (uud), нейтрон (udd) и т.д. По современным представлениям, истинно элементарными частицами вещества являются лептоны и кварки. Их объединяют в три семейства (поко- ления) фундаментальных частиц, каждое из которых содержит электрически заряженный лептон, соответствующее этому лептону нейтрино и два кварка (см. табл. 12.1, где массы частиц даны в долях массы покоя протона, а электри- ческие заряды – в единицах элементарного заряда). Из этих частиц (и соответствующих им античастиц) состоит все известное на сегодняшний день вещество. Взаимодействие между фундаментальными частицами осуществляется посредством обмена виртуальными частицами – квантами соответствующих полей, ответственных за взаимодействия. Электро- магнитное взаимодействие осуществляется обменом фотонами, слабое взаимо- действие – обменом так называемыми слабыми калибровочными бозонами. Сильное взаимодействие между кварками осуществляется посредством обмена глюонами, совокупность которых образует своеобразный клей, сцепляющий кварки и антикварки в адронах. Предположительно гравитационное взаимодей- ствие также обусловлено обменом квантами гравитационного поля – гравито- нами. Со времен Максвелла, объединившего казавшиеся разными электриче- ское и магнитное взаимодействия в рамках теории электромагнетизма, физиков прельщает идея поиска теории, единым образом описывающей все взаимодей- ствия, существующие в природе. К настоящему времени уже создана теория 129 электрослабых взаимодействий Вайнберга-Салама, объединившая электромаг- нитное и слабое взаимодействия. Разработаны некоторые варианты Теории Ве- ликого Объединения, объединяющей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Одним из знаменитых предсказаний таких теорий является предсказание распада протона. Этот распад пока безуспешно пытаются обна- ружить в экспериментах. На роль теории, способной в будущем объединить все четыре взаимодействия в рамках единого подхода, претендует теория супер- струн, однако обсуждение этих вопросов выходит очень далеко за рамки данно- го пособия. Таблица 12.1 Частица Масса покоя, m p Электрический заряд, е 0 Семейство 1 Электрон 0,00054 –1 Электронное нейтрино < 10 –8 0 u-кварк 0,0047 +2/3 d-кварк 0,0074 –1/2 Семейство 2 Мюон 0,11 –1 Мюонное нейтрино < 0,0003 0 с-кварк 1,6 +2/3 s-кварк 0,16 –1/3 Семейство 3 Тау-лептон 1,9 –1 Тау-нейтрино < 0,033 0 t-кварк 189,0 +2/3 b-кварк 5,2 –1/3 130 13. СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВА ВО ВСЕЛЕННОЙ Современное естествознание описывает иерархическую структуру мате- рии следующим образом. Из кварков и антикварков состоят протоны и нейтро- ны, образующие ядра атомов. Атом состоит из ядра и электронного облака. Со- вокупности атомов образуют молекулы или кристаллы, из которых состоят ок- ружающие нас твердые, жидкие и газообразные тела. Двигаясь вверх по шкале масштабов, мы приходим к планетным системам, звездным скоплениям и, на- конец, к галактикам, которые, в свою очередь, объединяются в скопления га- лактик. Как уже указывалось, гравитационное взаимодействие между элементар- ными частицами пренебрежимо мало. Например, сила кулоновского взаимо- действия между ядром и электроном в атоме водорода в 10 39 раз превосходит силу их гравитационного взаимодействия. Однако, благодаря тому, что сила гравитации всегда является силой притяжения, именно гравитационное взаимо- действие определяет поведение больших скоплений вещества. Гравитационные эффекты описываются в рамках общей теории относительности, созданной Эйнштейном в 1915 г. В теории Эйнштейна гравитация есть следствие искрив- ления пространства-времени. Пространство вблизи гравитирующих масс стано- вится неевклидовым, оно искривляется, что обуславливает искривление траек- тории частицы, движущейся возле гравитирующей массы. Вблизи этой массы происходит также замедление течения времени. Применение уравнений общей теории относительности Эйнштейна ко Вселенной в целом дала возможность А.Фридману получить принципиально новые выводы о ее структуре. Астрономические наблюдения показывают, что в больших масштабах Вселенная является однородной и изотропной. Фридман показал, что если средняя плотность вещества во Вселенной меньше или равна критической плотности ρ кр ≈ 10 –29 г/см 3 , то Вселенная может быть пространст- венно как бесконечной, так и конечной, но всегда будет продолжаться ее рас- ширение (наподобие расширения надуваемого шара, на поверхности которого мы живем). Если же значение плотности вещества ρ > ρ кр , вселенная является замкнутой. Если она расширяется, гравитация рано или поздно остановит ее расширение, и она начнет сжиматься. Исследования спектров далеких галактик показали, что в настоящее время наблюдается разбегание галактик, и это явля- ется экспериментальным подтверждением модели расширяющейся Вселенной. Обратим мысленно развитие Вселенной вспять во времени, чтобы иссле- довать ее происхождение. При таком обращении сокращающаяся Вселенная сжимает материю, температура Вселенной все больше возрастает, разрушаются атомы и нуклоны, и все вещество Вселенной, сжатое до чудовищной плотности и температуры, оказывается сосредоточенным в ничтожно малом объеме. Счи- тается, что Вселенная родилась в результате Большого взрыва, произошедшего примерно 15 миллиардов лет назад. Теория Большого взрыва объясняет, в част- ности, разную распространенность химических элементов во Вселенной, а так- же существование заполняющего Вселенную так называемого реликтового 131 электромагнитного излучения с температурой около 3,5 К, экспериментально обнаруженного в 1965 г. Пензиасом и Вильсоном. Что ожидает Вселенную в будущем? Это зависит от средней плотности вещества. Если учесть только массу галактик, а затем усреднить ее по объему Вселенной, получается значение средней плотности ρ ≈ 3 ⋅ 10 –31 г/см 3 , что суще- ственно меньше значения ρ кр . Однако в астрофизике существует так называе- мая проблема скрытой массы (темной материи) – трудно наблюдаемых форм вещества в космосе. Эта масса может находиться как в галактиках, так и в про- странстве между ними. Возможно, существование скрытой массы обусловлено наличием у нейтрино ненулевой массы покоя. По оценке Любимова, сделанной им на основании экспериментальных данных, масса покоя нейтрино примерно равна 5 ⋅ 10 –32 грамма. Нейтрино очень много во Вселенной, их несколько сотен в одном кубическом сантиметре пространства. Если результат Любимова верен, плотность нейтрино примерно совпадает с критической плотностью! В этом случае средняя плотность вещества Вселенной заведомо больше критической и расширение обязательно должно смениться сжатием, которое приведет к кол- лапсу Вселенной. В заключении укажем, что две величайших теории – квантовая теория и общая теория относительности – противоречат друг другу. Разработка единой теории всех взаимодействий (возможно таковой окажется теория струн) навер- няка приведет к пересмотру наших представлений о рождении и эволюции Все- ленной. 132 ЛИТЕРАТУРА 1. Савельев И.В. Курс общей физики. – Т. 2, 3. – М.: Наука, 1982. 2. Трофимова Т.И. Курс физики. –М.: Высшая школа, 1999. 3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1999. 4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. – М.: Наука, 1980. 5. Бутиков Е.И. Оптика. М.: Высшая школа, 1986. 6. Акоста В., Кован К., Грэм Б. Основы современной физики. М.: Просвещение, 1981. 7. Матвеев А.Н. Оптика. – М.: Высшая школа, 1985. 8. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. – М.: Наука, 1980. 133 СОДЕРЖАНИЕ Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Волновая оптика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1. Геометрическая оптика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2. Фотометрия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 3. Интерференция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.1. Интерференция монохроматических волн. . . . . . . . . . . . 17 3.2. Когерентность и интерференция квазимонохро- матических волн. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.3. Наблюдение и применение интерференции. . . . . . . . . . . 25 3.3.1. Классические интерференционные схемы. . . . . . . . . . . 25 3.3.2. Интерференция в тонких пленках . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.3.3. Интерферометр Майкельсона . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4. Дифракция света. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.1. Явление дифракции света. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.2. Зоны Френеля. Дифракция Френеля на простейших препятствиях. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.3.Дифракция Фраунгофера. Дифракционная решетка. . . . . . . 40 4.4. Дифракция рентгеновских лучей. . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.5. Принцип голографии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом. . . . . . 50 5.1. Поглощение света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 5.2. Рассеяние света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.3. Дисперсия света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 6. Поляризация света. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 6.1. Естественный и поляризованный свет. . . . . . . . . . . . . . 59 6.2. Поляризация при отражении света. . . . . . . . . . . . . . . . 61 6.3. Двойное лучепреломление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 6.4. Искусственная оптическая анизотропия . . . . . . . . . . . . 65 6.5. Вращение плоскости поляризации. . . . . . . . . . . . . . . . 67 Основы квантовой физики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 7. Тепловое излучение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 7.1. Законы теплового излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 7.2. Формула Планка. Фотоны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 7.3. Оптическая пирометрия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 8. Корпускулярные свойства света . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 8.1. Давление света. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 8.2. Фотоэффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 8.3. Эффект Комптона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 8.4. Корпускулярно-волновой дуализм. . . . . . . . . . . . . . . . 83 9. Элементы квантовой механики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 9.1. Атомные спектры. Атом водорода по Бору . . . . . . . . . . . 85 9.2. Гипотеза де Бройля. Соотношения неопределенностей . . . . 89 9.3. Волновая функция и ее статистический смысл . . . . . . . . . 92 134 9.5.2. Туннельный эффект. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 9.5.3. Частица в бесконечно глубокой потенциальной яме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 9.5.4. Гармонический осциллятор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 10. Элементы атомной и молекулярной физики. . . . . . . . . . . 102 10.1. Атом водорода в квантовой механике . . . . . . . . . . . . . 102 10.2. Спин и системы тождественных частиц . . . . . . . . . . . . 106 10.3. Молекулярные спектры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 10.4. Люминесценция. Спектральный и люминесцентный анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 10.5. Спонтанное и вынужденное излучение света. Лазеры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Современная физическая картина мира . . . . . . . . . . . . . 120 11. Физика атомного ядра . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 11.1. Характеристики ядер. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 11.2. Ядерные силы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 11.3. Дефект массы и энергия связи ядер. . . . . . . . . . . . . . 122 11.4. Ядерные реакции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 11.5. Радиоактивность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 12. Элементарные частицы. Виды взаимодействий . . . . . . . . 127 13. Структурная организация вещества во Вселенной . . . . . . 130 Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 9.4. Уравнение Шредингера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 9.5. Простейшие задачи квантовой физики . . . . . . . . . . . . . 94 9.5.1. Свободная частица в квантовой механике. . . . . . . . . . . 94 Учебное издание ФИЗИКА ОПТИКА. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА Курс лекций Составители: Ильюшонок Александр Васильевич Терешенков Владимир Иванович Ответственный за выпуск А.В.Сорокин Редактор Е.В.Кореневская Компьютерный набор А.В.Ильюшонок, В.И. Тереленков Компьютерная верстка Е.А.Цвилик Подписано в печать . Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Отпечатано на ризографе. Усл.печ.л. 7,9 . Уч.-изд.л. 8,0 .Тираж экз. Заказ № . Государственное учреждение образования «Командно-инженерный институт» МЧС Республики Беларусь. ЛИ № 02330/0133406 от 14.12.2004 г. 220118 г. Минск, ул. Машиностроителей, 25. Тел./факс: (017)2403557 Отпечатано с оригинал-макета заказчика в типографии УП ”ЦНИИТУ”. ЛП № 02330/0056675 от 29.03. 2004 г. 220033, Минск, пр. Партизанский, 2, корп. 4 |