Направление распространения света. Отражение и преломление.

Направление распространения света. Отражение и преломление.

Обычно электромагнитные волны (свет), не выбирают направление для своего распространения. Они распространяются одинаковым образом, как справа налево, так и слева направо.

В оптически однородной среде (в частности, в вакууме) лучи света распространяются прямолинейно.
Прямолинейностью распространения света объясняется образование тени, т.е. области, куда не поступает световая энергия. При малых размерах источника (светящаяся точка) получается резко очерченная тень. При больших размерах источника создаются нерезкие тени.

Закон независимости световых пучков: Энергия в каждом пучке распространяется независимо от других пучков; освещенность поверхности, на которую падает несколько пучков, равна сумме освещенностей, создаваемых каждым пучком в отдельности.

Закон отражения: Отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; угол i*1 отражения равен углу i1 падения: i*1=i1

Закон преломления: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред: sini1/sini2=n21, где n21-относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Индексы в обозначении углов указывают, в какой среде (первой или второй) идет луч. Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления: n21=n2/n1. Абсолютный показатель преломления – величина n, равная отношению скорости с электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости v в среде. N=c/v. Так же закон преломления можно записать в виде n1sini1=n2sini2.

Построение изображения в тонкой линзе.

 

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Если толщина самой линзы мала по сравнению с радиусами кривизны сферических поверхностей, то линзу называют тонкой. Прямая, проходящая через центры кривизны O₁ и O₂ сферических поверхностей, называется главной оптической осью линзы. В случае тонких линз приближенно можно считать, что главная оптическая ось пересекается с линзой в одной точке, которую принято называть оптическим центром линзы O. Луч света проходит через оптический центр линзы, не отклоняясь от первоначального направления. Все прямые, проходящие через оптический центр, называются побочными оптическими осями.

Если на линзу направить пучок лучей, параллельных главной оптической оси, то после прохождения через линзу лучи (или их продолжения) соберутся в одной точке F, которая называется главным фокусом линзы. У тонкой линзы имеются два главных фокуса, расположенных симметрично на главной оптической оси относительно линзы. У собирающих линз фокусы действительные, у рассеивающих – мнимые. Пучки лучей, параллельных одной из побочных оптических осей, после прохождения через линзу также фокусируются в точку F', которая расположена при пересечении побочной оси с фокальной плоскостью Ф, то есть плоскостью, перпендикулярной главной оптической оси и проходящей через главный фокус (рис. 3.3.2). Расстояние между оптическим центром линзы O и главным фокусом F называется фокусным расстоянием. Оно обозначаетcя той же буквой F.

Преломление параллельного пучка лучей в собирающей (a) и рассеивающей (b) линзах. Точки O₁ и O₂ – центры сферических поверхностей, O₁O₂ – главная оптическая ось, O – оптический центр, F – главный фокус, F' – побочный фокус, OF' – побочная оптическая ось, Ф – фокальная плоскость

 

Оптическая разность хода

Оптическая разность хода - это разность оптических длин путей световых волн, имеющих общие начальную и конечную точки. В кристаллооптике разность хода обозначается R. По определению

R = n₁s₁ − n₂s₂

В кристаллических анизотропных средах разность хода возникает из-за разных скоростей двух лучей в направлении, отличном от оптической оси.

Рассмотрим разность хода лучей, возникающую при прохождении света через зерно в шлифе.

На кристалл попадает пучок параллельных волн, перпендикулярных спилу. Поэтому угол падения равен нулю и отклонений по направлению не происходит. Поэтому выражение для R преобразуется в (d - толщина шлифа):

R = (n₁ − n₂)d = (n_g' − n_p')d

Так как для исследований важна максимальная интерференционная окраска, возникающая при максимальной разности хода, то это выражение переписывается в виде

R = (n_g − n_p)d = Δ d

 

Оптическая разность хода для проходящих через пленку лучей отличается от оптической разности хода для отраженных от пленки лучей на λ ₀/2 и, следовательно, максимумам отражения соответствуют минимумы прохождения света. И наоборот.

Явление фотоэффекта

Фотоэффе́ кт — это испускание электронов вещества под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы фотоэффекта:

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени на данной частоте, прямо пропорционально световому потоку, освещающему металл.

Согласно 2-ому закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν ₀ (или максимальная длина волны λ ₀), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν < ν ₀, то фотоэффект уже не происходит.

Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 году Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hν каждый, где h — постоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл: hν = A_out + W_e, где W_e — максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла.

Атом водорода

Атом водорода является атомом химического элемента водорода. Он состоит из положительно заряженного протона, который является ядром водородного атома, и единственного отрицательно заряженного электрона. Часто в квантовой механике рассматривается электрон в электростатическом поле атомного ядра.

 

Квантовые числа

Квантовые числа – целые или дробные числа, определяющие возможные значения физических величин, характеризующих квантовую систему (молекулу, атом, атомное ядро, элементарную частицу). Квантовые числа отражают дискретность (квантованность) физических величин, характеризующих микросистему. Набор квантовых чисел, исчерпывающе описывающих микросистему, называют полным. Так состояние электрона в атоме водорода определяется четырьмя квантовыми числами: главным квантовым числом n (может принимать значения 1, 2, 3, …), определяющим энергию Е_n электрона (Е_n = -13.6/n² эВ); орбитальным квантовым числом l = 0, 1, 2, …, n – 1, определяющим величину L орбитального момента количества движения электрона (L = [l(l + 1)]^1/2); магнитным квантовым числом m < ± l, определяющим направление вектора орбитального момента; и квантовым числом m_s = ± 1/2, определяющим направление вектора спина электрона.

Основные квантовые числа

n	Главное квантовое число: n = 1, 2, … .
j	Квантовое число полного углового момента. j никогда не бывает отрицательным и может быть целым (включая ноль) или полуцелым в зависимости от свойств рассматриваемой системы. Величина полного углового момента J связана с j соотношением J2 = 2j(j + 1). = + , где и векторы орбитального и спинового угловых моментов.
l	Квантовое число орбитального углового момента l может принимать только целые значения: l = 0, 1, 2, … . Величина орбитального углового L момента связана с l соотношением L2 = 2l(l + 1).
m	Магнитное квантовое число. Проекция полного, орбитального или спинового углового момента на выделенную ось (обычно ось z) равна m . Для полного момента mj = j, j-1, j-2, …, - (j-1), - j. Для орбитального момента ml = l, l-1, l-2, …, -(l-1), -l. Для спинового момента электрона, протона, нейтрона, кварка ms = ±1/2
s	Квантовое число спинового углового момента s может быть либо целым, либо полуцелым. s - неизменная характеристика частицы, определяемая ее свойствами. Величина спинового момента S связана с s соотношением S2 = 2s(s + 1).
P	Пространственная четность. Она равна либо +1, либо -1 и характеризует поведение системы при зеркальном отражении. P = (-1)l.

 

 

Уравнение стоячей волны.

Стоячая волна представляет периодическое во времени колебание с характерным пространственным распределением амплитуды — чередованием узлов (нулей) и пучностей (максимумов). В линейных системах стоячая волна может быть представлена как сумма двух бегущих волн равной амплитуды, распространяющихся навстречу друг другу.

Если две волны, приходящие в какую-либо точку пространства, обладают постоянной разностью фаз, такие волны называются когерентными. При сложении когерентных волн возникает явление интерференции.

Очень важный случай интерференции наблюдается при наложении двух встречных плоских волн с одинаковой амплитудой. Возникающий в результате колебательный процесс называется стоячей волной. Практически стоячие волны возникают при отражении от преград.

Напишем уравнения двух плоских волн, распространяющихся в противоположных направлениях (начальная фаза ):

Учитывая, что , получим уравнение стоячей волны:

По величине спина

Все элементарные частицы делятся на два класса:

• Бозоны — частицы с целым спином.
• фермионы — частицы с полуцелым спином

По видам взаимодействий

Элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы

адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

· мезоны — адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами;

· барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.

Волновая функция.

Волнова́ я фу́ нкция, или пси-функция — комплекснозначная функция, используемая в квантовой механике для описания чистого состояния системы. Является коэффициентом разложения вектора состояния по базису (обычно координатному):

где — координатный базисный вектор, а — волновая функция в координатном представлении.

Физический смысл волновой функции заключается в том, что согласно копенгагенской интерпретации квантовой механики плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени считается равной квадрату абсолютного значения волновой функции этого состояния в координатном представлении.

В отсутствие рассеяния

Для вычисления давления света при нормальном падении излучения и отсутствии рассеяния можно воспользоваться следующей формулой:

где — количество лучистой энергии, падающей нормально на 1 м² поверхности за 1 с, т. е. интенсивность падающего излучения; — скорость света, — коэффициент пропускания, — коэффициент отражения.

Давление солнечного света на перпендикулярную свету зеркальную поверхность, находящуюся в космосе в районе Земли, легко рассчитать через плотность потока солнечной (электромагнитной) энергии на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца (солнечная постоянная). Оно составляет 4, 6 мкН/м² = 4, 6× 10^{− 11[источник не указан 317 дней]} атм (см.солнечная постоянная).

Если свет падает под углом к нормали, то давление можно выразить формулой:

где — объёмная плотность энергии излучения, — коэффициент пропускания, — коэффициент отражения, — единичный вектор в направлении падающего пучка, — единичный вектор в направлении отражённого пучка.

Например, тангенциальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна:

Нормальная составляющая силы давления света на единичную площадку будет равна:

Отношение нормальной и тангенциальной составляющих равно:

При рассеянии

Если рассеяние света поверхностью и при пропускании, и при отражении подчиняется закону Ламберта, то при нормальном падении давление будет равно:

где — интенсивность падающего излучения, — коэффициент диффузного пропускания, — альбедо.

 

22) Соотношение квантовой и классической физики

Класси́ ческая фи́ зика — физика до появления квантовой теории и теории относительности. Основы классической физики были заложены в Эпоху Возрождения рядом учёных, из которых особенно выделяют Ньютона — создателя классической механики.

Классическая физика основана на следующих принципах:

§ причины однозначно определяют следствия (детерминизм);

§ пространство и время являются абсолютными — это означает, что они никак не зависят от материи, заполняющей пространство и от её движения, при этом результаты измерения пространственных и временны́ х отрезков не зависят от выбранной системы отсчёта, в частности, от скорости движения измеряемого объекта относительно наблюдателя;

§ изменения любых величин, характеризующих физическую систему, являются непрерывными — это значит, что при переходе от одного фиксированного состояния к другому физическая система проходит через бесконечное множество переходных состояний, в которых все физические параметры системы принимают промежуточные значения между значениями в начальном и конечном состояниях.

Фундаментальными теориями классической физики являются Классическая механика, Термодинамика и статистическая физика, Классическая электродинамика.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк предлагает Квантовую теорию излучения, согласно которой свет излучается не непрерывно (как это предполагается классической теорией), а дискретно — порциями, которые Планк назвал квантами. Несмотря на парадоксальность этой теории (в которой излучение света рассматривался, как волновой процесс, и, в то же время, как поток частиц — квантов), она хорошо описывала форму спектра теплового излучения твёрдых и жидких тел.
В 1905 г. Альберт Эйнштейн, исходя из предположения квантовой природы света, даёт математическое описание явления фотоэффекта, при этом становится объяснимой природа красной границы фотоэффекта. (Именно за эту работу, а не за Теорию относительности, Эйнштейну в 1921 г. присуждается Нобелевская премия.)
В 1926 г. Нильс Бор предлагает Квантовую теорию атома, согласно которой электроны, составляющие электронную оболочку атома, могут находиться только в счётном множествесостояний (орбит) с фиксированными параметрами, а переходы с орбиты на орбиту происходят при поглощении или излучении квантов света не непрерывно, а скачкообразно, без промежуточных состояний (См.Постулаты Бора). Таким образом, квантовый принцип, помимо света, распространялся и на движение электрона. Эта теория хорошо объясняла линейчатый спектр излучения и поглощения электромагнитных волн газами, а кроме того, позволяла понять физическую природу химического соединения, свойств химических элементов, иПериодического закона Менделеева.
В дальнейшем квантовая механика становится главным инструментом теоретической физики при описании процессов микромира. В процессе развития квантовой механики произошёл отказ от жёсткого детерминизма классической физики, и принят принцип неопределённости Гейзенберга

23) Просветляющая оптика

Просветле́ ние о́ птики — это нанесение на поверхность линз, граничащих с воздухом, тончайшей плёнки или нескольких плёнок одна поверх другой. Это необходимо для увеличения светопропускания оптической системы. Показатель преломления таких плёнок меньше показателя преломления стёкол линз.

Просветляющие плёнки уменьшают светорассеяние и отражение падающего света от поверхности оптического элемента, соответственно улучшая светопропускание системы и контраст оптического изображения. Просветлённый объектив требует бережного обращения, так как плёнки, нанесенные на поверхность линз, легко повредить.

Однослойное просветление. Толщина просветляющего слоя (например, кремниевой кислоты) равняется 1/4 длины световой волны. В этом случае лучи, отражённые от её наружной и внутренней сторон, погасятся вследствие интерференции и их интенсивность станет равной нулю. Для наилучшего эффекта показатель преломления просветляющей плёнки должен равняться квадратному корню показателя преломления оптического стекла линзы. Наиболее подходящим материалом для просветляющей пленки является фторид бария, обладающий весьма низким (n=1, 38) показателем преломления. Однако, фторид бария растворим в воде и требует нанесения защитного покрытия.

Отражательная способность стекла, просветленного таким способом, сильно зависит от длины волны, что является основным недостатком однослойного просветления. Минимум отражательной способности соответствует длине волны λ =4d·n, где d — толщина пленки, n — ее показатель преломления, В настоящее время однослойное просветление часто используется для лазерной оптики.

Многослойное просветляющее покрытие представляет собой последовательность чередующихся слоев (их число достигает 15 и более) из двух (или более) материалов с различными показателями преломления. Многослойные просветляющие покрытия характеризуются низкими потерями на отражение (узкополосные покрытия для лазерной оптики с отражательной способностью около 0, 2 % и менее, широкополосные — до 0, 5 %). Основное преимущество многослойного просветления применительно к фотографической и наблюдательной оптике — незначительная зависимость отражательной способности от длины волны в пределах видимого спектра, что существенно уменьшает искажения цвета. Отражения от поверхности линз с многослойным просветлением в зависимости от качества имеют различные оттенки зеленого и фиолетового цвета, вплоть до очень слабых серо-зеленоватых у объективов последних годов выпуска.

24) Корпускулярно-волновая природа частиц

Корпускуля́ рно-волново́ й дуали́ зм — принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире. Французский ученый Луи де Бройль (1892—1987), осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 году гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду скорпускулярными обладают также волновыми свойствами. Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики — энергия E и импульс p, а с другой стороны — волновые характеристики —частота и длина волны.

Де Бройль выдвинул идею о том, что волновой характер распространения, установленный для фотонов, имеет универсальный характер. Он должен проявляться для любых частиц, обладающих импульсом p. Все частицы, имеющие конечный импульс p, обладают волновыми свойствами, в частности, подвержены интерференции и дифракции.

Формула де Бройля устанавливает зависимость длины волны λ, связанной с движущейся частицей вещества, от импульса p частицы:

где m — масса частицы, v — ее скорость, h — постоянная Планка. Волны, о которых идет речь, называются волнами де Бройля.

Связь между энергией частицы E и частотой ν волны де Бройля

Волны де Бройля имеют специфическую природу, не имеющую аналогии среди волн, изучаемых в классической физике: квадрат модуля амплитуды волны де Бройля в данной точке является мерой вероятности того, что частица обнаруживается в этой точке. Дифракционные картины, которые наблюдаются в опытах, являются проявлением статистическойзакономерности, согласно которой частицы попадают в определенные места в приёмниках — туда, где интенсивность волны де Бройля оказывается наибольшей. Частицы не обнаруживаются в тех местах, где, согласно статистической интерпретации, квадрат модуля амплитуды «волны вероятности» обращается в нуль.

Энергия связи

Так как между массой и энергией существует связь Е = mc2, то при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер должна выделяться энергия, существующая из-за дефекта масс, и эта энергия на-зывается энергией связи атомного ядра. Есв = Мс2

Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. В настоящее время физики научились измерять массы частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого ядра Mя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов: Mя < Zmp + Nmn.

 

Разность массΔ M = Zmp + Nmn – Mя.

 

называется дефектом массы. По дефекту массы можно определить с помощью формулы Эйнштейна E = mc2 энергию, выделившуюся при образовании данного ядра, то есть энергию связи ядра Eсв: Eсв = Δ Mc2 = (Zmp + Nmn – Mя)c2.

Эта энергия выделяется при образовании ядра в виде излучения γ -квантов. Рассчитаем в качестве примера энергию связи ядра гелия, в состав которого входят два протона и два нейтрона. Масса ядра гелия Mя = 4, 00260 а. е. м. Сумма масс двух протонов и двух нейтронов составляет 2mp + 2mn = 4, 03298 а. е. м. Следовательно, дефект массы ядра гелия равен Δ M = 0, 03038 а. е. м. Расчет по формуле Eсв = Δ Mc2 приводит к следующему значению энергии связи ядра: Eсв = 28, 3 МэВ. Это огромная величина. Образование всего 1 г гелия сопровождается выделением энергии порядка 1012 Дж. Примерно такая же энергия выделяется при сгорании почти целого вагона каменного угля. Энергия связи ядра на много порядков превышает энергию связи электронов с атомом. Для атома водорода например, энергия ионизации равна 13, 6 эВ. В таблицах принято указывать

Эффект Комптона

Эффект Комптона (Комптон-эффект) — явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие рассеивания его электронами. Обнаружен американским физиком Артуром Комптоном в 1923 году для рентгеновского излучения. В 1927 Комптон получил за это открытие Нобелевскую премию по физике.

Для электрона м. Уменьшение энергии фотона после комптоновского рассеяния называется комптоновским сдвигом. В классической электродинамике рассеяние электромагнитной волны на заряде (томсоновское рассеяние) не сопровождается уменьшением её частоты.

Объяснить эффект Комптона в рамках классической электродинамики невозможно. С точки зрения классической физики электромагнитная волна является непрерывным объектом и в результате рассеяния на свободных электронах изменять свою длину волны не должна. Эффект Комптона является прямым доказательством квантования электромагнитной волны, другими словами подтверждает существование фотонов. Эффект Комптона является ещё одним доказательством справедливости корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц.

Обратный эффект Комптона

Эффектом, обратным эффекту Комптона, является увеличение частоты света, претерпевающего рассеяние на релятивистских электронах, имеющих энергию выше, чем энергия фотонов. То есть в процессе такого взаимодействия происходит передача энергии от электрона фотону.

Энергия рассеянных фотонов определяется выражением[1]:

где ε 1 и ε 0 — энергия рассеянного и падающего фотонов соответственно, K — кинетическая энергия электрона.
Обратный эффект Комптона ответственен за рентгеновское излучение галактических источников, рентгеновскую составляющую реликтового фонового излучения (эффект Сюняева — Зельдовича), трансформацию плазменных волн в высокочастотные электромагнитные волны[2].

34) Фундаментальные взаимодействия (более кратко ваще никак, только так)

Гравитация

 

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в ХVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы.

Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенcивность. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. Зато в микромире роль гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты в гравитации пока не доступны наблюдению.

Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то радиус низшей (самой близкой к ядру) орбиты электрона превосходил бы радиус доступной наблюдению части Вселенной.

Кроме того, гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.

Электромагнетизм

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).

В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга.

Существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 90-е гг. XIX в. Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество и отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный. Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой - как южный. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс - монополь. Но все они заканчивались неуда­чей: на месте разреза возникали два новых магнита, каждый из которых имел и северный, и южный полюсы. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые современные теории допускают возможность существования монополя. Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи - в мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство; мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

 

Слабое взаимодействие

К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.

У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается один из фундаментальных законов физики – закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она - нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».

Но предсказание нейтрино - это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер нет таких частиц. Об их возникновении было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляется три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10-16 см от источника, и потому оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомными частицами. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.

Сильное взаимодействие

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, - Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

123456Следующая ⇒

Поделиться: