Disse tre partikler (såvel som andre beskrevet nedenfor) tiltrækkes og frastødes gensidigt i henhold til deres afgifter, hvoraf der kun er fire typer efter antallet af grundlæggende naturkræfter. Ladninger kan arrangeres i faldende rækkefølge af tilsvarende kræfter på følgende måde: farveladning (vekselvirkningskræfter mellem kvarker); elektrisk ladning (elektriske og magnetiske kræfter); svag ladning (kræfter i nogle radioaktive processer); endelig masse (tyngdekraften eller gravitationsinteraktion). Ordet "farve" her har intet med farve at gøre synligt lys; det er simpelthen et kendetegn ved en stærk ladning og de største kræfter.

Afgifter er gemt, dvs. ladningen, der kommer ind i systemet, er lig med ladningen, der forlader det. Hvis den samlede elektriske ladning af et bestemt antal partikler før deres interaktion er lig med f.eks. 342 enheder, så vil den efter interaktionen, uanset resultatet, være lig med 342 enheder. Dette gælder også for andre afgifter: farve (afgift stærk interaktion), svag og masse (masse). Partikler adskiller sig i deres ladninger: i bund og grund "er" de disse ladninger. Afgifter er som et "certifikat" for retten til at reagere på den rette styrke. Det er således kun farvede partikler, der påvirkes af farvekræfter, kun elektrisk ladede partikler påvirkes af elektriske kræfter etc. En partikels egenskaber bestemmes største styrke, handler på det. Kun kvarker er bærere af alle ladninger og er derfor underlagt virkningen af ​​alle kræfter, blandt hvilke den dominerende er farve. Elektroner har alle ladninger undtagen farve, og den dominerende kraft for dem er den elektromagnetiske kraft.

De mest stabile i naturen er som regel neutrale kombinationer af partikler, hvor ladningen af ​​partikler af det ene tegn kompenseres af den samlede ladning af partikler af det andet tegn. Dette svarer til minimumsenergien for hele systemet. (På samme måde er to stangmagneter arrangeret i en linje, med Nordpolen en af ​​dem er rettet til Sydpolen en anden, som svarer til magnetfeltets minimumsenergi.) Tyngdekraften er en undtagelse fra denne regel: negativ masse eksisterer ikke. Der er ingen kroppe, der falder opad.

TYPER AF STOFFER

Almindelig stof er dannet af elektroner og kvarker, grupperet i objekter, der er neutrale i farve og derefter i elektrisk ladning. Farvekraften neutraliseres, som det vil blive diskuteret mere detaljeret nedenfor, når partiklerne kombineres til tripletter. (Derfor selve udtrykket "farve", taget fra optik: tre primærfarver, når de blandes, producerer hvidt.) Kvark, for hvilke farvestyrken er den vigtigste, danner således trillinger. Men kvarker, og de er opdelt i u-quarks (fra engelsk op - top) og d-kvarker (fra engelsk ned - bund), har også en elektrisk ladning svarende til u-kvark og for d-kvark. To u-kvark og en d-kvarker giver en elektrisk ladning på +1 og danner en proton, og en u-kvark og to d-kvarker giver nul elektrisk ladning og danner en neutron.

Stabile protoner og neutroner, tiltrukket af hinanden af ​​de resterende farvekræfter af interaktion mellem deres konstituerende kvarker, danner en farveneutral atomkerne. Men kerner bærer en positiv elektrisk ladning og tiltrækker negative elektroner, der kredser om kernen som planeter, der kredser om Solen, og de har tendens til at danne et neutralt atom. Elektroner i deres baner fjernes fra kernen i afstande, der er titusindvis af gange større end kernens radius - et bevis på, at de elektriske kræfter, der holder dem, er meget svagere end nukleare. Takket være kraften i farveinteraktion er 99,945 % af et atoms masse indeholdt i dets kerne. Vægt u- Og d-kvarker cirka 600 gange mere masse elektron. Derfor er elektroner meget lettere og mere mobile end kerner. Deres bevægelse i stoffet er forårsaget af elektriske fænomener.

Der er flere hundrede naturlige varianter af atomer (inklusive isotoper), der adskiller sig i antallet af neutroner og protoner i kernen og følgelig i antallet af elektroner i deres baner. Det enkleste er brintatomet, der består af en kerne i form af en proton og en enkelt elektron, der kredser omkring den. Alt "synligt" stof i naturen består af atomer og delvist "adskilte" atomer, som kaldes ioner. Ioner er atomer, der efter at have mistet (eller fået) adskillige elektroner, er blevet ladede partikler. Stof, der næsten udelukkende består af ioner, kaldes plasma. Stjerner, der brænder på grund af termonukleære reaktioner, der opstår i centrene, består hovedsageligt af plasma, og da stjerner er den mest almindelige form for stof i universet, kan vi sige, at hele universet hovedsageligt består af plasma. Mere præcist er stjerner overvejende fuldt ioniserede brintgas, dvs. en blanding af individuelle protoner og elektroner, og derfor består næsten hele det synlige univers af det.

Dette er en synlig sag. Men der er også usynligt stof i universet. Og der er partikler, der fungerer som kraftbærere. Der er antipartikler og exciterede tilstande af nogle partikler. Alt dette fører til en klart overdreven overflod af "elementære" partikler. I denne overflod kan man finde en indikation af den faktiske, sande natur af elementarpartikler og de kræfter, der virker mellem dem. Ifølge de fleste nyeste teorier, kan partikler som udgangspunkt udvides geometriske objekter– "strenge" i ti-dimensionelt rum.

Den usynlige verden.

Universet indeholder ikke kun synligt stof (men også sorte huller og " mørkt stof", såsom kolde planeter, der bliver synlige, hvis de er oplyst). Der er også virkelig usynligt stof, der gennemsyrer os alle og hele universet hvert sekund. Det er en gas i hurtig bevægelse af partikler af én type - elektronneutrinoer.

En elektronneutrino er en partner til en elektron, men har ingen elektrisk ladning. Neutrinoer bærer kun en såkaldt svag ladning. Deres hvilemasse er efter al sandsynlighed nul. Men de interagerer med gravitationsfeltet, fordi de har kinetisk energi E, hvilket svarer til den effektive masse m, ifølge Einsteins formel E = mc 2 hvor c- lysets hastighed.

Neutrinoens nøglerolle er, at den bidrager til transformationen Og-kvarker ind d-kvarker, hvorved en proton bliver til en neutron. Neutrinoer fungerer som "karburatornålen" for stjernefusionsreaktioner, hvor fire protoner (brintkerner) kombineres og danner en heliumkerne. Men da heliumkernen ikke består af fire protoner, men af ​​to protoner og to neutroner, for f.eks. kernefusion har brug for to Og-kvarker blev til to d-kvark. Intensiteten af ​​transformationen bestemmer, hvor hurtigt stjernerne vil brænde. Og transformationsprocessen er bestemt af svage ladninger og svage interaktionskræfter mellem partikler. Hvori Og-kvark (elektrisk ladning +2/3, svag ladning +1/2), interagerer med en elektron (elektrisk ladning - 1, svag ladning -1/2), danner d-kvark (elektrisk ladning -1/3, svag ladning -1/2) og elektronneutrino (elektrisk ladning 0, svag ladning +1/2). Farveladningerne (eller bare farverne) af de to kvarker udligner i denne proces uden neutrinoen. Neutrinoens rolle er at bære den ukompenserede svage ladning væk. Derfor afhænger transformationshastigheden af, hvor svage de svage kræfter er. Hvis de var svagere, end de er, ville stjernerne slet ikke brænde. Hvis de var stærkere, ville stjernerne være brændt ud for længe siden.

Hvad med neutrinoer? Fordi disse partikler interagerer ekstremt svagt med andet stof, forlader de næsten øjeblikkeligt de stjerner, hvor de blev født. Alle stjerner skinner, udsender neutrinoer, og neutrinoer skinner gennem vores kroppe og hele Jorden dag og nat. Så de vandrer rundt i universet, indtil de måske træder ind i en ny interaktions-STAR).

Bærere af interaktioner.

Hvad forårsager kræfter, der virker mellem partikler på afstand? Moderne fysik svar: på grund af udveksling af andre partikler. Forestil dig to hurtigløbere, der kaster en bold rundt. Ved at give momentum til bolden, når den kastes og modtage momentum med den modtagne bold, modtager begge et skub i en retning væk fra hinanden. Dette kan forklare fremkomsten af ​​frastødende kræfter. Men i kvantemekanikken, som tager højde for fænomener i mikroverdenen, tillades usædvanlig strækning og delokalisering af begivenheder, hvilket fører til det tilsyneladende umulige: en af ​​skaterne kaster bolden i retningen fra anderledes, men den alligevel måske fange denne bold. Det er ikke svært at forestille sig, at hvis dette var muligt (og i elementarpartiklernes verden er det muligt), ville der opstå tiltrækning mellem skaterne.

Partiklerne, på grund af hvis udveksling interaktionskræfterne mellem de fire "stofpartikler", der er diskuteret ovenfor, kaldes gauge partikler. Hver af de fire vekselvirkninger – stærk, elektromagnetisk, svag og gravitationel – har sit eget sæt målepartikler. Bærerpartiklerne i den stærke interaktion er gluoner (der er kun otte af dem). En foton er en bærer af elektromagnetisk interaktion (der er kun én, og vi opfatter fotoner som lys). Bærerpartiklerne i den svage interaktion er mellemvektorbosoner (de blev opdaget i 1983 og 1984 W + -, W- - bosoner og neutrale Z-boson). Bærepartiklen af ​​gravitationsinteraktion er den stadig hypotetiske graviton (der bør kun være én). Alle disse partikler, undtagen fotonen og gravitonen, som kan køre uendeligt lange afstande, eksisterer kun i processen med udveksling mellem materialepartikler. Fotoner fylder universet med lys, og gravitoner fylder gravitationsbølger(endnu ikke pålideligt opdaget).

En partikel, der er i stand til at udsende gauge partikler, siges at være omgivet af et tilsvarende felt af kræfter. Elektroner, der er i stand til at udsende fotoner, er således omgivet af elektriske og magnetiske felter, såvel som svage og gravitationsfelter. Quarks er også omgivet af alle disse felter, men også af det stærke interaktionsfelt. Partikler med en farveladning inden for farvekræfternes felt påvirkes af farvekraften. Det samme gælder andre naturkræfter. Derfor kan vi sige, at verden består af stof (materiale partikler) og felt (gauge partikler). Mere om dette nedenfor.

Antistof.

Hver partikel har en antipartikel, som partiklen gensidigt kan udslette, dvs. "tilintetgøre", hvilket resulterer i frigivelse af energi. "Ren" energi i sig selv eksisterer imidlertid ikke; Som et resultat af udslettelse opstår der nye partikler (for eksempel fotoner), som transporterer denne energi væk.

I de fleste tilfælde har en antipartikel egenskaber modsat den tilsvarende partikel: hvis en partikel bevæger sig til venstre under påvirkning af stærke, svage eller elektromagnetiske felter, vil dens antipartikel bevæge sig til højre. Kort sagt har antipartiklen modsatte fortegn af alle ladninger (undtagen masseladningen). Hvis en partikel er sammensat, såsom en neutron, så består dens antipartikel af komponenter med modsatte tegn afgifter. En antielektron har således en elektrisk ladning på +1, en svag ladning på +1/2 og kaldes en positron. Antineutron består af Og-antikvarker med elektrisk ladning –2/3 og d-antikvarker med elektrisk ladning +1/3. Ægte neutrale partikler er deres egne antipartikler: en fotons antipartikel er en foton.

Ifølge moderne teoretiske begreber bør hver partikel, der eksisterer i naturen, have sin egen antipartikel. Og mange antipartikler, inklusive positroner og antineutroner, blev faktisk opnået i laboratoriet. Konsekvenserne af dette er ekstremt vigtige og ligger til grund for alt eksperimentel fysik elementære partikler. Ifølge relativitetsteorien er masse og energi ækvivalente, og under visse betingelser kan energi omdannes til masse. Da ladningen er bevaret, og ladningen af ​​vakuumet (tomt rum) lig med nul, fra vakuumet, som kaniner fra en tryllekunstnerhat, kan ethvert par af partikler og antipartikler (med nul total ladning) komme frem, så længe energien er tilstrækkelig til at skabe deres masse.

Generationer af partikler.

Eksperimenter med acceleratorer har vist, at en kvartet (kvartet) af materialepartikler gentages mindst to gange mere høje værdier masser. I anden generation bliver elektronens plads overtaget af myonen (med en masse ca. 200 gange større end elektronens masse, men med samme værdier af alle andre ladninger), er stedet for elektronneutrinoen taget af myonen (som ledsager myonen i svage interaktioner på samme måde som elektronen ledsages af elektronneutrinoen), placeres Og-kvark optager Med-kvark ( charmeret), A d-kvark - s-kvark ( mærkelig). I tredje generation består kvartetten af ​​en tau lepton, en tau neutrino, t-kvark og b-kvark.

Vægt t-en kvark er omkring 500 gange massen af ​​den letteste - d-kvark. Det er eksperimentelt blevet fastslået, at der kun findes tre typer lette neutrinoer. Fjerde generation af partikler eksisterer således enten slet ikke, eller også er de tilsvarende neutrinoer meget tunge. Dette er i overensstemmelse med kosmologiske data, ifølge hvilke der ikke kan eksistere mere end fire typer lette neutrinoer.

I forsøg med partikler høje energier elektronen, myonen, tau leptonen og de tilsvarende neutrinoer fungerer som isolerede partikler. De bærer ikke en farveladning og indgår kun i svage og elektromagnetiske interaktioner. Samlet kaldes de leptoner.

Tabel 2. GENERATIONER AF FUNDAMENTELLE Partikler
Partikel	Hvilemasse, MeV/ Med 2	Elektrisk ladning	Farveladning	Svag ladning
ANDEN GENERATION
Med-kvark	1500	+2/3	Rød, grøn eller blå	+1/2
s-kvark	500	–1/3	Samme	–1/2
Muon neutrino		0	0	+1/2
Muon	106	0	0	–1/2
TREDJE GENERATION
t-kvark	30000–174000	+2/3	Rød, grøn eller blå	+1/2
b-kvark	4700	–1/3	Samme	–1/2
Tau neutrino		0	0	+1/2
Tau	1777	–1	0	–1/2

Kvarker, under påvirkning af farvekræfter, kombineres til stærkt interagerende partikler, der dominerer de fleste højenergifysiske eksperimenter. Sådanne partikler kaldes hadroner. De omfatter to underklasser: baryoner(såsom en proton og en neutron), som er opbygget af tre kvarker, og mesoner, bestående af en kvark og en antikvark. I 1947 kosmiske stråler den første meson blev opdaget, kaldet pion (eller pi-meson), og i nogen tid troede man, at udvekslingen af ​​disse partikler - hovedårsagen atomstyrker. Omega-minus hadroner, opdaget i 1964 ved Brookhaven National Laboratory (USA), og JPS partiklen ( J/y-meson), opdaget samtidigt ved Brookhaven og ved Stanford Linear Accelerator Center (også i USA) i 1974. Eksistensen af ​​omega minus partiklen blev forudsagt af M. Gell-Mann i hans såkaldte " S.U. 3 teori" (et andet navn er "den ottefoldede vej"), hvor muligheden for eksistensen af ​​kvarker først blev foreslået (og dette navn blev givet til dem). Et årti senere, opdagelsen af ​​partiklen J/y bekræftede eksistensen Med-quark og fik endelig alle til at tro på både kvarkmodellen og teorien, der forenede elektromagnetiske og svage kræfter ( se nedenunder).

Partikler af anden og tredje generation er ikke mindre virkelige end den første. Sandt nok, efter at de er opstået, henfalder de i milliontedele eller milliardtedele af et sekund til almindelige partikler af den første generation: elektron, elektronneutrino og også Og- Og d-kvarker. Spørgsmålet om, hvorfor der er flere generationer af partikler i naturen, er stadig et mysterium.

OM forskellige generationer Der tales ofte om kvarker og leptoner (hvilket selvfølgelig er noget excentrisk) som forskellige "smag" af partikler. Behovet for at forklare dem kaldes "smagsproblemet".

BOSONER OG FERMIONER, MARK OG STOFFER

En af grundlæggende forskelle mellem partikler er forskellen mellem bosoner og fermioner. Alle partikler er opdelt i disse to hovedklasser. Identiske bosoner kan overlappe eller overlappe, men identiske fermioner kan ikke. Superposition forekommer (eller forekommer ikke) i de diskrete energitilstande, som kvantemekanikken opdeler naturen i. Disse tilstande er som separate celler, hvori partikler kan placeres. Så du kan sætte så mange identiske bosoner, som du vil, i én celle, men kun én fermion.

Som et eksempel kan du overveje sådanne celler eller "tilstande" for en elektron, der kredser om kernen af ​​et atom. I modsætning til planeter solsystem, elektron ifølge lovene kvantemekanik kan ikke cirkulere i nogen elliptisk bane, for den er der kun diskret serie tilladte "bevægelsestilstande". Sæt af sådanne tilstande, grupperet efter afstanden fra elektronen til kernen, kaldes orbitaler. I den første orbital er der to tilstande med på forskellige tidspunkter momentum og derfor to tilladte celler, og i højere orbitaler - otte eller flere celler.

Da elektronen er en fermion, kan hver celle kun indeholde én elektron. Meget vigtige konsekvenser følger af dette - hele kemien, da de kemiske egenskaber af stoffer bestemmes af vekselvirkningerne mellem de tilsvarende atomer. Hvis du går med periodiske system elementer fra et atom til et andet i den rækkefølge, hvor antallet af protoner i kernen øges med én (antallet af elektroner vil også stige tilsvarende), så vil de første to elektroner optage den første orbital, de næste otte vil være placeret i andet osv. Ved denne konsekvente forandring elektronisk struktur atomer fra grundstof til grundstof og bestemmer mønstrene i deres kemiske egenskaber.

Hvis elektroner var bosoner, så kunne alle elektronerne i et atom optage den samme orbital, svarende til minimumsenergien. I dette tilfælde ville egenskaberne for alt stof i universet være helt anderledes, og universet i den form, som vi ved det, ville være umuligt.

Alle leptoner - elektron, muon, tau lepton og deres tilsvarende neutrinoer - er fermioner. Det samme kan siges om kvarker. Således er alle partikler, der danner "stof", universets vigtigste fyldstof, såvel som usynlige neutrinoer, fermioner. Dette er ret væsentligt: ​​fermioner kan ikke kombineres, så det samme gælder genstande i den materielle verden.

Samtidig vil alle de "gauge-partikler", der udveksles mellem interagerende materialepartikler, og som skaber et felt af kræfter ( se ovenfor), er bosoner, hvilket også er meget vigtigt. Så for eksempel kan mange fotoner være i samme tilstand og danne et magnetfelt omkring en magnet eller et elektrisk felt omkring en elektrisk ladning. Takket være dette er laser også muligt.

Spin.

Forskellen mellem bosoner og fermioner er forbundet med en anden karakteristik af elementarpartikler - spin. Overraskende nok har alle fundamentale partikler eget øjeblik momentum eller, mere enkelt sagt, rotere om sin akse. Momentum - karakteristisk rotationsbevægelse, samt den samlede impuls – translationel. I enhver interaktion bevares vinkelmomentum og momentum.

I mikrokosmos kvantiseres vinkelmomentet, dvs. tager diskrete værdier. I passende måleenheder har leptoner og kvarker et spin på 1/2, og gauge partikler har et spin på 1 (bortset fra gravitonen, som endnu ikke er observeret eksperimentelt, men teoretisk set burde have et spin på 2). Da leptoner og kvarker er fermioner, og gauge-partikler er bosoner, kan vi antage, at "fermionicitet" er forbundet med spin 1/2, og "bosonicitet" er forbundet med spin 1 (eller 2). Faktisk bekræfter både eksperiment og teori, at hvis en partikel har et halvt heltals spin, så er det en fermion, og hvis den har et heltals spin, så er det en boson.

GAUGE TEORI OG GEOMETRI

I alle tilfælde opstår kræfterne på grund af udveksling af bosoner mellem fermioner. Således opstår farvekraften af ​​interaktion mellem to kvarker (kvarker - fermioner) på grund af udvekslingen af ​​gluoner. En lignende udveksling sker konstant i protoner, neutroner og atomkerner. På samme måde skaber fotonerne, der udveksles mellem elektroner og kvarker, de elektriske tiltrækningskræfter, der holder elektronerne i atomet, og de mellemliggende vektorbosoner, der udveksles mellem leptoner og kvarker, skaber de svage interaktionskræfter, der er ansvarlige for at omdanne protoner til neutroner ved termonukleære reaktioner i stjernerne.

Teorien bag denne udveksling er elegant, enkel og sandsynligvis korrekt. Det kaldes måle teori. Men på nuværende tidspunkt er der kun uafhængige gauge-teorier om stærke, svage og elektromagnetiske vekselvirkninger og en lignende, omend noget anderledes, gauge-teori om tyngdekraften. Et af de vigtigste fysiske problemer er reduktionen af ​​disse individuelle teorier til en enkelt og på samme tid simpel teori, hvori de alle ville blive forskellige aspekter en enkelt virkelighed - som kanterne på en krystal.

Tabel 3. NOGLE HADRONER

Tabel 3. NOGLE HADRONER
Partikel	Symbol	Quark sammensætning *	Hvilemasse, MeV/ Med 2	Elektrisk ladning
BARIONER
Proton	s	uud	938	+1
Neutron	n	udd	940	0
Omega minus	W –	sss	1672	–1
MESONER
Pi-plus	s +	u	140	+1
Pi minus	s –	du	140	–1
Fi	f	sє	1020	0
JP	J/y	cў	3100	0
Upsilon	Ў	b	9460	0
* Quark komposition: u– top; d- nederste; s- mærkelig; c– fortryllet; b- Smukt. Antikviteter er angivet med en linje over bogstavet.

Den enkleste og ældste af gauge-teorierne er gauge-teorien om elektromagnetisk interaktion. I den sammenlignes (kalibreres) ladningen af ​​en elektron med ladningen af ​​en anden elektron fjernt fra den. Hvordan kan du sammenligne gebyrer? Du kan for eksempel bringe den anden elektron tættere på den første og sammenligne deres interaktionskræfter. Men ændrer ladningen af ​​en elektron sig ikke, når den bevæger sig til et andet punkt i rummet? Den eneste måde checks - send et signal fra en nær elektron til en fjern og se, hvordan den reagerer. Signalet er en gauge partikel - en foton. For at kunne teste ladningen på fjerne partikler er der brug for en foton.

Matematisk er denne teori ekstremt nøjagtig og smuk. Fra "kalibreringsprincippet" beskrevet ovenfor følger alt kvanteelektrodynamik (kvanteteori elektromagnetisme), såvel som teorien elektromagnetisk felt Maxwell er en af ​​de største videnskabelige resultater 19. århundrede

Hvorfor er et så simpelt princip så frugtbart? Tilsyneladende udtrykker det en form for sammenhæng forskellige dele Universet, hvilket gør det muligt at foretage målinger i universet. I matematisk feltet tolkes geometrisk som krumningen af ​​et eller andet tænkeligt "indre" rum. Måling af ladning er at måle den totale "indre krumning" omkring partiklen. Gauge teorier om de stærke og svage interaktioner adskiller sig kun fra den elektromagnetiske gauge-teori i den interne geometriske "struktur" af den tilsvarende ladning. Multidimensionelle videnskabsmænd forsøger at besvare spørgsmålet om, hvor præcis dette indre rum er placeret. forenede teorier felter, der ikke er dækket her.

Tabel 4. GRUNDLÆGGENDE INTERAKTIONER
Interaktion	Relativ intensitet i en afstand på 10-13 cm	Handlingsradius	Interaktionsbærer	Bærer hvilemasse, MeV/ Med 2	Drej bæreren
Stærk	1		Gluon	0	1
elektro- magnetisk	0,01	Ґ	Foton	0	1
Svag	10 –13		W +	80400	1
			W –	80400	1
			Z 0	91190	1
Gravita- tional	10 –38	Ґ	Graviton	0	2

Partikelfysikken er endnu ikke færdig. Det er stadig langt fra klart, om de tilgængelige data er tilstrækkelige til fuldt ud at forstå arten af ​​partikler og kræfter, såvel som den sande natur og dimension af rum og tid. Har vi brug for eksperimenter med energier på 10 15 GeV til dette, eller vil tankeindsatsen være tilstrækkelig? Intet svar endnu. Men vi kan med tillid sige, at det endelige billede bliver enkelt, elegant og smukt. Det er muligt, at der ikke vil være så mange grundlæggende ideer: måleprincippet, rum af højere dimensioner, sammenbrud og ekspansion og frem for alt geometri.

Kan du kort og koncist svare på spørgsmålet: "Hvad er en elektrisk ladning?" Dette kan virke simpelt ved første øjekast, men i virkeligheden viser det sig at være meget mere kompliceret.

Ved vi, hvad elektrisk ladning er?

Pointen er, at på moderne niveau viden, kan vi endnu ikke dekomponere begrebet "ladning" i mere simple komponenter. Dette er et grundlæggende, så at sige, primært koncept.

Vi ved, at dette er bestemt ejendom elementarpartikler, mekanismen for vekselvirkning af ladninger er kendt, vi kan måle ladningen og bruge dens egenskaber.

Alt dette er dog en konsekvens af data opnået eksperimentelt. Naturen af ​​dette fænomen er stadig ikke klar for os. Derfor kan vi ikke entydigt afgøre, hvad en elektrisk ladning er.

For at gøre dette er det nødvendigt at udpakke en hel række koncepter. Forklar mekanismen for vekselvirkning af ladninger og beskriv deres egenskaber. Derfor er det lettere at forstå, hvad udsagnet betyder: " denne partikel har (bærer) en elektrisk ladning."

Tilstedeværelsen af ​​en elektrisk ladning på en partikel

Men senere var det muligt at fastslå, at antallet af elementarpartikler er meget større, og at protonen, elektronen og neutronen ikke er udelelige og grundlæggende byggematerialer i universet. De kan selv nedbrydes til komponenter og blive til andre typer partikler.

Derfor omfatter navnet "elementarpartikel" i øjeblikket en ret stor klasse af partikler, der er mindre i størrelse end atomer og atomkerner. I dette tilfælde kan partikler have en række egenskaber og kvaliteter.

Men sådan en egenskab som elektrisk ladning findes kun i to typer, som konventionelt kaldes positiv og negativ. Tilstedeværelsen af ​​en ladning på en partikel er dens evne til at frastøde eller blive tiltrukket af en anden partikel, som også bærer en ladning. Retningen af ​​interaktion afhænger af typen af ​​ladninger.

Ligesom ladninger frastøder, i modsætning til ladninger tiltrækker. I dette tilfælde er interaktionskraften mellem ladninger meget høj sammenlignet med gravitationskræfter, iboende i alle legemer i universet uden undtagelse.

I brintkernen, for eksempel, bliver en elektron, der bærer en negativ ladning, tiltrukket af en kerne, der består af en proton og bærer en positiv ladning med en kraft, der er 1039 gange større end den kraft, hvormed den samme elektron tiltrækkes af en proton på grund af gravitation interaktion.

Partikler bærer muligvis en ladning, afhængigt af typen af ​​partikel. Det er dog umuligt at "fjerne" ladningen fra partiklen, ligesom eksistensen af ​​en ladning uden for partiklen er umulig.

Ud over protonen og neutronen bærer nogle andre typer elementarpartikler en ladning, men kun disse to partikler kan eksistere i det uendelige.

719. Lov om bevarelse af elektrisk ladning

720. Legemer med elektriske ladninger anderledes tegn, …

De er tiltrukket af hinanden.

721. Identiske metalkugler, ladet med modsatte ladninger q 1 = 4q og q 2 = -8q, blev bragt i kontakt og flyttet fra hinanden til samme afstand. Hver af kuglerne har en ladning

q1 = -2q og q2 = -2q

723. En dråbe med en positiv ladning (+2e) mistede en elektron, når den blev belyst. Ladningen af ​​dråben blev lige

724. Identiske metalkugler ladet med ladninger q 1 = 4q, q 2 = - 8q og q 3 = - 2q blev bragt i kontakt og flyttet fra hinanden til samme afstand. Hver af kuglerne vil have en ladning

q 1 = - 2q, q 2 = - 2q og q 3 = - 2q

725. Identiske metalkugler ladet med ladninger q 1 = 5q og q 2 = 7q blev bragt i kontakt og flyttet fra hinanden til samme afstand, og derefter blev den anden og tredje kugle med ladning q 3 = -2q bragt i kontakt og flyttet fra hinanden til samme afstand. Hver af kuglerne vil have en ladning

q1 = 6q, q2 = 2q og q3 = 2q

726. Identiske metalkugler ladet med ladninger q 1 = - 5q og q 2 = 7q blev bragt i kontakt og flyttet fra hinanden til samme afstand, og derefter blev den anden og tredje kugle med ladning q 3 = 5q bragt i kontakt og flyttet fra hinanden til samme afstand. Hver af kuglerne vil have en ladning

q1 =1q, q2 = 3q og q3 = 3q

727. Der er fire identiske metalkugler med ladninger q 1 = 5q, q 2 = 7q, q 3 = -3q og q 4 = -1q. Først blev ladningerne q 1 og q 2 (1. ladningssystem) bragt i kontakt og flyttet fra hinanden til samme afstand, og derefter blev ladningerne q 4 og q 3 (2. ladningssystem) bragt i kontakt. Derefter tog de en ladning hver fra system 1 og 2 og bragte dem i kontakt og flyttede dem fra hinanden til samme afstand. Disse to bolde vil have en ladning

728. Der er fire identiske metalkugler med ladninger q 1 = -1q, q 2 = 5q, q 3 = 3q og q 4 = -7q. Først blev ladningerne q 1 og q 2 (1 ladningssystem) bragt i kontakt og flyttet fra hinanden til samme afstand, og derefter blev ladningerne q 4 og q 3 (system 2 af ladninger) bragt i kontakt. Derefter tog de en ladning hver fra system 1 og 2 og bragte dem i kontakt og flyttede dem fra hinanden til samme afstand. Disse to bolde vil have en ladning

729. Et atom har en positiv ladning

Kerne.

730. Otte elektroner bevæger sig rundt om kernen i et oxygenatom. Antallet af protoner i kernen af ​​et oxygenatom er

731.Den elektriske ladning af en elektron er

-1,6 · 10 -19 Cl.

732.En protons elektriske ladning er

1,6 · 10-19 Cl.

733. Kernen i et lithiumatom indeholder 3 protoner. Hvis 3 elektroner roterer rundt om kernen, så

Atomet er elektrisk neutralt.

734. Der er 19 partikler i fluorkernen, hvoraf 9 er protoner. Antallet af neutroner i kernen og antallet af elektroner i et neutralt fluoratom

Neutroner og 9 elektroner.

735.Hvis i nogen krop antallet af protoner flere tal elektroner, derefter kroppen som helhed

Positivt ladet.

736. En dråbe med en positiv ladning på +3e mistede 2 elektroner under bestråling. Ladningen af ​​dråben blev lige

8,10-19 Cl.

737. En negativ ladning i et atom bærer

Skal.

738.Hvis et oxygenatom bliver til en positiv ion, så er det

Har mistet en elektron.

739.Har en stor masse

Negativ ion brint.

740. Som et resultat af friktion blev 5·10 10 elektroner fjernet fra overfladen af ​​glasstaven. Elektrisk ladning på en pind

(e = -1,6 10 -19 C)

8,10-9 Cl.

741. Som et resultat af friktion modtog ebonitstaven 5·10 10 elektroner. Elektrisk ladning på en pind

(e = -1,6 10 -19 C)

-8·10-9 Cl.

742.Styrke Coulomb interaktion topunkts elektriske ladninger, når afstanden mellem dem mindskes 2 gange

Vil stige 4 gange.

743. Kraften af ​​Coulomb-vekselvirkningen af ​​topunkts elektriske ladninger, når afstanden mellem dem mindskes med 4 gange

Vil stige 16 gange.

744.Topunkts elektriske ladninger virker på hinanden i henhold til Coulombs lov med en kraft på 1N. Hvis afstanden mellem dem øges med 2 gange, vil kraften af ​​Coulomb-vekselvirkningen af ​​disse ladninger blive lig

745.To punktladninger virker på hinanden med en kraft på 1N. Hvis størrelsen af ​​hver ladning øges med 4 gange, vil styrken af ​​Coulomb-interaktionen blive ens

746. Vekselkraften mellem to punktladninger er 25 N. Hvis afstanden mellem dem reduceres med 5 gange, vil vekselvirkningskraften af ​​disse ladninger blive ens

747. Kraften af ​​Coulomb-vekselvirkningen af ​​to punktladninger, når afstanden mellem dem øges med 2 gange

Vil falde med 4 gange.

748. Kraften af ​​Coulomb-vekselvirkningen af ​​topunkts elektriske ladninger, når afstanden mellem dem øges med 4 gange

Vil falde med 16 gange.

749. Formel for Coulombs lov

.

750. Hvis 2 identiske metalkugler med ladninger +q og +q bringes i kontakt og flyttes fra hinanden til samme afstand, så er modulus for interaktionskraften

Vil ikke ændre sig.

751. Hvis 2 identiske metalkugler har ladninger +q og -q, bringes kuglerne i kontakt og flyttes fra hinanden til samme afstand, så er interaktionskraften

Bliver lig med 0.

752.To ladninger interagerer i luften. Hvis de placeres i vand (ε = 81), uden at ændre afstanden mellem dem, så vil kraften af ​​Coulomb-interaktionen

Falder med 81 gange.

753.Vekselkraften mellem to ladninger på hver 10 nC, placeret i luften i en afstand af 3 cm fra hinanden, er lig med

()

754. Ladninger på 1 µC og 10 nC interagerer i luft med en kraft på 9 mN på afstand

()

755. To elektroner placeret i en afstand af 3·10 -8 cm fra hinanden afstøder med en kraft ( ; e = - 1,6 10 -19 C)

2,56·10 -9 N.

756. Når afstanden fra ladningen øges med 3 gange, vil spændingsmodulet elektrisk felt

Vil falde med 9 gange.

757. Feltstyrken i et punkt er 300 N/C. Hvis ladningen er 1·10 -8 C, så er afstanden til punktet

()

758. Hvis afstanden fra en punktladning, der skaber et elektrisk felt, stiger 5 gange, så er den elektriske feltstyrke

Vil falde med 25 gange.

759. Feltstyrken af ​​en punktladning ved et bestemt punkt er 4 N/C. Hvis afstanden fra ladningen fordobles, bliver spændingen lig med

760. Angiv formlen for den elektriske feltstyrke i det generelle tilfælde.

761. Matematisk notation af princippet om superposition af elektriske felter

762. Angiv formlen for intensiteten af ​​en elektrisk punktladning Q

.

763. Elektrisk feltstyrkemodul ved det punkt, hvor ladningen er placeret

1·10 -10 C er lig med 10 V/m. Kraften, der virker på ladningen, er lig med

1·10 -9 N.

765. Hvis en ladning på 4·10 -8 C fordeles på overfladen af ​​en metalkugle med en radius på 0,2 m, så er ladningstætheden

2,5·10 -7 C/m2.

766.I et vertikalt rettet ensartet elektrisk felt er der en støvkorn med en masse på 1·10 -9 g og en ladning på 3,2·10-17 C. Hvis tyngdekraften af ​​et støvkorn er afbalanceret af styrken af ​​det elektriske felt, så er feltstyrken lig med

3·105 N/Cl.

767. Ved de tre hjørner af et kvadrat med en side på 0,4 m er der identiske positive ladninger på hver 5·10 -9 C. Find spændingen ved det fjerde toppunkt

() 540 N/Cl.

768. Hvis to ladninger er 5·10 -9 og 6·10 -9 C, så de frastøder med en kraft på 12·10 -4 N, så er de på afstand

768. Hvis modulet af en punktladning reduceres med 2 gange og afstanden til ladningen reduceres med 4 gange, så er den elektriske feltstyrke ved et givet punkt

Vil stige 8 gange.

Falder.

770. Produktet af elektronladningen og potentialet har dimensionen

Energi.

771. Potentialet i punkt A i det elektriske felt er 100V, potentialet i punkt B er 200V. Arbejdet udført af de elektriske feltkræfter, når en ladning på 5 mC flyttes fra punkt A til punkt B, er lig med

-0,5 J.

772. En partikel med ladning +q og masse m, placeret ved punkter i et elektrisk felt med intensitet E og potentiale, har acceleration

773. En elektron bevæger sig i et ensartet elektrisk felt langs en spændingslinje fra et punkt med stort potentiale til et punkt med mindre potentiale. Dens hastighed er

Stigende.

774. Et atom, der har én proton i sin kerne, mister én elektron. Dette skaber

Hydrogen ion.

775. Et elektrisk felt i et vakuum skabes af fire punkter positive ladninger, placeret i hjørnerne af firkanten med side a. Potentialet i midten af ​​pladsen er

776. Hvis afstanden fra en punktladning falder med 3 gange, så er feltpotentialet

Vil stige 3 gange.

777. Når en punktelektrisk ladning q bevæger sig mellem punkter med en potentialforskel på 12 V, udføres 3 J arbejde. I dette tilfælde flyttes ladningen

778. Ladning q flyttet fra punktet elektrostatisk felt til et punkt med potentiale. Med hvilken af ​​følgende formler:

1) 2) ; 3) du kan finde arbejde flytteladning.

779. I et ensartet elektrisk felt med styrke 2 N/C bevæger en ladning på 3 C sig langs feltlinjerne i en afstand af 0,5 m. Det arbejde, som de elektriske feltkræfter udfører for at flytte ladningen, er lig med

780.Det elektriske felt er skabt af fire punkter i modsætning til ladninger placeret i hjørnerne af en firkant med side a. Ligesom afgifter er inde modsatte hjørner. Potentialet i midten af ​​pladsen er

781. Potentialforskel mellem punkter, der ligger på samme strømkabel i en afstand af 6 cm fra hinanden, er lig med 60 V. Hvis feltet er ensartet, så er dets styrke

782.Enhed for potentialforskel

1 V = 1 J/1 C.

783. Lad ladningen bevæge sig i et ensartet felt med intensitet E = 2 V/m langs en feltlinje på 0,2 m. Find forskellen mellem disse potentialer.

U = 0,4 V.

784.Ifølge Plancks hypotese, absolut sort krop udstråler energi

I portioner.

785. Fotonenergi bestemmes af formlen

1. E =pс 2. E=hv/c 3. E=h 4. E=mc2. 5. E=hv. 6.E=hc/

1, 4, 5, 6.

786. Hvis energien af ​​et kvante er fordoblet, så frekvensen af ​​strålingen

øget 2 gange.

787.Hvis fotoner med en energi på 6 eV falder på overfladen af ​​en wolframplade, så er den maksimale kinetiske energi for elektronerne slået ud af dem 1,5 eV. Den minimale fotonenergi, ved hvilken den fotoelektriske effekt er mulig, er for wolfram lig med:

788. Følgende udsagn er korrekt:

1. En fotons hastighed er større end lysets hastighed.

2. Hastigheden af ​​en foton i ethvert stof er mindre end lysets hastighed.

3. En fotons hastighed er altid lig med lysets hastighed.

4. En fotons hastighed er større end eller lig med lysets hastighed.

5. Hastigheden af ​​en foton i ethvert stof er mindre end eller lig med lysets hastighed.

789.Strålingsfotoner har en stor impuls

Blå.

790. Når temperaturen på et opvarmet legeme falder, er den maksimale strålingsintensitet

©2015-2019 websted
Alle rettigheder tilhører deres forfattere. Dette websted gør ikke krav på forfatterskab, men giver gratis brug.
Sidens oprettelsesdato: 2016-02-13

Elementær partikel- den mindste, udelelige, strukturløse partikel.

GRUNDLÆGGENDE FOR ELEKTRODYNAMIK

Elektrodynamik– en gren af ​​fysik, der studerer elektromagnetiske interaktioner. Elektromagnetiske interaktioner– interaktioner mellem ladede partikler. Hovedformålene med studier i elektrodynamik er elektriske og magnetiske felter skabt af elektriske ladninger og strømme.

Emne 1. Elektrisk felt (elektrostatik)

Elektrostatik – en gren af ​​elektrodynamikken, der studerer interaktionen mellem stationære (statiske) ladninger.

Elektrisk ladning.

Alle kroppe er elektrificerede.

At elektrificere en krop betyder at give den en elektrisk ladning.

Elektrificerede kroppe interagerer - de tiltrækker og frastøder.

Jo mere elektrificerede kroppene er, jo stærkere interagerer de.

Elektrisk ladning er fysisk mængde, som karakteriserer partiklers eller legems egenskab til at indgå i elektromagnetiske interaktioner og er et kvantitativt mål for disse interaktioner.

Helheden af ​​alle kendte eksperimentelle fakta tillader os at lave følgende konklusioner:

· Der er to typer elektriske ladninger, konventionelt kaldet positive og negative.

· Ladninger eksisterer ikke uden partikler

· Afgifter kan overføres fra en krop til en anden.

· I modsætning til kropsmasse er elektrisk ladning ikke en integreret egenskab ved en given krop. Den samme krop forskellige forhold kan have en anden afgift.

· Elektrisk ladning afhænger ikke af valget af referencesystem, hvori den måles. Elektrisk ladning afhænger ikke af ladebærerens hastighed.

· Ligesom ladninger frastøder, i modsætning til ladninger tiltrækker.

SI enhed – vedhæng

En elementær partikel er den mindste, udelelige, strukturløse partikel.

For eksempel i et atom: elektron ( , proton ( , neutron ( .

En elementær partikel kan have en ladning eller ikke: , ,

Elementær ladning-ladningen tilhørende en elementarpartikel er den mindste, udelelige.

Elementær ladning – elektronladningsmodul.

Ladningerne af en elektron og en proton er numerisk lige store, men modsat i fortegn:

Elektrificering af kroppe.
Hvad betyder "et makroskopisk legeme er opladet"? Hvad bestemmer ladningen af ​​enhver krop?

Alle legemer er lavet af atomer, som omfatter positivt ladede protoner, negativt ladede elektroner og neutrale partikler - neutroner . Protoner og neutroner er en del af atomkerner, dannes elektroner elektronskal atomer.

I et neutralt atom er antallet af protoner i kernen lig med antallet af elektroner i skallen.

Makroskopiske legemer bestående af neutrale atomer er elektrisk neutrale.

Atom af dette stof kan miste en eller flere elektroner eller få en ekstra elektron. I disse tilfælde bliver det neutrale atom til en positivt eller negativt ladet ion.

Elektrificering af kroppe– processen med at opnå elektrisk ladede legemer fra elektrisk neutrale.

Kropper bliver elektrificerede ved kontakt med hinanden.

Ved kontakt går en del af elektronerne fra et legeme over til et andet, begge kroppe bliver elektrificerede, dvs. modtage afgifter af samme størrelse og modsatte i fortegn:
et "overskud" af elektroner sammenlignet med protoner skaber en "-" ladning i kroppen;
"Manglen" på elektroner sammenlignet med protoner skaber en "+" ladning i kroppen.
Ladningen af ​​enhver krop bestemmes af antallet af overskydende eller utilstrækkelige elektroner sammenlignet med protoner.

Ladning kan kun overføres fra et legeme til et andet i portioner, der indeholder et helt antal elektroner. Således er kroppens elektriske ladning diskret mængde, et multiplum af elektronladningen:

Med ordene "elektricitet", "elektrisk ladning", " elektricitet”Man har mødt hinanden mange gange og nået at vænne sig til dem. Men prøv at besvare spørgsmålet: "Hvad er en elektrisk ladning?" - og du vil se, at det ikke er så enkelt. Faktum er, at begrebet ladning er et grundlæggende, primært begreb, som ikke kan reduceres på det nuværende udviklingsniveau af vores viden til nogle simplere, elementære begreber.

Lad os først prøve at finde ud af, hvad der menes med et udsagn: givet krop eller partiklen har en elektrisk ladning.

Du ved, at alle legemer er bygget af bittesmå partikler, udelelige til simplere (så vidt videnskaben nu ved) partikler, som derfor kaldes elementære. Alle elementarpartikler har masse og på grund af dette tiltrækkes de af hinanden ifølge loven universel tyngdekraft med en kraft, der aftager relativt langsomt, når afstanden mellem dem øges, omvendt proportional med kvadratet på afstanden. De fleste elementarpartikler, selvom ikke alle, har også evnen til at interagere med hinanden med en kraft, der også aftager i omvendt proportion til kvadratet af afstanden, men denne kraft er et enormt antal gange større end tyngdekraften. Så. i hydrogenatomet, vist skematisk i figur 91, tiltrækkes elektronen til kernen (protonen) med en kraft 101" gange større end tyngdekraftens tiltrækningskraft.

Hvis partikler interagerer med hinanden med kræfter, der langsomt aftager med stigende afstand og er mange gange større end tyngdekræfterne, så siges disse partikler at have en elektrisk ladning. Selve partiklerne kaldes ladede. Der er partikler uden en elektrisk ladning, men der er ingen elektrisk ladning uden en partikel.

Interaktioner mellem ladede partikler kaldes elektromagnetiske. Elektrisk ladning er en fysisk størrelse, der bestemmer intensiteten elektromagnetiske interaktioner, ligesom masse bestemmer intensiteten af ​​gravitationsinteraktioner.

Den elektriske ladning af en elementær partikel er ikke en speciel "mekanisme" i partiklen, der kan fjernes fra den, nedbrydes i dens bestanddele og samles igen. Tilstedeværelsen af ​​en elektrisk ladning på en elektron og andre partikler betyder kun eksistensen

visse kraftinteraktioner mellem dem. Men vi ved i bund og grund ikke noget om ladning, hvis vi ikke kender lovene for disse interaktioner. Viden om lovene for interaktioner bør indgå i vores ideer om ladning. Disse love er ikke enkle, det er umuligt at sige dem med få ord. Derfor er det umuligt at give en tilstrækkelig tilfredsstillende kort definition hvad en elektrisk ladning er.

To tegn på elektriske ladninger. Alle kroppe har masse og tiltrækker derfor hinanden. Ladede kroppe kan både tiltrække og frastøde hinanden. Det her det vigtigste faktum, kendt for dig fra fysikkurset VII klasse, betyder, at der i naturen er partikler med elektriske ladninger med modsatte fortegn. På identiske tegn partikler frastøder hinanden, men når de er forskellige tiltrækkes de.

Ladningen af ​​elementarpartikler - protoner, som er en del af alle atomkerner, kaldes positive, og ladningen af ​​elektroner kaldes negative. Mellem positiv og negative ladninger der er ingen interne forskelle. Hvis tegnene på partikelladningerne blev vendt om, ville arten af ​​elektromagnetiske interaktioner overhovedet ikke ændre sig.

Elementær ladning. Ud over elektroner og protoner er der flere andre typer ladede elementarpartikler. Men kun elektroner og protoner kan eksistere i en fri tilstand på ubestemt tid. Resten af ​​de ladede partikler lever mindre end en milliontedel af et sekund. De er født under kollisioner af hurtige elementarpartikler og, efter at have eksisteret i en ubetydelig kort tid, henfalder de og bliver til andre partikler. Du vil stifte bekendtskab med disse partikler i klasse X.

Neutroner er partikler, der ikke har en elektrisk ladning. Dens masse er kun lidt større end massen af ​​en proton. Neutroner er sammen med protoner en del af atomkernen.

Hvis en elementarpartikel har en ladning, så er dens værdi, som talrige eksperimenter har vist, strengt taget bestemt (et af sådanne eksperimenter - Millikan og Ioffes forsøg - blev beskrevet i en lærebog for klasse VII)

Eksisterer minimumsafgift, kaldet elementært, som alle ladede elementarpartikler besidder. Ladningerne af elementarpartikler adskiller sig kun i tegn. Det er umuligt at adskille en del af ladningen, for eksempel fra en elektron.