Disse tre partiklene (så vel som andre beskrevet nedenfor) blir gjensidig tiltrukket og frastøtt i henhold til deres kostnader, hvorav det bare er fire typer i henhold til antall grunnleggende naturkrefter. Ladninger kan ordnes i synkende rekkefølge av tilsvarende krefter på følgende måte: fargeladning (vekselvirkningskrefter mellom kvarker); elektrisk ladning (elektriske og magnetiske krefter); svak ladning (krefter i noen radioaktive prosesser); til slutt, masse (gravitasjonskrefter, eller gravitasjonsinteraksjon). Ordet "farge" her har ingenting med farge å gjøre synlig lys; det er rett og slett et kjennetegn på en sterk ladning og de største kreftene.
Avgifter er lagret, dvs. ladningen som kommer inn i systemet er lik ladningen som forlater det. Hvis den totale elektriske ladningen til et visst antall partikler før deres interaksjon er lik for eksempel 342 enheter, vil den etter interaksjonen, uavhengig av resultatet, være lik 342 enheter. Dette gjelder også andre avgifter: farge (lading sterk samhandling), svak og masse (masse). Partikler er forskjellige i ladningene: i hovedsak "er" de disse ladningene. Anklager er som et "sertifikat" på retten til å svare på den aktuelle styrken. Det er altså kun fargede partikler som påvirkes av fargekrefter, kun elektrisk ladede partikler påvirkes av elektriske krefter etc. Egenskapene til en partikkel bestemmes største styrke, handler på det. Bare kvarker er bærere av alle ladninger og er derfor underlagt virkningen av alle krefter, blant dem er den dominerende fargen. Elektroner har alle ladninger unntatt farge, og den dominerende kraften for dem er den elektromagnetiske kraften.
De mest stabile i naturen er som regel nøytrale kombinasjoner av partikler der ladningen av partikler av det ene tegnet kompenseres av den totale ladningen av partikler av det andre tegnet. Dette tilsvarer minimumsenergien til hele systemet. (På samme måte er to stangmagneter arrangert i en linje, med Nordpolen en av dem er adressert til sydpol en annen, som tilsvarer minimumsenergien til magnetfeltet.) Tyngdekraften er et unntak fra denne regelen: negativ masse eksisterer ikke. Det er ingen kropper som faller oppover.
TYPER SAKER
Vanlig materie er dannet av elektroner og kvarker, gruppert i objekter som er nøytrale i fargen og deretter i elektrisk ladning. Fargekraften nøytraliseres, som vil bli diskutert mer detaljert nedenfor, når partiklene kombineres til tripletter. (Derav begrepet "farge" i seg selv, hentet fra optikk: tre primærfarger når de blandes produserer hvitt.) Dermed danner kvarker der fargestyrken er den viktigste, trillinger. Men kvarker, og de er delt inn i u-quarks (fra det engelske opp - toppen) og d-kvarker (fra engelske ned - bunn), har også en elektrisk ladning lik u-kvark og for d-kvark. To u-kvark og en d-kvarker gir en elektrisk ladning på +1 og danner et proton, og ett u-kvark og to d-kvarker gir null elektrisk ladning og danner et nøytron.
Stabile protoner og nøytroner, tiltrukket av hverandre av gjenværende fargekrefter av interaksjon mellom deres konstituerende kvarker, danner en fargenøytral atomkjerne. Men kjerner har en positiv elektrisk ladning og tiltrekker negative elektroner som går i bane rundt kjernen som planeter som går i bane rundt solen, og har en tendens til å danne et nøytralt atom. Elektroner i banene deres fjernes fra kjernen i avstander som er titusenvis av ganger større enn radiusen til kjernen - bevis på at de elektriske kreftene som holder dem er mye svakere enn kjernefysiske. Takket være kraften til fargeinteraksjon er 99,945 % av et atoms masse inneholdt i kjernen. Vekt u- Og d-kvarker omtrent 600 ganger mer masse elektron. Derfor er elektroner mye lettere og mer mobile enn kjerner. Deres bevegelse i materie er forårsaket av elektriske fenomener.
Det er flere hundre naturlige varianter av atomer (inkludert isotoper), som varierer i antall nøytroner og protoner i kjernen og følgelig i antall elektroner i deres baner. Det enkleste er hydrogenatomet, som består av en kjerne i form av et proton og et enkelt elektron som roterer rundt det. All "synlig" materie i naturen består av atomer og delvis "demonterte" atomer, som kalles ioner. Ioner er atomer som, etter å ha mistet (eller fått) flere elektroner, har blitt ladede partikler. Materie som nesten utelukkende består av ioner kalles plasma. Stjerner som brenner på grunn av termonukleære reaksjoner som skjer i sentrene består hovedsakelig av plasma, og siden stjerner er den vanligste formen for materie i universet, kan vi si at hele universet hovedsakelig består av plasma. Mer presist er stjerner overveiende fullstendig ionisert hydrogengass, dvs. en blanding av individuelle protoner og elektroner, og derfor består nesten hele det synlige universet av det.
Dette er en synlig sak. Men det er også usynlig materie i universet. Og det er partikler som fungerer som kraftbærere. Det er antipartikler og eksiterte tilstander for noen partikler. Alt dette fører til en klart overdreven overflod av "elementære" partikler. I denne overfloden kan man finne en indikasjon på den faktiske, sanne naturen til elementærpartikler og kreftene som virker mellom dem. I følge de fleste siste teorier, kan partikler i utgangspunktet utvides geometriske objekter– «strenger» i ti-dimensjonalt rom.
Den usynlige verden.
Universet inneholder ikke bare synlig materie (men også svarte hull og " mørk materie", for eksempel kalde planeter som blir synlige hvis de er opplyst). Det er også virkelig usynlig materie som gjennomsyrer oss alle og hele universet hvert sekund. Det er en raskt bevegelig gass av partikler av én type - elektronnøytrinoer.
En elektronnøytrino er en partner til et elektron, men har ingen elektrisk ladning. Nøytrinoer bærer kun en såkalt svak ladning. Deres hvilemasse er, etter all sannsynlighet, null. Men de samhandler med gravitasjonsfeltet fordi de har kinetisk energi E, som tilsvarer den effektive massen m, ifølge Einsteins formel E = mc 2 hvor c- lysets hastighet.
Nøytrinoens nøkkelrolle er at den bidrar til transformasjonen Og-kvarker inn d-kvarker, som et resultat av at et proton blir til et nøytron. Nøytrinoer fungerer som "forgassernålen" for stjernefusjonsreaksjoner, der fire protoner (hydrogenkjerner) kombineres for å danne en heliumkjerne. Men siden heliumkjernen ikke består av fire protoner, men av to protoner og to nøytroner, for slike kjernefysisk fusjon trenger to Og-kvarker ble til to d-kvark. Intensiteten av transformasjonen avgjør hvor raskt stjernene vil brenne. Og transformasjonsprosessen bestemmes av svake ladninger og svake interaksjonskrefter mellom partikler. Hvori Og-kvark (elektrisk ladning +2/3, svak ladning +1/2), interagerer med et elektron (elektrisk ladning - 1, svak ladning -1/2), danner d-kvark (elektrisk ladning –1/3, svak ladning –1/2) og elektronnøytrino (elektrisk ladning 0, svak ladning +1/2). Fargeladningene (eller bare fargene) til de to kvarkene opphever seg i denne prosessen uten nøytrinoen. Nøytrinoens rolle er å bære bort den ukompenserte svake ladningen. Derfor avhenger transformasjonshastigheten av hvor svake de svake kreftene er. Hvis de var svakere enn de er, ville ikke stjernene brenne i det hele tatt. Hvis de var sterkere, ville stjernene ha brent ut for lenge siden.
Hva med nøytrinoer? Fordi disse partiklene samhandler ekstremt svakt med annen materie, forlater de nesten umiddelbart stjernene der de ble født. Alle stjerner skinner, og sender ut nøytrinoer, og nøytrinoer skinner gjennom kroppene våre og hele jorden dag og natt. Så de vandrer rundt i universet til de kanskje går inn i en ny interaksjons-STAR).
Bærere av interaksjoner.
Hva forårsaker krefter som virker mellom partikler på avstand? Moderne fysikk svar: på grunn av utveksling av andre partikler. Se for deg to hurtigløpere som kaster en ball rundt. Ved å gi ballen momentum når den kastes og motta momentum med den mottatte ballen, mottar begge et dytt i en retning bort fra hverandre. Dette kan forklare fremveksten av frastøtende krefter. Men i kvantemekanikken, som tar for seg fenomener i mikroverdenen, tillates uvanlig strekking og delokalisering av hendelser, noe som fører til det tilsynelatende umulige: en av skaterne kaster ballen i retningen fra annerledes, men den likevel Kan være fange denne ballen. Det er ikke vanskelig å forestille seg at hvis dette var mulig (og i elementærpartiklers verden er det mulig), ville det oppstå tiltrekning mellom skaterne.
Partiklene, på grunn av utvekslingen som interaksjonskreftene mellom de fire "stoffpartiklene" diskutert ovenfor, kalles gauge-partikler. Hver av de fire interaksjonene – sterk, elektromagnetisk, svak og gravitasjon – har sitt eget sett med målepartikler. Bærerpartiklene til den sterke interaksjonen er gluoner (det er bare åtte av dem). Et foton er en bærer av elektromagnetisk interaksjon (det er bare ett, og vi oppfatter fotoner som lys). Bærerpartiklene til den svake interaksjonen er mellomvektorbosoner (de ble oppdaget i 1983 og 1984 W + -, W- -bosoner og nøytrale Z-boson). Bærerpartikkelen for gravitasjonsinteraksjon er den fortsatt hypotetiske gravitonen (det skal bare være en). Alle disse partiklene, bortsett fra fotonet og graviton, som kan løpe uendelig lange avstander, eksisterer bare i prosessen med utveksling mellom materialpartikler. Fotoner fyller universet med lys, og gravitoner fyller gravitasjonsbølger(ennå ikke pålitelig oppdaget).
En partikkel som er i stand til å sende ut målepartikler sies å være omgitt av et tilsvarende kraftfelt. Dermed er elektroner som er i stand til å sende ut fotoner omgitt av elektriske og magnetiske felt, samt svake og gravitasjonsfelt. Quarks er også omgitt av alle disse feltene, men også av det sterke interaksjonsfeltet. Partikler med en fargeladning i feltet for fargekrefter påvirkes av fargekraften. Det samme gjelder andre naturkrefter. Derfor kan vi si at verden består av materie (materielle partikler) og felt (gauge partikler). Mer om dette nedenfor.
Antimaterie.
Hver partikkel har en antipartikkel, som partikkelen gjensidig kan utslette, dvs. "utslette", noe som resulterer i frigjøring av energi. "Ren" energi i seg selv eksisterer imidlertid ikke; Som et resultat av utslettelse dukker det opp nye partikler (for eksempel fotoner) som frakter bort denne energien.
I de fleste tilfeller har en antipartikkel egenskaper motsatt av den tilsvarende partikkelen: hvis en partikkel beveger seg til venstre under påvirkning av sterke, svake eller elektromagnetiske felt, vil antipartikkelen bevege seg til høyre. Kort sagt, antipartiklen har motsatte fortegn av alle ladninger (unntatt masseladningen). Hvis en partikkel er sammensatt, for eksempel et nøytron, så består antipartikkelen av komponenter med motsatte tegn kostnader. Dermed har et antielektron en elektrisk ladning på +1, en svak ladning på +1/2 og kalles et positron. Antinøytron består av Og-antikvarker med elektrisk ladning –2/3 og d-antikvarker med elektrisk ladning +1/3. Ekte nøytrale partikler er deres egne antipartikler: antipartikkelen til et foton er et foton.
I følge moderne teoretiske konsepter bør hver partikkel som eksisterer i naturen ha sin egen antipartikkel. Og mange antipartikler, inkludert positroner og antinøytroner, ble faktisk oppnådd i laboratoriet. Konsekvensene av dette er ekstremt viktige og ligger til grunn for alt eksperimentell fysikk elementære partikler. I følge relativitetsteorien er masse og energi ekvivalente, og under visse forhold kan energi omdannes til masse. Siden ladningen er bevart, og ladningen til vakuumet (tomt rom) lik null, fra vakuumet, som kaniner fra en magikerhatt, kan alle par av partikler og antipartikler (med null total ladning) dukke opp, så lenge energien er tilstrekkelig til å skape massen deres.
Generasjoner av partikler.
Eksperimenter med akseleratorer har vist at en kvartett (kvartett) av materialpartikler gjentas minst to ganger etter hvert høye verdier masser. I andre generasjon blir elektronets plass tatt av myonen (med en masse som er omtrent 200 ganger større enn massen til elektronet, men med samme verdier av alle andre ladninger), er stedet for elektronnøytrinoen tatt av myonet (som følger med myonet i svake interaksjoner på samme måte som elektronet ledsages av elektronnøytrinoet), plasser Og-kvark opptar Med-kvark ( sjarmert), A d-kvark - s-kvark ( rar). I tredje generasjon består kvartetten av en tau lepton, en tau neutrino, t-kvark og b-kvark.
Vekt t-en kvark er omtrent 500 ganger massen av den letteste - d-kvark. Det er eksperimentelt fastslått at det bare finnes tre typer lette nøytrinoer. Dermed eksisterer den fjerde generasjonen av partikler enten ikke i det hele tatt, eller de tilsvarende nøytrinoene er veldig tunge. Dette stemmer overens med kosmologiske data, ifølge hvilke ikke mer enn fire typer lette nøytrinoer kan eksistere.
I forsøk med partikler høye energier elektronet, myonet, tauleptonet og tilsvarende nøytrinoer fungerer som isolerte partikler. De har ingen fargeladning og inngår kun svake og elektromagnetiske interaksjoner. Samlet kalles de leptoner.
| Tabell 2. GENERASJONER AV GRUNNLEGGENDE Partikler | ||||
| Partikkel | Hvilemasse, MeV/ Med 2 | Elektrisk ladning | Fargeladning | Svak ladning |
| ANDRE GENERASJON | ||||
| Med-kvark | 1500 | +2/3 | Rød, grønn eller blå | +1/2 |
| s-kvark | 500 | –1/3 | Samme | –1/2 |
| Myonnøytrino | 0 | 0 | +1/2 | |
| Muon | 106 | 0 | 0 | –1/2 |
| TREDJE GENERASJON | ||||
| t-kvark | 30000–174000 | +2/3 | Rød, grønn eller blå | +1/2 |
| b-kvark | 4700 | –1/3 | Samme | –1/2 |
| Tau nøytrino | 0 | 0 | +1/2 | |
| Tau | 1777 | –1 | 0 | –1/2 |
Kvarker, under påvirkning av fargekrefter, kombineres til sterkt samvirkende partikler som dominerer de fleste høyenergifysikkeksperimenter. Slike partikler kalles hadroner. De inkluderer to underklasser: baryoner(som et proton og et nøytron), som består av tre kvarker, og mesoner, bestående av en kvark og en antikvark. I 1947 kosmiske stråler den første mesonen ble oppdaget, kalt pion (eller pi-meson), og i noen tid ble det antatt at utvekslingen av disse partiklene - hovedårsaken kjernefysiske styrker. Omega-minus hadroner, oppdaget i 1964 ved Brookhaven National Laboratory (USA), og JPS-partikkelen ( J/y-meson), oppdaget samtidig ved Brookhaven og ved Stanford Linear Accelerator Center (også i USA) i 1974. Eksistensen av omega minus-partikkelen ble spådd av M. Gell-Mann i hans såkalte " S.U. 3 teori" (et annet navn er den "åttedelte banen"), der muligheten for eksistensen av kvarker først ble foreslått (og dette navnet ble gitt til dem). Et tiår senere, oppdagelsen av partikkelen J/y bekreftet eksistensen Med-kvark og fikk til slutt alle til å tro på både kvarkmodellen og teorien som forente elektromagnetiske og svake krefter ( se nedenfor).
Partikler av andre og tredje generasjon er ikke mindre ekte enn den første. Etter å ha oppstått, forfaller de i milliondeler eller milliarddeler av et sekund til vanlige partikler av den første generasjonen: elektron, elektronnøytrino og også Og- Og d-kvarker. Spørsmålet om hvorfor det er flere generasjoner med partikler i naturen er fortsatt et mysterium.
OM ulike generasjoner Kvarker og leptoner blir ofte snakket om (som selvfølgelig er noe eksentrisk) som forskjellige "smaker" av partikler. Behovet for å forklare dem kalles "smak"-problemet.
BOSONER OG FERMIONER, FELT OG MATERIE
En av grunnleggende forskjeller mellom partikler er forskjellen mellom bosoner og fermioner. Alle partikler er delt inn i disse to hovedklassene. Identiske bosoner kan overlappe eller overlappe, men identiske fermioner kan ikke. Superposisjon forekommer (eller forekommer ikke) i de diskrete energitilstandene som kvantemekanikken deler naturen inn i. Disse tilstandene er som separate celler som partikler kan plasseres i. Så du kan legge så mange identiske bosoner du vil i én celle, men bare én fermion.
Som et eksempel kan du vurdere slike celler, eller "tilstander", for et elektron som går i bane rundt kjernen til et atom. I motsetning til planeter solsystemet, elektron i henhold til lovene kvantemekanikk kan ikke sirkulere i noen elliptisk bane, for det er det bare diskrete serier tillatte "bevegelsestilstander". Sett med slike tilstander, gruppert etter avstanden fra elektronet til kjernen, kalles orbitaler. I den første orbitalen er det to tilstander med til forskjellige tider momentum og derfor to tillatte celler, og i høyere orbitaler - åtte eller flere celler.
Siden elektronet er en fermion, kan hver celle bare inneholde ett elektron. Svært viktige konsekvenser følger av dette - hele kjemien, siden de kjemiske egenskapene til stoffer bestemmes av interaksjonene mellom de tilsvarende atomene. Hvis du følger med periodiske tabell elementer fra ett atom til et annet i rekkefølgen til å øke antallet protoner i kjernen med ett (antall elektroner vil også øke tilsvarende), deretter vil de to første elektronene okkupere den første orbitalen, de neste åtte vil være lokalisert i andre osv. Ved denne konsekvente endringen elektronisk struktur atomer fra grunnstoff til grunnstoff og bestemme mønstrene i deres kjemiske egenskaper.
Hvis elektroner var bosoner, kunne alle elektronene i et atom okkupere samme orbital, tilsvarende minimumsenergien. I dette tilfellet vil egenskapene til all materie i universet være helt annerledes, og universet i den formen vi vet det ville være umulig.
Alle leptoner - elektron, myon, tau lepton og deres tilsvarende nøytrinoer - er fermioner. Det samme kan sies om kvarker. Dermed er alle partikler som danner "materie", universets hovedfyllstoff, så vel som usynlige nøytrinoer, fermioner. Dette er ganske betydelig: fermioner kan ikke kombineres, så det samme gjelder gjenstander i den materielle verden.
Samtidig vil alle "gauge-partiklene" som utveksles mellom interagerende materialpartikler og som skaper et felt av krefter ( se ovenfor), er bosoner, noe som også er veldig viktig. Så for eksempel kan mange fotoner være i samme tilstand og danne et magnetfelt rundt en magnet eller et elektrisk felt rundt en elektrisk ladning. Takket være dette er laser også mulig.
Snurre rundt.
Forskjellen mellom bosoner og fermioner er assosiert med en annen egenskap ved elementærpartikler - snurre rundt. Overraskende nok har alle fundamentale partikler eget øyeblikk momentum eller, enklere sagt, rotere rundt sin akse. Momentum - karakteristisk rotasjonsbevegelse, samt den totale impulsen – translasjonell. I enhver interaksjon er vinkelmomentum og momentum bevart.
I mikrokosmos kvantiseres vinkelmomentet, dvs. tar diskrete verdier. I passende måleenheter har leptoner og kvarker et spinn på 1/2, og gauge-partikler har et spinn på 1 (bortsett fra gravitonen, som ennå ikke er observert eksperimentelt, men teoretisk sett burde ha et spinn på 2). Siden leptoner og kvarker er fermioner, og gauge-partikler er bosoner, kan vi anta at "fermionitet" er assosiert med spinn 1/2, og "bosonisitet" er assosiert med spinn 1 (eller 2). Faktisk bekrefter både eksperimentet og teorien at hvis en partikkel har et halvt heltallsspinn, så er det en fermion, og hvis den har et heltallsspinn, så er det et boson.
MÅLETEORIER OG GEOMETRI
I alle tilfeller oppstår kreftene på grunn av utveksling av bosoner mellom fermioner. Dermed oppstår fargekraften til interaksjon mellom to kvarker (kvarker - fermioner) på grunn av utveksling av gluoner. En lignende utveksling skjer konstant i protoner, nøytroner og atomkjerner. Tilsvarende skaper fotonene som utveksles mellom elektroner og kvarker de elektriske tiltrekningskreftene som holder elektronene i atomet, og de mellomvektorbosonene som utveksles mellom leptoner og kvarker skaper de svake interaksjonskreftene som er ansvarlige for å konvertere protoner til nøytroner kl. termonukleære reaksjoner i stjernene.
Teorien bak denne utvekslingen er elegant, enkel og sannsynligvis korrekt. Det kalles måle teori. Men for tiden er det bare uavhengige gauge-teorier om sterke, svake og elektromagnetiske interaksjoner og en lignende, men noe annerledes, måle-teori om tyngdekraften. Et av de viktigste fysiske problemene er reduksjonen av disse individuelle teoriene til en enkelt og samtidig enkel teori, der de alle skulle bli ulike aspekter en enkelt virkelighet - som kantene på en krystall.
| Tabell 3. NOEN HADRONER | ||||
| Partikkel | Symbol | Quark komposisjon * | Hvilemasse, MeV/ Med 2 | Elektrisk ladning |
| BARIONER | ||||
| Proton | s | uud | 938 | +1 |
| Nøytron | n | udd | 940 | 0 |
| Omega minus | W – | sss | 1672 | –1 |
| MESONER | ||||
| Pi-pluss | 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 komposisjon: u– toppen; d- Nedre; s- rar; c- fortryllet; b- Vakkert. Antikviteter er angitt med en linje over bokstaven. | ||||
Den enkleste og eldste av gauge-teoriene er gauge-teorien for elektromagnetisk interaksjon. I den blir ladningen til et elektron sammenlignet (kalibrert) med ladningen til et annet elektron fjernt fra det. Hvordan kan du sammenligne kostnader? Du kan for eksempel bringe det andre elektronet nærmere det første og sammenligne deres interaksjonskrefter. Men endres ikke ladningen til et elektron når det beveger seg til et annet punkt i rommet? Den eneste måten sjekker - send et signal fra et nært elektron til et fjernt og se hvordan det reagerer. Signalet er en målepartikkel – et foton. For å kunne teste ladningen på fjerne partikler trengs et foton.
Matematisk er denne teorien ekstremt nøyaktig og vakker. Fra "kalibreringsprinsippet" beskrevet ovenfor følger alt kvanteelektrodynamikk (kvanteteori elektromagnetisme), så vel som teorien elektromagnetisk felt Maxwell er en av de største vitenskapelige prestasjoner 1800-tallet
Hvorfor er et så enkelt prinsipp så fruktbart? Tilsynelatende uttrykker det en slags sammenheng forskjellige deler Universet, slik at det kan gjøres målinger i universet. I matematisk feltet tolkes geometrisk som krumningen av et eller annet tenkelig "indre" rom. Å måle ladning er å måle den totale "indre krumningen" rundt partikkelen. Gauge teorier om de sterke og svake interaksjoner skiller seg fra den elektromagnetiske gauge-teorien bare i den interne geometriske "strukturen" til den tilsvarende ladningen. Flerdimensjonale forskere prøver å svare på spørsmålet om hvor nøyaktig dette indre rommet befinner seg. enhetlige teorier felt som ikke dekkes her.
| Tabell 4. GRUNNLEGGENDE INTERAKSJONER | |||||
| Interaksjon | Relativ intensitet i en avstand på 10–13 cm | Handlingsradius | Interaksjonsbærer | Bærer hvilemasse, MeV/ Med 2 | Snurr bæreren |
| Sterk | 1 | Gluon | 0 | 1 | |
| elektro- magnetisk |
0,01 | Ґ | Foton | 0 | 1 |
| Svak | 10 –13 | W + | 80400 | 1 | |
| W – | 80400 | 1 | |||
| Z 0 | 91190 | 1 | |||
| Gravita- tional |
10 –38 | Ґ | Graviton | 0 | 2 |
Partikkelfysikk er ennå ikke fullført. Det er fortsatt langt fra klart om de tilgjengelige dataene er tilstrekkelige til å fullt ut forstå naturen til partikler og krefter, så vel som den sanne naturen og dimensjonen til rom og tid. Trenger vi eksperimenter med energier på 10 15 GeV for dette, eller vil tankeinnsatsen være tilstrekkelig? Ikke noe svar ennå. Men vi kan med sikkerhet si at det endelige bildet vil være enkelt, elegant og vakkert. Det er mulig at det ikke vil være så mange grunnleggende ideer: måleprinsippet, rom med høyere dimensjoner, kollaps og ekspansjon, og fremfor alt geometri.
Kan du kort og konsist svare på spørsmålet: "Hva er en elektrisk ladning?" Dette kan virke enkelt ved første øyekast, men i virkeligheten viser det seg å være mye mer komplisert.
Vet vi hva elektrisk ladning er?
Poenget er at på moderne nivå kunnskap, kan vi ennå ikke dekomponere konseptet "ladning" i enklere komponenter. Dette er et grunnleggende, så å si, primærbegrep.
Vi vet at dette er spesifikk eiendom elementærpartikler, mekanismen for interaksjon av ladninger er kjent, vi kan måle ladningen og bruke dens egenskaper.
Alt dette er imidlertid en konsekvens av data innhentet eksperimentelt. Naturen til dette fenomenet er fortsatt ikke klart for oss. Derfor kan vi ikke entydig fastslå hva en elektrisk ladning er.
For å gjøre dette er det nødvendig å pakke ut en hel rekke konsepter. Forklar mekanismen for interaksjon av ladninger og beskriv deres egenskaper. Derfor er det lettere å forstå hva uttalelsen betyr: " denne partikkelen har (bærer) en elektrisk ladning."
Tilstedeværelsen av en elektrisk ladning på en partikkel
Senere var det imidlertid mulig å fastslå at antallet elementærpartikler er mye større, og at protonet, elektronet og nøytronet ikke er udelelige og grunnleggende byggematerialer i universet. De kan selv dekomponere til komponenter og bli til andre typer partikler.
Derfor inkluderer navnet "elementærpartikkel" for tiden en ganske stor klasse av partikler som er mindre i størrelse enn atomer og atomkjerner. I dette tilfellet kan partikler ha en rekke egenskaper og kvaliteter.
Imidlertid kommer en slik egenskap som elektrisk ladning i bare to typer, som konvensjonelt kalles positiv og negativ. Tilstedeværelsen av en ladning på en partikkel er dens evne til å frastøte eller bli tiltrukket av en annen partikkel, som også bærer en ladning. Samhandlingsretningen avhenger av typen ladninger.
Lik ladninger frastøter, i motsetning til ladninger tiltrekker seg. I dette tilfellet er samhandlingskraften mellom ladninger veldig høy sammenlignet med gravitasjonskrefter, iboende i alle legemer i universet uten unntak.
I hydrogenkjernen, for eksempel, tiltrekkes et elektron som bærer en negativ ladning til en kjerne som består av et proton og som bærer en positiv ladning med en kraft som er 1039 ganger større enn kraften som det samme elektronet tiltrekkes av et proton på grunn av gravitasjon interaksjon.
Partikler kan ha en ladning eller ikke, avhengig av partikkeltypen. Det er imidlertid umulig å "fjerne" ladningen fra partikkelen, akkurat som eksistensen av en ladning utenfor partikkelen er umulig.
I tillegg til protonet og nøytronet har noen andre typer elementærpartikler en ladning, men bare disse to partiklene kan eksistere på ubestemt tid.
719. Loven om bevaring av elektrisk ladning
720. Leger med elektriske ladninger annet tegn, …
De er tiltrukket av hverandre.
721. Identiske metallkuler, ladet med motsatte ladninger q 1 = 4q og q 2 = -8q, ble brakt i kontakt og flyttet fra hverandre til samme avstand. Hver av ballene har en ladning
q 1 = -2q og q 2 = -2q
723.En dråpe med positiv ladning (+2e) mistet ett elektron når den ble belyst. Ladningen av dråpen ble lik
724. Identiske metallkuler ladet med ladninger q 1 = 4q, q 2 = - 8q og q 3 = - 2q ble brakt i kontakt og flyttet fra hverandre til samme avstand. Hver av ballene vil ha en ladning
q 1 = - 2q, q 2 = - 2q og q 3 = - 2q
725. Identiske metallkuler ladet med ladninger q 1 = 5q og q 2 = 7q ble brakt i kontakt og flyttet fra hverandre til samme avstand, og deretter ble den andre og tredje kulen med ladning q 3 = -2q brakt i kontakt og flyttet fra hverandre til samme avstand. Hver av ballene vil ha en ladning
q 1 = 6q, q 2 = 2q og q 3 = 2q
726. Identiske metallkuler ladet med ladninger q 1 = - 5q og q 2 = 7q ble brakt i kontakt og flyttet fra hverandre til samme avstand, og deretter ble den andre og tredje kulen med ladning q 3 = 5q brakt i kontakt og flyttet fra hverandre til samme avstand. Hver av ballene vil ha en ladning
q 1 = 1q, q 2 = 3q og q 3 = 3q
727. Det er fire identiske metallkuler med ladninger q 1 = 5q, q 2 = 7q, q 3 = -3q og q 4 = -1q. Først ble ladningene q 1 og q 2 (1. ladningssystem) brakt i kontakt og flyttet fra hverandre til samme avstand, og deretter ble ladningene q 4 og q 3 (2. ladningssystem) brakt i kontakt. Deretter tok de én ladning hver fra system 1 og 2 og brakte dem i kontakt og flyttet dem fra hverandre til samme avstand. Disse to ballene vil ha en ladning
728. Det er fire identiske metallkuler med ladninger q 1 = -1q, q 2 = 5q, q 3 = 3q og q 4 = -7q. Først ble ladningene q 1 og q 2 (1 ladningssystem) brakt i kontakt og flyttet fra hverandre til samme avstand, og deretter ble ladningene q 4 og q 3 (system 2 av ladninger) brakt i kontakt. Deretter tok de en ladning hver fra system 1 og 2 og brakte dem i kontakt og flyttet dem fra hverandre til samme avstand. Disse to ballene vil ha en ladning
729. Et atom har en positiv ladning
Kjerne.
730,8 elektroner beveger seg rundt kjernen til et oksygenatom. Antall protoner i kjernen til et oksygenatom er
731.Den elektriske ladningen til et elektron er
-1,6 · 10 -19 Cl.
732.Den elektriske ladningen til et proton er
1,6 · 10-19 Cl.
733. Kjernen til et litiumatom inneholder 3 protoner. Hvis 3 elektroner roterer rundt kjernen, da
Atomet er elektrisk nøytralt.
734. Det er 19 partikler i fluorkjernen, hvorav 9 er protoner. Antall nøytroner i kjernen og antall elektroner i et nøytralt fluoratom
Nøytroner og 9 elektroner.
735.Hvis i noen kropp antall protoner flere tall elektroner, deretter kroppen som helhet
Positivt ladet.
736. En dråpe med en positiv ladning på +3e mistet 2 elektroner under bestråling. Ladningen av dråpen ble lik
8,10-19 Cl.
737. En negativ ladning i et atom bærer
Shell.
738.Hvis et oksygenatom blir til et positivt ion, så blir det
Mistet et elektron.
739.Har stor masse
Negativt ion hydrogen.
740. Som et resultat av friksjon ble 5·10 10 elektroner fjernet fra overflaten av en glassstav. Elektrisk ladning på en pinne
(e = -1,6 10 -19 C)
8,10-9 Cl.
741. Som et resultat av friksjon mottok ebonittstaven 5·10 10 elektroner. Elektrisk ladning på en pinne
(e = -1,6 10 -19 C)
-8·10-9 Cl.
742.Styrke Coulomb interaksjon topunkts elektriske ladninger når avstanden mellom dem reduseres med 2 ganger
Vil øke 4 ganger.
743. Kraften til Coulomb-interaksjonen til topunkts elektriske ladninger når avstanden mellom dem reduseres med 4 ganger
Vil øke 16 ganger.
744.Topunkts elektriske ladninger virker på hverandre i henhold til Coulombs lov med en kraft på 1N. Hvis avstanden mellom dem økes med 2 ganger, vil kraften til Coulomb-interaksjonen til disse ladningene bli lik
745.To punktladninger virker på hverandre med en kraft på 1N. Hvis størrelsen på hver ladning økes med 4 ganger, vil styrken til Coulomb-interaksjonen bli lik
746. Samhandlingskraften mellom to punktladninger er 25 N. Hvis avstanden mellom dem reduseres med 5 ganger, vil samhandlingskraften til disse ladningene bli lik
747. Kraften til Coulomb-vekselvirkningen til to punktladninger når avstanden mellom dem øker med 2 ganger
Vil reduseres med 4 ganger.
748. Kraften til Coulomb-vekselvirkningen til topunkts elektriske ladninger når avstanden mellom dem øker med 4 ganger
Vil reduseres med 16 ganger.
749. Formel for Coulombs lov
.
750. Hvis 2 identiske metallkuler med ladninger +q og +q bringes i kontakt og flyttes fra hverandre til samme avstand, vil modulen til interaksjonskraften
Vil ikke endre seg.
751. Hvis 2 identiske metallkuler med ladninger +q og -q, bringes kulene i kontakt og flyttes fra hverandre til samme avstand, vil samhandlingskraften
Blir lik 0.
752.To ladninger samhandler i luften. Hvis de plasseres i vann (ε = 81), uten å endre avstanden mellom dem, vil kraften til Coulomb-interaksjonen
Vil reduseres med 81 ganger.
753. Samhandlingskraften mellom to ladninger på 10 nC hver, plassert i luften i en avstand på 3 cm fra hverandre, er lik
(
)
754. Ladninger på 1 µC og 10 nC samhandler i luft med en kraft på 9 mN på avstand
()
755. To elektroner plassert i en avstand på 3·10 -8 cm fra hverandre frastøter med en kraft ( ; e = - 1,6 10 -19 C)
2,56·10 -9 N.
756. Når avstanden fra ladningen øker med 3 ganger, vil spenningsmodulen elektrisk felt
Vil redusere med 9 ganger.
757. Feltstyrken ved et punkt er 300 N/C. Hvis ladningen er 1·10 -8 C, så er avstanden til punktet
()
758. Hvis avstanden fra en punktladning som skaper et elektrisk felt øker 5 ganger, vil den elektriske feltstyrken
Vil reduseres med 25 ganger.
759. Feltstyrken til en punktladning ved et bestemt punkt er 4 N/C. Hvis avstanden fra ladningen dobles, vil spenningen bli lik
760. Angi formelen for den elektriske feltstyrken i det generelle tilfellet.
761. Matematisk notasjon av prinsippet om superposisjon av elektriske felt
762. Angi formelen for intensiteten til en elektrisk punktladning Q
.
763. Elektrisk feltstyrkemodul på punktet hvor ladningen er lokalisert
1·10 -10 C er lik 10 V/m. Kraften som virker på ladningen er lik
1·10 -9 N.
765. Hvis en ladning på 4·10 -8 C er fordelt på overflaten av en metallkule med en radius på 0,2 m, vil ladningstettheten
2,5·10 -7 C/m2.
766.I et vertikalt rettet ensartet elektrisk felt er det en støvflekk med en masse på 1·10 -9 g og en ladning på 3,2·10-17 C. Hvis tyngdekraften til et støvkorn balanseres av styrken til det elektriske feltet, er feltstyrken lik
3·105 N/Cl.
767. Ved de tre toppunktene til et kvadrat med en side på 0,4 m er det identiske positive ladninger på 5·10 -9 C hver. Finn spenningen ved det fjerde toppunktet
() 540 N/Cl.
768. Hvis to ladninger er 5·10 -9 og 6·10 -9 C, slik at de frastøter med en kraft på 12·10 -4 N, så er de på avstand
768. Hvis modulen til en punktladning reduseres med 2 ganger og avstanden til ladningen reduseres med 4 ganger, vil den elektriske feltstyrken ved et gitt punkt
Vil øke 8 ganger.
Minker.
770. Produktet av elektronladningen og potensialet har dimensjonen
Energi.
771. Potensialet ved punkt A i det elektriske feltet er 100V, potensialet ved punkt B er 200V. Arbeidet utført av de elektriske feltkreftene når en ladning på 5 mC flyttes fra punkt A til punkt B er lik
-0,5 J.
772. En partikkel med ladning +q og masse m, lokalisert ved punkter i et elektrisk felt med intensitet E og potensial, har akselerasjon
773. Et elektron beveger seg i et jevnt elektrisk felt langs en spenningslinje fra et punkt med stort potensial til et punkt med mindre potensial. Hastigheten er
Økende.
774. Et atom som har ett proton i kjernen mister ett elektron. Dette skaper
Hydrogenion.
775. Et elektrisk felt i et vakuum skapes av fire punkter positive ladninger, plassert i hjørnene av firkanten med side a. Potensialet i sentrum av torget er
776. Hvis avstanden fra en punktladning reduseres med 3 ganger, så er feltpotensialet
Vil øke 3 ganger.
777. Når en elektrisk punktladning q beveger seg mellom punkter med en potensialforskjell på 12 V, utføres 3 J arbeid. I dette tilfellet flyttes ladningen
778.Lading q flyttet fra punkt elektrostatisk felt til et punkt med potensial. Med hvilken av følgende formler:
1) 
2) ; 3) 
du kan finne arbeid flytte ladning.
779. I et jevnt elektrisk felt med styrke 2 N/C beveger en ladning på 3 C seg langs feltlinjene i en avstand på 0,5 m. Arbeidet som utføres av de elektriske feltkreftene for å flytte ladningen er lik
780.Det elektriske feltet er skapt av fire punkter i motsetning til ladninger plassert ved toppunktene til en firkant med side a. Som avgifter er inne motsatte hjørner. Potensialet i sentrum av torget er
781. Potensiell forskjell mellom punkter som ligger på samme høyspentlinje i en avstand på 6 cm fra hverandre, er lik 60 V. Hvis feltet er jevnt, er dets styrke
782.Enhet for potensialforskjell
1 V = 1 J/1 C.
783. La ladningen bevege seg i et jevnt felt med intensitet E = 2 V/m langs en feltlinje på 0,2 m Finn forskjellen mellom disse potensialene.
U = 0,4 V.
784.Ifølge Plancks hypotese, absolutt svart kropp avgir energi
I porsjoner.
785. Fotonenergi bestemmes av formelen
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 til et kvante har doblet seg, så frekvensen til strålingen
økt med 2 ganger.
787.Hvis fotoner med en energi på 6 eV faller på overflaten av en wolframplate, er den maksimale kinetiske energien til elektronene slått ut av dem 1,5 eV. Minimum fotonenergi som den fotoelektriske effekten er mulig ved er for wolfram lik:
788. Følgende utsagn er riktig:
1. Hastigheten til et foton er større enn lysets hastighet.
2. Hastigheten til et foton i et hvilket som helst stoff er mindre enn lysets hastighet.
3. Hastigheten til et foton er alltid lik lysets hastighet.
4. Hastigheten til et foton er større enn eller lik lysets hastighet.
5. Hastigheten til et foton i ethvert stoff er mindre enn eller lik lysets hastighet.
789.Strålingsfotoner har en stor impuls
Blå.
790. Når temperaturen på en oppvarmet kropp synker, er den maksimale strålingsintensiteten
©2015-2019 nettsted
Alle rettigheter tilhører deres forfattere. Dette nettstedet krever ikke forfatterskap, men tilbyr gratis bruk.
Opprettelsesdato for siden: 2016-02-13
Elementær partikkel- den minste, udelelige, strukturløse partikkelen.
GRUNNLEGGENDE OM ELEKTRODYNAMIKK
Elektrodynamikk– en gren av fysikk som studerer elektromagnetiske interaksjoner. Elektromagnetiske interaksjoner– interaksjoner mellom ladede partikler. De viktigste studieobjektene i elektrodynamikk er elektriske og magnetiske felt skapt av elektriske ladninger og strømmer.
Emne 1. Elektrisk felt (elektrostatikk)
Elektrostatikk – en gren av elektrodynamikk som studerer samspillet mellom stasjonære (statiske) ladninger.
Elektrisk ladning.
Alle kropper er elektrifisert.
Å elektrifisere en kropp betyr å gi den en elektrisk ladning.
Elektrifiserte kropper samhandler - de tiltrekker og frastøter.
Jo mer elektrifiserte kroppene er, jo sterkere samhandler de.
Elektrisk ladning er fysisk mengde, som karakteriserer egenskapen til partikler eller kropper til å gå inn i elektromagnetiske interaksjoner og er et kvantitativt mål på disse interaksjonene.
Helheten av alle kjente eksperimentelle fakta tillater oss å lage følgende konklusjoner:
· Det finnes to typer elektriske ladninger, konvensjonelt kalt positive og negative.
· Ladninger eksisterer ikke uten partikler
· Ladninger kan overføres fra en kropp til en annen.
· I motsetning til kroppsmasse, er ikke elektrisk ladning en integrert egenskap ved en gitt kropp. Den samme kroppen ulike forhold kan ha en annen kostnad.
· Elektrisk ladning avhenger ikke av valget av referansesystem den måles i. Elektrisk ladning er ikke avhengig av hastigheten til ladebæreren.
· Like ladninger frastøter, i motsetning til ladninger tiltrekker seg.
SI-enhet - anheng
En elementær partikkel er den minste, udelelige, strukturløse partikkelen.
For eksempel, i et atom: elektron ( , proton ( , nøytron ( .
En elementær partikkel kan ha en ladning eller ikke: , ,
Elementær ladning-ladningen som tilhører en elementarpartikkel er den minste, udelelige.
Elementær ladning – elektronladningsmodul.
Ladningene til et elektron og et proton er numerisk like, men motsatt i fortegn:
Elektrifisering av karosserier.
Hva betyr "en makroskopisk kropp er ladet"? Hva bestemmer ladningen til enhver kropp?
Alle legemer er laget av atomer, som inkluderer positivt ladede protoner, negativt ladede elektroner og nøytrale partikler - nøytroner . Protoner og nøytroner er en del av atomkjerner, dannes elektroner elektronskall atomer.
I et nøytralt atom er antall protoner i kjernen lik antall elektroner i skallet.
Makroskopiske legemer som består av nøytrale atomer er elektrisk nøytrale.
Atom av dette stoffet kan miste ett eller flere elektroner eller få et ekstra elektron. I disse tilfellene blir det nøytrale atomet til et positivt eller negativt ladet ion.
Elektrifisering av karosserier– prosessen med å skaffe elektrisk ladede legemer fra elektrisk nøytrale.
Kroppene blir elektrifiserte ved kontakt med hverandre.
Ved kontakt går en del av elektronene fra en kropp over til en annen, begge kropper blir elektrifisert, d.v.s. motta ladninger lik i størrelse og motsatt i fortegn:
et "overskudd" av elektroner sammenlignet med protoner skaper en "-" ladning i kroppen;
"Mangelen" på elektroner sammenlignet med protoner skaper en "+" ladning i kroppen.
Ladningen til enhver kropp bestemmes av antall overflødige eller utilstrekkelige elektroner sammenlignet med protoner.
Ladning kan overføres fra en kropp til en annen bare i deler som inneholder et heltall av elektroner. Dermed er den elektriske ladningen til kroppen diskret mengde, et multiplum av elektronladningen:
Med ordene "elektrisitet", "elektrisk ladning", " elektrisitet«Du har møttes mange ganger og klart å venne deg til dem. Men prøv å svare på spørsmålet: "Hva er en elektrisk ladning?" – og du vil se at det ikke er så enkelt. Faktum er at begrepet ladning er et grunnleggende, primært begrep som ikke kan reduseres på det nåværende utviklingsnivået av vår kunnskap til noen enklere, elementære begreper.
La oss først prøve å finne ut hva som menes med en uttalelse: gitt kropp eller partikkelen har en elektrisk ladning.
Du vet at alle legemer er bygget av bittesmå partikler, udelelige til enklere (så vidt vitenskapen nå vet) partikler, som derfor kalles elementære. Alle elementærpartikler har masse og på grunn av dette tiltrekkes de av hverandre i henhold til loven universell gravitasjon med en kraft som avtar relativt sakte når avstanden mellom dem øker, omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden. De fleste elementærpartikler, selv om ikke alle, har også evnen til å samhandle med hverandre med en kraft som også avtar i omvendt proporsjon med kvadratet på avstanden, men denne kraften er et stort antall ganger større enn tyngdekraften. Så. i hydrogenatomet, vist skjematisk i figur 91, tiltrekkes elektronet til kjernen (protonet) med en kraft 101" ganger større enn gravitasjonskraften.
Hvis partiklene samhandler med hverandre med krefter som sakte avtar med økende avstand og er mange ganger større enn tyngdekreftene, så sies disse partiklene å ha en elektrisk ladning. Selve partiklene kalles ladede. Det er partikler uten en elektrisk ladning, men det er ingen elektrisk ladning uten en partikkel.
Interaksjoner mellom ladede partikler kalles elektromagnetiske. Elektrisk ladning er en fysisk størrelse som bestemmer intensiteten elektromagnetiske interaksjoner, akkurat som masse bestemmer intensiteten av gravitasjonsinteraksjoner.
Den elektriske ladningen til en elementær partikkel er ikke en spesiell "mekanisme" i partikkelen som kan fjernes fra den, dekomponeres til dens komponentdeler og settes sammen igjen. Tilstedeværelsen av en elektrisk ladning på et elektron og andre partikler betyr bare eksistensen
visse kraftinteraksjoner mellom dem. Men vi vet i hovedsak ingenting om ladning hvis vi ikke kjenner lovene for disse interaksjonene. Kunnskap om lovene for interaksjoner bør inkluderes i våre ideer om ladning. Disse lovene er ikke enkle, det er umulig å si dem med noen få ord. Dette er grunnen til at det er umulig å gi en tilstrekkelig tilfredsstillende kort definisjon hva en elektrisk ladning er.
To tegn på elektriske ladninger. Alle kropper har masse og tiltrekker seg derfor hverandre. Ladede kropper kan både tiltrekke og frastøte hverandre. Dette det viktigste faktum, kjent for deg fra fysikkkurs VII klasse, betyr at det i naturen finnes partikler med elektriske ladninger med motsatte fortegn. På identiske tegn partikler frastøter hverandre, men når de er forskjellige, tiltrekker de hverandre.
Ladningen til elementærpartikler - protoner, som er en del av alle atomkjerner, kalles positive, og ladningen til elektroner kalles negative. Mellom positiv og negative ladninger det er ingen interne forskjeller. Hvis tegnene til partikkelladningene ble reversert, ville ikke naturen til elektromagnetiske interaksjoner endret seg i det hele tatt.
Elementær ladning. I tillegg til elektroner og protoner finnes det flere andre typer ladede elementærpartikler. Men bare elektroner og protoner kan eksistere i en fri tilstand på ubestemt tid. Resten av de ladede partiklene lever mindre enn en milliondels sekund. De er født under kollisjoner av raske elementærpartikler og, etter å ha eksistert i ubetydelig kort tid, forfaller de og blir til andre partikler. Du vil bli kjent med disse partiklene i klasse X.
Nøytroner er partikler som ikke har en elektrisk ladning. Massen er bare litt større enn massen til et proton. Nøytroner er sammen med protoner en del av atomkjernen.
Hvis en elementær partikkel har en ladning, er verdien, som mange eksperimenter har vist, strengt tatt bestemt (ett av slike eksperimenter - eksperimentet til Millikan og Ioffe - ble beskrevet i en lærebok for klasse VII)
Finnes minimumsavgift, kalt elementær, som alle ladede elementærpartikler besitter. Ladningene til elementærpartikler skiller seg bare i tegn. Det er umulig å skille deler av ladningen, for eksempel fra et elektron.