Файл: Учебник Трофимова Курс физики.doc

Элементарным частицам, относящимся к труппе лептонов, приписывают так называемое лептонное число (лептонный заряд) L. Обычно принимают, что L=+1 для лептонов (е^–, ^–, ^–, _e, _, _), L=–1 для антилептонов (е⁺, ⁺, ⁺, , , ) и L=0 для всех остальных элементарных частиц. Введение L позволяет сформулировать закон сохрания лептонного числа: в замкнутой системе при всех без исключения процессах взаимопревращаемости элементарных частиц лептонное число сохраняется.

Теперь понятно, почему при распаде (258.1) нейтральная частица названа антинейтрино, а при распаде (263.1) — нейтрино. Taк как у электрона и нейтрино L= +1, а у позитрона и антинейтрино L= –1, то закон сохранения лептонного числа выполняется лишь при условии, что антинейтрино возникает вместе с электроном, а нейтрино — с позитроном.

Основную часть элементарных частиц составляют адроны. К группе адронов относятся пионы, каоны, -мезон, нуклоны, гипероны, а также их античастицы (в табл. 8 приведены не все адроны).

Адронам приписывают барионное число (барионный заряд) В. Адроны с В=0 образуют подгруппу мезонов (пионы, каоны, -мезон), а адроны с В= +1 образуют подгруппу барионов (от греч. «барис» — тяжелый; сюда относятся нуклоны и гипероны). Для лептонов и фотона В=0. Если принять для барионов В=+1, для антибарионов (антинуклоны, автигипероны) В=–1, а для всех остальных частиц В=0, то можно сформулировать закон сохранения барионного числа: в замкнутой системе при всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц барионное число сохраняется.

Из закона сохранения барионного числа следует, что при распаде бариона наряду с другими частицами обязательно образуется барион. Примерами сохранения барионного числа являются реакции (273.1)—(273.5). Барионы имеют спин, равный ½ (только спин ^–-гиперона равен ³/₂), т. е. барионы, как и лептоны, являются фермионами.

Странность S для различных частиц подгруппы барионов имеет разные значения (см. табл. 8).

Мезоны имеют спин, равный нулю, и, следовательно, являются бозонами (см. § 226), подчиняясь статистике Бозе — Эйнштейна (см. § 235). Для мезонов лептонные и барионные числа равны нулю. Из подгруппы мезонов только каоны обладают S=+1, а пионы и -мезоны имеют нулевую странность.

Подчеркнем еще раз, что для процессов взаимопревращаемости элементарных частиц, обусловленных сильными взаимодействиями, выполняются все законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса, зарядов (электрического, лептонного и барионного), изоспина, странности и четности). В процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями, не сохраняются только изоспин, странность и четность.

В последние годы увеличение числа элементарных частиц происходит в основном вследствие расширения группы адронов.

Поэтому развитие работ по их классификации все время сопровождалось поисками новых, более фундаментальных частиц, которые могли бы служить базисом для построения всех адронов. Гипотеза о существовании таких частиц, названных кварками, была высказана независимо друг от друга (1964) австрийским физиком Дж. Цвейгом (р. 1937) и Гелл-Манном.

Название «кварк» заимствовано из романа ирландского писателя Дж. Джойса «Поминки по Финнегану» (герою снится сон, в котором чайки кричат: «Три кварка для мастера Марка»).

Согласно модели Гелл-Манна — Цвейга, все известные в то время адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков (и, d, s) и соответствующих антикварков (, , ), если им приписать характеристики, указанные в табл. 9 (в том числе дробные электрические и барионные заряды). Самое удивительное (почти невероятное) свойство кварков связано с их электрическим зарядом, поскольку еще никто не находил частицы с дробным значением элементарного электрического заряда. Спин кварка равен ½, поскольку только из фермионов можно «сконструировать» как фермионы (нечетное число фермионов), так и бозоны (четное число фермионов).

Адроны строятся из кварков следующим образом: мезоны состоят из пары кварк — антикварк, барионы — из трех кварков (антибарион — из трех антикварков). Так, например, пион ⁺ имеет кварковую структуру , пион ^– — , каон К⁺ — , протон — uud, нейтрон — udd, ⁺-гиперон — uus, ⁰-гиперон — uds и т. д.

Во избежание трудностей со статистикой (некоторые бариоиы, например ^–-гиперон, состоят из трех одинаковых кварков (sss), что запрещено принципом Паули; см. § 227) на данном этапе предполагают, что каждый кварк (антикварк) обладает специфической квантовой характеристикой — —цветом: «желтым», «синим» и «красным». Тогда, если кварки имеют неодинаковую «окраску», принцип Паули не нарушается.

Углубленное изучение модели Гелл-Манна — Цвейга, а также открытие в 1974 г. истинно нейтрального джей-пси-мезона (J/) массой около 6000m_e со временем жизни примерно 10^–20 с и спином, равным единице, привело к введению нового кварка — так называемого с-кварка и новой сохраняющейся величины — «очарования» (от англ. charm).

Подобно странности и четности, очарование сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых. Закон сохранения очарования объясняет относительно долгое время жизни J/-мезона. Основные характеристики с-кварка приведены в табл. 9.

Таблица 9

Частице J/ приписывается кварковая структура сс. Структура называется чармонием — атомоподобная система, напоминающая позитроний (связанная водородоподобная система, состоящая из электрона и позитрона, движущихся вокруг общего центра масс).

Кварковая модель оказалась весьма плодотворной, она позволила определить почти все основные квантовые числа адронов. Например, из этой модели, поскольку спин кварков равен ½ следует целочисленный (нулевой) спин для мезонов и полуцелый — для барионов в полном соответствии с экспериментом. Кроме того, эта модель позволила предсказать также и новые частицы, например ^–-гиперон. Однако при использовании этой модели возникают и трудности. Кварковая модель не позволяет, например, определить массу адронов, поскольку для этого необходимо знание динамики взаимодействия кварков и их масс, которые пока неизвестны.

В настоящее время признана точка зрения, что между лептонами и кварками существует симметрия: число лептонов должно быть равно числу типов кварков. В 1977 г. был открыт сверхтяжелый мезон массой около 20 000m_e, который представляет собой структуру из кварка и антикварка нового типа — b-кварка (является носителем сохраняющейся в сильных взаимодействиях величины, названной «прелестью» (от англ. beauty)). Заряд b-кварка равен – ¹/₃. Предполагается, что существует и шестой кварк t с зарядом + ²/₃, который уже решено назвать истинным (от англ. truth — истина), подобно тому как с-кварк называют очарованным, b-кварк — прелестным. В физике элементарных частиц введен «аромат» — характеристика типа кварка (и, d, s, с, b, t?), объединяющая совокупность квантовых чисел (странность, очарование, прелесть и др.), отличающих один тип кварка от другого, кроме цвета. Аромат сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Является ли схема из шести лептонов и шести кварков окончательной или же число лептонов (кварков) будет расти, покажут дальнейшие исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, изложение курса физики закончено. Начав его детальное изучение с физических основ механики, мы последовательно рассмотрели основы молекулярной физики и термодинамики, учение об электричестве и электромагнетизме, колебания и волны, оптику, элементы квантовой физики и физики твердого тела, физики ядра и элементарных частиц. Приведенный перечень разделов, изложенных в курсе, позволяет проследить логику развития физики и эволюцию ее идей, а также представить основные периоды и этапы ее становления.

Со времени выхода в свет труда И. Ньютона «Математические начала натуральной философии» (1687), в котором он сформулировал три основных закона механики и закон всемирного тяготения, прошло более трехсот лет. За это время физика прошла путь от макроскопического уровня изучения явлений до исследования материи на уровне элементарных частиц.

Однако, несмотря на огромные успехи, которых физика достигла за это время и особенно в XX столетии, современная физика и астрофизика стоят перед целым рядом нерешенных проблем.

Например, проблемы физики плазмы — разработка методов разогрева плазмы до примерно 10⁹ К и ее удержание в течение времени, достаточного для протекания термоядерной реакции; квантовой электроники — существенное повышение к.п.д. лазеров, расширение диапазона длин волн лазерного излучения с плавной перестройкой по частоте и т. д.; физики твердого тела — получение материалов с наперед заданными свойствами и, в частности, с экстремальными параметрами по большому «спектру» характеристик, создание высокотемпературных сверхпроводников и т. д.; физики атомного ядра — осуществление управляемого термоядерного синтеза, поиск долгоживущих элементов с Z = 114126, предсказанных теорией, построение теории сильных взаимодействий и т.д.; физики элементарных частиц — доказательство реальности существования кварков и глюонов (частиц, осуществляющих взаимодействие между кварками), построение квантовой теории тяготения и т. д.; астрофизики — природа квазаров (мощных внегалактических источников электромагнитного излучения), причины вспышек сверхновых звезд, состояние материи при огромных плотностях и давлениях внутри нейтронных звезд и т.д. Поставленные проблемы требуют дальнейшего разрешения.

ОГЛАВЛЕНИЕ

§ 78. Закон Кулона 116

В СИ коэффициент пропорциональности равен 116

Как следует из формул (79.1) и (78.1), напряженность поля точечного заряда в вакууме 117

Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора Е сквозь эту поверхность 117

§ 80. Принцип суперпозиции электростатических полей. Поле диполя 118

Согласно принципу суперпозиции (80.2), напряженность Е поля диполя в произвольной точке 119

1. Напряженность поля на продолжении оси диполя в точке А (рис. 123). Как видно из рисунка, напряженность поля диполя в точке А направлена по оси диполя и по модулю равна 119

Согласно определению диполя, l/2<<r, поэтому 119

2. Напряженность поля на перпендикуляре, восставленном к оси из его середины, в точке В (рис. 123). Точка В равноудалена от зарядов, поэтому 119

Подставив в выражение (80.5) значение (80.4), получим 119

§ 81. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме 119

§ 83. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля 123

Так как d/cos=dr, то 123

Работа при перемещении заряда Q₀ из точки 1 в точку 2 123

§ 84. Потенциал электростатического поля 124

Из формул (84.4) и (84.2) следует, что потенциал поля, создаваемого точечным зарядом Q, равен 124

Работа сил поля при перемещении заряда Q₀ из точки 1 в точку 2 может быть записана также в виде 125

Из определения градиента (12.4) и (12.6) следует, что 125

§ 87. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков 127

§ 88. Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике 128

Безразмерная величина 129

§ 88. Электрическое смещение. Теореме Гаусса для электростатического поля в диэлектрике 129

Используя формулы (88.6) и (88.2), вектор электрического смещения можно выразить как 129

Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора D сквозь эту поверхность 130

Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике: 130

§ 90. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред 130

Заменив, согласно (89.1), проекции вектора Е проекциями вектора D, деленными на ₀, получим 131

Заменив, согласно (89.1), проекции вектора D проекциями вектора Е, умноженными на ₀, получим 131

§ 91. Сегнетоэлектрики 131

§ 92. Проводники в электростатическом поле 133

Величину 135

Используя формулу (93.1), получим, что емкость шара 135

§ 94. Конденсаторы 135

Подставив (94.6) в (94.1), получим 136

Полная емкость батареи 137

Чтобы зарядить тело от нулевого потенциала до , необходимо совершить работу 138

Задачи 139

Глава 12 Постоянный электрический ток 140

§ 97. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение 141

Сторонняя сила F_ст, действующая на заряд Q₀, может быть выражена как 141

Работа, совершаемая результирующей силой над зарядом Q₀ на участке 1—2, равна 141

Используя выражения (97.3) и (84.8), можем записать 141

§ 98. Закон Ома. Сопротивление проводников 142

Если сопротивление проводника R, то, используя закон Ома (98.1), получим 143

Из (99.1) и (99.2) следует, что мощность тока 143

Таким образом, используя выражения (99.4), (99.1) и (99.2), получим 143

Используя дифференциальную форму закона Ома (j=Е) и соотношение =1/, получим 144

§ 100. Закон Ома для неоднородного участка цепи 144

Из формул (100.1) и (100.2) получим 144

Учебное издание

Трофимова Таисия Ивановна

КУРС ФИЗИКИ

Редактор

Г. Н. Чернышева

Художественный редактор

Ю. Э. Иванова

Художник

В. А. Маслов

Технический редактор

Л. А. Овчинникова

Корректор

Г. И. Кострикова

Оператор

С. Р. Луковенкова

ЛР № 010146 от 25.12.96. Изд. № ФМ-217

Подписано в печать с готовых диапозитивов

20.03.2000. Формат 70xl00¹/₁₆. Бум. газетная

Гарнитура «Литературная». Печать офсетная

Объем: 44,20 усл. печ. л., 44,20 усл. кр.-отт., 43,41

уч.-изд. л. Тираж 10000 экз. Заказ № 60

ГУП «Издательство «Высшая школа», 101430,

Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14

Факс: 200-03-01, 200-06-87

E-mail: V-Shkola@g23.relcom.ru http://www.v-shkola.ru

Набрано на персональном компьютере издательства

Отпечатано с готовых диапозитивов

в ГУП ИПК «Ульяновский Дом печати», 432601,

г. Ульяновск, ул. Гончарова, 14

Трофимова Т. И.

Т70 Курс физики: Учеб. пособие для вузов. — 7-е изд., стер. — М.: Высш. шк., 2001. — 542 с.: ил.

ISBN 5-06-003634-0

Курс отвечает программе по физике для студентов инженерно-технических специальностей вузов. Он состоит из семи частей, в которых излагаются физические основы механики, молекулярной физики и термодинамики, электричества и магнетизма, оптики, квантовой физики атомов, молекул и твердых тел, физики атомного ядра и элементарных частиц. Рационально решен вопрос об объединении механических и электромагнитных колебаний. Устанавливается логическая преемственность и связь между классической и современной физикой. Приведены контрольные вопросы и задачи для самостоятельного решения.

Шестое издание вышло в 2000 г.

Для студентов инженерно-технических специальностей высших учебных заведений.

УДК 53

ББК 22.3

Смотрите также файлы

методичка по ЕС3.doc

Методичка по философии.doc

Психогимнастика в тенинге (Хрящева).doc

ftiziatrija-0003.doc

ftiziatrija-0004.doc

Файл: Учебник Трофимова Курс физики.doc

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Смотрите также файлы

Информация

Списки файлов

Дополнительно