Una mayor penetración en las profundidades del micromundo está asociada con la transición del nivel de los átomos al nivel de las partículas elementales. Como la primera partícula elemental en finales del XIX v. Se descubrió el electrón, y luego en las primeras décadas del siglo XX. – fotón, protón, positrón y neutrón.

Después de la Segunda Guerra Mundial, gracias al uso de modernas tecnologías experimentales y, sobre todo, de potentes aceleradores, en los que se crean condiciones de altas energías y enormes velocidades, se estableció la existencia de un gran número de partículas elementales, más de 300. Entre ellas los hay tanto descubiertos experimentalmente como calculados teóricamente, incluidas resonancias, quarks y partículas virtuales.

Término partícula elemental Originalmente se refería a las partículas más simples y no descomponibles que subyacen a cualquier formación material. Más tarde, los físicos se dieron cuenta de toda la convención del término "elemental" en relación con los microobjetos. Ahora no hay duda de que las partículas tienen una estructura particular, pero, sin embargo, el nombre históricamente establecido sigue existiendo.

Las principales características de las partículas elementales son masa, carga, vida media, espín y números cuánticos.

Masa en reposo Las partículas elementales se determinan en relación con la masa en reposo del electrón. partículas elementales, sin masa en reposo, – fotones. Las partículas restantes según este criterio se dividen en leptones– partículas ligeras (electrones y neutrinos); mesones– partículas de tamaño mediano con masas comprendidas entre uno y mil electrones; bariones– partículas pesadas cuya masa supera las mil masas de electrones y que incluyen protones, neutrones, hiperones y muchas resonancias.

carga electrica es otra característica importante de las partículas elementales. Todas las partículas conocidas tienen carga positiva, negativa o nula. Cada partícula, excepto el fotón y dos mesones, corresponde a antipartículas con cargas opuestas. Alrededor de 1963-1964 se planteó una hipótesis sobre la existencia quarks– partículas con carga eléctrica fraccionada. Esta hipótesis aún no ha sido confirmada experimentalmente.

Por vida las partículas se dividen en estable Y inestable . Hay cinco partículas estables: el fotón, dos tipos de neutrinos, el electrón y el protón. Son las partículas estables las que juegan papel vital en la estructura de los macrocuerpos. Todas las demás partículas son inestables, existen durante aproximadamente 10 -10 -10 -24 s, después de lo cual se desintegran. Las partículas elementales con una vida media de 10–23–10–22 s se denominan resonancias. Debido a su corta vida, se desintegran incluso antes de abandonar el átomo o el núcleo atómico. Los estados resonantes se calcularon teóricamente; no pudieron detectarse en experimentos reales.

Además de la carga, la masa y la vida útil, las partículas elementales también se describen mediante conceptos que no tienen análogos en la física clásica: el concepto atrás . El espín es el momento angular intrínseco de una partícula que no está asociado con su movimiento. El giro se caracteriza por número cuántico de espín s, que puede tomar valores enteros (±1) o semienteros (±1/2). Partículas con espín entero – bosones, con un medio entero – fermiones. Los electrones se clasifican como fermiones. Según el principio de Pauli, un átomo no puede tener más de un electrón con el mismo conjunto de números cuánticos. norte,metro,yo,s. Los electrones, que corresponden a funciones de onda con el mismo número n, tienen una energía y una forma muy parecidas en el átomo. capa de electrones. Las diferencias en el número l determinan la “subcapa”, los números cuánticos restantes determinan su llenado, como se mencionó anteriormente.

En las características de las partículas elementales hay otra idea importante. interacciones. Como se señaló anteriormente, se conocen cuatro tipos de interacciones entre partículas elementales: gravitacional,débil,electromagnético Y fuerte(nuclear).

Todas las partículas que tienen masa en reposo ( metro 0), participan en la interacción gravitacional y los cargados también participan en la interacción electromagnética. Los leptones también participan en interacciones débiles. Los hadrones participan en las cuatro interacciones fundamentales.

Según la teoría cuántica de campos, todas las interacciones se llevan a cabo debido al intercambio. partículas virtuales , es decir, partículas cuya existencia sólo puede juzgarse indirectamente, por algunas de sus manifestaciones a través de algunos efectos secundarios ( partículas reales se puede grabar directamente utilizando instrumentos).

Resulta que los cuatro tipos conocidos de interacciones (gravitatorias, electromagnéticas, fuertes y débiles) tienen una naturaleza calibre y se describen mediante simetrías calibre. Es decir, todas las interacciones se hacen, por así decirlo, “desde el mismo espacio en blanco”. Esto nos da la esperanza de que será posible encontrar "la única llave de todas las cerraduras conocidas" y describir la evolución del Universo desde un estado representado por un único supercampo supersimétrico, desde un estado en el que las diferencias entre los tipos de interacciones, entre todo tipo de partículas de materia y cuantos de campo aún no han aparecido.

existe gran número Formas de clasificar partículas elementales. Por ejemplo, las partículas se dividen en fermiones (partículas de Fermi), partículas de materia y bosones (partículas de Bose), cuantos de campo.

Según otro enfoque, las partículas se dividen en 4 clases: fotones, leptones, mesones y bariones.

fotones (cuantos de campo electromagnético) participan en interacciones electromagnéticas, pero no tienen interacciones fuertes, débiles o gravitacionales.

leptones obtuvo su nombre de palabra griega yoeptos- fácil. Estas incluyen partículas que no tienen interacción fuerte: muones (μ – , μ +), electrones (е – , у +), neutrinos electrónicos (v e – ,v e +) y neutrinos muónicos (v – m, v + m). Todos los leptones tienen un espín de ½ y por tanto son fermiones. Todos los leptones tienen una interacción débil. Los que tienen carga eléctrica (es decir, muones y electrones) también tienen fuerza electromagnética.

mesones – partículas inestables que interactúan fuertemente y que no llevan la llamada carga bariónica. Entre ellos esta r-mesones o piones (π + , π – , π 0), A-mesones o kaones (K +, K –, K 0), y este-mesones (η) . Peso A-mesones es ~970me (494 MeV para cargada y 498 MeV para neutral A-mesones). tiempo de vida A-mesones tiene una magnitud del orden de 10 –8 s. Se desintegran para formar I-mesones y leptones o solo leptones. Peso este-mesones es 549 MeV (1074me), la vida útil es de aproximadamente 10 a 19 s. Este-los mesones se desintegran para formar mesones π y fotones γ. A diferencia de los leptones, los mesones no solo tienen una interacción débil (y, si están cargados, electromagnética), sino también una interacción fuerte, que se manifiesta cuando interactúan entre sí, así como durante la interacción entre mesones y bariones. Spin de todos los mesones igual a cero, entonces son bosones.

Clase bariones Combina nucleones (p,n) y partículas inestables con una masa mayor que la masa de los nucleones, llamadas hiperones. Todos los bariones tienen una fuerte interacción y, por tanto, interactúan activamente con los núcleos atómicos. El espín de todos los bariones es ½, por lo que los bariones son fermiones. Con excepción del protón, todos los bariones son inestables. Durante la desintegración de los bariones, junto con otras partículas, necesariamente se forma un barión. Este patrón es una de las manifestaciones. ley de conservación de carga bariónica.

Además de las partículas enumeradas anteriormente, encontramos gran número partículas de vida corta que interactúan fuertemente, que se llaman resonancias . Estas partículas son estados resonantes formados por dos o más partículas elementales. La vida útil de la resonancia es sólo ~ 10 –23 –10 –22 s.

Las partículas elementales, así como las micropartículas complejas, pueden observarse gracias a las huellas que dejan a su paso por la materia. La naturaleza de las huellas nos permite juzgar el signo de la carga de la partícula, su energía, momento, etc. Las partículas cargadas provocan la ionización de las moléculas a lo largo de su trayectoria. Las partículas neutras no dejan rastros, pero pueden revelarse en el momento de desintegrarse en partículas cargadas o en el momento de colisionar con cualquier núcleo. Por lo tanto, las partículas neutras también se detectan en última instancia mediante la ionización provocada por las partículas cargadas que generan.

Partículas y antipartículas.. En 1928, el físico inglés P. Dirac logró encontrar una ecuación mecánica cuántica relativista para el electrón, de la que se derivan una serie de consecuencias notables. En primer lugar, de esta ecuación obtenemos de forma natural, sin suposiciones adicionales, el espín y valor numérico el momento magnético del propio electrón. Así, resultó que el espín es una cantidad a la vez cuántica y relativista. Pero esto no agota la importancia de la ecuación de Dirac. También permitió predecir la existencia de la antipartícula del electrón. positrón. De la ecuación de Dirac se obtienen no solo valores positivos sino también negativos para la energía total de un electrón libre. Los estudios de la ecuación muestran que para un momento de partícula dado, existen soluciones a la ecuación correspondientes a las energías: .

entre los mas grandes energía negativa (–metro mi Con 2) y la energía menos positiva (+ metro mi do 2) hay un intervalo de valores de energía que no se puede realizar. El ancho de este intervalo es 2. metro mi Con 2. En consecuencia, se obtienen dos regiones de valores propios de energía: una comienza con + metro mi Con 2 y se extiende hasta +∞, el otro comienza desde – metro mi Con 2 y se extiende hasta –∞.

Una partícula con energía negativa debe tener propiedades muy extrañas. Al pasar a estados con cada vez menos energía (es decir, con energía negativa aumentando en magnitud), podría liberar energía, digamos, en forma de radiación y, dado que | mi| Sin restricciones, una partícula con energía negativa podría emitir una cantidad infinitamente grande de energía. A una conclusión similar se puede llegar de la siguiente manera: de la relación mi=metro mi Con 2 se deduce que una partícula con energía negativa también tendrá una masa negativa. Bajo la influencia de una fuerza de frenado, una partícula con masa negativa no debe disminuir la velocidad, sino acelerar, realizando una cantidad infinitamente grande de trabajo sobre la fuente de la fuerza de frenado. En vista de estas dificultades, parecería que sería necesario admitir que el estado con energía negativa debería ser excluido de la consideración porque conduce a resultados absurdos. Sin embargo, esto sería contrario a algunos principios generales. mecánica cuántica. Por tanto, Dirac eligió un camino diferente. Propuso que las transiciones de electrones a estados con energía negativa generalmente no se observan porque todos los niveles disponibles con energía negativa ya están ocupados por electrones.

Según Dirac, el vacío es un estado en el que todos los niveles de energía negativa están ocupados por electrones y los niveles con energía positiva están libres. Dado que todos los niveles que se encuentran por debajo de la banda prohibida están ocupados sin excepción, los electrones en estos niveles no se revelan de ninguna manera. Si a uno de los electrones ubicados en niveles negativos se le da energía mi≥ 2metro mi Con 2, entonces este electrón pasará a un estado de energía positiva y se comportará de la forma habitual, como una partícula con masa positiva y carga negativa. Esta primera partícula teóricamente predicha se llamó positrón. Cuando un positrón se encuentra con un electrón, se aniquilan (desaparecen): el electrón pasa de un nivel positivo a uno negativo vacante. La energía correspondiente a la diferencia entre estos niveles se libera en forma de radiación. En la figura. 4, la flecha 1 representa el proceso de creación de un par electrón-positrón y la flecha 2, su aniquilación. El término "aniquilación" no debe tomarse literalmente. Básicamente, lo que ocurre no es una desaparición, sino una transformación de unas partículas (electrones y positrones) en otras (γ-fotones).

Hay partículas que son idénticas a sus antipartículas (es decir, no tienen antipartículas). Estas partículas se denominan absolutamente neutras. Estos incluyen el fotón, el mesón π 0 y el mesón η. Las partículas idénticas a sus antipartículas no son capaces de aniquilarse. Pero esto no significa que no puedan transformarse en otras partículas.

Si a los bariones (es decir, nucleones e hiperones) se les asigna una carga bariónica (o número bariónico) EN= +1, antibariones – carga bariónica EN= –1, y todas las demás partículas tienen carga bariónica EN= 0, entonces todos los procesos que ocurren con la participación de bariones y antibariones se caracterizarán por la conservación de la carga bariónica, así como los procesos se caracterizan por la conservación de la carga eléctrica. La ley de conservación de la carga bariónica determina la estabilidad del barión más blando, el protón. Conversión de todas las cantidades que describen sistema fisico, en el que todas las partículas son reemplazadas por antipartículas (por ejemplo, electrones con protones y protones con electrones, etc.) se llama carga de conjugación.

Partículas extrañas.A-Los mesones e hiperones fueron descubiertos como parte de los rayos cósmicos a principios de los años 50 del siglo XX. Desde 1953 se producen en aceleradores. El comportamiento de estas partículas resultó ser tan inusual que se las llamó extrañas. El comportamiento inusual de las partículas extrañas fue que claramente nacieron debido a fuertes interacciones con un tiempo característico del orden de 10 a 23 s, y su vida útil resultó ser del orden de 10 a 8 a 10 a 10 s. Esta última circunstancia indicó que la desintegración de partículas se produce como resultado de interacciones débiles. No estaba del todo claro por qué las extrañas partículas vivieron durante tanto tiempo. Dado que las mismas partículas (mesones π y protones) están involucradas tanto en la creación como en la desintegración del hiperón λ, fue sorprendente que la velocidad (es decir, la probabilidad) de ambos procesos fuera tan diferente. Investigaciones posteriores demostraron que las partículas extrañas nacen en pares. Esto llevó a la idea de que las interacciones fuertes no pueden desempeñar un papel en la desintegración de partículas debido a que para su manifestación es necesaria la presencia de dos partículas extrañas. Por la misma razón, la creación única de partículas extrañas resulta imposible.

Para explicar la prohibición de la producción única de partículas extrañas, M. Gell-Mann y K. Nishijima introdujeron un nuevo número cuántico, cuyo valor total, según su suposición, debería conservarse en caso de interacciones fuertes. Este es un número cuántico. S fue nombrado la extrañeza de la partícula. En interacciones débiles, es posible que la extrañeza no se preserve. Por lo tanto, se atribuye únicamente a partículas que interactúan fuertemente: mesones y bariones.

Neutrino. Neutrino es la única partícula que no participa ni en interacciones fuertes ni electromagnéticas. Excluyendo la interacción gravitacional, en la que participan todas las partículas, los neutrinos sólo pueden participar en interacciones débiles.

Durante mucho tiempo no quedó claro en qué se diferencia un neutrino de un antineutrino. El descubrimiento de la ley de conservación de la paridad combinada permitió responder a esta pregunta: se diferencian en helicidad. Bajo helicidad Se entiende una cierta relación entre las direcciones del impulso. R y de regreso S partículas. La helicidad se considera positiva si el giro y el impulso están en la misma dirección. En este caso, la dirección del movimiento de las partículas ( R) y la dirección de “rotación” correspondiente al giro forman un tornillo a la derecha. Cuando el giro y el impulso tienen direcciones opuestas, la helicidad será negativa (el movimiento de traslación y la "rotación" forman un tornillo a la izquierda). Según la teoría de los neutrinos longitudinales desarrollada por Yang, Lee, Landau y Salam, todos los neutrinos que existen en la naturaleza, independientemente del método de su origen, siempre están completamente polarizados longitudinalmente (es decir, su giro se dirige paralelo o antiparalelo al impulso). R). Neutrino tiene negativo(izquierda) helicidad (correspondiente a la relación de direcciones S Y R, mostrado en la Fig. 5 (b), antineutrino – helicidad positiva (derecha) (a). Por tanto, la helicidad es lo que distingue a los neutrinos de los antineutrinos.

Arroz. 5. Esquema de helicidad de partículas elementales.

Sistemática de partículas elementales. Los patrones observados en el mundo de las partículas elementales pueden formularse en forma de leyes de conservación. Ya se han acumulado muchas de estas leyes. Algunos de ellos resultan no ser exactos, sino sólo aproximados. Cada ley de conservación expresa una cierta simetría del sistema. Leyes de conservación del impulso. R, momento angular l y energía mi reflejar las propiedades de simetría del espacio y el tiempo: conservación mi es consecuencia de la homogeneidad del tiempo, la preservación R debido a la homogeneidad del espacio, y la preservación l– su isotropía. La ley de conservación de la paridad está asociada con la simetría entre derecha e izquierda ( R-invariancia). La simetría con respecto a la conjugación de carga (simetría de partículas y antipartículas) conduce a la conservación de la paridad de carga ( CON-invariancia). Las leyes de conservación de las cargas eléctricas, bariónicas y leptónicas expresan una simetría especial. CON-funciones. Finalmente, la ley de conservación del espín isotópico refleja la isotropía del espacio isotópico. El incumplimiento de una de las leyes de conservación significa una violación del tipo de simetría correspondiente en esta interacción.

En el mundo de las partículas elementales se aplica la siguiente regla: todo lo que no esté prohibido por las leyes de conservación está permitido. Estos últimos desempeñan el papel de reglas de exclusión que rigen la interconversión de partículas. En primer lugar, observemos las leyes de conservación de la energía, el momento y la carga eléctrica. Estas tres leyes explican la estabilidad del electrón. De la conservación de la energía y el momento se deduce que la masa total en reposo de los productos de desintegración debe ser menor que la masa en reposo de la partícula en descomposición. Esto significa que un electrón sólo podría descomponerse en neutrinos y fotones. Pero estas partículas son eléctricamente neutras. Entonces resulta que el electrón simplemente no tiene a quién transferir su carga eléctrica, por lo que es estable.

Quarks. Han surgido tantas partículas llamadas elementales que han surgido serias dudas sobre su naturaleza elemental. Cada una de las partículas que interactúan fuertemente se caracteriza por tres números cuánticos aditivos independientes: carga q, hipercarga Ud. y carga bariónica EN. En este sentido, surgió la hipótesis de que todas las partículas están formadas por tres partículas fundamentales: portadoras de estas cargas. En 1964, Gell-Mann y, independientemente de él, el físico suizo Zweig propusieron una hipótesis según la cual todas las partículas elementales están formadas por tres partículas llamadas quarks. A estas partículas se les asignan números cuánticos fraccionarios, en particular, una carga eléctrica igual a +⅔; –⅓; +⅓ respectivamente para cada uno de los tres quarks. Estos quarks suelen designarse con las letras Ud.,D,S. Además de los quarks, se consideran antiquarks ( tu,d,s). Hasta la fecha se conocen 12 quarks: 6 quarks y 6 antiquarks. Los mesones se forman a partir de un par quark-antiquark y los bariones se forman a partir de tres quarks. Por ejemplo, un protón y un neutrón se componen de tres quarks, lo que hace que el protón o el neutrón sean incoloros. En consecuencia, se distinguen tres cargas de interacciones fuertes: rojo ( R), amarillo ( Y) y verde ( GRAMO).

A cada quark se le asigna el mismo momento magnético (μV), cuyo valor no está determinado teóricamente. Los cálculos realizados sobre la base de esta suposición dan el valor del momento magnético μ p para el protón. = μ kv, y para un neutrón μ n = – ⅔μ cuadrado

Así, para la relación de momentos magnéticos se obtiene el valor μ p. / μn = –⅔, en excelente concordancia con el valor experimental.

Básicamente, el color del quark (como el signo de la carga eléctrica) comenzó a expresar la diferencia en la propiedad que determina la atracción y repulsión mutua de los quarks. Por analogía con los cuantos de campos de diversas interacciones (fotones en interacciones electromagnéticas, r-mesones en interacciones fuertes, etc.) se introdujeron partículas que llevaban la interacción entre quarks. Estas partículas fueron llamadas gluones. Transfieren color de un quark a otro, haciendo que los quarks se mantengan unidos. En física de quarks se formuló la hipótesis del confinamiento (del inglés. confinamientos– captura) de quarks, según la cual es imposible restar un quark del total. Sólo puede existir como un elemento del todo. La existencia de quarks como partículas reales en física está demostrada de forma fiable.

La idea de los quarks resultó muy fructífera. Permitió no sólo sistematizar lo ya partículas conocidas, pero también predice toda una serie de nuevos. La situación que se ha desarrollado en la física de las partículas elementales recuerda a la situación creada en la física atómica tras el descubrimiento de la ley periódica en 1869 por D. I. Mendelev. Aunque la esencia de esta ley se aclaró sólo unos 60 años después de la creación de la mecánica cuántica, permitió sistematizar los elementos químicos conocidos en ese momento y, además, condujo a la predicción de la existencia de nuevos elementos y sus propiedades. . Del mismo modo, los físicos han aprendido a sistematizar las partículas elementales y la taxonomía desarrollada ha permitido, en raros casos, predecir la existencia de nuevas partículas y anticipar sus propiedades.

Así, en la actualidad, los quarks y los leptones pueden considerarse verdaderamente elementales; Hay 12 de ellos, o junto con los anti-chatits, 24. Además, hay partículas que proporcionan cuatro interacciones fundamentales (cuantos de interacción). Hay 13 de estas partículas: gravitón, fotón, W.± - y z-partículas y 8 gluones.

Las teorías existentes sobre partículas elementales no pueden indicar cuál es el comienzo de la serie: átomos, núcleos, hadrones, quarksEn esta serie, cada estructura material más compleja incluye una más simple como componente. Al parecer, esto no puede continuar indefinidamente. Se suponía que la cadena descrita de estructuras materiales se basaba en objetos de naturaleza fundamentalmente diferente. Se ha demostrado que tales objetos pueden no ser puntiagudos, sino formaciones extendidas, aunque extremadamente pequeñas (~10‑33 cm), llamadas supercuerdas. La idea descrita no es realizable en nuestro espacio de cuatro dimensiones. Esta área de la física es generalmente extremadamente abstracta y es muy difícil encontrar modelos visuales que ayuden a simplificar la percepción de las ideas inherentes a las teorías de las partículas elementales. Sin embargo, estas teorías permiten a los físicos expresar la transformación mutua y la interdependencia de los microobjetos "más elementales", su conexión con las propiedades del espacio-tiempo de cuatro dimensiones. El más prometedor es el llamado Teoría M (M – de misterio- acertijo, secreto). ella esta operando espacio de doce dimensiones . En última instancia, durante la transición al mundo de cuatro dimensiones que percibimos directamente, todas las dimensiones "extra" se "colapsan". Teoría M por ahora la única teoría, lo que permite reducir cuatro interacciones fundamentales a una: la llamada Superpotencia. También es importante que la teoría M permita la existencia de mundos diferentes y establezca las condiciones que aseguren el surgimiento de nuestro mundo. La teoría M aún no está suficientemente desarrollada. Se cree que el final "teoría del todo" basado en la teoría M se construirá en el siglo XXI.

Una partícula elemental es la partícula más pequeña, indivisible y sin estructura.

FUNDAMENTOS DE ELECTRODINÁMICA

Electrodinámica– una rama de la física que estudia las interacciones electromagnéticas. Interacciones electromagnéticas– interacciones de partículas cargadas. Los principales objetos de estudio en electrodinámica son los campos eléctricos y magnéticos creados por cargas y corrientes eléctricas.

Tema 1. Campo eléctrico (electrostática)

Electrostática – Rama de la electrodinámica que estudia la interacción de cargas estacionarias (estáticas).

Carga eléctrica.

Todos los cuerpos están electrificados.

Electrificar un cuerpo significa impartirle una carga eléctrica.

Los cuerpos electrificados interactúan: se atraen y se repelen.

Cuanto más electrificados están los cuerpos, más fuertes interactúan.

La carga eléctrica es cantidad fisica, que caracteriza la propiedad de partículas o cuerpos de entrar en interacciones electromagnéticas y es una medida cuantitativa de estas interacciones.

La totalidad de todos los hechos experimentales conocidos nos permite hacer las siguientes conclusiones:

·Existen dos tipos de cargas eléctricas, convencionalmente llamadas positivas y negativas.

· Las cargas no existen sin partículas

· Los cargos pueden transferirse de un organismo a otro.

· A diferencia de la masa corporal, la carga eléctrica no es una característica integral de un cuerpo determinado. el mismo cuerpo diferentes condiciones puede tener un cargo diferente.

· La carga eléctrica no depende de la elección del sistema de referencia en el que se mide. La carga eléctrica no depende de la velocidad del portador de carga.

· Cargas iguales se repelen, cargas diferentes se atraen.

unidad SI – colgante

Una partícula elemental es la partícula más pequeña, indivisible y sin estructura.

Por ejemplo, en un átomo: electrón ( , protón ( , neutrón ( .

Una partícula elemental puede tener o no carga: , ,

Carga elemental-la carga perteneciente a una partícula elemental es la más pequeña, indivisible.

Carga elemental – módulo de carga de electrones.

Las cargas de un electrón y un protón son numéricamente iguales, pero de signo opuesto:

Electrificación de carrocerías.
¿Qué significa “un cuerpo macroscópico está cargado”? ¿Qué determina la carga de cualquier cuerpo?

Todos los cuerpos están formados por átomos, que incluyen protones con carga positiva, electrones con carga negativa y partículas neutras: neutrones. . Los protones y neutrones forman parte de los núcleos atómicos, los electrones forman la capa electrónica de los átomos.

En un átomo neutro, el número de protones en el núcleo es igual al número de electrones en la capa.

Los cuerpos macroscópicos formados por átomos neutros son eléctricamente neutros.

Un átomo de una sustancia determinada puede perder uno o más electrones o ganar un electrón extra. En estos casos, el átomo neutro se convierte en un ion con carga positiva o negativa.

Electrificación de cuerpos.– el proceso de obtención de cuerpos eléctricamente cargados a partir de cuerpos eléctricamente neutros.

Los cuerpos se electrifican al entrar en contacto entre sí.

Al entrar en contacto, parte de los electrones de un cuerpo pasa a otro, ambos cuerpos se electrifican, es decir. recibir cargas iguales en magnitud y de signo opuesto:
un "exceso" de electrones en comparación con los protones crea una carga "-" en el cuerpo;
La "falta" de electrones en comparación con los protones crea una carga "+" en el cuerpo.
La carga de cualquier cuerpo está determinada por el número de electrones sobrantes o insuficientes en comparación con los protones.

La carga puede transferirse de un cuerpo a otro sólo en porciones que contengan un número entero de electrones. Por tanto, la carga eléctrica del cuerpo es cantidad discreta, un múltiplo de la carga del electrón:

En el Universo, cada cuerpo vive en su propio tiempo, al igual que las partículas elementales básicas. La vida útil de la mayoría de las partículas elementales es bastante corta.

Algunas se desintegran inmediatamente después de su nacimiento, por eso las llamamos partículas inestables.

Ya terminaron poco tiempo desintegrarse en estables: protones, electrones, neutrinos, fotones, gravitones y sus antipartículas.

Los microobjetos más importantes de nuestro espacio cercano: protones y electrones. Algunas de las partes distantes del Universo pueden estar compuestas de antimateria, las partículas más importantes habrá un antiprotón y un antielectrón (positrón).

En total, se han descubierto varios cientos de partículas elementales: protón (p), neutrón (n), electrón (e -), así como fotón (g), mesones pi (p), muones (m), neutrinos. tres tipos(electrónico v e, muónico v m, con leptón v t), etc. Obviamente traerán más micropartículas nuevas.

Aspecto de las partículas:

Protones y electrones

La aparición de los protones y los electrones se remonta al tiempo, y su edad es de aproximadamente diez mil millones de años.

Otro tipo de microobjetos que juegan un papel importante en la estructura. cerca del espacio- neutrones que tienen nombre común con un protón: nucleones. Los propios neutrones son inestables; se desintegran unos diez minutos después de su formación. Sólo pueden ser estables en el núcleo de un átomo. Una gran cantidad de neutrones aparece constantemente en las profundidades de las estrellas, donde los núcleos atómicos nacen de los protones.

neutrino

En el Universo también hay un nacimiento constante de neutrinos, que son similares a un electrón, pero sin carga y con peso ligero. En 1936 se descubrió un tipo de neutrino: los neutrinos muónicos, que surgen durante la transformación de protones en neutrones, en las profundidades de estrellas supermasivas y durante la desintegración de muchos microobjetos inestables. Nacen cuando los rayos cósmicos chocan en el espacio interestelar.

El Big Bang dio origen a gran cantidad neutrinos y neutrinos muónicos. Su número en el espacio aumenta constantemente porque no son absorbidos por prácticamente ninguna materia.

fotones

Como los fotones, los neutrinos y los neutrinos muónicos lo llenan todo. espacio exterior. Este fenómeno se llama "mar de neutrinos".
Desde gran explosión Quedan una gran cantidad de fotones, que llamamos relictos o fósiles. Todo el espacio exterior está lleno de ellos y su frecuencia y, por tanto, su energía, disminuyen constantemente a medida que el Universo se expande.

Actualmente todo cuerpos cósmicos, principalmente estrellas y nebulosas, participan en la formación de la parte fotónica del Universo. Los fotones nacen en la superficie de las estrellas a partir de la energía de los electrones.

Conexión de partículas

En la etapa inicial de formación del Universo, todas las partículas elementales principales estaban libres. Entonces no había núcleos atómicos, ni planetas, ni estrellas.

Los átomos, y a partir de ellos los planetas, las estrellas y todas las sustancias, se formaron más tarde, cuando habían pasado 300.000 años y la materia caliente se había enfriado lo suficiente durante la expansión.

Sólo el neutrino, el neutrino muónico y el fotón no estaban incluidos en ningún sistema: sus atracción mutua demasiado débil. Quedaron partículas libres.

Más sobre etapa inicial formación del Universo (300.000 años después de su nacimiento) protones libres y los electrones se combinaron para formar átomos de hidrógeno (un protón y un electrón conectados por fuerza eléctrica).

Se sabe que los “microbloques de construcción” del Universo son los protones y los electrones.

Finalmente, cuando un protón y un antiprotón se encuentran no surge ningún sistema, sino que toda su energía en reposo se libera en forma de fotones ().

Los científicos afirman que también existe una partícula elemental básica fantasmal, el gravitón, que posee una interacción gravitacional similar al electromagnetismo. Sin embargo, la presencia del gravitón sólo se ha demostrado teóricamente.

Así surgieron las partículas elementales básicas que ahora representan nuestro Universo, incluida la Tierra: protones, electrones, neutrinos, fotones, gravitones y muchos más microobjetos descubiertos y por descubrir.

719. Ley de conservación de la carga eléctrica.

720. Cuerpos con cargas eléctricas. signo diferente, …

Se sienten atraídos el uno por el otro.

721. Se pusieron en contacto bolas de metal idénticas, cargadas con cargas opuestas q 1 = 4q y q 2 = -8q, y se separaron a la misma distancia. Cada una de las bolas tiene una carga.

q 1 = -2q y q 2 = -2q

723. Una gota que tiene carga positiva (+2e) perdió un electrón cuando se iluminó. La carga de la gota se volvió igual.

724. Bolas de metal idénticas cargadas con cargas q 1 = 4q, q 2 = - 8q y q 3 = - 2q se pusieron en contacto y se separaron a la misma distancia. Cada una de las bolas tendrá una carga.

q 1 = - 2q, q 2 = - 2q y q 3 = - 2q

725. Bolas de metal idénticas cargadas con cargas q 1 = 5q y q 2 = 7q se pusieron en contacto y se separaron a la misma distancia, y luego la segunda y tercera bolas con carga q 3 = -2q se pusieron en contacto y se separaron. a la misma distancia. Cada una de las bolas tendrá una carga.

q 1 = 6q, q 2 = 2q y q 3 = 2q

726. Bolas de metal idénticas cargadas con cargas q 1 = - 5q y q 2 = 7q se pusieron en contacto y se separaron a la misma distancia, y luego la segunda y tercera bolas con carga q 3 = 5q se pusieron en contacto y se separaron. a la misma distancia. Cada una de las bolas tendrá una carga.

q 1 = 1q, q 2 = 3q y q 3 = 3q

727. Hay cuatro bolas metálicas idénticas con cargas q 1 = 5q, q 2 = 7q, q 3 = -3q y q 4 = -1q. Primero, las cargas q 1 y q 2 (primer sistema de cargas) se pusieron en contacto y se separaron a la misma distancia, y luego se pusieron en contacto las cargas q 4 y q 3 (segundo sistema de cargas). Luego tomaron una carga de cada uno del sistema 1 y 2, las pusieron en contacto y las separaron a la misma distancia. Estas dos bolas tendrán una carga.

728. Hay cuatro bolas metálicas idénticas con cargas q 1 = -1q, q 2 = 5q, q 3 = 3q y q 4 = -7q. Primero, las cargas q 1 y q 2 (1 sistema de cargas) se pusieron en contacto y se separaron a la misma distancia, y luego se pusieron en contacto las cargas q 4 y q 3 (sistema 2 de cargas). Luego tomaron una carga de cada uno del sistema 1 y 2, las pusieron en contacto y las separaron a la misma distancia. Estas dos bolas tendrán una carga.

729.Un átomo tiene carga positiva.

Centro.

730,8 electrones se mueven alrededor del núcleo de un átomo de oxígeno. El número de protones en el núcleo de un átomo de oxígeno es

731.La carga eléctrica de un electrón es

-1,6 · 10 -19 Cl.

732.La carga eléctrica de un protón es

1,6 · 10 -19 cl.

733. El núcleo de un átomo de litio contiene 3 protones. Si 3 electrones giran alrededor del núcleo, entonces

El átomo es eléctricamente neutro.

734. Hay 19 partículas en el núcleo de flúor, de las cuales 9 son protones. El número de neutrones en el núcleo y el número de electrones en un átomo de flúor neutro.

Neutrones y 9 electrones.

735.Si en cualquier cuerpo el número de protones mas numero electrones, luego el cuerpo en su conjunto.

Cargado positivamente.

736. Una gota que tenía una carga positiva de +3e perdió 2 electrones cuando se irradió. La carga de la gota se volvió igual.

8·10 -19 cl.

737. Una carga negativa en un átomo lleva

Caparazón.

738.Si un átomo de oxígeno se convierte en ion positivo, entonces el

Perdió un electrón.

739.Tiene una gran masa

ion negativo hidrógeno.

740. Como resultado de la fricción, se eliminaron 5·10 10 electrones de la superficie de la varilla de vidrio. Carga eléctrica en un palo.

(e = -1,6·10-19°C)

8·10 -9 Cl.

741. Como resultado de la fricción, la varilla de ebonita recibió 5·10 10 electrones. Carga eléctrica en un palo.

(e = -1,6·10-19°C)

-8·10 -9 Cl.

742.Fuerza Interacción de Coulomb dos cargas eléctricas puntuales cuando la distancia entre ellas disminuye 2 veces

Aumentará 4 veces.

743.La fuerza de interacción de Coulomb de dos cargas eléctricas puntuales cuando la distancia entre ellas disminuye 4 veces.

Aumentará 16 veces.

744. Dos cargas eléctricas puntuales actúan entre sí según la ley de Coulomb con una fuerza de 1N. Si la distancia entre ellos aumenta 2 veces, entonces la fuerza de interacción de Coulomb de estas cargas será igual

745. Dos cargas puntuales actúan entre sí con una fuerza de 1N. Si la magnitud de cada carga aumenta 4 veces, entonces la fuerza de la interacción de Coulomb será igual

746. La fuerza de interacción entre dos cargas puntuales es de 25 N. Si la distancia entre ellas se reduce 5 veces, entonces la fuerza de interacción de estas cargas será igual

747.La fuerza de interacción de Coulomb de dos cargas puntuales cuando la distancia entre ellas aumenta 2 veces.

Disminuirá 4 veces.

748.La fuerza de interacción de Coulomb de dos cargas eléctricas puntuales cuando la distancia entre ellas aumenta 4 veces.

Disminuirá 16 veces.

749. Fórmula de la ley de Coulomb

.

750. Si dos bolas metálicas idénticas con cargas +q y +q se ponen en contacto y se separan a la misma distancia, entonces el módulo de la fuerza de interacción

No cambiará.

751. Si dos bolas metálicas idénticas con cargas +q y -q, se ponen en contacto y se separan a la misma distancia, entonces la fuerza de interacción

Será igual a 0.

752.Dos cargas interactúan en el aire. Si se colocan en agua (ε = 81), sin cambiar la distancia entre ellos, entonces la fuerza de interacción de Coulomb

Disminuirá 81 veces.

753.La fuerza de interacción entre dos cargas de 10 nC cada una, ubicadas en el aire a una distancia de 3 cm entre sí, es igual a

()

754. Cargas de 1 µC y 10 nC interactúan en el aire con una fuerza de 9 mN a una distancia

()

755. Dos electrones ubicados a una distancia de 3·10 -8 cm entre sí se repelen con una fuerza ( ; mi = - 1,6 · 10 -19 C)

2.56·10 -9 N.

756. Cuando la distancia desde la carga aumenta 3 veces, el módulo de voltaje campo eléctrico

Disminuirá 9 veces.

757. La intensidad del campo en un punto es de 300 N/C. Si la carga es 1·10 -8 C, entonces la distancia al punto

()

758.Si la distancia desde carga puntual, creando un campo eléctrico, aumentará 5 veces, luego la intensidad del campo eléctrico

Disminuirá 25 veces.

759. La intensidad de campo de una carga puntual en un punto determinado es 4 N/C. Si la distancia desde la carga se duplica, el voltaje será igual a

760.Indique la fórmula para la intensidad del campo eléctrico en el caso general.

761.Notación matemática del principio de superposición de campos eléctricos.

762. Indique la fórmula para la intensidad de una carga eléctrica puntual Q.

.

763. Módulo de intensidad del campo eléctrico en el punto donde se ubica la carga.

1·10 -10 C es igual a 10 V/m. La fuerza que actúa sobre la carga es igual a

1·10-9 N.

765. Si se distribuye una carga de 4·10 -8 C sobre la superficie de una bola de metal con un radio de 0,2 m, entonces la densidad de carga

2,5·10 -7 C/m2.

766. En un campo eléctrico uniforme dirigido verticalmente hay una mota de polvo con una masa de 1,10 -9 gy una carga de 3,2,10-17 C. Si la gravedad de un grano de polvo se equilibra con la intensidad del campo eléctrico, entonces la intensidad del campo es igual a

3·105N/Cl.

767. En los tres vértices de un cuadrado de 0,4 m de lado hay cargas positivas idénticas de 5·10 -9 C cada una. Encuentra la tensión en el cuarto vértice.

() 540 N/Cl.

768. Si dos cargas están a 5·10 -9 y 6·10 -9 C, de modo que se repelen con una fuerza de 12·10 -4 N, entonces están a una distancia

768. Si el módulo de una carga puntual se reduce 2 veces y la distancia a la carga se reduce 4 veces, entonces la intensidad del campo eléctrico en un punto dado

Aumentará 8 veces.

Disminuciones.

770. El producto de la carga del electrón y el potencial tiene la dimensión

Energía.

771. El potencial en el punto A del campo eléctrico es de 100 V, el potencial en el punto B es de 200 V. El trabajo realizado por las fuerzas del campo eléctrico al mover una carga de 5 mC del punto A al punto B es igual a

-0,5 J.

772. Una partícula con carga +q y masa m, ubicada en puntos de un campo eléctrico con intensidad E y potencial, tiene aceleración

773. Un electrón se mueve en un campo eléctrico uniforme a lo largo de una línea de tensión desde un punto con gran potencial a un punto con menos potencial. Su velocidad es

Creciente.

774. Un átomo que tiene un protón en su núcleo pierde un electrón. Esto crea

Ión de hidrógeno.

775. Un campo eléctrico en el vacío es creado por cuatro puntos. cargas positivas, colocado en los vértices del cuadrado de lado a. El potencial en el centro del cuadrado es

776. Si la distancia desde una carga puntual disminuye 3 veces, entonces el potencial de campo

Aumentará 3 veces.

777. Cuando una carga eléctrica puntual q se mueve entre puntos con una diferencia de potencial de 12 V, se realizan 3 J de trabajo. En este caso, la carga se mueve.

778. Carga q se movió desde el punto campo electrostático hasta un punto con potencial. Por cuál de las siguientes fórmulas:

1) 2) ; 3) puedes encontrar trabajo moviendo carga.

779. En un campo eléctrico uniforme de intensidad 2 N/C, una carga de 3 C se mueve a lo largo de las líneas de campo a una distancia de 0,5 m. El trabajo realizado por las fuerzas del campo eléctrico para mover la carga es igual a.

780. El campo eléctrico es creado por cuatro cargas puntuales diferentes colocadas en los vértices de un cuadrado de lado a. Como los cargos están en vértices opuestos. El potencial en el centro del cuadrado es

781. Diferencia potencial entre puntos que se encuentran en el mismo línea eléctrica a una distancia de 6 cm entre sí, es igual a 60 V. Si el campo es uniforme, entonces su intensidad es

782.Unidad de diferencia de potencial

1V = 1J/1C.

783. Deje que la carga se mueva en un campo uniforme con intensidad E = 2 V/m a lo largo de una línea de campo de 0,2 m. Encuentre la diferencia entre estos potenciales.

U = 0,4 V.

784. Según la hipótesis de Planck, absolutamente cuerpo negro emite energía

En porciones.

785. La energía del fotón está determinada por la fórmula.

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

1, 4, 5, 6.

786. Si la energía de un cuanto se ha duplicado, entonces la frecuencia de la radiación

aumentado en 2 veces.

787. Si sobre la superficie de una placa de tungsteno caen fotones con una energía de 6 eV, entonces la energía cinética máxima de los electrones eliminados por ellos es de 1,5 eV. La energía fotónica mínima a la que es posible el efecto fotoeléctrico es para el tungsteno igual a:

788.La siguiente afirmación es correcta:

1. La velocidad de un fotón es mayor que la velocidad de la luz.

2. La velocidad de un fotón en cualquier sustancia es menor que la velocidad de la luz.

3. La velocidad de un fotón es siempre igual a la velocidad de la luz.

4. La velocidad de un fotón es mayor o igual a la velocidad de la luz.

5. La velocidad de un fotón en cualquier sustancia es menor o igual a la velocidad de la luz.

789. Los fotones de radiación tienen un gran impulso.

Azul.

790. Cuando la temperatura de un cuerpo calentado disminuye, la intensidad máxima de radiación

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Estas tres partículas (así como otras que se describen a continuación) se atraen y repelen mutuamente según su cargos, de los cuales sólo hay cuatro tipos en número fuerzas fundamentales naturaleza. Las cargas se pueden ordenar en orden decreciente de las fuerzas correspondientes de la siguiente manera: carga de color (fuerzas de interacción entre quarks); carga eléctrica (eléctrica y fuerzas magnéticas); carga débil (fuerza en algunos procesos radiactivos); finalmente, masa (fuerza gravitacional, o interacción gravitacional). La palabra "color" aquí no tiene nada que ver con el color. luz visible; es simplemente una característica de una carga fuerte y de las fuerzas más grandes.

Cargos son salvos, es decir. carga ingresando al sistema igual a cargar, saliendo de eso. Si la carga eléctrica total de un cierto número de partículas antes de su interacción es igual a, digamos, 342 unidades, luego de la interacción, independientemente de su resultado, será igual a 342 unidades. Esto también se aplica a otros cargos: color (cargo interacción fuerte), débil y masa (masa). Las partículas difieren en sus cargas: en esencia, "son" estas cargas. Los cargos son como un “certificado” del derecho a responder a la fuerza apropiada. Por lo tanto, sólo las partículas coloreadas se ven afectadas por las fuerzas del color, sólo las partículas cargadas eléctricamente se ven afectadas por las fuerzas del color. fuerzas electricas etc. Las propiedades de una partícula están determinadas. mayor fuerza, actuando en consecuencia. Sólo los quarks son portadores de todas las cargas y, por tanto, están sujetos a la acción de todas las fuerzas, entre las cuales la dominante es el color. Los electrones tienen todas las cargas excepto el color, y la fuerza dominante para ellos es la fuerza electromagnética.

Las más estables en la naturaleza son, por regla general, combinaciones neutras de partículas en las que la carga de las partículas de un signo se compensa con la carga total de las partículas del otro signo. Esto corresponde a la energía mínima de todo el sistema. (De la misma manera, dos barras magnéticas están dispuestas en línea, con Polo norte uno de ellos está dirigido a polo sur otra, que corresponde a la energía mínima del campo magnético.) La gravedad es una excepción a esta regla: masa negativa no existe. No hay cuerpos que caigan hacia arriba.

TIPOS DE MATERIA

La materia ordinaria se forma a partir de electrones y quarks, agrupados en objetos que son neutros en color y luego en carga eléctrica. El poder del color se neutraliza, como se explicará con más detalle a continuación, cuando las partículas se combinan en tripletes. (De ahí el término "color", tomado de la óptica: tres colores primarios cuando se mezclan producen blanco). Así, los quarks para los cuales la intensidad del color es la principal forman tripletes. Pero los quarks, y se dividen en tu-quarks (del inglés up - top) y d-quarks (del inglés abajo - abajo), también tienen una carga eléctrica igual a tu-quark y para d-cuarc. Dos tu-quark y uno d-los quarks dan una carga eléctrica de +1 y forman un protón, y uno tu-quark y dos d-Los quarks dan carga eléctrica cero y forman un neutrón.

Los protones y neutrones estables, atraídos entre sí por las fuerzas de color residuales de la interacción entre sus quarks constituyentes, forman un núcleo atómico de color neutro. Pero los núcleos llevan una carga eléctrica positiva y, al atraer electrones negativos que orbitan alrededor del núcleo como los planetas que orbitan alrededor del Sol, tienden a formar un átomo neutro. Los electrones en sus órbitas son separados del núcleo a distancias decenas de miles de veces mayores que el radio del núcleo, prueba de que las fuerzas eléctricas que los mantienen son mucho más débiles que las nucleares. Gracias al poder de la interacción de los colores, el 99,945% de la masa de un átomo está contenida en su núcleo. Peso tu- Y d-quarks aproximadamente 600 veces mas masa electrón. Por tanto, los electrones son mucho más ligeros y móviles que los núcleos. Su movimiento en la materia es provocado por fenómenos eléctricos.

Existen varios cientos de variedades naturales de átomos (incluidos los isótopos), que se diferencian en el número de neutrones y protones en el núcleo y, en consecuencia, en el número de electrones en sus órbitas. El más simple es el átomo de hidrógeno, que consta de un núcleo en forma de protón y un único electrón que gira a su alrededor. Toda la materia "visible" en la naturaleza está formada por átomos y átomos parcialmente "desmontados", que se denominan iones. Los iones son átomos que, habiendo perdido (o ganado) varios electrones, se han convertido en partículas cargadas. La materia compuesta casi exclusivamente de iones se llama plasma. Las estrellas que arden debido a reacciones termonucleares que ocurren en sus centros están compuestas principalmente de plasma y, dado que las estrellas son la forma de materia más común en el Universo, podemos decir que todo el Universo se compone principalmente de plasma. Más precisamente, las estrellas son predominantemente gas hidrógeno completamente ionizado, es decir. una mezcla de protones y electrones individuales y, por lo tanto, casi todo el Universo visible está formado por ella.

Este - materia visible. Pero también existe materia invisible en el Universo. Y hay partículas que actúan como portadoras de fuerza. Hay antipartículas y estados excitados de algunas partículas. Todo esto conduce a una abundancia claramente excesiva de partículas “elementales”. En esta abundancia se puede encontrar una indicación de la verdadera naturaleza de las partículas elementales y de las fuerzas que actúan entre ellas. Según las teorías más recientes, las partículas pueden ser esencialmente objetos geométricos extendidos: "cuerdas" en un espacio de diez dimensiones.

El mundo invisible.

El Universo contiene no sólo materia visible (sino también agujeros negros y " materia oscura", como los planetas fríos que se vuelven visibles si se iluminan). También existe una materia verdaderamente invisible que nos impregna a todos nosotros y al Universo entero cada segundo. Es un gas de partículas de un tipo que se mueve rápidamente: los neutrinos electrónicos.

Un neutrino electrónico es compañero de un electrón, pero no tiene carga eléctrica. Los neutrinos sólo llevan la llamada carga débil. Su masa en reposo es, con toda probabilidad, cero. Pero interactúan con el campo gravitacional porque tienen energía cinética mi, que corresponde a masa efectiva metro, según la fórmula de Einstein mi = mc 2 donde do– velocidad de la luz.

El papel clave del neutrino es que contribuye a la transformación Y-quarks en d-quarks, como resultado de lo cual un protón se convierte en un neutrón. Los neutrinos actúan como la "aguja del carburador" para las reacciones de fusión estelar, en las que cuatro protones (núcleos de hidrógeno) se combinan para formar un núcleo de helio. Pero como el núcleo de helio no consta de cuatro protones, sino de dos protones y dos neutrones, por tal fusión nuclear necesito dos Y-quarks convertidos en dos d-cuarc. La intensidad de la transformación determina la rapidez con la que arderán las estrellas. Y el proceso de transformación está determinado por cargas débiles y fuerzas de interacción débiles entre partículas. Al mismo tiempo Y-quark (carga eléctrica +2/3, carga débil +1/2), interactuando con un electrón (carga eléctrica - 1, carga débil –1/2), forma d-quark (carga eléctrica –1/3, carga débil –1/2) y neutrino electrónico (carga eléctrica 0, carga débil +1/2). Las cargas de color (o simplemente los colores) de los dos quarks se cancelan en este proceso sin el neutrino. La función del neutrino es llevarse la carga débil no compensada. Por tanto, la tasa de transformación depende de cuán débiles sean las fuerzas débiles. Si fueran más débiles de lo que son, entonces las estrellas no arderían en absoluto. Si fueran más fuertes, las estrellas se habrían apagado hace mucho tiempo.

¿Qué pasa con los neutrinos? Debido a que estas partículas interactúan extremadamente débilmente con otra materia, casi inmediatamente abandonan las estrellas en las que nacieron. Todas las estrellas brillan, emiten neutrinos, y los neutrinos brillan a través de nuestros cuerpos y de toda la Tierra día y noche. Así deambulan por el Universo hasta entrar, quizás, en una nueva interacción ESTRELLA).

Portadores de interacciones.

¿Qué causa las fuerzas que actúan entre partículas a distancia? Física moderna respuestas: debido al intercambio de otras partículas. Imagínese a dos patinadores de velocidad lanzando una pelota. Al impartir impulso a la pelota cuando se lanza y recibir impulso con la pelota recibida, ambos reciben un empujón en una dirección que se aleja uno del otro. Esto puede explicar la aparición de fuerzas repulsivas. Pero en la mecánica cuántica, que considera fenómenos en el micromundo, se permiten alargamientos y deslocalizaciones inusuales de los eventos, lo que conduce a lo que parece imposible: uno de los patinadores lanza la pelota en la dirección de diferente, pero ese de todos modos Tal vez atrapar esta pelota. No es difícil imaginar que si esto fuera posible (y en el mundo de las partículas elementales es posible), surgiría una atracción entre los patinadores.

Las partículas, debido a cuyo intercambio surgen las fuerzas de interacción entre las cuatro "partículas de materia" mencionadas anteriormente, se denominan partículas calibre. Cada una de las cuatro interacciones (fuerte, electromagnética, débil y gravitacional) tiene su propio conjunto de partículas calibre. Las partículas portadoras de la interacción fuerte son los gluones (solo hay ocho). Fotón - portador interacción electromagnética(solo hay uno y percibimos los fotones como luz). Las partículas portadoras de la interacción débil son intermedias. bosones vectoriales(inaugurado en 1983 y 1984 W. + -, W.- -bosones y neutro z-bosón). La partícula portadora de la interacción gravitacional es el todavía hipotético gravitón (debería haber solo uno). Todas estas partículas, excepto el fotón y el gravitón, que pueden funcionar sin cesar. largas distancias, existen sólo en el proceso de intercambio entre partículas materiales. Los fotones llenan el Universo de luz y los gravitones lo llenan. ondas gravitacionales(aún no descubierto de manera confiable).

Se dice que una partícula capaz de emitir partículas calibre está rodeada por un campo de fuerzas correspondiente. Así, los electrones capaces de emitir fotones están rodeados de campos eléctricos y magnéticos, además de débiles y campos gravitacionales. Los quarks también están rodeados por todos estos campos, pero también por el campo de interacción fuerte. Las partículas con carga de color en el campo de las fuerzas del color se ven afectadas por la fuerza del color. Lo mismo se aplica a otras fuerzas de la naturaleza. Por tanto, podemos decir que el mundo está formado por materia (partículas materiales) y campo (partículas calibre). Más sobre esto a continuación.

Antimateria.

Cada partícula tiene una antipartícula con la que la partícula puede aniquilarse mutuamente, es decir. "aniquilar", lo que resulta en la liberación de energía. Sin embargo, la energía “pura” en sí misma no existe; Como resultado de la aniquilación aparecen nuevas partículas (por ejemplo, fotones) que se llevan esta energía.

En la mayoría de los casos, una antipartícula tiene propiedades opuestas a las de la partícula correspondiente: si una partícula se mueve hacia la izquierda bajo la influencia de campos fuertes, débiles o electromagnéticos, entonces su antipartícula se moverá hacia la derecha. En resumen, la antipartícula tiene signos opuestos a todas las cargas (excepto a la carga de masa). Si una partícula es compuesta, como un neutrón, entonces su antipartícula consta de componentes con signos opuestos cargos. Así, un antielectrón tiene una carga eléctrica de +1, una carga débil de +1/2 y se llama positrón. El antineutrón está formado por Y-antiquarks con carga eléctrica –2/3 y d-antiquarks con carga eléctrica +1/3. Las verdaderas partículas neutras son sus propias antipartículas: la antipartícula de un fotón es un fotón.

Según los conceptos teóricos modernos, cada partícula existente en la naturaleza debería tener su propia antipartícula. Y muchas antipartículas, incluidos positrones y antineutrones, se obtuvieron en el laboratorio. Las consecuencias de esto son extremadamente importantes y subyacen a todos física experimental partículas elementales. Según la teoría de la relatividad, la masa y la energía son equivalentes y, bajo determinadas condiciones, la energía se puede convertir en masa. Dado que la carga se conserva y la carga de vacío ( espacio vacío) es cero, cualquier par de partículas y antipartículas (con carga total cero) pueden emerger del vacío, como conejos del sombrero de un mago, siempre que la energía sea suficiente para crear su masa.

Generaciones de partículas.

Los experimentos en aceleradores han demostrado que un cuarteto (cuarteto) de partículas materiales se repite al menos dos veces como máximo valores altos masas. En la segunda generación, el lugar del electrón lo ocupa el muón (con una masa aproximadamente 200 veces mayor que la masa del electrón, pero con los mismos valores de todas las demás cargas), el lugar del neutrino electrónico es tomado por el muón (que acompaña al muón en interacciones débiles de la misma manera que el electrón va acompañado del neutrino electrónico), lugar Y-quark ocupa Con-cuark ( Encantado), A d-cuark – s-cuark ( extraño). En la tercera generación, el cuarteto consta de un leptón tau, un neutrino tau, t-quark y b-cuarc.

Peso t-un quark tiene unas 500 veces la masa del más ligero – d-cuarc. Se ha establecido experimentalmente que solo existen tres tipos de neutrinos ligeros. Por tanto, la cuarta generación de partículas o no existe en absoluto o los neutrinos correspondientes son muy pesados. Esto concuerda con los datos cosmológicos, según los cuales no pueden existir más de cuatro tipos de neutrinos ligeros.

En experimentos con partículas. altas energías el electrón, el muón, el leptón tau y los neutrinos correspondientes actúan como partículas aisladas. No llevan carga de color y sólo entran en interacciones débiles y electromagnéticas. En conjunto se les llama leptones.

Los quarks, bajo la influencia de las fuerzas del color, se combinan en partículas que interactúan fuertemente y dominan la mayoría de los experimentos de física de alta energía. Estas partículas se llaman hadrones. Incluyen dos subclases: bariones(como un protón y un neutrón), que están formados por tres quarks, y mesones, formado por un quark y un antiquark. En 1947 rayos cósmicos Se descubrió el primer mesón, llamado pión (o mesón pi), y durante algún tiempo se creyó que el intercambio de estas partículas - razón principal fuerzas nucleares. Los hadrones omega-menos, descubiertos en 1964 en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (EE.UU.), y la partícula JPS ( j/y-mesón), descubierto simultáneamente en Brookhaven y en el Centro del Acelerador Lineal de Stanford (también en EE. UU.) en 1974. La existencia de la partícula omega menos fue predicha por M. Gell-Mann en su llamado “ SU 3 teoría" (otro nombre es "camino óctuple"), en la que se sugirió por primera vez la posibilidad de la existencia de quarks (y se les dio este nombre). Una década después, el descubrimiento de la partícula j/y confirmó la existencia Con-quark y finalmente hizo que todos creyeran tanto en el modelo de quarks como en la teoría que unía las fuerzas electromagnéticas y débiles ( vea abajo).

Las partículas de segunda y tercera generación no son menos reales que las de primera. Es cierto que, habiendo surgido, en millonésimas o milmillonésimas de segundo se desintegran en partículas ordinarias de la primera generación: electrones, neutrinos electrónicos y también Y- Y d-quarks. La cuestión de por qué existen varias generaciones de partículas en la naturaleza sigue siendo un misterio.

ACERCA DE diferentes generaciones A menudo se habla de quarks y leptones (lo cual, por supuesto, es un tanto excéntrico) como diferentes “sabores” de partículas. La necesidad de explicarlos se llama problema del “sabor”.

BOSONS Y FERMIONES, CAMPO Y MATERIA

Una de las diferencias fundamentales entre partículas es la diferencia entre bosones y fermiones. Todas las partículas se dividen en estas dos clases principales. Los bosones idénticos pueden superponerse o superponerse, pero los fermiones idénticos no. La superposición ocurre (o no ocurre) en forma discreta. estados de energía, en el que la mecánica cuántica divide la naturaleza. Estos estados son como células individuales, en el que se pueden colocar partículas. Entonces, puedes poner tantos bosones idénticos como quieras en una celda, pero solo un fermión.

Como ejemplo, consideremos las células o “estados” de un electrón que orbita alrededor del núcleo de un átomo. A diferencia de los planetas sistema solar, el electrón, según las leyes de la mecánica cuántica, no puede circular en ninguna órbita elíptica, para él sólo existe; serie discreta permitidos "estados de movimiento". Los conjuntos de tales estados, agrupados según la distancia del electrón al núcleo, se denominan orbitales. En el primer orbital hay dos estados con diferente momento angular y, por tanto, dos celdas permitidas, y en los orbitales superiores hay ocho o más celdas.

Como el electrón es un fermión, cada célula sólo puede contener un electrón. Esto lleva a muy consecuencias importantes– toda la química, ya que las propiedades químicas de las sustancias están determinadas por las interacciones entre los átomos correspondientes. si vas junto tabla periódica elementos de un átomo a otro en el orden de aumentar en uno el número de protones en el núcleo (el número de electrones también aumentará en consecuencia), luego los dos primeros electrones ocuparán el primer orbital, los siguientes ocho se ubicarán en el segundo, etc Por este cambio constante estructura electronicaátomos de elemento a elemento y determinar los patrones en sus propiedades quimicas.

Si los electrones fueran bosones, entonces todos los electrones de un átomo podrían ocupar el mismo orbital, correspondiente a la energía mínima. En este caso, las propiedades de toda la materia en el Universo serían completamente diferentes, y el Universo en la forma en que lo conocemos sería imposible.

Todos los leptones (electrones, muones, leptones tau y sus correspondientes neutrinos) son fermiones. Lo mismo puede decirse de los quarks. Así, todas las partículas que forman la “materia”, principal relleno del Universo, así como los neutrinos invisibles, son fermiones. Esto es bastante significativo: los fermiones no pueden combinarse, por lo que lo mismo se aplica a los objetos del mundo material.

Al mismo tiempo, todas las “partículas calibre” que se intercambian entre partículas materiales que interactúan y que crean un campo de fuerzas ( ver arriba), son bosones, lo cual también es muy importante. Así, por ejemplo, muchos fotones pueden estar en el mismo estado, formando un campo magnético alrededor de un imán o un campo eléctrico alrededor de una carga eléctrica. Gracias a esto, el láser también es posible.

Girar.

La diferencia entre bosones y fermiones está asociada con otra característica de las partículas elementales: girar. Sorprendentemente, todas las partículas fundamentales tienen su propio momento angular o, dicho más simplemente, giran alrededor de su propio eje. El ángulo de impulso es una característica del movimiento de rotación, al igual que el impulso total del movimiento de traslación. En cualquier interacción, el momento angular y el momento se conservan.

En el microcosmos, el momento angular está cuantificado, es decir acepta valores discretos. En unidades de medida adecuadas, los leptones y quarks tienen un espín de 1/2, y las partículas calibre tienen un espín de 1 (excepto el gravitón, que aún no se ha observado experimentalmente, pero teóricamente debería tener un espín de 2). Dado que los leptones y los quarks son fermiones y las partículas calibre son bosones, podemos suponer que la "fermionicidad" está asociada con el espín 1/2, y la "bosonicidad" está asociada con el espín 1 (o 2). De hecho, tanto el experimento como la teoría confirman que si una partícula tiene un espín medio entero, entonces es un fermión, y si tiene un espín entero, entonces es un bosón.

TEORÍAS Y GEOMETRÍA DEL MEDIDOR

En todos los casos, las fuerzas surgen debido al intercambio de bosones entre fermiones. Así, la fuerza cromática de interacción entre dos quarks (quarks - fermiones) surge debido al intercambio de gluones. Un intercambio similar ocurre constantemente en protones, neutrones y núcleos atómicos. De manera similar, los fotones intercambiados entre electrones y quarks crean las fuerzas de atracción eléctrica que retienen a los electrones en el átomo, y los bosones vectoriales intermedios intercambiados entre leptones y quarks crean las fuerzas de interacción débiles responsables de convertir protones en neutrones en reacciones termonucleares en las estrellas.

La teoría detrás de este intercambio es elegante, simple y probablemente correcta. se llama teoría del calibre. Pero en la actualidad sólo existen teorías de calibre independientes sobre las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas y una teoría de calibre similar, aunque algo diferente, de la gravedad. Uno de los más importantes problemas fisicos es traer estos teorías individuales en uno y al mismo tiempo teoria simple, en el que todos se convertirían diferentes aspectos una sola realidad, como los bordes de un cristal.

La más simple y antigua de las teorías de calibre es la teoría de calibre de la interacción electromagnética. En él se compara (calibra) la carga de un electrón con la carga de otro electrón distante de él. ¿Cómo se pueden comparar los cargos? Puedes, por ejemplo, acercar el segundo electrón al primero y comparar sus fuerzas de interacción. ¿Pero no cambia la carga de un electrón cuando se mueve a otro punto en el espacio? la unica manera comprobaciones: envíe una señal desde un electrón cercano a uno distante y observe cómo reacciona. La señal es una partícula calibre: un fotón. Para poder comprobar la carga en partículas distantes se necesita un fotón.

Matemáticamente, esta teoría es extremadamente precisa y hermosa. Del “principio de calibración” descrito anteriormente se desprenden todos electrodinámica cuántica (teoría cuántica electromagnetismo), así como la teoría campo electromagnético Maxwell es uno de los más grandes. logros científicos siglo 19

¿Por qué es tan fructífero un principio tan simple? Aparentemente, expresa algún tipo de correlación. diferentes partes Universo, permitiendo realizar mediciones en el Universo. EN matemáticamente el campo se interpreta geométricamente como la curvatura de algún espacio “interno” concebible. Medir la carga consiste en medir la “curvatura interna” total alrededor de la partícula. Teorías de calibre de los fuertes y interacciones débiles diferente de electromagnético teoría del calibre sólo por la “estructura” geométrica interna de la carga correspondiente. Cuando se le preguntó dónde está exactamente esto espacio interior, tratando de responder multidimensional teorías unificadas campos que no están cubiertos aquí.

La física de partículas aún no está completa. Todavía no está nada claro si los datos disponibles son suficientes para comprender plenamente la naturaleza de las partículas y las fuerzas, y verdadera naturaleza y dimensiones del espacio y del tiempo. ¿Necesitamos para ello experimentos con energías de 10 15 GeV o será suficiente el esfuerzo del pensamiento? Aún no hay respuesta. Pero podemos decir con confianza que la imagen final será simple, elegante y hermosa. Es posible que no haya tantas ideas fundamentales: el principio de calibre, los espacios de dimensiones superiores, el colapso y la expansión y, sobre todo, la geometría.