Реферат на тему:

Процессы в микромире (2-03-04)

Подготовила студентка факультета

Экстремальной психологии группы 2-1:

Молочкова Анастасия

Процессы в микромире(2-03-04)

• Взаимопревращения элементарных частиц (распады, рождение новых частиц при столкновениях, аннигиляция)

• Возможность любых реакций элементарных частиц, не нарушающих законов сохранения (энергии, заряда и т.д.)

• Естественная радиоактивность – явление самопроизвольного распада атомных ядер, его вероятностный характер.

• Основные виды радиоактивного распада: альфа- и бета-распады, деление

• Энергия связи ядра (дефект массы)

• Выделение энергии при радиоактивном распаде

• Цепная реакция деления ядер (исходные ядра => дочерние ядра + нейтроны => деление других ядер, стимулированное образующимися нейтронами)

• Реакции синтеза легких и атомных ядер

• Выделение энергии в реакциях ядерного синтеза в сравнении с реакциями деления ядер

• Термоядерные реакции, необходимые для них условия (чрезвычайно высокие температура и давление)

• Естественные термоядерные реакторы – звезды

• Энергия связи нуклонов в ядре в сравнении с энергией связи электронов в атоме.

Все многообразие известных человечеству объектов и свойственных им явлений обычно разделяется на три качественно различные области - микро-, макро- и мегамиры.

Мегамир включает галактики и звезды; макромир - планетные системы звезд, планеты, окружающие нас тела; микромир - молекулы, атомы, ядра атомов, элементарные частицы.

Микромир - это мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10~8 до 10~16 см, а время жизни - от бесконечности до 10~24 секунд.

Объектами микромира являются фундаментальные и элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Элементарные частицы - это частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома, к ним относят также и те частицы, которые получают при помощи мощных ускорителей частиц.

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными.

Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (то есть исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона с достаточно большой энергией с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном. Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, то есть обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.

Аннигиля́ция (лат. Annihilatio - уничтожение) — реакция превращения частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных.

Наиболее изученной является аннигиляция электрон-позитронной пары. При низких энергиях сталкивающихся электрона и позитрона, а также при аннигиляции их связанного состояния — позитрония — эта реакция аннигиляции даёт в конечном состоянии два или три фотона, в зависимости от ориентации спинов электрона и позитрона. При энергиях порядка нескольких МэВ (мегаэлектронвольт) становится возможной и многофотонная аннигиляция электрон-позитронной пары. При энергиях порядка сотен МэВ в процессе аннигиляции электрон-позитронной пары рождаются в основном адроны.

№ 14 Процессы в микромире

Излучение:

α-

поток ядер 4He, заряд α-частицы равен +2е

β

поток быстрых электронов или позитронов

γ

коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны λ<10Å.

Закон радиоактивного распада: N=N0exp(-λt)=N0exp(-ln(2)/T1/2*t), где N0 - число ядер в веществе в начальный момент времени, N - число ядер к моменту времени t, λ - постоянная распада, имеющая смысл вероятности распада ядра за 1с и равная доле ядер, распадающихся в единицу времени, Т1/2 - период полураспада, т.е. время, за которое исходное число радиоактивных ядер уменьшается вдвое.

Самыми стабильными являются ядра средней части периодической системы Д.И. Менделеева, для легких ядер более энергетически выгодными являются термоядерные реакции синтеза ядер, а для тяжелых – реакции деления ядер.

Энергия термоядерного синтеза в тысячи раз больше энергии деления ядер, а последняя в миллионы раз выше энергии химических связей, которая освобождается при горении топлива – природного газа, угля и другого.

Элементарные частицы не являются неизменными, простейшими элементами: они могут превращаться друг в друга в процессе взаимодействия, рождаться или поглощаться различными компонентами частиц, которые взаимодействуют. Открытием антипротона конце 1955 г. установлено, что не существует каких-либо групп элементарных частиц, которые не могли бы превратиться в другие элементарные частицы. Теперь взаемоперетворюванисть элементарных частиц можно считать экспериментально установленным фактом для простейших форм материи. В общей взаемоперетворюваности элементарных частиц выражена одна из самых основных свойств материи - ее способность превращаться из одной формы в другую, качественно отличную.

Все тяжелые мезоны превращаются или в те-мезоны, или я-мезоны и пары лептонов (ц-мезоны, электроны, нейтрино), или пары лептонов. В свою очередь, заряженные я-мезоны превращаются в ц-мезоны и нейтрино, а ц-мезоны далее превращаются в стабильные электроны и нейтрино; нейтральные я-мезоны превращаются в пары у-фотонов. Итак, все без исключения мезоны превращаются в стабильные легкие частицы - позитроны, электроны, нейтрино и у-фотоны.

Несколько иначе превращаются тяжелые частицы. Окончательно все тяжелые частицы (тяжелее протона) превращаются в стабильные протоны, позитроны, электроны, нейтрино и фотоны. Электрон, имея наименьшую массу в спектре масс элементарных частиц, занимает самый низкий уровень в нем, если этот спектр считать подобным энергетическим уровням некоторой квантово-механической системы. Этот уровень стабильный, поскольку переходы могут происходить только с более высоких уровней на самый низкий в спектре уровень. Распад с этого уровня в фотоны, электрический заряд которых равен нулю, запрещено законом сохранения электрического заряда. Это сразу приводит к стабильности электрона. Конечно, пара электрон - позитрон превращается в фотоны по закону сохранения электрического заряда и экспериментально наблюдается. Протон в паре с антипротонов также превращается в фотоны.

Итак, в результате процессов распада и процессов рождения все элементарные частицы могут превращаться в легкие частицы - нейтрино и фотоны. Теоретически также очевидно, что нейтрино и антинейтрино также могут превращаться в фотоны. При этом допускается, исходя из обобщений опытных данных, что все известные элементарные частицы имеют соответствующие античастицы и могут спонтанно превращаться в фотоны или частицы, которые распадаются на фотоны.

Закон взаимопревращения элементарных частиц можно сформулировать так: любые элементарные частицы можно полностью преобразить в фотоны или непосредственно, или в совокупности с соответствующими античастицами. Здесь наблюдается также взаимопревращения частиц и фотонов. При всех взаимопревращениях частиц выполняются все универсальные законы сохранения: энергии (массы), импульса, спина и зарядов (электрического, барионного и лептонного). К абсолютна законов сохранения относятся законы сохранения странности и четности. Они сохраняются для сильных и электромагнитных взаимодействий и нарушаются в случае слабых взаимодействий. Закон сохранения изотопического спина исполняется только для сильных взаимодействий и нарушается для электромагнитных и слабых.

Опыт показывает, что взаимопревращения элементарных частиц обусловлено законами сохранения, которые не допускают произвольных реакций. Однако всегда можно подобрать цепь реакций, с помощью которых можно превратить один вид частиц и античастиц в другие. Материя в своих простейших формах может превращаться из одной формы в любую другую, качественно отличную, но возможность превращения отдельных простейших форм ограничивается законами сохранения. Они выражают незнищуванисть различных атрибутов материи.

Законы сохранения, имеющие место в процессах взаимопревращения простейших форм материи, качественно различаются между собой. Некоторые законы выражают количественное сохранение различных форм движения (сохранения импульса, энергии и момента количества движения). Вторая группа законов выражает сохранение основных качественных различий различных простейших форм материи (сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов). Наконец, важное значение при взаимопревращениях элементарных частиц имеет закон сохранения общей массы системы.

Например, барионный заряд замкнутой системы частиц не может измениться, а общее количество тяжелых частиц в этой совокупности не может уменьшиться. Могут только образоваться пары частиц и античастиц, но это не меняет барионного заряда и, следовательно, не приводит к уменьшению количества тяжелых частиц. Сохранения барионного заряда обеспечивает стабильность вещества, т.е. невозможность превращения нуклонов, входящих в состав ядра, в легкие частицы и фотоны. Итак, закон сохранения барионного заряда выражает сохранение глубокой качественного отличия группы тяжелых частиц от всех остальных. Если, например, барионный заряд в системе равно нулю, то частицы с отличным от нуля барионным зарядом, то есть тяжелые частицы, могут возникать только парами полярно противоположных частиц с положительным и отрицательным барионного заряда.

Существование лептонов приводит закон сохранения лептонного заряда. Как и барионы, лептоны являются фермионами, то есть имеют пивцилий спин. Однако они не могут превращаться в барионы в связи с действием закона сохранения барионного заряда.

Сохранения электрического заряда выражает сохранение особого свойства у частиц создавать электрическое поле. Это свойство могут иметь частицы всех групп, кроме нулевой (фотона). Итак, законы сохранения зарядов элементарных частиц выражают сохранение основных качественных различий элементарных частиц. Эти качественные различия могут возникать только во взаимных противоположностях, то есть в положительных и отрицательных зарядах, частицы и античастицы т.п., причем противоположности абсолютно тождественны по всем свойствам, кроме знака зарядов в этом случае. Исключением может быть только странность, которая в некоторых маловероятных процессах может исчезать или возникать не в паре с зарядом противоположного знака. Однако странность не является универсальной характеристикой, как электрический или барионный заряды.

Рассмотрим законы сохранения форм движения. Наличие в совокупности частиц общего количества движения или импульса, всегда свидетельствует о поступательном движении этой совокупности как целого. Поэтому сохранение общего импульса системы выражает сохранение поступательного формы движения материи. Это справедливо не только для совокупности элементарных частиц, но и для любых полей. Сохранения импульса можно рассматривать также как следствие инвариантности (неизменности) законов природы относительно пространственных перемещений.

Наличие общего момента количества движения, в том числе и у электромагнитного поля, всегда свидетельствует (иногда в скрытом виде) о вращательное движение. Закон сохранения общего момента количества движения системы выражает сохранения вращательного формы движения материи. Этот закон можно рассматривать как следствие инвариантности законов природы относительно пространственных поворотов.

Наконец, закон сохранения общей энергии системы выражает незнищуванисть движения во всех его формах, учитывая внешние, скрытые формы движения. Относительное движение частей изолированной системы в процессе взаимопревращений простейших форм материи может уменьшаться и вообще исчезать. Однако закон сохранения энергии не допускает безвозвратной потере движения, а поэтому важны обратные процессы, в которых потерян движение восстановится. Если движение какой-то простейшей формы материи исчез вместе с этой формой в результате взаимопревращения, то по закону сохранения энергии он возникнет при обратном преобразовании. Обратные преобразования всегда могут происходить вследствие оборачиваемости всех законов движения простейших форм материи. В сохранении энергии простейших форм выражается невозможность каких-либо преобразований одной формы материи в другую без изменения движения и невозможность возникновения новых форм движения без качественных преобразований материи из одной формы в другую. Действительно, образование новых элементарных частиц всегда связано с потерей кинетической энергии относительного движения частиц (энергия поступательного движения системы как целого при этом не изменится). И наоборот, в процессах исчезновения или рождение частиц кинетическая энергия относительного движения увеличится. При этом возникнут или исчезнут новые подвижные частицы (поля), т.е. новые формы движения материи.

отметить, что толкование законов сохранения материи и движения в микромире не противоречит конкретной форме этих законов, открытых М. В. Ломоносовым, Р. Майером, Г. Гельмгольцем и другими естествоиспытателями результате обобщения основных законов дореляты-вистськои физики. Они не противоречат также общей философской интерпретации этих законов.

Итак, сделанные за последнюю четверть XX в. фундаментальные открытия в физике элементарных частиц экспериментально обосновывают общий закон взаемоперетворюваности всех простейших форм материи. Этот закон является основой принципиально новой атомистики - атомистики элементарных частиц и утверждает одно из основных положений диалектического материализма о единстве материального мира. Закон взаемоперетворюваности простейших форм материи по-новому раскрывает взаимосвязь материи и движения, а также содержание законов сохранения простейших форм материи. Его можно рассматривать как общий закон сохранения и превращения материи, который можно сформулировать так: материя при любых преобразованиях не исчезает и не возникает, она лишь превращается из одной формы в другую. Любая простейшая форма материи в соответствующих условиях может быть превращена полностью в любую другую простейшую форму.