Контрольная работа по "Концепция современного естествознания"

     Все вышеописанное  относится к аннигиляции свободных  частиц. Если хотя бы одна из  них входит в состав квантовой  системы, в принципе ситуация остается прежней, но альтернативы изменяются. Например, аннигиляция свободного электрона и свободного позитрона никогда не может породить всего один квант - не позволяет закон сохранения импульса. Это легче всего увидеть, если работать в системе центра инерции сталкивающейся пары, - тогда начальный импульс будет равен нулю и потому никак не сможет совпасть с импульсом единичного фотона, куда бы тот ни улетел. Если же позитрон встретится с электроном, входящим, скажем, в состав атома водорода, возможна и однофотонная аннигиляция - в этом случае часть импульса передастся атомному ядру.

      Процессы, в которых участвуют различные  элементарные частицы, сильно  различаются по характерным временам  их протекания и энергиям. Согласно  современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти типы взаимодействий называют фундаментальными.

Сильное (или ядерное) взаимодействие – это наиболее интенсивное из всех видов взаимодействий. Они обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы – адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка и менее 10–15м. Поэтому его называют короткодействующим.

Электромагнитное взаимодействие. В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а так же фотоны – кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми числами. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира.

Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ≥10¹⁰с).

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезды, планеты и т.п.) с их огромными массами.

     Современной теорией,  последовательно описывающей взаимодействия  фотонов (Ф), электронов и позитронов с учётом их возможных взаимопревращений, является квантовая электродинамика. Она рассматривает электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами как процесс обмена виртуальными Ф. Сами фотоны через образование виртуальных электрон-позитронных пар также могут взаимодействовать между собой, однако вероятность такого взаимодействия очень мала и экспериментально оно не наблюдалось. При рассеянии Ф. высоких энергий на адронах и атомных ядрах следует учитывать, что Ф. может превращаться виртуально в совокупность адронов, которые сильно взаимодействуют с адронами мишени. В то же время виртуальный Ф., возникающий, например, при аннигиляции электрона и позитрона высоких энергий, может превращаться в реальные адроны. (Такие процессы наблюдаются на встречных электрон-позитронных пучках.) Описание взаимодействия реальных и виртуальных Ф. с адронами осуществляется с помощью различных теоретических моделей, например векторной доминантности

 

     Виртуальные частицы,  частицы, существующие в промежуточных,  имеющих малую длительность состояниях, для которых не выполняется  обычное соотношение между энергией, импульсом и массой. Другие характеристики  виртуальных частиц (В.ч.) — электрический заряд, спин, барионный заряд и т.д. — такие же, как у соответствующих реальных частиц.

       Понятие В.  ч. и виртуальных процессов  занимает центральное место в  современной квантовой теории  поля. В этой теории взаимодействие  частиц и их взаимные превращения рассматриваются как рождение или поглощение одной свободной частицей других (виртуальных) частиц. Любая частица непрерывно испускает и поглощает В. ч. различных типов. Например, протон испускает и поглощает виртуальные пи-мезоны (наряду с другими В. ч.) и благодаря этому оказывается окружённым облаком В. ч., число которых, вообще говоря, неопределённо.

       С  точки зрения классической физики, свободная частица (частица, на  которую не действуют внешние  силы, т. е. покоящаяся или движущаяся равномерно и прямолинейно) не может ни породить, ни поглотить другую частицу (например, свободный электрон не может ни испустить, ни поглотить фотон), так как в таких процессах нарушался бы либо закон сохранения энергии, либо закон сохранения импульса. Действительно, покоящийся электрон имеет минимальную возможную энергию (энергию покоя, равную, согласно теории относительности, m₀с², где m₀ – масса покоя электрона, с — скорость света). Поэтому такой электрон не может испустить фотон, всегда обладающий энергией: при этом нарушался бы закон сохранения энергии. Если электрон движется с постоянной скоростью, он также не может (за счёт своей кинетической энергии) породить фотон, так как в таком процессе нарушался бы закон сохранения импульса: потеря импульса электроном, связанная с потерей энергии на рождение фотона, была бы большей импульса фотона, соответствующего его энергии (из-за различия масс этих частиц). То же относится и к процессу поглощения фотона свободным электроном.

        Вследствие  принципа неопределённости возможно испускание и поглощение свободным электроном виртуального фотона и другие аналогичные процессы; нужно лишь, чтобы весь процесс испускания и поглощения длился достаточно малое время, так, чтобы связанное с ним "нарушение" закона сохранения энергии укладывалось в рамки соотношения неопределённостей. Законы сохранения электрического заряда и некоторых других характеристик микрочастиц (барионного заряда, лептонного заряда) при таких виртуальных процессах строго выполняются.

      Взаимодействие обычных, реальных частиц в подавляющем большинстве случаев происходит путём испускания и поглощения (обмена) В. ч. Энергия и импульс реальных частиц до и после реакции остаются неизменными, а во время реакции законы сохранения этих величин не выполняются. Вся теория строится так, что любая реакция может быть представлена как результат различных виртуальных процессов, протекающих за малое время реакции.

      Кроме обмена В.  ч., в теории большую роль играет  процесс образования В. ч. при  поглощении одной реальной частицей другой реальной же частицы. Например, комптон-эффект, т. е. процесс рассеяния фотона электроном, происходит главным образом за счёт следующего механизма: вначале фотон поглощается электроном с образованием виртуального электрона, а затем этот виртуальный электрон снова распадается на реальные электрон и фотон (но уже имеющие другие направления движения и энергии, т. е. рассеянные).

 

 

3.  Задание № 104

 

Классическая механика. Законы Ньютона. В чём сущность этих законов? Приведите примеры. Понятия ускорения, массы тела и силы. Роль классической механики в развитии естествознания.  

 

     Основу классической  механики составляют три закона  Ньютона, сформулированные Исааком  Ньютоном в трактате "Математические  начала натуральной философии", впервые опубликованном в 1686 году.

     Первый закон Ньютона постулирует существование особых систем отсчета, называемых интерциальными, в которых любое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не действуют силы со стороны других тел (закон инерции).

     Свободным телом – называют тело, на которое не действуют какие – либо другие тела или поля. При решении некоторых задач тело можно считать свободным, если внешние воздействия уравновешены.

      Системы отсчета, в которых свободная материальная точка покоится или движется прямолинейно и равномерно, называются инерциальными системами отсчета. Прямолинейное и равномерное движение свободной материальной точки в инерциальной системе отсчета называется движением по инерции. При таком движении вектор скорости материальной точки остается постоянным ( = const). Покой точки является частным   случаем движения по  инерции ( =0).

В инерциальных системах отсчета покой  или равномерное движение представляет собой естественное состояние, а динамика должна объяснить изменение этого состояния (т.е. появление ускорения тела под действием сил). Свободных тел, не подверженных воздействию со стороны других тел не существует. Однако, благодаря убыванию всех: известных взаимодействий с увеличением расстояния, такое тело можно реализовать с любой требуемой, точностью.

      Системы  отсчета, в которых свободное  тело не сохраняет скорость  движения неизменной, называются неинерциальными. Неинерциальной является система отсчета, движущаяся с ускорением относительно любой инерциальной системы отсчета. В неинерциальной системе отсчета даже свободное тело может двигаться с ускорением.

      Равномерное и  прямолинейное движение системы  отсчета не влияет на ход  механических явлений, протекающих в ней. Никакие механические опыты не позволяют отличить покой инерциальной системы отсчета от ее равномерного прямолинейного движения. Для любых механических явлений все инициальные системы отсчета оказываются равноправными. Эти утверждения выражают механический принцип относительности (принцип относительности Галилея). Принцип относительности является одним из наиболее общих законов природы, в специальной теории относительности он распространяется на электромагнитные и оптические явления.

Масса, плотность, сила.

 Свойство тела сохранять  свою скорость при отсутствии  взаимодействия с другими телами  называется инертностью. Физическая  величина, являющаяся мерой инертности  тела в поступательном движении, называется инертной массой. Масса тела измеряется в килограммах: . Масса характеризует также способность тела взаимодействовать с другими телами в соответствии с законом всемирного тяготения. В этих случаях масса выступает как мера гравитации и ее называют гравитационной массой.

      В современной физике с высокой степенью точности доказана тождественность значений инертной и гравитационной масс данного тела. Поэтому говорят просто о массе тела (m).

      В механике Ньютона  считается, что 

 а) масса тела равна сумме  масс всех частиц (или материальных точек), из которых оно состоит;

 б)  для данной совокупности  тел выполняется закон сохранения  массы: при любых процессах,  происходящих в системе тел,  ее масса остается неизменной.

      Плотность  однородного тела равна  . Единица плотности 1 кг/м³.

Силой называется векторная  физическая величина, являющаяся мерой  механического воздействия на тело со стороны других тел или полей. Сила полностью определена, если заданы ее модуль, направление и точка  приложения. Прямая,  вдоль которой  направлена сила, называется линией действия силы.

     В результате  действия силы тело изменяет  скорость движения (приобретает ускорение) или деформируется. На основании этих опытных фактов производится измерение сил.

     Сила является причиной  возникновения не скорости, а ускорения тела. С направлением силы совпадает во всех случаях направление ускорения, но не скорости.

     В задачах механики  учитываются гравитационные силы (силы тяготения) и две разновидности  электромагнитных сил - силы упругости  и силы трения.

         

     Второй закон Ньютона утверждает, что в инерциальных системах отсчета ускорение любого тела пропорционально сумме действующих на него сил и обратно пропорционально массе тела (F = ma).

     Если на частицу  с массой т окружающие тела  действуют с силой , то эта частица приобретает такое ускорение , что произведение ее массы на ускорение будет равно действующей силе.

     Математически второй  закон Ньютона записывается в  виде: 

На основе этого закона устанавливается единица силы — 1 Н (ньютон). 1 Н — это сила, с которой нужно действовать на тело массой 1 кг, чтобы сообщить ему ускорение 1 м/с².

      Если  сила  , с которой тела действуют на данную частицу, известна, то записанное для этой частицы уравнение второго закона Ньютона называют ее уравнением движения.

Второй закон  Ньютона часто называют основным законом динамики, так как именно в нем находит наиболее полное математическое выражение принцип причинности и именно он, наконец, позволяет решить основную задачу механики. Для этого нужно выяснить, какие из окружающих частицу тел оказывают на нее существенное действие, и, выразив каждое из этих действий в виде соответствующей силы, следует составить уравнение движения данной частицы. Из уравнения движения (при известной массе) находится ускорение частицы. Зная  же ускорение можно определить ее скорость, а после скорости — и положение данной частицы в любой момент времени.

     Практика показывает, что решение основной задачи  механики с помощью второго  закона Ньютона всегда приводит  к правильным результатам. Это и является экспериментальным подтверждением справедливости второго закона Ньютона.

 

     Третий закон Ньютона гласит, что при взаимодействии любых двух тел, они испытывают друг со стороны друга силы, одинаковые по величине и противоположные по направлению (действие равно противодействию).

      Это  означает, что если на тело  А со стороны тела В действует  сила  ,  то одновременно на тело В со стороны тела А будет действовать сила  , причем