15. Элементарные частицы: определение, классификации по различным основаниям (массе, знаку заряда, значению спина, участию в физическом взаимодействии).

Элементарные частицы - мельчайшие неделимые объекты в микромире (в атомном, ядерном и субъядерном масштабе). Из элементарных частиц состоят атомы и атомные ядра. Экспериментально установлено, что элементарные частицы одновременно обладают корпускулярными и волновыми свойствами (корпускулярно-волновой дуализм).

Квантовая теория утверждает, что каждая элементарная частица участвующая в сильных взаимодействиях (адрон), состоит из кварков – но кварков не нашли ни при каких энергиях.

Элементарная частица с квантовым числом L>0 в полевой теории

Увеличить

Элементарная частица с квантовым числом L>0 в полевой теории

.

Полевая теория утверждает, что элементарные частицы (с квантовым числом L>0) состоят из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей – с электромагнитными полями мы сталкиваемся на каждом шагу. Число элементарных частиц бесконечно и каждая элементарная частица (с квантовым числом L>0) имеет бесконечное число возбужденных состояний. Благодаря наличию переменного электромагнитного поля элементарные частицы обладают волновыми свойствами.

Как мы видим, полевая теория охватывает все элементарные частицы и объясняет их строение исходя из реально существующих в природе полей, действуя в рамках законов природы. Квантовая теория вынуждена была стать на путь игнорирования закона сохранения энергии, поскольку переносчики взаимодействий (постулированных квантовой теорией) в природе не существуют.

В свое время квантовая теория заполнила собой вакуум, возникший в физике в связи с временными трудностями полевой теории элементарных частиц. Теперь, когда полевой теории элементарных частиц удалось построить научную картину микромира - монопольному господству квантовой теории в физике пришел конец.

Насколько разнообразны элементарные частицы, настолько же разнообразны и их характеристики. Именно на основании характеристик и составлена классификация элементарных частиц. Один из самых важных показателей - это масса. Важно брать во внимание именно массу покоя частицы, поскольку в момент движения, особенно с высокими скоростями, она значительно увеличивается. Иногда, не учитывая этот факт, некоторые ученые объявляли об открытии новых частиц, хотя имели дело с давно известными. Единицей отсчета принято считать массу покоя электрона, поскольку он является самой легкой из них. В наше время классификация элементарных частиц в соответствии с их массами покоя выглядит следующим образом: фотоны, у которых нет массы покоя, поскольку постоянно движутся со световой скоростью; легкие частицы – лептоны, к которым относятся нейтрино и электрон; средние частицы, которые весят от одной массы электрона до тысячи; тяжелые – барионы, обладающие массой в более, чем тысячу масс электрона, к которым относятся нейтроны, протоны, гиперионы. Следующая характеристика, по которой создана классификация элементарных частиц, – их электрический заряд. Он кратен заряду одного электрона (-1) всегда. Согласно данной характеристике все частицы делятся на положительно заряженные, отрицательно заряженные и с нулевым зарядом. Предполагается также существование частиц, имеющих дробный заряд. Еще одна характеристика, по которой создана классификация элементарных частиц, – время их жизни: стабильные частицы, к коим относятся электрон, нейтрино, фотон и протон, нейтрон сохраняет стабильность до тех пор, пока находится в составе ядра атома, а в свободном состоянии он распадается в течение 15 минут; нестабильные частицы – все остальные. Время жизни у них 10(-10) – 10(-24) секунд, а частицы с самой короткой длительность жизни – резонансы, разрушающиеся еще до того, как успевают покинуть атомное ядро или атом. Живут они 10(-25) - 10(-26) секунды. Хотя существование такого рода частиц теоретически вычислено, но практически их никто не зафиксировал. В жизнедеятельности человека самая важная роль принадлежит, конечно, стабильным частицам, ведь именно из них и построены все макротела. Следующая классификационная характеристика – тип взаимодействия: лептоны - частицы, которые участвуют только в слабом и электромагнитном взаимодействии; адроны - это частицы, которые, помимо вышеперечисленных, принимают участие еще и в сильных взаимодействиях. Но самая важная характеристика элементарных частиц – это спин (описание импульса частицы). Такая величина в классической механике описывает характеристику вращения тела. Но физика, рассматривая свойства элементарных частиц, спин характеризует по-другому - как внутреннюю степень свободы данной частицы. Он может принимать только положительные значения, которые пропорциональны постоянной Планка, в отличие от спина в механике, способного принимать любые значения. Коэффициент, выражающий его пропорциональность, назван квантовым спиновым числом. Для одних частиц он может иметь целочисленные (0, 1, 2), а у других - полуцелые (1/2, 3/2) значения. Частица, обладающая 0-вым спином, выглядит одинаково при повороте ее под любым углом, со спином в единицу - обретает такой же вид после поворота ее на 360 градусов, а со спинов равным 2 – после поворота на 180 градусов, со спином в ½ - на 720 градусов. Все частицы с нецелым значением спинов носят название – фермионы. К ним относятся все широко известные частицы, например, протоны, электроны, нейтроны. Их спины составляют 1/2. А с целочисленными – бозоны. Эти вещества, по сути, являются квантами полей, но даже обладая корпускулярными свойствами, все же выступают в роли полей в классическом пределе. Ярким образцом бозонов является фотон, спин у которых составляет 1, а также мезоны с нулевым спином.

16. Кварки: определение, особенности поведения. Квантовые числа кварков.

17. Физическое взаимодействие: общие положения для всех видов взаимодействия. Сравнительная характеристика четырёх фундаментальных физических взаимодействий.

18. Развитие представлений о пространстве и времени. Свойства пространства и времени.

19. Постулаты и следствия общей и специальной теории относительности.

20. Динамические и статистические законы в природе и обществе, детерминизм.

21. Принципы современной физики (симметрии, соответствия, дополнительности, соотношения неопределенностей, суперпозиции).

22. Начала классической термодинамики. Замкнутые, изолированные и открытые системы. Порядок и хаос. Энтропия.

23. Проблемы самоорганизации материи. Основы синергетики.

24. Развитие взглядов на строение Вселенной с древних времен до наших дней.. Современная космологическая модель Вселенной.

25. Гипотеза Большого взрыва, её современная интерпретация.

26. Структура Солнечной системы.

27. Внутреннее строение и история геологического развития Земли. Литосфера как абиотическая основа жизни. Свойства литосферы. Ресурсная и геодинамическая функции литосферы.

28. Атмосфера, гидросфера, магнитосфера Земли. Характеристика, значение.

29. Географическая оболочка Земли: строение, функции и закономерности. Географическая среда и человек.

30. Химия как наука, ее предмет, методы и задачи.

31. История становления химии: характеристика основных этапов.

32. Современные концепции химии: состава, строения, учение о химическом процессе. Реакционная способность вещества.

33. Определения жизни. Критерии, свойства и уровни организации живого.

34. Концепции о происхождении жизни на Земле, их развитие.

35. Концепция происхождения жизни на Земле А.И. Опарина.

36. История идеи развития в биологии (учения К. Линнея, Ж.-Б. Ламарка, Ж. Кювье).

37. Основные положения эволюционного учения Ч. Дарвина. Современная теория эволюции.

38. Характеристика этапов происхождения человека. Физические факторы антропогенеза. Сходство и отличия человека и животных.

39. Человек как биосоциальное существо. Творчество. Эмоции. Человек и время. Работоспособность человека.

40. Здоровье человека. Проблемы нормы и патология. Факторы ортобиоза.

41. Биосфера, человек и космос. Концепция А.Л. Чижевского. Концепция этногенеза Л. Гумилева.

42. Сильный и слабый антропный принцип в современной науке.

43. Современные глобальные проблемы человечества. Возможные пути их решения. Концепция устойчивого развития человечества.

44. Учение В.И. Вернадского о ноосфере.

45. Биоэтика. Генная инженерия. Евгеника.

16. Кварк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Кварки являются точечными частицами вплоть до масштаба примерно 5·10⁻¹⁸ м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействияпостулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.

КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА - целые или дробные числа, к-рые определяют возможные значения физ. величин, характеризующих квантовые системы (атом, ядро, молекулу и др.), а также отд. элементарные частицы, кварки, глюоны. К. ч. были впервые введены в физику для описания найденных эмпирически закономерностей атомных спектров, однако смысл К. ч. и связанной с ними дискретности нек-рых физ. величин, характеризующих поведение микрочастиц, был раскрыт лишь квантовой механикой. Согласно квантовой механике, возможные значения физ. величин определяются собственными значениями соответствующих операторов, действующих в пространстве состояний физ. системы. С матем. точки зрения это линейные самосопряжённые операторы в гильбертовом пространстве, собственные значения к-рых могут быть непрерывными или дискретными; в последнем случае и возникают нек-рые К. ч. В несколько более общем смысле К. ч. называют величины, сохраняющиеся в процессе движения, но не обязательно принадлежащие дискретному спектру, напр., импульс или энергию свободно движущейся частицы, массу покоя частицы. Набор К. ч., исчерпывающе определяющий состояние квантовой системы, наз. полным. Совокупность состояний, отвечающая всем возможным значениям К. ч. из полного набора, образует полную систему состояний. Так, состояния электрона в атоме определяются четырьмя К. ч. соответственно четырём степеням свободы, связанным с тремя пространств. координатами и спином. Для атома водорода и водородоподобных атомов это: главное К. ч. (п=1, 2, . . .), орбитальное К. ч. (l=0, 1, . . ., n-1), магн. К. ч. (m_l, | m_l | [ l) - проекция орбитального момента на нек-рое направление и К. ч. проекции спина (m_s 6¹/₂). Др. набор К. ч., более пригодный для описания атомных спектров при учёте спин-орбитального взаимодействия (определяющего тонкую структуру уровней энергии), получается при использовании вместо m_l и m_s К. ч. полного момента кол-ва движения (j=l6¹/₂) и К. ч. проекции полного момента (m_j, |m_j| [j). Те же К. ч. используются для приближённого описания состояний отд. электронов в сложных (многоэлектронных) атомах, состояний нуклонов в ядрах и т. д. (см. Атом, Ядро атомное). Приведённые выше К. ч. связаны с пространств. симметриями квантовых систем относительно нек-рых непрерывных преобразований. Др. К. ч. отвечают дискретным симметриям, напр., чётность состояния (Р), к-рая принимает значения +1 и -1 в зависимости от того, сохраняет волновая ф-ция знак при инверсии координат (r '' - r)или меняет его на обратный.