4.7. Какими основными характеристиками обладают элементарные частицы?

Элементарные частицы – специфические объекты микромира, их невозможно наблюдать непосредственно с помощью микроскопа, т.к. размеры этих объектов значительно меньше длины волны видимого света. Но об их существовании можно судить по их физическим свойствам – например, по поведению в электромагнитном поле. Для ИДЕНТИФИКАЦИИ (однозначного определения) этих частиц используется ряд характеристик, а именно:

1. МАССА ЧАСТИЦЫ. Различают массу покоя (m₀) и массу движущейся частицы (т.н. релятивистскую массу, вытекающую из специальной теории относительности – см. п. 6.4). Массы покоя некоторых частиц приводятся в Приложении 2. Существуют частицы с нулевой массой покоя, например, фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия.

2. ЗАРЯД ЧАСТИЦЫ (знак и величина). Заряд выражается в единицах элементарного заряда (см. Приложение 3). Элементарные частицы имеют целочисленный заряд, а кварки (гипотетические субэлементарные частицы) – дробный.

3. ВРЕМЯ ЖИЗНИ. Различают частицы стабильные (существующие неограниченно долго) и нестабильные. Время жизни последних может достигать миллионных долей секунды. На время жизни частицы могут влиять внешние условия. Например, у свободного нейтрона оно ограничено, но в составе атомного ядра нейтрон становится стабильным (см. п. 5.3).

4. КВАНТОВЫЕ ЧИСЛА. Это особые параметры, связанные с двойственной природой объектов микромира – с явлением корпускулярно–волнового дуализма (п. 6.6). Квантовые числа являются результатами решения уравнений квантовой механики и принимают дискретные (фиксированные) наборы значений. Например, электроны в составе атома описываются набором из четырёх квантовых чисел:

• главного (соответствующего порядковому номеру энергетического уровня);

• орбитального (соответствующего типу орбитали, т.е. форме движения электрона);

• магнитного (соответствующего ориентации орбитали в пространстве);

• спинового (от англ. spin – «вращаться», характеристика собственного вращательного момента микрочастицы, указывающая на одно из двух возможных направлений вращения вокруг своей оси, условно – «влево» и «вправо»).

Для объектов микромира характерно явление симметрии – зарядовой (электрической) и спиновой (магнитной). Частицы, различающиеся только знаком заряда и магнитного момента, но полностью идентичные по всем остальным характеристикам, называются АНТИЧАСТИЦАМИ. Типичным примером является пара электрон (е^–) – позитрон (е⁺). При столкновении частицы с античастицей происходит их взаимная АННИГИЛЯЦИЯ (уничтожение) с выделением двух квантов электромагнитного излучения (фотонов) Аннигиляцию можно понимать как процесс перехода массы в энергию:

e⁺ + e ^–   + 

4.8. Какова природа электромагнитного излучения? Какими свойствами оно обладает? Что представляет собой спектр электромагнитного излучения?

Электромагнитное излучение (ЭМИ) – это наблюдаемое проявление одного из четырёх типов фундаментальных взаимодействий (п. 4.5). Именно ЭМИ ответственно за многообразие окружающего материального мира. Человек в повседневной жизни постоянно имеет дело с разными проявлениями ЭМИ – воспринимая своими глазами видимый свет, ощущая тепло от горячих предметов, получая солнечный загар, пользуясь разнообразными радиотехническими средствами (телефон, телевизор, радиоприёмник и т.д.), прибегая к помощи рентгеновских снимков и т.д.

По своей природе ЭМИ – поперечные гармонические колебания (Рис. 4). Векторы напряжённости электрического поля Ē и магнитного полей Ħ изменяются во времени по синусоидальной зависимости; они взаимно перпендикулярны друг другу и направлению движения волны х.

ЭМИ характеризуется константами:

• скоростью распространения в вакууме с;

• диэлектрической постоянной e₀;

• магнитной постоянной m₀.

Значения этих констант приводятся в Приложении 2.

Кроме того, любая проводящая среда (воздух, вода, масло и т.д.) характеризуется диэлектрической проницаемостью e и магнитной проницаемостью m. Для вакуума (а при решении практических задач – часто и для воздуха) значения e и m принимаются равными единице.

Существует единица элементарного электрического заряда (Приложение 3), но при этом не существует понятия об элементарном магнитном заряде. Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов установил в 1785 г. Ш. Кулон. Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные раз­меры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряжен­ных тел, с которыми он взаимодействует.

Согласно закону Кулона, сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам Q₁ и Q₂ и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними. Такое взаимодействие иначе называется электростатическим. Современная запись закона Кулона имеет вид:

Подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, так и в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.

Рис. 4. Схема распространения электромагнитного излучения

ЭМИ обладает двуединой сущностью. В зависимости от внешних условий и способа наблюдения могут проявляться свойства либо электрической, либо магнитной природы. Электрическое и магнитное поля существуют неотрывно друг от друга и переносят равные количества энергии. Объёмная плотность энергии электрического и магнитного поля при этом составляет соответственно:

w_э = e₀ e Е² / 2;

w_м = m₀ m Н² / 2

Основными характеристиками ЭМИ являются частота излучения n и длина волны l, связанные друг с другом простым соотношением:

l = с/n

Последовательное изменение значений n и l образует спектр ЭМИ (Табл. 2). Кратные и дробные десятичные приставки, используемые для выражения физических величин приводятся в Приложении 3.

Таблица 2

Спектр электромагнитного излучения

Название диапазона	Длина волны l	Частота n
1. Радиоволны
Сверхдлинные (СДВ)	> 10 км	< 30 кГц
Длинные (ДВ)	10 … 1 км	30 … 300 кГц
Средние (СВ)	100 м … 1 км	300 кГц … 3 МГц
Короткие (КВ)	100 … 10 м	3 МГц … 30 МГц
Ультракороткие (УКВ)	10 м … 2 мм	30 МГц … 150 ГГц
2. Оптическое излучение
Инфракрасное (ИК)	2 мм … 760 нм	150 ГГц … 42,9 ТГц
Видимое	760 … 400 нм	42,9 … 75,0 ТГц
Ультрафиолетовое (УФ)	510–3 … 400 нм	75,0 ТГц … 31016 Гц
3. Ионизирующее излучение
Рентгеновское	10–5 … 510–3 нм	31016 … 61019 Гц
Гамма-излучение	< 510–3 нм	> 61019 Гц

Электромагнитные волны могут возбуждаться различными источниками – заряженными частицами, атомами, молекулами, антеннами, космическими объектами и пр. В зависимости от длины волны различают гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное (тепловое) излучение, радиоволны и низкочастотные электромагнитные колебания.