Максвелл ввел понятие полного тока,равного сумме токов проводимости (а также конвекционных токов) и смещения.Плотность полного тока 28 страница

Адроны строятся из кварков следующим образом: мезоны состоят из пары кварк — антикварк, барионы — из трех кварков (антибарион — из трех антикварков). Так, например, пион p⁺ имеет кварковую структуру , пион p^– — , каон К⁺ — , протон — uud, нейтрон — udd, S⁺-гиперон — uus, S⁰-гиперон — uds и т. д.

Во избежание трудностей со статистикой (некоторые бариоиы, например W^–-гиперон, состоят из трех одинаковых кварков (sss), что запрещено принципом Паули; см. § 227) на данном этапе предполагают, что каждый кварк (антикварк) обладает специфи­ческой квантовой характеристикой ——цветом: «желтым», «синим» и «красным». Тогда, если кварки имеют неодинаковую «окраску», принцип Паули не нарушается.

Углубленное изучение модели Гелл-Манна — Цвейга, а также открытие в 1974 г. истинно нейтрального джей-пси-мезона (J/Y) массой около 6000m_e со временем жизни примерно 10^–20 с и спином, равным единице, привело к введению нового кварка — так называемого с-кварка и новой сохраняющейся величины — «очарования» (от англ. charm).

Подобно странности и четности, очарование сохраняется в сильных и электромаг­нитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых. Закон сохранения очарования объясняет относительно долгое время жизни J/Y-мезона. Основные характеристики с-кварка приведены в табл. 9.

Таблица 9

Частице J/Y приписывается кварковая структура сс. Структура на­зывается чармонием — атомоподобная система, напоминающая позитроний (связанная водородоподобная си­стема, состоящая из электрона и по­зитрона, движущихся вокруг общего центра масс).

Кварковая модель оказалась весь­ма плодотворной, она позволила определить почти все основные кван­товые числа адронов. Например, из этой модели, поскольку спин кварков равен ½ следует целочисленный (нулевой) спин для мезонов и полуцелый — для барионов в полном соответствии с эксперимен­том. Кроме того, эта модель позволила предсказать также и новые частицы, например W^–-гиперон. Однако при использовании этой модели возникают и трудности. Квар­ковая модель не позволяет, например, определить массу адронов, поскольку для этого необходимо знание динамики взаимодействия кварков и их масс, которые пока неиз­вестны.

В настоящее время признана точка зрения, что между лептонами и кварками существует симметрия: число лептонов должно быть равно числу типов кварков. В 1977 г. был открыт сверхтяжелый мезон массой около 20 000m_e, который представ­ляет собой структуру из кварка и антикварка нового типа — b-кварка (является носи­телем сохраняющейся в сильных взаимодействиях величины, названной«прелестью»(от англ. beauty)). Заряд b-кварка равен – ¹/₃. Предполагается, что существует и шестой кварк t с зарядом + ²/₃, который уже решено назватьистинным (от англ. truth — ис­тина), подобно тому как с-кварк называют очарованным, b-кварк — прелестным. В физике элементарных частиц введен «аромат» — характеристика типа кварка (и, d, s, с, b, t?), объединяющая совокупность квантовых чисел (странность, очарование, пре­лесть и др.), отличающих один тип кварка от другого, кроме цвета. Аромат сохраняет­ся в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Является ли схема из шести лептонов и шести кварков окончательной или же число лептонов (кварков) будет расти, покажут дальнейшие исследования.

Задачи

33.1. Принимая, что энергия релятивистских мюонов в космическом излучении составляет 3 ГэВ, определить расстояние, проходимое мюонами за время их жизни, если собственное время жизни мюона 2,2 мкс, а энергия покоя 100 МэВ. [19,8 км]

33.2.Нейтральный пион распадается на два g-кванта: p⁰®2g. Принимая массу покоя пиона равной 264,1m_e, определить энергию каждого из возникших g-квантов. [67,7 МэВ]

33.3. При столкновении нейтрона и антинейтрона происходит их аннигиляция, в результате чего возникают два g-кванта, а энергия частиц переходит в энергию g-квантов. Определить энергию каждого из возникших g-квантов, принимая, что кинетическая энергия нейтрона и позитрона до их столкновения пренебрежимо мала. [942 МэВ]

33.4. Определить, какие из приведенных ниже процессов запрещены законом сохранения лептонного числа: 1) K^–® ; 2) K⁺® .

33.5. Определить, какие из приведенных ниже процессов разрешены законом сохранения странности: 1) p+p^–®S+K^–; 2) p+p^–K^–+K⁺+п.

33.8. Определить, какие законы сохранения нарушаются в приведенных ниже запрещенных способах распада:1) p^– + п ® + К^–; 2) p + p ® p + p⁺.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, изложение курса физики закончено. Начав его детальное изучение с физичес­ких основ механики, мы последовательно рассмотрели основы молекулярной физики и термодинамики, учение об электричестве и электромагнетизме, колебания и волны, оптику, элементы квантовой физики и физики твердого тела, физики ядра и элементар­ных частиц. Приведенный перечень разделов, изложенных в курсе, позволяет просле­дить логику развития физики и эволюцию ее идей, а также представить основные периоды и этапы ее становления.

Со времени выхода в свет труда И. Ньютона «Математические начала натура­льной философии» (1687), в котором он сформулировал три основных закона механики и закон всемирного тяготения, прошло более трехсот лет. За это время физика прошла путь от макроскопического уровня изучения явлений до исследования материи на уровне элементарных частиц.

Однако, несмотря на огромные успехи, которых физика достигла за это время и особенно в XX столетии, современная физика и астрофизика стоят перед целым рядом нерешенных проблем.

Например, проблемы физики плазмы — разработка методов разогрева плазмы до примерно 10⁹ К и ее удержание в течение времени, достаточного для протекания термоядерной реакции; квантовой электроники — существенное повышение к.п.д. лазе­ров, расширение диапазона длин волн лазерного излучения с плавной перестройкой по частоте и т. д.; физики твердого тела — получение материалов с наперед заданными свойствами и, в частности, с экстремальными параметрами по большому «спектру» характеристик, создание высокотемпературных сверхпроводников и т. д.; физики атомного ядра — осуществление управляемого термоядерного синтеза, поиск долгоживущих элементов с Z = 114¸126, предсказанных теорией, построение теории сильных взаимодействий и т.д.; физики элементарных частиц — доказательство реальности существования кварков и глюонов (частиц, осуществляющих взаимодействие между кварками), построение квантовой теории тяготения и т. д.; астрофизики — природа квазаров (мощных внегалактических источников электромагнитного излучения), при­чины вспышек сверхновых звезд, состояние материи при огромных плотностях и давлениях внутри нейтронных звезд и т.д. Поставленные проблемы требуют дальнейшего разрешения.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ И ФОРМУЛЫ

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие...................................................................................................................................................... 2

Введение............................................................................................................................................................. 2

Предмет физики и ее связь с другими науками.......................................................................................... 2

Единицы физических величин..................................................................................................................... 3

1 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ...................................................................................................... 4

Глава 1 Элементы кинематики........................................................................................................................ 4

§ 1. Модели в механике. Система отсчета. Траектория, длина пути, вектор перемещения.................. 4

§ 2. Скорость................................................................................................................................................... 6

§ 3. Ускорение и его составляющие............................................................................................................. 7

§ 4. Угловая скорость и угловое ускорение................................................................................................ 9

Глава 2 Динамика материальной точки и поступательного движения твердого тела........................... 11

§ 5. Первый закон Ньютона. Масса. Сила................................................................................................. 11

§ 6. Второй закон Ньютона......................................................................................................................... 11

§ 7. Третий закон Ньютона......................................................................................................................... 13

§ 8. Силы трения.......................................................................................................................................... 13

§ 9. Закон сохранения импульса. Центр масс........................................................................................... 14

§ 10. Уравнение движения тела переменной массы................................................................................ 16

Глава 3 Работа и энергия................................................................................................................................ 17

§11. Энергия, работа, мощность................................................................................................................. 17

§ 12. Кинетическая и потенциальная энергии.......................................................................................... 18

§ 13. Закон сохранения энергии................................................................................................................. 20

§ 14. Графическом представление энергии............................................................................................... 22

§ 15. Удар абсолютно упругих и неупругих тел...................................................................................... 23

Глава 4 Механика твердого тела.................................................................................................................... 27

§ 16. Момент инерции................................................................................................................................. 27

§ 17. Кинетическая энергия вращения...................................................................................................... 28

§ 18. Момент силы. Уравнение динамики вращательного движения твердого тела........................... 28

§ 19. Момент импульса и закон то сохранения........................................................................................ 29

§ 20. Свободные оси. Гироскоп.................................................................................................................. 32

§ 21. Деформации твердого тела................................................................................................................ 34

Глава 5 Тяготение. Элементы теории поля.................................................................................................. 36

§ 22. Законы Кеплера. Закон всемирного тяготения............................................................................... 36

§ 23. Сила тяжести и вес. Невесомость..................................................................................................... 37

§ 24. Поле тяготения и то напряженность................................................................................................. 38

§ 25. Работа в поле тяготения. Потенциал поля тяготения..................................................................... 38

§ 26. Космические скорости....................................................................................................................... 40

§ 27. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции........................................................................ 40

Глава 6 Элементы механики жидкостей....................................................................................................... 44

§ 28. Давление в жидкости и газе.............................................................................................................. 44

§ 29. Уравнение неразрывности................................................................................................................. 45

§ 30. Уравнение Бернулли и следствия из него........................................................................................ 46

§ 31. Вязкость (внутреннее трение). Ламинарный и турбулентный режимы течения жидкостей..... 48

§ 32. Методы определения вязкости.......................................................................................................... 50

§ 33. Движение тел в жидкостях и газах................................................................................................... 51

Глава 7 Элементы специальной (частной) теории относительности........................................................ 53

§ 34. Преобразования Галилея. Механический принцип относительности.......................................... 53

§ 35. Постулаты специальной (частной) теории относительности........................................................ 54

§ 36. Преобразования Лоренца................................................................................................................... 55

§ 37. Следствия из преобразований Лоренца........................................................................................... 56

§ 38. Интервал между событиями.............................................................................................................. 59

§ 39. Основной закон релятивистской динамики материальной точки................................................ 60

§ 40. Закон взаимосвязи массы и энергии................................................................................................. 61

2 ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ.......................................................... 63

Глава 8 Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов.................................................................... 63

§ 41. Статистический и термодинамический методы. Опытные законы идеального газа.................. 63

§ 42. Уравнение Клапейрона — Менделеева............................................................................................ 66

§ 43. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов................................ 67

§ 44. Закон Максвелла о распределении молекул идеального газа по скоростям и энергиям теплового движения....................................................................................................................................................... 69

§ 45. Барометрическая формула. Распределение Больцмана................................................................... 71

§ 46. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул............................. 72

§ 47. Опытное обоснование молекулярно-кинетической теории.......................................................... 73

§ 48. Явления переноса в термодинамически неравновесных системах............................................... 74

§ 48. Вакуум и методы его получения. Свойства ультраразреженных газов........................................ 76

Глава 9 Основы термодинамики................................................................................................................... 78

§ 50. Число степеней свободы молекулы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул.......................................................................................................................................... 78

§ 51. Первое начало термодинамики......................................................................................................... 79

§ 52. Работа газа при изменении его объема............................................................................................. 80

§ 53. Теплоемкость....................................................................................................................................... 81

§ 54. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам...................................................... 82

§ 55. Адиабатический процесс. Политропный процесс.......................................................................... 84

§ 56. Круговой процесс (цикл). Обратимые и необратимые процессы................................................. 86

§ 57. Энтропия, ее статистическое толкование и связь с термодинамической вероятностью............ 87

§ 58. Второе начало термодинамики......................................................................................................... 89

§ 59. Тепловые двигатели и холодильные машины. Цикл Карно и его к. п. д. для идеального газа. 90

Задачи............................................................................................................................................................ 92

Глава 10 Реальные газы, жидкости и твердые тела..................................................................................... 93

§ 60. Силы и потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия.......................................... 93

§ 61. Уравнение Ван-дер-Ваальса.............................................................................................................. 94

§ 62. Изотермы Ван-дер-Ваальса и их анализ........................................................................................... 95

§ 63. Внутренняя энергия реального газа.................................................................................................. 97

§ 64. Эффект Джоуля — Томсона............................................................................................................... 98

§ 65. Сжижение газов.................................................................................................................................. 99

§ 66. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение......................................................................... 100

§ 67. Смачивание....................................................................................................................................... 102

§ 68. Давление под искривленной поверхностью жидкости................................................................ 103

§ 69. Капиллярные явления...................................................................................................................... 104

§ 70. Твердые тела. Моно- и поликристаллы.......................................................................................... 104

§ 71. Типы кристаллических твердых тел............................................................................................... 105

§ 72. Дефекты в кристаллах...................................................................................................................... 109

§ 73. Теплоемкость твердых тел............................................................................................................... 110

§ 74. Испарение, сублимация, плавление и кристаллизация. Аморфные тела................................... 111

§ 75. Фазовые переходы I и П рода.......................................................................................................... 113

§ 76. Диаграмма состояния. Тройная точка............................................................................................. 114

Задачи.......................................................................................................................................................... 115

3 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ....................................................................................... 116

Глава 11 Электростатика.............................................................................................................................. 116

§ 77. Закон сохранения электрического заряда...................................................................................... 116

§ 78. Закон Кулона..................................................................................................................................... 117

§ 79. Электростатическое поле. Напряженность электростатического поля...................................... 117

§ 80. Принцип суперпозиции электростатических полей. Поле диполя............................................ 119

§ 81. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме............................................................ 120

§ 82. Применение теоремы Гаусса к расчету некоторых электростатических полей в вакууме...... 122

§ 83. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля................................................ 124

§ 84. Потенциал электростатического поля............................................................................................ 125

§ 85. Напряженность как градиент потенциала. Эквипотенциальные поверхности......................... 126

§ 86. Вычисление разности потенциалов по напряженности поля...................................................... 127

§ 87. Типы диэлектриков. Поляризация диэлектриков......................................................................... 128

§ 88. Поляризованность. Напряженность поля в диэлектрике............................................................. 129

§ 88. Электрическое смещение. Теореме Гаусса для электростатического поля в диэлектрике....... 130

§ 90. Условия на границе раздела двух диэлектрических сред............................................................ 131

§ 91. Сегнетоэлектрики............................................................................................................................. 132

§ 92. Проводники в электростатическом поле....................................................................................... 134

§ 93. Электрическая емкость уединенного проводника........................................................................ 136

§ 94. Конденсаторы.................................................................................................................................... 136

§ 95. Энергия системы зарядов, уединенного проводника и конденсатора. Энергия электростатического поля.............................................................................................................................................................. 138

Задачи.......................................................................................................................................................... 140

Глава 12 Постоянный электрический ток.................................................................................................. 141

§ 96. Электрический ток, сила и плотность тока................................................................................... 141

§ 97. Сторонние силы. Электродвижущая сила и напряжение............................................................ 142

§ 98. Закон Ома. Сопротивление проводников...................................................................................... 143

§ 99. Работа и мощность тока. Закон Джоуля — Ленца........................................................................ 144

§ 100. Закон Ома для неоднородного участка цепи............................................................................... 145

§ 101. Правила Кирхгофа для разветвленных цепей............................................................................. 146

Задачи.......................................................................................................................................................... 148

Глава 13 Электрические токи в металлах, вакууме и газах...................................................................... 148

§ 102. Элементарная классическая теория электропроводности металлов......................................... 148

§ 103. Вывод основных законов электрического тока в классической теории электропроводности металлов...................................................................................................................................................... 149

§ 104. Работа выхода электронов из металла.......................................................................................... 151

§ 105. Эмиссионные явления и их применение..................................................................................... 152

§ 106. Ионизация газов. Несамостоятельный газовый разряд.............................................................. 154

§ 107. Самостоятельный газовый разряд и его типы............................................................................. 155

§ 108. Плазма и ее свойства...................................................................................................................... 158

Задачи.......................................................................................................................................................... 159

Глава 14 Магнитное поле............................................................................................................................. 159

§ 109. Магнитное поле и его характеристики........................................................................................ 159

§ 110. Закон Био — Савара — Лапласа и его применение к расчету магнитного поля.................... 162

§ 111. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов................................................................ 163

§ 112. Магнитная постоянная. Единицы магнитной индукции и напряженности магнитного поля 164

§ 113. Магнитное поле движущегося заряда........................................................................................... 165

§ 114. Действие магнитного поля на движущийся заряд...................................................................... 166

§ 115. Движение заряженных частиц в магнитном поле...................................................................... 166