Шпоры по статистической физике и термодинамике - файл n1.doc

Шпоры по статистической физике и термодинамике
скачать (811.6 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc1712kb.10.06.2009 01:42скачать

n1.doc

1   2   3   4

6.3.6Полупроводники.Понятие дырочной проводимости.Собственные и примесные полупроводники

Полупроводниками являются кристаллические вещества, у которых при 0 К валентная зона полностью заполнена электронами,а ширина запрещенной зоны невелика. Полупроводники обязаны своим названием тому обстоятельству, что по величине электропроводности они занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Однако характерным для них является не величина проводимости, а то, что их проводимость растет с повышением температуры (у металлов она уменьшается).Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью. Примером собственных полупроводников могут служить химически чистые Ge, Si.При 0 К и отсутствии других внешних факторов собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении же температуры электроны с верхних уровней валентной зоны могут быть переброшены на нижние уровни зоны проводимости. В результате тепловых забросов электронов из валентной зоны в зону провод-ти, в валент¬ной зоне возникают вакантные состояния, получившие название дырок. Во внешнем электрическом поле на освободившееся от электрона место-дырку может переместиться электрон с соседнего уровня, а дырка появится в том месте, откуда ушел электрон, и т. д. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами — дырками, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа. если концентрации электронов проводимости и дырок обозначить соответственно ne и nр, то ne = nр. Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники — примесными полупроводниками. Примесная проводимость обусловлена примесями (атомы посторонних элементов), а также дефектами типа избыточных атомов, тепловыми и механическими дефектами. Примесную проводимость полупроводников рассмотрим на примере Ge и Si, в которые вводятся атомы с валентностью, отличной от валентности основных атомов на единицу. в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны; возникает электронная примесная проводимость (проводимость n-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводниками n-типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей - донорными уровнями.


6.3.7Полупроводниковые диоды и триоды

Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, то его действие аналогично дейст­вию двухэлектродной лампы-диода. Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один p-n-переход, называется полупроводниковым (кристаллическим) диодом. Полупроводниковые диоды по конструкции делятся на точечные и плоскостные. В качестве примера рассмотрим точечный германиевый диод (рис. 339), в котором тонкая вольфрамовая проволока 1 прижимается к п-германию 2 остриём, покрытым алюминием. Если через диод в прямом направлении пропустить кратковременный импульс тока, то при этом резко повышается диффузия Аl в Gе и образуется слой германия, обогащенный алюминием и обладающий p-проводимостью. На границе этого слоя образуется p-n-переход, обладающий высоким коэффициентом выпрямления. Благодаря малой емкости контактного слоя точечные диоды применяются в качестве выпрямителей высокочастотных колебаний вплоть до сантиметрового диапазона длин волн. p-n-Переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов. Для изготовления транзисторов используются германий и кремний, так как они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока. Полупрово¬дниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Первые значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева (например, верхний предел рабочей температуры точечного германиевого триода лежит в пределах 50—80°С). Плоскостные триоды являются более мощными. Они могут быть типа р-п-р и типа п-р-п в зависимости от чередования областей с различной проводимостью.


6.3.8Работа выходы.Контактная разность потенциалов.Термоэлектрические явления.

Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого или жидкого тела в вакуум, называется работой выхода.2 вероятные причины её появле­ния:1. Если электрон по какой-то причине удаляется из металла, то в том месте, которое электрон покинул, возникает избыточный положительный заряд и электрон притягивается к индуцированному им самим положительному заряду.2. Отдельные электроны, покидая металл, удаляются от него на расстояния порядка атомных и создают тем самым над поверхностью металла «электронное облако», плотность которого быстро убывает с расстоянием.Образуется двойной электрический слой, поле которого подобно полю плоского конденсатора.Работу выхода принято обозначать через e?, где ?- величина, называемая потенциалом выхода. Работа выхода электрона из металла определяется выражением е? = ЕР0 - EF. Если привести два разных металла в соприкосновение, между ними возникает разность потенциалов, которая называется контактной. В результате в окружающем металлы пространстве появляется электрическое поле. Контактная разность потенциалов обусловлена тем, что при соприкосновении металлов часть электронов из одного металла переходит в другой. В статистической физике доказывается, что условием равновесия между соприкасающимися металлами (а также между полупроводниками или металлом и полупроводником) является равенство полных энергий, соответствующих уровням Ферми. ∆?' = (e?2 e?1)/e = ?2 - ?1-внешняя контактная разность. Если уровни Ферми для двух контактирующих металлов неодинаковы, то между внутренними точками металлов наблюдается внутренняя контактная разность потенциалов которая, как следует из рисунка, равна∆?'' = (EF1EF2)/e. Термоэлектрическими называют такие явления, в которых проявляется специфическая связь между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках. Явление Зеебека. Зеебек(1821 г) обнаружил, что если спаи 1 и 2 двух разнородных металлов, образующих замкнутую цепь (рис.15.17), имеют неодинаковую температуру, то в цепи течет электрический ток. Етермо = ? AB (T2T1) Эта ЭДС называется термоэлектродвижущей силой. Явление Пельтье. Это явление можно считать обратным термоэлектричеству. Если через термопару пропустить электрический ток от постороннего источника, то один из спаев будет нагреваться, а другой охлаждаться. Теплота выделенная а одном спае = теплоте, поглощенной на другом . При изменении направления тока роль спаев изменится. Q = Пq где П — коэффициент Пельтье. Явление Томсона.При прохождении тока по неравномерно нагретому проводнику должно происходить дополнительное выделение (поглощение) теплоты, аналогичной теплоте Пельтье. Это явление после экспериментального подтверждения получило название явления Томсона и объясняется по аналогии с явлением Пельтье.

6.4.1Теория ферромагнетизма и антиферромагнетизма.Обменное происхождение молекулярного поля.Доменная структура.Техническая кривая намагничевания.

Теория ферромагнетизма была разработана французским физиком П. Вейссом. Согласно представлениям Вейсса, ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намагниченностью независимо от наличия внешнего намагничивающего поля. Спонтанное намагничение, однако, находится в кажущемся противоречии с тем, что многие ферромагнитные материалы даже при температурах ниже точки Кюри не намагничены. Для устранения этого противоречия Вейсс ввел гипотезу, согласно которой ферромагнетик ниже точки Кюри разбивается на большое число малых макроскопических областей-доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных до­менов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результиру­ющий магнитный момент ферромагнетика равен нулю и ферромагнетик не намаг­ничен. Внешнее магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдель­ных атомов, как это имеет место в случае парамагнетиков, а целых областей спонтан­ной намагниченности. Поэтому с ростом Н намагниченность J (см. рис. 192) и магнит­ная индукции В (см. рис. 193) уже в довольно слабых полях растут очень быстро. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ферромагнетики сохраняют остаточное намагничение.Для того чтобы ферромагнетик размагнитить, необходимо приложить коэрцитивную силу; размаг­ничиванию способствуют также встряхивание и нагревание ферромагнетика. Точка Кюри оказывается той температурой, выше которой происходит разрушение доменной структуры.Существование доменов в ферромагнетиках доказано экспериментально. Прямым экспериментальным методом их наблюдения является метод порошковых фигур. На тщательно отполированную поверхность ферромагнетика наносится водная суспензия мелкого ферромагнитного порошка (например, магнетита). Частицы оседают преиму­щественно в местах максимальной неоднородности магнитного поля, т. е. на границах между доменами. Поэтому осевший порошок очерчивает границы доменов и подобную картину можно сфотографировать под микроскопом. Линейные размеры доменов оказались равными 10–4 — 10–2 см.Существуют вещества, в которых обменные силы вызывают антипараллельную ориентацию спиновых магнитных моментов электронов. Такие тела называются антиферромагнетиками.Антиферромагнетиками являются некоторые соединения марганца (MnO), железа (FeO) и многих других элементов. Для них также существует антиферромагнитная точка Кюри (точка Нееля*), при которой магнитное упорядочение спиновых магнитных моментов нарушается и антиферромагнетик превращается в парамагнетик, претерпевая фазовый переход II


6.4.2Сегнетоэлектрики их свойства и теория

Сегнетоэлектрики-диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур самопроизвольной поляризованностью, т. е. поляризованностью в отсутствие внешнего электрического поля. К сегнетоэлектрикам относятся, например, детально изученные Курчатовым и Кобеко сегнетова соль NaKC4H4O6 • 4Н2О (от нее и получили свое название сегнетоэлектрики) и титанат бария ВаТiO3.При отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрик представляет собой как бы мозаику из доменов — областей с различными направлениями поляризованности. Это схематически показано на примере титаната бария (рис. 139), где стрелки и знаки указывают направление вектора Р. Так как в смежных доменах эти направления различны, то в целом дипольный момент диэлектрика равен нулю. Сегнетоэлектрические свойства сильно зависят от температуры. Для каждого сегнетоэлектрика имеется определенная температура, выше которой его необычные свойства исчезают и он становится обычным диэлектриком. Эта температура называется точкой Кюри. Как правило, сегнетоэлектрики имеют только одну точку Кюри; исключение составляют лишь сегнетова соль (-18 и +24°С) и изоморфные с нею соединения. В сегнетоэлектриках вблизи точки Кюри наблюдается также резкое возрастание теплоемкости вещества. Превращение сегнетоэлектриков в обычный диэлектрик, происходящее в точке Кюри, сопровождается фазовым переходом II рода.Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков зависит от напряженности Е поля в веществе, а для других диэлектриков эти величины являются характеристиками вещества.

Для сегнетоэлектриков формула не соблюдается; для них связь между векторами поляризованности (Р) и напряженности (Е) нелинейная и зависит от значений Е в предшествующие моменты времени. В сегнетоэлектриках наблюдается явление диэлектрического гистерезиса («запаздывания»).
6.4.3Жидкие кристаллы.Типы жидких кристаллов:нематики,холестерики,смактики.Примеры жидких кристаллов.

Жид-е кр-лы-вещества, переходящие при определенных условиях в жидкокристал-е состояние, которое является промежуточным между кристаллич. состоянием и жидкостью. Как и обычные жидкости, жидкие кристаллы обладают текучестью.Жидкокристаллич. состояние часто наз. также мезоморфным.На диаграмме состояния температурный интервал существования жидкие кристаллы ограничен температурой плавления твердых кристаллов. Молекулы жидкокристаллич. Соед-й обладают стержнеобразной или дискообразной формой и имеют тенденцию располагаться преим. параллельно друг другу. Т. наз. термотропные жидкие кристаллы образуются при термич. воздействии на вещество. В зависимости от характера расположения стержнеобразных молекул различают три осн. типа жидкие кристаллы - смектический, нематический и холестерический. В смектич. жидкие кристаллы (их наз. смектиками, обозначают S) молекулы располагаются в слоях. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в равноотстоящих друг от друга плоскостях и подвижны в двух измерениях. Длинные оси молекул могут располагаться как перпендикулярно к плоскости смектич. Слоя, так и под некоторым углом к слою. Нематич. жидкие кристаллы (нематики N) характеризуются наличием ориентационного порядка, при котором длинные оси молекул расположены однонаправленно при беспорядочном расположении центров тяжести молекул.В холестерич. жидкие кристаллы(N) молекулы расположены так же, как в нематических, но в каждом слое молекулы повернуты относительно их расположения в соседнем слое на определенный угол. Жидкокристаллич. термография используется в технике для СВЧ излучений, в медицине - для диагностики ряда сосудистых и острых воспалит. заболеваний. Особое место среди жидкокристаллич. веществ занимают полимеры. Примеры: водные растворы мыльные растворы синтетических полипептидов в ряде органических растворителей .

6.4.4Поведение жидких кристаллов в электрическом и магнитном полях.Приминение для измерения температуры,изготовления дифракционных решеток и дисплеев.


6.5.1Явление сверхпроводимости.Куперовское спаривание как необходимое условие сверхпров-ти.Высокотемпературная сверхпроводимость.

Камерлинг-Оннес обнаружил, что при температуре около 4 К электрическое сопротивление ртути скачком уменьшалось до нуля. Дальнейшие исследования показали, что аналогично ведут себя и многие другие металлы и сплавы. Это явление назвали сверхпроводимостью, а вещества, где оно наблюдается, - сверхпроводниками. Температура Тк, при которой происходит скачкообразное уменьшение сопротивления, называется температурой перехода в сверхпроводящее состояние или критической температурой. Состояние сверхпроводника выше критической температуры называется нормальным, а ниже- сверхпроводящим. между сверхтекучестью (сверхтекучая жидкость протекает без трения, т.е. без сопротивления течению, по узким капиллярам) и сверхпроводимостью (ток в сверхпроводнике течет без сопротивления по проводу) существует глубокая физическая аналогия: и сверхтекучесть, и сверхпроводимость — это макроскопический квантовый эффект.Между сверхтекучестью и сверхпроводимостью существует глубокая физическая аналогия: и сверхтекучесть, и сверхпроводимость — это макроскопический квантовый эффект. Электроны в металле, кроме кулоновского отталкивания, испытывают особый вид взаимного притяжения, которое в сверхпроводящем состоянии преобладает над отталкиванием. В результате электроны проводимости объединяются в так называемые куперовские пары. Электроны, входящие в такую пару, имеют противоположно направленные спины. Поэтому спин пары равен нулю, и она представляет собой бозон. при температуре ниже критической (Тк) происходит бозе-конденсация куперовских пар электронов. Куперовские пары бозе-конденсата, придя в сверхтекучее движение, остаются в этом состоянии неограниченно долго. Такое согласованное движение пар и есть ток сверхпроводимости. В куперовские пары объединяются не все электроны проводимости. При температуре Т, отличной от абсолютного нуля, имеется некоторая вероятность того, что пара будет разрушена. Поэтому всегда наряду с парами имеются «нормальные» электроны, движущиеся по кристаллу обычным образом. Чем ближе Т к Тк, тем доля нормальных электронов становится больше, обращаясь в единицу при Т = Тк. Следовательно, при температуре выше Тк сверхпроводящее состояние невозможно.
6.5.2Вещество при сверхвысоких температурах и сверхвысоких плотностях.Металлический водород.

Как известно, в обычных условиях (скажем, при атмосферном давлении) водород состоит из молекул, кипит при Tь =20,3 К и затвердевает при Тт =14 K. Плотность твердого водорода р=0,076 г/см 3 и он является диэлектриком. Однако при достаточно сильном сжатии, когда внешние атомные оболочки оказываются раздавленными, все вещества должны переходить в металлическое состояние. Грубую оценку плотности металлического водорода можно получить, если считать, что расстояние между протонами порядка боровского радиуса. для металлического водорода дебаевская температура примерно 3000 К. Под давлением металлический водород может перейти в жидкое состояние еще до достижения равновесного давления (давления, при котором сосуществуют металлический и молекулярный водород). К сожалению, попытки получить металлический водород в квазиравновесных условиях связаны с необходимостью создать в некотором объеме давления, превосходящие 1-2 Мбар. Известные же материалы, включая алмаз, не выдерживают, вообще говоря, таких нагрузок, и поэтому очень трудно сделать камеру, в которой водород сжимался бы до нужного давления. Один из интересных путей преодоления этой трудности связан с получением сверхвысоких давлений в области небольшого контакта между заостренной (конусообразной) и плоской «наковальнями», сделанными из алмаза или на основе алмаза.
6.5.3Уравнение состояния вещества при больших плотностях.Карликовые белые звёзды

Для звезд с массой ниже некоторой критической гравитационное сжатие останавливается на стадии так называемого “белого карлика”. Плотность белого карлика больше 107 г/см3, температура поверхности ~ 104K. При столь высокой температуре атомы должны быть полностью ионизованы и внутри звезды ядра должны быть погружены в море электронов, образующих вырожденный электронный газ. Давление этого газа препятствует дальнейшему гравитационному коллапсу звезды. Давление вырожденного электронного газа имеет квантовую природу. Оно возникает как следствие принципа Паули, которому подчиняются электроны. Принцип Паули устанавливает предельный минимальный объем пространства, который может занимать каждый электрон. Внешнее давление не в состоянии этот объем уменьшить. В белом карлике все электроны достигли минимального объема и гравитационное сжатие уравновешено внутренним давлением электронного газа.При плотностях вырожденный ней¬тронный газ станет ультрарелятивнстским, а уравнение состояния будет определяться формулой

Следует, однако, иметь в виду, что при плотностях порядка плотности вещества ядер становятся существенными специфические ядерные силы (сильное взаимодействне нуклонов). В этой области значений плотности формула может иметь лишь качественный смысл.Нельзя сдедать сколько-нибудь определенных заключений о состоянии вещества при плотностях, значительно превосходящих ядерную.

6.5.4Нейтронное состояние вещества.Пульсары.

При значительном увеличении давления вещество может перейти в пятое – нейтронное-состояние. Оно возникает в результате «вдавливания» атомных электронов в ядра и последующего «слияния» этих электронов с находящимися там протонами. Так как в результате подобного «слияния» образуются нейтроны, описанный процесс называют нейтронизацией вещества. В земных условиях она никогда не наблюдалась. Однако в 1967 г. учёным удалось открыть космические объекты, имеющие столь высокую плотность (до 10 18 кг/м3), что вещество в них неминуемо должно было подвергнуться нейтронизации. Эти объекты получили название нейтронных звёзд. Они совсем не похожи на наше Солнце и представляют собой своеобразные гигантские атомные ядра. Пульсар — космический источник радио-, оптического, рентгеновского, гамма- излучений, приходящих на Землю в виде периодически повторяющихся всплесков (импульсов). Аспирантка профессора Хьюиша, 24-летняя Джоселин Белл летом 1967 г. обнаружила какой-то неизвестный источник, который показал сцинтилляцию ночью, что было решительно ни на что не похоже! Повторные наблюдения подтвердили, что этот удивительный источник каждые сутки в положенный момент звездного времени действительно проходит через меридиан, демонстрируя свое космическое происхождение. Наблюдались очень короткие, длительностью около 50 миллисекунд, импульсы радиоизлучения, повторяющиеся через строго постоянный период времени порядка одной секунды. При этом амплитуды различных импульсов были различны. К этому времени были обнаружены еще два источника такого же типа. Первые записи их излучения на частоте 81 МГц (соответствующей длине волны 3,7 м). Со времени открытия пульсаров главным вопросом было объяснение их удивительно строгой периодичности. Вскоре стало ясно, что у первых «кембриджских» пульсаров изменение периодов составляет величину меньшую, чем 10-14 за период!Происх-е пульсаров до сих пор точно не извесно!!!
6.5.5Вещество в сверхсильных электромагнитных полях

М. п. обычно подразделяют на слабые (до 500 гс), средние (500 гс — 40 кгс), сильные (40 кгс — 1 Мгс) и сверхсильные (свыше 1 Мгс). Сверхсильные М. п. используют для получения данных о свойствах веществ в полях свыше 1 Мгс и при сопутствующих им давлениях в десятки млн. атмосфер. Эти исследования позволят, в частности, глубже понять процессы, происходящие в недрах планет и звёзд. Сверхсильные М. п. получают методом направленного взрыва (рис. 5). Медную трубу, внутри которой предварительно создано сильное импульсное М. п., радиально сжимают давлением продуктов взрыва. С уменьшением радиуса R трубы величина М. п. в ней возрастает ~ 1/R2 (если магнитный поток через трубу сохраняется). М. п., получаемое в установках подобного типа (так называемых взрывомагнитных генераторах), может достигать нескольких десятков Мгс. К недостаткам этого метода следует отнести кратковременность существования М. п. (несколько мксек), небольшой объём сверхсильного М, п. и разрушение установки при взрыве.
6.6.1Вещество и поле.Виды взаимодействий.Елементарные частицы и их классификация

Вещество́-форма материи, в отличие от поля, обладающая массой покоя. Вещество состоит из частиц, среди которых чаще всего встречаются электроны, протоны и нейтроны. Последние два образуют атомные ядра, а все вместе-атомы, молекулы, кристаллы и т. д. Поле, в отличие от веществ, характеризуется непрерывностью, известны электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля различных элементарных частиц. Однородное вещество характеризуется плотностью-отношением массы вещества к его объёму: где ?-плотность вещества, m-масса вещества, V -объём вещества.Физические поля такой плотностью не обладают.В природе осуществляется четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное, или ядерное, взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежа­щую в основе стабильности вещества в земных условиях.Электромагнитное взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех элементар­ных частиц, за исключением нейтрино, антинейтрино и фотона.Слабое взаимодействие — наиболее медленное из всех взаимодействий, протека­ющих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с уча­стием нейтрино или антинейтрино (например, -распад, -распад), а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы (10–10 с).Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и, по-видимому, в процессах микромира несущественно. Элемента́рная части́ца-термин,относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (пока это не доказано) на составные части.Со времён первого открытия элементарной частицы (электрона) обнаружено уже более 400 элементарных частиц.Классификация:По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса:•фермионы-частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);•бозоны-частицы с целым спином (например, фотон).По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы: Составные(адроны) и Фундаментальные (лептоны, кварки, калибровочные бозоны) частицы.


6.6.2Чачтицы и антицастицы

Дирак на основе релятивистского волнового уравнения предсказал существование позитрона, обнаруженного спустя четыре года К. Андерсеном в составе космического излучения. Электрон и позитрон не являются единственной парой частица-античастица. На основе релятивистской квантовой теории пришли к заключению, что для каждой элементарной частицы должна существовать античастица (принцип зарядового сопряже­ния). Из общих положений квантовой теории следует, что частицы и античастицы должны иметь одинаковые массы, одинаковые времена жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды (и магнитные момен­ты), одинаковые спины и изотопические спины, а также одинаковые остальные кван­товые числа.Согласно теории Дирака, столкновение частицы и античастицы должно приводить к их взаимной аннигиляции, в результате которой возникают другие элементарные частицы или фотоны.После того как предсказанное теоретически существование позитрона было подтве­рждено экспериментально, возник вопрос о существовании антипротона и антинейт­рона. Расчеты показывают, что для создания пары частица — античастица надо затра­тить энергию, превышающую удвоенную энергию покоя пары, поскольку частицам необходимо сообщить весьма значительную кинетическую энергию.Антипротон был действительно обнаружен экспериментально.Антипротон отличается от протона знаками электрического заряда и собственного магнитного момента. Антипротон может аннигилировать не только с протоном, но и с нейтроном: Вскоре удалось получить антинейтрон () и осуществить его аннигиляцию. Антинейтроны возникали в результате перезарядки антипротонов при их движении через вещество. Однако существуют частицы, которые античастиц не имеют, — это так называемые истинно нейтральные частицы. К ним относятся фотон, 0-мезон и -мезон.

6.6.3Взаимопревращение частиц,слабое взаимодействие.Нейтрино

Для процессов взаимопревращаемости элементарных частиц, обусловленных сильными взаимодействиями, выполняются все законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса, зарядов (электрического, лептонного и барионного), изоспина, странности и четности). В процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями, не сохраняются только изоспин, странность и четность.Слабое взаимодействие-наиболее медленное из всех взаимодействий, протека­ющих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с уча­стием нейтрино или антинейтрино (например, -распад, -распад), а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы (10–10с).Нейтри́но-стабильные нейтральные лептоны с полуцелым спином, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: так нейтрино с энергией порядка 3-10 МэВ имеют в воде длину свободного пробега~1018м(~100 св. лет).Также известно, что без видимых последствий каждую секунду через тело каждого человека на Земле проходит ~ 1014 нейтрино, испущенных Солнцем.Свойства нейтрино: Каждому заряженному лептону соответствует своя пара нейтрино/антинейтрино: электронное нейтрино/антинейтрино, мюонное нейтрино/антинейтрино, тау-нейтрино/антинейтрино.Масса электронного нейтрино крайне мала.Если нейтрино имеют ненулевую массу, то различные виды нейтрино могут преобразовываться друг в друга. Это так называемые нейтринные осцилляции


6.6.4Систематика элементарных частиц.Кварки

В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаружива­ется более или менее стройная система классификации.Элементарные частицы объединены в три группы: фотоны, лептоны и адроны. Элементарные частицы, отнесенные к каждой из этих групп, обладают общими свойствами и характеристиками, которые отличают их от частиц другой группы.К группе фотонов относится единственная частица-фотон, который переносит электромагнитное взаимодействие. В электромагнитном взаимодействии участвуют в той или иной степени все частицы, как заряженные, так и нейтральные (кроме нейтрино).К группе лептонов относятся электрон, мюон, таон, соответствующие им нейтрино, а также их античастицы. Основную часть элементарных частиц составляют адроны. К группе адронов от­носятся пионы, каоны, -мезон, нуклоны, гипероны, а также их античастицы.Подчеркнем еще раз, что для процессов взаимопревращаемости элементарных ча­стиц, обусловленных сильными взаимодействиями, выполняются все законы сохранения (энергии, импульса, момента импульса, зарядов (электрического, лептонного и барион­ного), изоспина, странности и четности). В процессах, обусловленных слабыми взаимо­действиями, не сохраняются только изоспин, странность и четность.Все известные в то время адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков (и, d, s) и соответст­вующих антикварков (, , ).Самое удивительное (почти невероятное) свойство кварков связано с их электрическим зарядом, поскольку еще никто не находил частицы с дробным значением элементарного электрического заряда. Спин кварка равен Ѕ, поскольку только из фермионов можно «сконструировать» как фермионы (нечетное число фермионов), так и бозоны (четное число фермионов). Адроны строятся из кварков: мезоны состоят из пары кварк-антикварк, барионы-из 3 кварков (антибарион-из 3 антикварков).Кварковая модель оказалась весь­ма плодотворной, она позволила определить почти все основные кван­товые числа адронов.Квар­ковая модель не позволяет, например, определить массу адронов, поскольку для этого необходимо знание динамики взаимодействия кварков и их масс, которые пока неиз­вестны.


6.6.5Сильное,электромагнитное и гравитационное взаимо-я.Иерархия взаимодействий

В природе осуществляется четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное, или ядерное, взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежа­щую в основе стабильности вещества в земных условиях.Электромагнитное взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех элементар­ных частиц, за исключением нейтрино, антинейтрино и фотона.Слабое взаимодействие — наиболее медленное из всех взаимодействий, протека­ющих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с уча­стием нейтрино или антинейтрино (например, -распад, -распад), а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы (10–10 с).Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и, по-видимому, в процессах микромира несущественно.
1   2   3   4


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации