Міністерство освіти і науки України Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича
Чєрнега П.І.
Основи фізики Землі
Чернівці
“Рута"
2006
УДК 550.3(075.8)
ББК 26.20 я 7 4 491
І
Ч 491 Чернсга П.І. Основи фізики Землі. Конспект лекцій.
Чернівці: Рута, 2006. - 20 с.
В двох перших лекціях з курсу „ Основи фізики Землі” розглядаються питання структури матерії (з чого ж саме побудований відомий людству Всесвіт)згідно сучасних матеріалістичних поглядів на природу. Також подається інформація щодо сил (електрична, ядерна, слабкої взаємодії, гравітаційна), які приймають участь у побудові Всесвіту, галактик, зірок, планет тощо. Матеріал викладений у лекціях базується на знаннях, що отримані студентачи-географами з основ природничих наук у школі та на. молодших курсах географічних факультетів.
ББК 26.20я7
©"Рута", 2006 © Чернега П.І.. 2006
Тема 1. Структура матерії. Речовина та енергія.
Елементарні частини та їх властивості.
Електромагнітне випромінювання.
Античастинки. Матеріалізація та анігіляція.
Енергія. Її види та використання.
Література:
Йосип Клечек, Петр Якеш Вселенная и Земля (пер. на руск. язык Л. Белошевская, Л. Ленская ).- Прага.: Артия, 1986.-319 с.
Советский энциклопедический словарь/Гл. ред. А.М.Прохоров.-З-е изд. -М.: Сов. энциклопедия, 1985. -160с.
Элементарный учебник физики/Под ред. акад. Г.С. Ландсберга. -7-е изд.-М., 1971-Том 3-ий—640 с.
Властивості елементарних частинок
Атом, як “неподільний” має надзвичайно малі розміри. В одному кубічному міліметрі поміститься 1017 атомів. Атом подібний за будовою до Сонячної системи, однак тип сил, що зв'язують в одне ціле атом, зовсім іншого характер, ніж сили в Сонячній системі. В атомі є “центральне тіло’’ - ядро і електрони, що обертаються навколо нього по певних орбітах.
Ядра атомів складаються з протонів (грецьке “protos” - перший) і нейтронів (лат. “neuter” - нейтральний). Протони (р) - позитивно заряджені частинки, а нейтрони (п) - без електричного заряду, тобто нейтральні. Протони і нейтрони зв’язані між собою ядерними силами, а електрони з ядром - електромагнітними. Навколо ядра обертається стільки електронів (є ), скільки в ядрі протонів -тоді це нейтральні атоми. Якщо електронів менше - позитивний іон, якщо електронів більше - негативний іон. Ядра атомів у 2000-4000 разів важчі від його електронів, тобто майже вся маса атома сконцентрована в ядрі, однак своїми розмірами атом завдячує електронним хмарам. У діаметрі атому поміститься близько 100 000 ядер.
Розміри елементарних частинок надзвичайно малі. Якщо взяти 1012 елементарних частинок і розмістити їх у ряд, то отримаємо відрізок близько одного міліметра. Тобто діаметр елементарної частинки складає 10 12 міліметра, або 10"13 метра. Ця величина отримала назву один фермі (за прізвищем італійського фізика І лріко Фермі). Незважаючи на такі неймовірно малі розміри протона, його роль для Сонця та інших зірок надзвичайно важлива. Можна говорити, що протон - “герой всесвіту’". Він володіє ядерною, електромагнітною та гравітаційною силами. Електрон має тільки електромагнітну силу, а його гравітаційна сила незначна, тому він постійно намагається бути поблизу протона. В найбільшому тілі сонячної системи - Сонці налічується близько 15 - Ю протонів, 7-10 нейтронів і 45- ИГ" електронів.
До нинішнього часу, мабуть, ніхто у світі достеменно не може сказати, з чого складаються елементарні частинки. Проте можна визначити кількість Оцього" (невідомого) в одній частинці. Ця кількість і називається масою спокою елементарної частинки. Чим більша маса, тим більша вага, тому це тіло важче призвести до руху або зупинити його рух. Таке “небажання” тіла змінювати свій стан називається інерцією. Оскільки елементарні частинки мають малу масу, їм властива мала інерція. Це є причиною за якою їх можна розігнати до швидкостей, що наближаються до швидкості світла (с =300 000 км/с). Деякі частинки, наприклад фотони, володіють нульовою масою спокою, а отже, зразу ж після народження вони рухаються зі швидкістю світла. Тобто мова йде про масу елементарних частинок, коли вони не рухаються, знаходяться в стані спокою й володіють масою спокою. Однак слід зазначити, що маса елементарної частинки може залежати й від швидкості її руху.
Протони (.т„ = 1836т,, електрона) і нейтрони («/„ = 1838т,, електрона) вважаються важкими частинками, а електрон - легкою. Маса електрона (т.) приблизно становить 10 27г, точніше 9Д-10‘28г, або 9,1-Ю'31 кг. Знаючи масу спокою елементарної частинки, можна обчислити її енергію спокою (Е0). Наприклад, енергія спокою електрона складає: те ■ (300 000 км/с)2, тобто пі,. ■ с2 = 0,5 МеВ (мегаелектронвольт) (1 МеВ = 1,6 • 10'ь Дж).
На відміну від електрона (однієї з найлегших частинок), найважча частинка називається “омегою” (47). Вона в 3000 разів важча за електрон, і навіть якщо взяти 1012 Д то вони не зрушать найточніших ваг у світі. Близько одного грама складають 1024 протонів.
При вивченні р, е, п у прискорювачах було відкрито ряд частинок, які мають малий період життя, приблизно 104 секунди. Також були відкриті частинки, що існують всього лише 10'22 -Ю20 секунди - їх назвали резонанси. До цього часу невідомо, чи це справді елементарні частинки. Згідно із сучасними уявленнями, вважається, що вони не відіграють важливої ролі у Всесвіті.
Елементарні частинки мають власний момент обертання, що отримав назву спін {„spin” (англ.) - обертання). Частинку зі спіном можна уявити у вигляді маленької дзиґи. їх обертання подібне до обертання великих тіл, але все ж відрізняється. На відміну від великих тіл, обертання елементарних частинок неможливо ні прискорити, ні сповільнити. Спін є невід’ємною і незмінною властивістю елементарної частинки, іншими словами, спін
власний момент кількості руху елементарної частинки. Він має квантову природу і не пов’язаний із рухом елементарної частинки як цілого, вимірюється постійною Планка її і має значення (0. 1, 2, ... або 1/2, 3/2,...).
Деякі елементарні частинки володіють електричним зарядом. Напрямлений рух електрично заряджених частинок називається електричним струмом. Заряд, в 1019 електронів(стільки електронів проходить через нитку розжарювання в електричній лампочці) називають 1 кулон (К). Заряд в 1 кулон, що проходить через поперечний переріз провідника за одну секунду, створює силу струму, яка дорівнює 1 амперу (1 А). Звідси випливає, що заряд електрона дорівнює 10'14 кулона. Заряд, яким володіє електрон, мають всі негативно заряджені елементарні частинки. Заряд протона та інших позитивних частинок такий же самий, лише з протилежним знаком.
Частинки з електричним зарядом створюють навколо себе електричне поле. Поле діє з певною силою на будь-який заряд, поміщений у це поле. При русі зарядженої частинки створюється магнітне поле. Заряджені частинки при прискоренні чи уповільненні випромінюють порції електромагнітного випромінювання - фотони. При цьому електричний заряд не знищується - це закон збереження електричного заряду. Як вже раніше зазначалося, електрон - найменша електрично заряджена елементарна частинка і не ділиться на дрібніші, яким би він міг передати свій заряд. Тобто він є стабільною частинкою.
Як видно з рисунку 1, однією із важливих груп елементарних частинок є баріони - важкі частинки. Основна їх властивість - баріонний заряд (Б). Баріони - це частинки з півцілим спіном і масою, не меншою від маси протона. До складу баріонів входять нуклони (р, п) та гіперони (сигма - £; ксі - лямбда - Я, омега
£2 та ін.), а також всі так звані резонанси. Алгебраїчна сума всіх баріонних зарядів зберігається при різноманітних взаємодіях та перетвореннях.
Усі гіперони (див. рис.1) маложивучі і швидко розпадаються. Навіть нейтральний нейтрон, якщо він не знаходиться у взаємозв'язку з протоном, через 10 хв. після виникнення перетворюється в протон. Всі баріони стараються зайняти найбільш низьку позицію в ієрархії, тобто зменшити свою масу. Але найнижчим членом цього ряду є протон, тому він не може більше розпадатися на. інші баріони. Кожному баріону надано позитивний баріонний заряд +1. В інших елементарних частинок баріонний заряд дорівнює нулю (у фотонів, електронів тощо).
Сума всіх баріонів, що можуть перетворюватись, позначається N і називається загаїьним баріонним зарядом, або баріонним числом. Як відзначалось раніше, загальний баріонний заряд залишається незмінним, незалежно від процесів, що проходять у Всесвіті. Це явище називається законом збереження баріонного заряду.
Збереження електричного і баріонного зарядів - це космічні закони і діють вони постійно. Якщо б протони і електрони могли розпадатись до елементарних частинок з меншою масою спокою, то не могли б утворюватись атоми, молекули тощо, тому Всесвіт виглядав би, напевно, інакше.
Найлегші елементарні частинки - це частинки лептонної групи - / е р І о $- легкий. До них належать: електрон (е), негативно заряджений мюон (//) та нейтрино - електронне (та мюонне (Г„).
Як і баріони володіють баріонним зарядом, лептони мають лептонний заряд (£). Кожному лептону присвоєно лептонний заряд +1, а античастинки лептонної групи мають заряд -1. Всі інші частинки мають нульовий лептонний заряд. Сума лептонних зарядів при всіх перетвореннях залишається постійною, тому що в даному випадку набирає сили закон збереження лептонного заряду.
Окрім вище названих властивостей, елементарні частинки мають властивості ізотонічного спіну, непередбачуваність та парність, але вони не є предметом вивчення даного курсу й ними займаються спеціальні науки.