Лекция: «Фундаментальные взаимодействия»

Сущность электромагнитной теории Дж. Максвелла

В 60-х гг. 19 в. Дж. Максвелл, развивая представления М. Фарадея об электромагнитном поле, создал теорию электромагнитного поля – первую завершенную теорию поля. Она описывает только электрическое и магнитное поля и успешно объясняет многие электромагнитные явления.

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть электрические заряды и изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться движущимися электрическими зарядами (электрическими токами) и переменными электрическими полями. Причем, в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

Следовательно, переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле – с порождаемым им магнитным, то есть электрическое и магнитное поля неразрывно взаимосвязаны и образую единое электромагнитное поле.

Лекция: «Корпускулярно-волновые свойства света»

В 17 в. существовало две гипотезы о природе света:

1) И. Ньютон предлагал корпускулярную гипотезу: свет – это поток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямолинейным траекториям.

2) Гюйгенс выдвинул волновую гипотезу: свет – это упругая волна, распространяющаяся в мировом эфире.

До начала 20 в. эти две гипотезы попеременно подтверждались различными опытами, пока не утвердилась концепция корпускулярно-волнового дуализма: свет имеет двойственную природу, сочетая в себе как волновые свойства, так и свойства, присущие частицам (частицы света – фотоны). В одних явлениях (интерференция, дифракция) свет ведет себя как волна, а в других (фотоэффект) – как поток частиц.

Все окружающее нас пространство пронизано электромагнитным излучением. Шкала электромагнитных волн:

Световые волны занимают небольшой интервал шкалы – от 380 до 770 нм.

Волновые свойства света

Принцип интерференции света впервые сформулировал в 1801 г. Томас Юнг: при взаимном наложении двух волн происходит усиление или ослабление колебаний.

Дифракция света – это отклонение света от прямолинейного распространения (1818 г. О. Френель).

Волновую природу света подтверждает поляризация, состоящая в неравноправии различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу (направлению распространения световой волны).

Дисперсиясвета: узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета, соответствующие разной длине волны.

Квантовые свойства света

В 1887 г. Г. Герц при освещении цинковой пластины обнаружил, что с поверхности пластины под действием света вырываются отрицательно заряженные частицы (позднее названные электронами). Испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом.

В 1900 г. М. Планк выдвинул гипотезу, согласно которой излучение и поглощение света происходит не непрерывно, а дискретно, то есть определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой волны.

В 1905 г. А. Эйнштейн обосновал квантовую природу света: не только излучение света, но и его распространение происходят в виде потока световых квантов – фотонов, импульс которых определяется длиной волны.

Все свойства и законы распространения света, его взаимодействие с веществом показывают, что свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств – корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного).

Лекция: «Фундаментальные взаимодействия»

Взаимодействие – это основная причина движения материи, поэтому оно универсально, то есть присуще всем материальным объектам вне зависимости от их природы происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов. Все взаимодействия можно отнести к 4 видам фундаментальный взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому.

1) Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения (И. Ньютон), который описывает падение материальных тел в поле Земли, движение планет, звезд и т.п.

В соответствии с квантовой теорией поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны – частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля.

2) Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. Благодаря этому взаимодействию существуют атомы и молекулы, происходят химические превращения веществ, различные агрегатные состояния вещества и т.п.

Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: закон Кулона, закон Ампера и др., и в обобщенном виде – электромагнитной теорией Максвелла.

Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой.

3) Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре атома. Оно определяется ядерными силами, не зависящими от заряда. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер.

Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами, частицами, «склеивающими» кварки.

4) В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно проявляется в процессах распадов и взаимодействий элементарных частиц. Принято считать, что переносчиками слабого взаимодействия являются вионы.

Для количественной характеристики фундаментальных взаимодействий используют безразмерную константу взаимодействия:

В результате экспериментальных исследований взаимодействий элементарных частиц в 1983 г. было обнаружено, что при больших энергиях (10¹¹ эВ) слабое и электромагнитное взаимодействия не различаются, и их можно рассматривать как единое электрослабое взаимодействие. Предполагается, что при энергии 10¹⁹ эВ или при чрезвычайно высокой температуре материи все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются одинаковой силой, то есть представляют собой одно взаимодействие.