Структурная организация микромира
Все элементарные частицы можно объединить в четыре группы: 1) тяжелые частицы или барионы, 2) мезоны, 3) легкие частицы или лептоны, 4) фотоны (табл. 2.3.1).
Для сильных взаимодействий, в которых участвуют барионы и мезоны характерно явление резонанса, когда барионы и мезоны связываются в одно цельное образование, но время его жизни столь мало, что они тут же распадаются. Резонансы частиц возникают в результате ангиляции. Ангиляция – это превращение частицы и античастицы при их столкновении в другие частицы (пионы, фотоны, мезоны больших энергий). Частицы могут объединяться, хотя и на очень короткое время, создавая более сложные и исключительно неустойчивые образования. Вещество существует миллиарды лет. Это значит, что составляющие его электроны, протоны и нейтроны стабильны.
Электрон – самая легкая частица, имеющая электрический заряд. На основании закона сохранения электрического заряда, он не может превратиться в частицу, не имеющую электрического заряда. Заряженных частиц с массой меньше электрона нет. Этим и определяется его стабильность.
Одного принципа сохранения электрического заряда недостаточно для объяснения стабильности протона. Действительно, этот принцип не мешает протону превратиться, например, в позитрон, имеющий тот же заряд, но меньшую массу, освободив при этом значительную энергию: электрический заряд до и после превращения имел бы то же самое значение и тот же самый знак (положительный). Этот принцип также совсем не запрещает протону аннигилировать при встрече с электроном, электрический заряд которого имеет то же значение, но противоположный знак. Поскольку ничего подобного не происходит, следует, как обычно, предположить, что здесь играет запрещающую роль какой-то другой принцип сохранения.
Поэтому полагают, что кроме электрического заряда, существует совсем другой тип заряда, названный барионным, характеризующий все тяжелые частицы, барионы, и только для них отличный от нуля. Кроме того, протон является самой легкой частицей, имеющей барионный заряд и подчиняющийся принципу сохранения барионного заряда.
Следовательно, подобно тому, как стабильность электрона обусловлена тем, что электрон - самая легкая частица с отличным от нуля электрическим зарядом, так и стабильность протона обусловлена тем, что он является самой легкой частицей с отличным от нуля барионным зарядом. Протон не может превратиться в позитрон, излучив энергию, потому что такое событие противоречило бы принципу сохранения барионного заряда. В самом деле, начальный барионный заряд отличен от нуля, а позитрон и фотон не имеют баряонного заряда. Протон не может аннигилировать, встретив электрон, с полным превращением массы в энергию, поскольку в таком процессе не сохранился бы барионный заряд: до аннигиляции он отличался бы от нуля, а после аннигиляции был бы равен нулю.
Вот почему протоны стабильны. По этой же причине и нейтроны, будучи свободными, нестабильны (среднее время их жизни составляет около 18 мин), а будучи связанными с протонами в ядре - стабильны.
Только в некоторых атомных ядрах радиоактивных веществ нейтроны спонтанно превращаются в протоны, испуская электроны и антинейтрино. Это говорит о том, что нейтрон должен иметь одинаковый с протоном барионный заряд, потому что электрон и нейтрино имеют барионный заряд, равный нулю.
В свою очередь, антибарионы (антипротон, антинейтрон и т.п.) всегда имеют барионный заряд, противоположный по знаку барионному заряду соответствующих частиц. Таким образом, закон сохранения барионного заряда автоматически требует, чтобы антибарионы могли получаться только в паре с барионами.
Итак, введение новой физической величины - барионного заряда, подобно электрическому заряду подчиняющегося своему принципу сохранения, позволяет объяснить стабильность протонов и нейтронов, тогда как принцип сохранения электрического заряда объясняет стабильность электронов. Три частицы - электрон, протон и нейтрон - представляют собой «кирпичи», из которых сложено все вещество, и могут существовать, не подвергаясь превращениям, поскольку соблюдаются принципы сохранения электрического и барионного зарядов.
Однако только эти частицы стабильны (нейтрон стабилен, лишь будучи связанным в ядре). Существуют и другие частицы, но они более тяжелы, чем протон, и почти сразу же после своего образования превращаются в протоны и нейтроны; при этом возникают легкие частицы, а излишек массы выделяется в виде энергии. Они превращаются в те или другие стабильные частицы в соответствии с величиной и знаком их электрического заряда и барионного заряда, т.е. в соответствии с тем, что позволяют им принципы сохранения.
Частицы и античастицы
Для каждой частицы существует соответствующая античастица. Если частица не имеет электрического или барионного заряда, его не будет и у античастицы. Если частица имеет электрический или барионный заряд, не равный нулю, то соответствующая античастица имеет заряд той же величины, но противоположного знака.
Протон имеет положительный электрический заряд и положительный барионный заряд; антипротон имеет электрический и барионный заряды той же величины, но оба они отрицательные. Электрон имеет отрицательный электрический заряд и равный нулю барионный заряд, позитрон имеет положительный электрический заряд и равный нулю барионный заряд. Антинейтрон имеет равный нулю электрический заряд и отрицательный барионный заряд.
На самом деле, до тех пор пока не было экспериментально доказано существование антипротона, кое-кто думал, что понятие барионного заряда, хотя и выглядит изящно, в действительности лишено физического смысла. Но экспериментальное открытие антипротона, а затем и антинейтрона показало правильность теоретических предсказаний. Эти предсказания впоследствии были также подтверждены открытием других античастиц.
- Концепции современного естествознания
- Задачи курса - сформировать у студентов:
- Ключевые слова содержания дисциплины «Концепции современного естествознания», в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования
- Глава 1 Естествознание. История развития естественных наук
- 1.1.Естествознание. Методы исследований
- 1.2.Философские концепции в развитии естественных наук
- 1.3.История развития естественных наук
- 1.3.1. Подготовительный период
- 1.3.2. Механистический период
- 1.3.3. Новое время
- 1.3.4. Новейшее время
- Тестовые задания к главе 1
- Глава 2 Теории о строении материи
- 2.1. Механистическая теория
- 1. Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым.
- 5. Действие и сигналы могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью.
- 2.2. Электромагнитная теория
- 2.3. Электронная (атомно-молекулярная) теория
- 2.4. Физическая (квантово-полевая) теория
- Тестовые задания к главе 2.
- Глава 3 Законы развития материального мира
- 3.1. Законы диалектики
- 3.2. Категории диалектики
- 1. Единичное и общее
- 2. Причина и следствие
- 3. Необходимость и случайность
- 4. Возможность и действительность
- 5. Содержание и форма
- 6. Сущность и явление
- 7. Самоорганизация
- 8. Состояние
- 9. Взаимодействие
- 10. Близкодействие и дальнодействие
- 11. Принцип относительности
- 12. Принцип инвариантности
- 13. Принципы симметрии
- 14. Принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности
- 15.Принцип системной целостности
- Тестовые задания к главе 3.
- Глава 4 системнАя организациЯ и законы энергии материального мира
- 4.1. Формы существования материи
- Системный подход к изучению материи
- Современное естествознание о микро-, макро- и мегамирах
- Структурная организация микромира
- 4.3. Законы взаимопревращения различных видов энергии материального мира
- Законы сохранения энергии в макроскопических процессах
- Принципы возрастания энтропии. Термодинамические законы
- Химические процессы. Реактивная способность веществ
- Тестовые задания к главе 4
- Глава 5 эволюция вселенной
- 5.1. Метагалактика. Галактика. Солнце
- 5.2. Происхождение Солнечной системы
- Тестовые задания к главе 5
- Глава 6 эволюция земли. Биосфера
- 6.1. Основные этапы истории развития Земли
- Этапы эволюционного развития Земли Образование основных оболочек Земли
- Зарождение жизни
- 6.2. Биосфера Земли Характеристика и состав биосферы
- В.И. Вернадский о биосфере и «живом веществе»
- Биогенная миграция химических элементов
- Развитие органического мира
- Появление многоклеточных организмов
- 6.3. Антропогенез. Эволюция мозга и развитие сознания
- Этапы развития человека
- Развитие сознания
- Психика человека
- Психика животных
- 2. Стадия перцептивной психики
- 3. Стадия интеллекта
- Эволюция психической деятельности человека
- Строение и функции нервной системы человека
- Варианты психической деятельности человека
- Тестовые задания к главе 6
- Глава 7 циклы и Ритмы Вселенной и их влияние на эволюцию земли
- 7.1. Ритмы Галактики
- 7.2. Ритмы Солнца
- 7.3. Влияние ритмов Галактики и Солнца на геофизические процессы Земли
- Тестовые задания к главе 7.
- Глава 8 колебания климата земли
- 8.1. Причины колебаний климата Земли
- 1. Астрономические факторы (положение Земли в космическом пространстве).
- 8.2. Палеоклиматическая реконструкция климата Земли
- 8.3. Моделирование климата Земли за 3,5 млрд. Лет и долгосрочный прогноз его изменчивости
- Моделирование процесса динамики температурного режима земной поверхности за 3,5 млрд. Лет
- Реконструкция температурных аномалий за 3,5 млрд. Лет до н.В. И прогноз на 1 млрд. Лет вперед
- Реконструкция температурных аномалий
- Реконструкция температурных аномалий за 100 тыс. Лет до н.В. И прогноз на 100 тыс. Лет вперед
- Реконструкция температурных аномалий за 8 тыс. Лет до н.В. И прогноз на 12 тыс. Лет вперед
- Атлантический период отмечен значительным сдвигом природных зон умеренных широт в северном направлении. Судя по палеотемпературной реконструкции, он продолжался 1300 лет (от 6800 до 5500 лет назад).
- Тестовые задания к главе 8.
- Глава 9
- 9.1. Антропогенные воздействия на микроклимат сельской местности
- 9.2. Антропогенные воздействия на микроклимат города
- 9.3. Антропогенное воздействие на глобальный климат планеты
- Глава 10 Законы естествознания
- 10.1. Законы существования материального мира
- 10.2. Законы системной целостности
- 10.3. Законы внутреннего развития систем
- 39. Закон согласования строения (функции) частей подсистемы.
- 10.4. Законы термодинамики систем
- 10.5. Законы иерархии систем
- 51. Периодический закон химических элементов д.И.Менделеева
- 10.6. Законы «система-среда»
- Сверлова Любовь Ивановна доктор географических наук, профессор Концепции современного естествознания
- 680042, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 134, хгаэп, риц