Физические явления, физика, статьи по физике.

За время своей жизни виртуальная частица может удалиться от породившего ее протона, но на ограниченное расстояние, так как она должна успеть вернуться до окончания периода своего суще¬ ствования. Чем тяжелее частица (и больше ее энергия), тем выше погрешность измерения этой энергии и меньше период существо¬ вания виртуальной частицы, так как их произведение является константой при любых обстоятельствах. Значит, в случае увели¬ чения погрешности измерения одной единицы пропорциональ¬ но уменьшается погрешность измерения другой. Даже если виртуальная частица двигается со скоростью све¬ та, она не может далеко улететь от протона, так как значение постоянной Планка очень мало, соответственно время суще¬ ствования частицы крайне мало. Как правило, расстояние, на которое виртуальная частица уходит от протона, недостаточно для столкновения этой частицы с другой частицей, за исклю¬ чением ситуации, когда нейтроны и протоны находятся в не¬ посредственной близости друг от друга, как, например, внутри атомного ядра. В этом случае одна из испускаемых протоном частиц может быть поглощена нейтроном до ее возвращения к протону. Именно такое испускание и поглощение виртуальных частиц и приводит к возникновению ядерной силы. В 1935 году Юкава сделал предположение, что виртуальная частица является частицей обмена ядерной силы. В отличие от частиц обмена электромагнитной силы и силы гравитации час¬ тица обмена ядерной силы должна обладать массой, чтобы до¬ пустимое время ее существования было достаточно малым для ограничения радиуса ее действия до нужного значения. Юкава подсчитал, что масса такой виртуальной частицы должна быть примерно в 270 раз больше массы электрона. В этом случае допустимое время ее существования будет достаточно коротким, чтобы радиус ее действия был таким, каким, согласно наблю¬ дениям, и должен быть радиус действия ядерной силы. Так как масса виртуальной частицы — нечто среднее между массой легких электронов и тяжелых частиц, частица получила название «мезотрон» (от греч., означающего «средний»), кото¬ рое быстро сократили до мезон. Согласно теории Юкавы, в процессе обмена протон стано¬ вится нейтроном, а нейтрон — протоном. Другими словами, мезон, переходя от одной частицы к другой, должен нести с

собой электрический заряд. Получается, что такой мезон явля­

ется положительным. В случае с антипротоном и антинейтро­

ном ядро антивещества удерживает еще одна античастица —

отрицательный мезон.

Вскоре выяснилось, что обменные силы действуют и между

двумя протонами, и между двумя нейтронами, то есть должен

существовать еще и нейтральный мезон. Такой нейтральный

мезон является античастицей самого себя и связывает антипро­

тон с антипротоном или антинейтрон с антинейтроном.

Протонно-нейтронные обменные силы больше протонно-про-

тонных, а это значит, что коэффициент дефекта массы у ядра с

комбинацией р-п меньше, чем у ядра с комбинацией р-р. Поэто­

му для преобразования комбинации р-п в р-р внутри ядра необ­

ходима энергия.

При переходе п в р небольшое количество энергии высво­

бождается (самопроизвольный распад нейтрона), но этой энер­

гии не всегда достаточно для преобразования комбинации р-п

в р-р. Поэтому в ядрах некоторых элементов нейтрон не пре­

вращается в протон, а остается неизменным; в этом случае ядро

является стабильным.

Для доказательства мезонной теории Юкавы необходимо

было, собственно говоря, обнаружить мезон. Внутри ядра его об­

наружить невозможно, так как там мезоны являются лишь вир­

туальными частицами. Однако, если к ядру подвести достаточное

количество энергии, можно получить мезон и без нарушения за­

кона сохранения энергии. В этом случае мезон становится реаль­

ной частицей и может покинуть ядро.

Карл Андерсон, ранее обнаруживший среди оставленных

космическими лучами в камере Вильсона следов позитрон, в

1936 году обнаружил след еще одной частицы, траектория по­

лета которой отклонялась меньше, чем у электрона, но боль­

ше, чем у протона. Очевидно, что эта частица обладала средней

массой, и поначалу физики решили, что это и была предска­

занная Юкавой частица.

Но они ошиблись. Обнаруженная Андерсоном частица была

лишь в 207 раз тяжелее электрона, то есть намного легче мезона.

Кроме того, эта частица существовала лишь в двух вариантах — с

положительным зарядом и с отрицательным, причем исходными

частицами являются как раз последние; не было даже намека на

существование незаряженной разновидности. Но хуже всего то,

что частица не вступала во взаимодействие ни с протонами, ни с

нейтронами, а юкавская частица должна вступать во взаимодей­

ствие с любым встретившимся на пути нуклоном. Мезон же Ан­

дерсона практически не вступал ни в какие взаимодействия.

No Comments »

Наверняка вы неоднократно видели по телевизору, как взлетает космический корабль. Может, даже, во время празднования Нового Года кто-то из ваших друзей запускал в небо цветные ракеты. При их полете постоянно выбрасывается струя раскаленных газов. Запуск космического корабля или праздничной ракеты – это примеры так называемого реактивного движения.

Реактивным движением называют движение тела, возникающее при отделении от него некоторой его части.

Рассмотрим реактивное движение ракеты более подробно. Предположим, что сначала она находится в покое где-то в межзвездном пространстве. Пренебрегая притяжением различных космических тел, будем считать корпус ракеты и выбрасываемые газы замкнутой системой тел. Применим к ней закон сохранения импульса:

Направим координатную ось по направлению полета ракеты. Спроектируем на нее векторы скорости корпуса ракеты (J_кр) и скорости выбрасываемых газов (J_вг). Выразим из уравнения скорость корпуса ракеты:

Заметим, что масса выброшенных газов равна массе сгоревшего топлива (mвг = mст). И последнюю формулу можно записать так:

Из этой формулы видно, что скорость корпуса ракеты тем больше, чем больше скорость выброшенного газа и доля, которую составляет масса сгоревшего топлива от массы корпуса ракеты. Расчеты показывают, что для того, чтобы ракета приобрела нужную скорость, масса топлива должна составлять более 90% от массы всей ракеты!

No Comments »

На одну чашку весов поставлено ведро, до краев наполненное водой. На другую — точно такое же ведро, тоже полное до краев, но в нем плавает кусок дерева (рис. 55). Какое ведро перетянет?

Я пробовал задавать эту задачу разным лицам и получал разноречивые ответы. Одни отвечали, что должно перетянуть то ведро, в котором плавает дерево, потому что “кроме воды, в ведре есть еще и дерево”. Другие — что, наоборот, перетянет первое ведро, “так как вода тяжелее дерева”.

Но ни то, ни другое не верно: оба ведра имеют одинаковый вес. Во втором ведре, правда, воды меньше, нежели в первом, потому что плавающий кусок дерева вытесняет некоторый ее объем. Но, по закону плавания, всякое плавающее тело вытесняет своей погруженной частью ровно столько жидкости (по весу), сколько весит все это тело. Вот почему весы и должны оставаться в равновесии.

Решите теперь другую задачу. Я ставлю на весы стакан с водой и рядом кладу гирьку. Когда весы уравновешены гирями на чашке, я роняю гирьку в стакан с водой. Что сделается с весами?

По закону Архимеда, гирька в воде становится легче, чем была вне воды. Можно, казалось бы, ожидать, что чашка весов со стаканом поднимется. Между тем в действительности весы останутся в равновесии. Как это объяснить?

Гирька в стакане вытеснила часть воды, которая оказалась выше первоначального уровня; вследствие этого увеличивается давление на дно сосуда, так что дно испытывает добавочную силу, равную потере веса гирькой.

No Comments »

В то время, когда были экспериментально получены первые масс-спектры, в существовании атомов и молекул элементов уже не сомневались; об этом косвенно, но вполне убедительно говорили многие свойства химических соединений и газов, в частности такие явления, как электролиз, броуновское движение. В этом смысле масс-спектрометрия лишь подтвердила результаты косвенных методов определения массы атомов и молекул. Однако, исходя из физических и химических свойств газов, едва ли можно было предполагать, что атомы одного и того же химического элемента могут иметь различную массу. Наличие у одного и того же элемента атомов с разной массой — изотопов — указывало на то, что химические свойства атома не определяются его массой.
Как показали измерения (во всяком случае, при помощи первых масс-спектрометров, имеющих невысокую разрешающую способность), массы всех атомов были кратны массе атома (или иона) водорода это наводит на мысль, что атомы всех химических элементов состоят из электронов и ионов водорода. Таким образом, после экспериментов по определению элементарного электрического заряда и масс спектро метрии мы приходим к двум частицам, которые, казалось бы, могли служить основными кирпичиками
структуры вещества.

Comments Off