Текст книги "101 ключевая идея: Физика"

Автор книги: Джим Брейтот

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 10 страниц)

Джим Брейтот
101 ключевая идея: ФИЗИКА

Введение

Вы держите в руках книгу из серии «Грандиозный мир. 101 ключевая идея». Надеемся, что как данная книга, так и серия в целом окажется для вас интересной и полезной. Цель этой серии – доступным и увлекательным образом познакомить читателя с самыми разными областями знания.

В каждой книге содержится объяснение 101 ключевой идеи и понятия, относящихся к той или иной области знания. Для удобства пользования статьи расположены в алфавитном порядке. Все книги серии написаны таким образом, что от читателя почти не требуется никаких специальных знаний и подготовки. Они будут полезны и для студентов, и для тех, кто только еще готовится к поступлению в высшее учебное заведение, и просто для любознательных.

На наш взгляд, большинство учебников слишком объемны, чтобы служить справочными пособиями, а статьи в словарях слишком кратки, чтобы сформировать у читателя более или менее полное представление о предмете.

Книги этой серии совмещают в себе лучшие стороны и учебника, и словаря. Их вовсе не обязательно читать от корки до корки и в строго определенном порядке. Обращайтесь к ним, когда нужно узнать значение того или иного понятия, и вы найдете краткое, но содержательное его описание, которое, без сомнения, поможет вам выполнить задание или написать доклад. Материал в книгах излагается четко, с тщательным подбором необходимых научных терминов.

Итак, если вам потребуется быстро и без больших затрат получить сведения по какой-либо теме – воспользуйтесь книгами данной серии!

Желаем удачи!

Пол Оливер, издатель серии

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данная книга предназначена для тех, кто не обладает специальными знаниями по физике, но тем не менее хочет ознакомиться с ее ключевыми понятиями. Последние идеи этой области, такие, как антивещество, кварки и сверхпроводимость, видимо, составят основу инженерной и технологической мысли будущего. Прочно утвердившиеся понятия, разработанные в течение нескольких веков, продолжают служить основными принципами различных естественных наук; без них также немыслимы современные средства коммуникации, компьютерные технологии, инженерное искусство. Многие задачи, стоящие перед человечеством в наступившем столетии, будут решены с применением уже известных законов к новым открытиям в области материальных наук. Например, более дешевые и эффективные солнечные батареи могут генерировать дешевую электроэнергию, которая могла бы значительно повысить уровень жизни в развивающихся странах. Физика всегда шла в авангарде научной мысли, и ключевые открытия ученых, такие, как рентгеновское излучение и транзисторы, оказывались полезными для всех.

Знание законов физики позволяет неспециалистам оценить влияние новых технологий и осознать значение новых научных открытий. Эта книга предлагает краткие сведения по ключевым идеям физики в доступной для всех форме. Ключевые идеи охватывают как новейшие передовые представления, так и основные понятия, знание которых необходимо для тех, кто хочет познакомиться с физикой; при этом описания понятны и не требуют глубоких математических познаний.

АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Некоторые вещества находятся в состоянии, которое трудно отнести к какому-то одному из вышеперечисленных.

Твердое тело имеет строго определенную форму и поверхность. Атомы и молекулы твердого вещества, имеющие межмолекулярные и межатомные связи, сохраняют свое положение относительно друг друга. Атомы совершают небольшие колебания относительно положений равновесия; при повышении температуры повышается и их энергия. При нагревании твердое тело начинает плавиться. Энергия, необходимая для плавления твердого тела, тратится на преодоление связей между атомами, удерживающих их в фиксированном положении относительно друг друга.

Жидкость имеет поверхность, может течь и принимает форму сосуда, в которую налита. Молекулы жидкости двигаются хаотично, не теряя контакта друг с другом.

Таким образом, доля частиц с достаточной кинетической энергией повышается по мере повышения температуры. Следовательно, при повышении температуры реактивов повышается скорость химической реакции.

Количество энергии, необходимое для активационного процесса, подобно энергетическому барьеру, не пропускающему частицы с недостаточной энергией. Для большого количества частиц при температуре Т их средняя кинетическая энергия равна kТ, где к – постоянная Больцмана. Количество частиц с достаточной кинетической энергией, способных преодолеть энергетический барьер Е, зависит от отношения E/kT. С повышением температуры это отношение уменьшается (другими словами, энергетический барьер понижается), и, следовательно, больше частиц могут «преодолеть» его. Еще один пример активационного процесса – испарение. Молекулы расходуют некоторое количество энергии на преодоление сил притяжения других молекул, чтобы покинуть поверхность твердого тела или жидкости. Поэтому скорость испарения повышается при повышении температуры вещества.

См. также статьи «Идеальные газы», «Температура».

АНТИВЕЩЕСТВО

Вещество состоит из частиц, а антивещество – из античастиц. Для каждого известного типа частиц существует соответствующий тип античастиц. Античастица имеет массу покоя, равную массе покоя соответствующей частицы. Ее заряд равен по величине и противоположен по знаку заряду частицы. Первой открытой античастицей был позитрон – античастица электрона.

Античастицы и соответствующие им частицы могут быть созданы двумя способами:

• фотон высокоэнергетического электромагнитного излучения в результате создания частицы и соответствующей ей античастицы прекращает свое существование, его энергия преобразуется в материю. Таким образом, происходит реакция: высокоэнергетический фотон —> электрон + позитрон;

• две частицы сталкиваются друг с другом со скоростью, приближающейся к скорости света, и создают частицу вместе с соответствующей античастицей.

Часть энергии столкновения при этом преобразуется в материю. Например, может происходить такая реакция: протон + протон —> протон + протон + протон + антипротон.

Чтобы высокоэнергетический фотон мог образовать частицу и античастицу, его энергия hf должна быть больше или равна общей энергии покоя частицы и античастицы (которая определяется формулой 2m ₀с ²,где m ₀– масса покоя частицы). При столкновении друг с другом частица и соответствующая ей античастица аннигилируют, [1]1
  Аннигиляция – превращение частицы и античастицы при их столкновении в другие частицы, например превращение электрона и позитрона в фотоны. – Здесь и далее прим. ред.


[Закрыть]образуя в результате два фотона.

Галактики состоят из вещества, а не из антивещества. Астрономы предполагают, что Вселенная возникла около 12 миллиардов лет назад в результате Большого Взрыва и что энергия Большого Взрыва образовала частицы и античастицы. Возможно, что после охлаждения Вселенной частиц в ней стало больше, чем античастиц, поэтому все последние могли быть аннигилированы частицами, в результате чего образовывались фотоны. Причиной такой асимметричности мог послужить распад высокоэнергетической античастицы определенного типа, поскольку вероятность распада соответствующей ей частицы мала.

См. также статьи «Большой Взрыв», «Взаимодействия частиц», «Фотон».

АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Атомную энергию получают в результате деления урана-235. В высокотемпературных ядерных реакторах тепловыделяющие элементы (твэлы) из обогащенного урана-238 содержат около 2–3 % урана-235. При каждой реакции распада ядро урана-235 расщепляется на два осколка, испуская 2–3 нейтрона с кинетической энергией порядка МэВ. Разлетающиеся осколки имеют кинетическую энергию порядка 100 МэВ и больше, перенося ее к соседним атомам. Нейтроны деления не могут продолжить реакцию деления, если их не замедлить.

Тепловыделяющие элементы сконструированы так, что быстрые нейтроны покидают элемент и входят в окружающее его вещество – замедлитель. В результате упругих столкновений с ядрами замедлителя нейтроны деления теряют кинетическую энергию до тех пор, пока она не становится равной средней кинетической энергии ядер замедлителя. Нейтроны движутся в замедлителе хаотично, и те из них, которые попадают обратно в твэлы, продолжают реакцию деления, если их кинетическая энергия достаточна для этого. Таким образом, в активной зоне реактора реакция продолжается с постоянной скоростью, поддерживаемой поглотителями (замедлителями, графитовыми стержнями) излишних нейтронов. Только один из нескольких нейтронов, образовавшихся при делении ядра, продолжает реакцию.

Внутри герметичной стальной камеры, по которой протекает жидкость-теплоноситель, удаляющая избыток тепла из замедлителя, находится активная зона. Горячий теплоноситель, проходя через теплообменник, образует пар, который приводит в движение турбины, вырабатывающие электрический ток. Нейтроны, покидающие пределы активной зоны, поглощаются либо стенками стальной камеры, либо толстыми бетонными стенами, окружающими реактор. После отработки в атомном реакторе тепловыделяющие элементы очень радиоактивны, так как содержат много осколков с нейтронами и являются источником β-излучения. Кроме того, ядра урана-238 также поглощают нейтроны и становятся нестабильными, образуя цепь изотопов, в числе которых находится плутоний-239, источник γ– и β-излучения. Отработанные твэлы около года охлаждают в бассейнах выдержки, а затем перерабатывают, получая плутоний и неиспользованный уран.

См. также статьи «Деление ядер», «Радиоактивность».

АТОМЫ И МОЛЕКУЛЫ

Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Элемент – вещество, которое невозможно разложить на составляющие. Если атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами, то атомное ядро – из протонов, которые имеют одинаковый электрический заряд, и нейтронов, не имеющих заряда. Масса протона приблизительно равна массе нейтрона, а масса электрона значительно меньше массы протона или нейтрона.

Электроны в атомах располагаются в оболочках, окружающих ядро. Энергия электрона, находящегося в оболочке, постоянна. Нулевая энергия электрона в атоме соответствует энергии электрона вне атома, поэтому в атоме энергия электрона отрицательна. Чем дальше расположена оболочка, тем выше энергия электрона в оболочке. Каждая оболочка может содержать определенное максимальное количество электронов. В нормальном, невозбужденном, состоянии электроны обладают наименьшей энергией. Причем чем ближе к ядру расположены электроны, тем ниже их энергия. Атомы могут объединяться в молекулы с помощью межатомных связей, образующихся при взаимодействии их внешних электронов. Каждый тип атома условно обозначают как ^A _Z X, где X – химический символ элемента, Z – количество протонов, соответствующих атомному числу, а А – массовое число, соответствующее числу протонов и нейтронов, вместе взятых.

Изотопы – атомы одного и того же элемента, но с разным количеством нейтронов в ядре. Например, у водорода может быть три изотопа:, состоящий из одного протона и одного электрона; ¹ ₁ H, состоящий из одного протона и одного нейтрона в ядре и одного электрона; а также ³ ₁ Н, в ядре которого находятся два нейтрона. Изотопы элемента обладают различными физическими свойствами, потому что из-за разного числа нейтронов каждый тип атома имеет разную массу. Поскольку все они представляют один и тот же элемент, т. е. имеют одинаковое число протонов и электронов, они обладают одинаковыми химическими свойствами.

См. также статьи «Типы межатомных связей», «Энергетические уровни атомов».

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ

Согласно теории Большого Взрыва, наша Вселенная образовалась из одной точки в результате мощного взрыва, во время которого возникли пространство, время и материя. Предполагается, что это событие произошло около 12 миллиардов лет назад. По мере расширения Вселенной образовались галактики, до сих пор удаляющиеся друг от друга. Известно, что дальние галактики удаляются друг от друга со скоростью, приблизительно равной скорости света.

Теория Большого Взрыва берет свое начало в открытии, сделанном в 1929 году американским астрономом Эдвином Хабблом. Он обнаружил, что скорость удаления галактик пропорциональна расстоянию до них. Это отношение, известное как закон Хаббла, записывается следующим образом:

υ = Hd, где υ – скорость удаления, d – расстояние до галактик, а H – постоянный коэффициент (постоянная Хаббла).

Исходя из закона Хаббла можно сделать вывод, что Вселенная расширяется, однако теорию Большого Взрыва не признавали до тех пор, пока в 1965 году ученые Арно Пенсиас и Роберт Уилсон, проверяющие систему обнаружения радиосигналов со спутников, не открыли космическое фоновое микроволновое излучение. Оказалось, что последнее в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра поступает со всех сторон космического пространства. Ученые пришли к мнению, что это излучение распространяется по Вселенной с того времени, как вещество после Большого Взрыва остыло и стало радиопрозрачным.

До открытия, сделанного Пенсиасом и Уилсоном, многие астрономы поддерживали теорию стационарной Вселенной, согласно которой ее расширение происходит вследствие образования нового вещества между расходящимися в результате этого галактиками. От стационарной модели пришлось отказаться, так как она, в отличие от теории Большого Взрыва, не объясняет наличия фонового микроволнового излучения, распространяющегося по всем направлениям. Вышеуказанная теория также объясняет, почему водорода во Вселенной в три раза больше, чем гелия.

См. также статьи «Закон Хаббла», «Электромагнитные волны».

ВЕКТОРЫ

Векторной величиной называется любая физическая величина, имеющая наряду с числовым значением и направление. Перемещение, скорость, ускорение, сила, импульс, напряженность поля – все это векторные величины.

Скалярной величиной называется физическая величина, не имеющая направления. В качестве примеров можно привести расстояние, массу, энергию и мощность.

Векторную величину можно представить в виде направленного отрезка, длина которого пропорциональна числовому значению (модулю) величины, а направление совпадает с направлением величины. Вектор величины F, направленный под углом θ к некоей прямой линии, имеет две составляющие: F cos θ параллельно линии и F sin θ перпендикулярно линии. Если указанная линия является осью x системы координат, то F x= F cos θ и F y= F sin θ. Вектор можно разложить на составляющие i и j, направленные вдоль оси x и оси у соответственно, причем F = (F cos θ)i + (F sin θ)j.

Величину вектора F и его направление можно вычислить исходя из его перпендикулярных компонентов F xи F yпо формуле

F= (F _x ²+ F _y ²) ^1/2и tg θ = F _y/F _x,где θ – угол между вектором и осью х.

Сложение векторов

Правило параллелограмма для сложения векторов – точный геометрический метод нахождения результирующего вектора двух заданных векторов. Два вектора изображаются так, чтобы они образовывали две смежные стороны параллелограмма. Результирующим вектором будет его диагональ, направленная от начала первого вектора к концу второго. Два вектора прикладываются друг к другу так, чтобы конец первого был в той же точке, что и начало второго, поэтому сумма векторов – вектор, направленный из начала первого в конец второго.

Правило параллелограмма

Правило косинусов для сложения двух векторов А и В предлагает следующую формулу для определения величины R результирующего вектора:

R ²= А ² + В ²+ 2АВcos θ, где θ – угол между двумя векторами.

См. также статьи «Равновесие сил», «Сила и движение».

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧАСТИЦ

В природе существуют четыре основных типа сил – это гравитационные, электромагнитные, сильного ядерного и слабого ядерного взаимодействий. Эти силы действуют в результате обмена порциями энергии, которые называются квантами. Диаграммы (так называемые диаграммы Фейнмана), которые применяют для демонстрации природы этих взаимодействий, впервые составил Ричард Фейнман.

К электромагнитным относятся электростатические и магнитные силы. Переносчиками электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами служат не имеющие массы кванты – виртуальные фотоны, так как они прекратили бы взаимодействие, если бы для их обнаружения применили детектор.

Сильное ядерное взаимодействие удерживает вместе нейтроны и протоны в ядре. Протоны и нейтроны состоят из трех фундаментальных частиц – кварков, которые, в свою очередь, удерживаются вместе благодаря обмену квантами, называемыми глюонами. Глюоны в протонах или нейтронах могут образовывать кварк-антикварковую пару с такими свойствами, что антикварк и другой кварк образуют составную частицу, называемую пионом, переходящую к другому протону или нейтрону. Такой обмен пионами представляет собой механизм сильного взаимодействия.

Слабые ядерные силы заставляют протон превращаться в нейтрон в ядре с избытком протонов, или нейтрон превращается в протон в ядре с избытком нейтронов. В ходе этого процесса возникает недолговечная частица бозон (W).

Диаграммы Фейнмана

При β ^-распаде нейтрон превращается в протон и испускает W ^-бозон, который распадается на β ^-частицу (электрон) и антинейтрино. При β ⁺ – распаде протон превращается в нейтрон и испускает W ^-бозон, распадающийся на позитрон и нейтрино.

См. также статьи «Кварки», «Радиоактивность 2», «Фотон».

ВОЛНОВОЕ ДВИЖЕНИЕ 1 – ПРИРОДА ВОЛН

Электромагнитные, звуковые, сейсмические и другие типы волн обладают как характерными (типовыми), так и общими свойствами.

Механические

Механическими называются волны, распространяющиеся в веществе благодаря колебаниям его частиц. Всем типам волн, за исключением электромагнитных, для распространения необходима среда; следовательно, все они – механические.

Электромагнитные волны

Электромагнитные волны – это однофазные колебания напряженности электрического и магнитного полей, распространяющиеся в вакууме или среде. Для их распространения совсем не обязательна среда: последняя не является необходимым условием для совершения колебаний напряженности полей. Волна распространяется благодаря создаваемым в данной точке колебаниям, вызывающим колебания в соседних точках, и т. д.

Поперечные

Поперечные – это волны с колебаниями, перпендикулярными направлению, в котором они распространяются, например электромагнитные, волны колеблющейся струны и вторичные сейсмические.

Продольные

Продольные – это волны с колебаниями, параллельными направлению их распространения, например звуковые и первичные сейсмические.

Измерение волн.

Амплитуда– это степень интенсивности волны, т. е. максимальное расстояние, которое колеблющаяся частица преодолевает от центра равновесия. Чем больше амплитуда звуковой волны, тем громче звук; чем больше амплитуда волны на водной поверхности, тем выше высота волны.

Длиной волны называется расстояние от одного ее гребня до другого, частотой – количество гребней, проходящих через данную точку в секунду, т. е. количество колебаний в секунду. Единицей частоты служит герц (Гц), равный одному колебанию в секунду.

Скорость распространения волны равна произведению ее частоты на длину.

См. также статьи «Децибелы», «Поляризация».

ВОЛНОВОЕ ДВИЖЕНИЕ 2 – БЕГУЩИЕ И СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ

Бегущиеволны

Бегущими называются волны, которые распространяются в пространстве или среде. У механических волн частицы вдоль направления распространения волны перемещаются на максимальное расстояние от точки равновесия при прохождении через нее гребня или впадины волны. Частицы, разделенные целым числом длины волны, колеблются в одной фазе друг с другом.

Стоячие волны

Стоячие волны образуются в результате наложения двух или более бегущих волн, которые распространяются навстречу друг другу и имеют одинаковые частоты и амплитуды. Амплитуда результирующей волны изменяется в зависимости от положения точки. Точки, в которых амплитуда минимальна, называются узлами, а в которых амплитуда максимальна – пучностями. Узлы образуются, так как бегущие волны в данной точке различаются на полфазы и здесь же компенсируют друг друга. Расстояние между смежными узлами всегда равно половине длины волны.

Стоячие волны могут образоваться на колеблющейся струне с узлом на каждом конце. При таком колебании длина струны измеряется целым числом половин длины волны. Если длина колеблющейся струны равна одной половине длины волны, то такая волна называется основной.

Стоячие волны образуются в столбе воздуха внутри трубы органа, резонирующего и издающего звук. Струя воздуха, проходящая сквозь щель, заставляет воздушный столб вибрировать и распространяет звуковые волны вдоль трубы. Внутри ее некоторые из этих звуковых волн отражаются в конце столба и идут навстречу друг другу, образуя чередующиеся узлы и пучности вдоль всего столба.

Стоячие волны струны

Стоячие волны струны

См. также статьи «Волновое движение 1», «Интерференция».