Современные физики: Философские проблемы современной физики – Учебные курсы – Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Содержание

Специальные курсы – Кафедра атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники

Осенний
(1 семестр)
Современные проблемы физики   проф. Попов А.М.  36 зачет
дисциплина магистерской программы Взаимодействие излучения с веществом проф. Попов А.М. 36 экзамен
 дисциплина магистерской программы Введение в квантовую теорию поля в.н.с. Лобанов А.Е. 36 экзамен
дисциплина магистерской программы Физика низкотемпературной плазмы в задачах с.н.с. Богацкая А.В. 36 зачет
Спецпрактикум кафедры Актуальные проблемы физической электроники проф. Попов А.М.
доц. Зырянов С.М.
72 зачет с оценкой
дисциплина магистерской программы по выбору (1 из 2) Современные проблемы квантовой и нелинейной оптики с. н.с. Богацкая А.В. 36 экзамен
Динамика джозефсоновских систем проф. Корнев В.К.
дисциплина магистерской программы по выбору (1 из 2) Колебания и волны в плазме асс. Мелкумова Е.Ю. 36 экзамен
Туннельные явления и электронный перенос в наноконтактах доц. Шорохов В.В.

Весенний
(2 семестр)
по состоянию на 18/19 учебный год

дисциплина магистерской программы  Физические проблемы применения плазмы в микротехнологиях проф. Рахимов А.Т. 34 экзамен
дисциплина магистерской программы Физика фундаментальных взаимодействий в.н.с. Лобанов А.Е. 34 экзамен
дисциплина магистерской программы Современные экспериментальные исследования основ квантовой механики доц.
Кленов Н.В.
34 зачет
дисциплина магистерской программы Введение в молекулярную одноэлектронику доц. Шорохов В.В. 34 зачет
дисциплина кафедры Теория молекулярных столкновений доц. Олеванов М.А. 34 зачет с оценкой
спецкурс кафедры по выбору (1 из 2) Диагностика низкотемпературной плазмы доц. Зырянов С.М. 34 экзамен
Введение в одноэлектронику
проф. Корнев В.К.
спецкурс кафедры по выбору (1 из 2) Флуктуации и нелинейные взаимодействия волн плазмы асс. Мелкумова Е.Ю. 34 зачет
Многомасштабное моделирование процессов на поверхности асс.  Воронина Е.Н.

Самые перспективные эксперименты современной физики / Хабр

Чтобы лучше понять нашу Вселенную и определить роль человека в ней, ученые создают всё более амбициозные инструменты и проводят масштабные эксперименты. Наука давно перешла рубеж, за которым не хватает усилий гениев-одиночек, проводящих опыты в своих частных лабораториях. Сейчас большая наука требует дорогостоящих исследований, годами поддерживаемых научными группами из многих стран.

Чем масштабнее эксперименты, тем более впечатляющие открытия нас ждут. Как определить масштаб? Для этого достаточно знать сумму затрат на строительство, количество персонала и физические размеры самого проекта. Не будем забывать и про научную полезность проекта с точки зрения обычного человека.

БАК


Самый мощный ускоритель на Земле завершил первый цикл своей работы в феврале 2013 года, после того, как решил свою главную задачу — нашел бозон Хиггса. Ученые обнаружили последний недостающий фрагмент взаимодействий всех известных частиц и сил в рамках Стандартной модели.

Вместе с тем, физики испытали разочарование. Многие надеялись, что частица Хиггса окажется не такой, как ее предсказывала теория, либо предположения о существовании бозона вообще оказались бы ошибочны. По крайней мере, ученые надеялись, что свойства бозона Хиггса будут отличаться от тех, которые были предсказаны в рамках Стандартной модели, чтобы ученые перешли к созданию Новой физики.

Отклонения от Стандартной модели (теория в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц) помогли бы найти другие интересные частицы, доказать существование суперсимметричных частиц — частиц-партнеров для всей Вселенной. К примеру, для фотона — фотино, для кварка — скварк, для хиггса — хиггсино, и так далее.

Вместо этого мы стали сомневаться во всех суперсимметричных теориях. Возможно, что сотни физиков по всему миру десятилетиями тратили свои ресурсы на поиски того, чего нет.
В течение следующих нескольких лет экспериментаторы будут собирать новые данные, которые помогут ответить на вопросы о темной материи, темной энергии, свойствах нейтрино, природе бозона Хиггса и, возможно, о том, как будет выглядеть следующая эпоха в физике.
23 мая в Большом адронном коллайдере прошли первые в 2017 году столкновения протонов. Завершена калибровка детекторов и тысяч подсистем. Ожидается, что до конца 2017 года коллайдер удвоит объем статистики столкновений при энергии 13 тераэлектронвольт.

HL-LHC и ILC



Концепт ILC.

К 2020 году Европейский Центр ядерных исследований (ЦЕРН) планирует модернизировать БАК. «БАК на высокой светимости» (High-Luminosity LHC) — это название проекта грядущей модернизации, благодаря которой светимость устройства повысится в 10 раз. Светимость — способ измерения производительности ускорителя, характеризующий интенсивность столкновения частиц двух встречных пучков. Чем выше светимость, тем больше данных может быть собрано во время эксперимента.

В результате протоны будут сталкиваться на энергиях до 30 ТэВ или даже выше, что приведет к еще большему количеству столкновений и увеличению количества частиц. Однако в этих условиях работа физиков только усложнится — нужно будет выявлять из массы событий только чрезвычайно редкие явления. Появятся и новые версии детекторов — superCMS и superATLAS.
Кроме исследований на БАК планируется расширить научную работу за счет Международного линейного коллайдера (International Linear Collider, ILC), который будет превосходить сам БАК. Электрон-позитронный коллайдер будет состоять из двух линейных ускорителей длиной 12 км каждый. Общая длина установки оценивается в 31 км. Впоследствии ускоритель может быть дополнен новыми секциями, вследствие чего длина установки возрастёт до 50 км.

ILC сможет создавать огромное количество бозонов Хиггса, что позволяет ученым точно исследовать свойства частицы. Он также мог бы выявить аномальные события, которые позволили бы исследовать экзотические теории вне Стандартной модели.

В качестве альтернативного варианта рассматривается кольцевой электрон-позитронный коллайдер, который мог бы стать настоящей фабрикой по «добыче» бозонов Хиггса. По светимости в области до 200 ГэВ циклические коллайдеры превосходят линейные. Диапазон энергий нового коллайдера от 45 ГэВ до 175 ГэВ, что позволяет детально изучать свойства Z-, W-, Хиггс-бозонов и t-кварков.

При этом стоимость проекта ниже ILC.

В 2020 году ЦЕРН планирует определиться со строительством «коллайдера будущего», выбрав из двух перспективных вариантов.

Загадочные нейтрино



Детектор The GERmanium Detector Array (GERDA) ищет нейтрино, контролируя электрическую активность внутри чистых кристаллов германия, изолированных глубоко под горой в Италии. Ученые, которые работают с GERDA, надеются обнаружить очень редкий вид радиоактивного распада.

Нейтрино — одна из самых загадочных частиц во Вселенной. Она имеет крошечную массу — Нобелевская премия по физике в 2016 году была вручена за сам факт «открытия нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу». Нейтрино почти никак не взаимодействуют с веществом — сквозь поверхность земли площадью в 1 см² каждую секунду проходит около 6 × 1010 нейтрино, испущенных Солнцем.

Физики в настоящее время пытаются выяснить некоторые свойства нейтрино, которые остаются под вопросом. Ученые знают, что Стандартная модель уже нарушена, отчасти потому, что нейтрино имеют массу, в то время как Стандартная модель говорит, что массы у них быть не должно.

Эксперименты в области двойного бета-распада могли бы объяснить, почему вселенная состоит из материи. Стандартная модель предсказывает, что после Большого Взрыва материя и антиматерия должны были быть созданы в равной пропорции. Но поскольку эти две взаимоотрицающие формы материи аннигилируют друг друга, вселенная должна была бы состоять из ничего.

Бета-распад происходит, когда нейтрон (нейтральная частица в атомном ядре) самопроизвольно превращается в протон и электрон, в процессе испуская антинейтрино. Процесс может также иметь несколько иной путь: нейтрон поглощает нейтрино и превращается в протон и электрон. Двойной бета-распад был бы крайне редкой ситуацией, в которой антинейтрино, появившееся в первом случае, поглощается нейтроном во втором.

Такая вещь может произойти только тогда, когда нейтрино и антинейтрино в основном одинаковы: то есть, если нейтрино является своей собственной античастицей. Никто еще не знает, так ли это, но если да, то при ранних распадах нейтрино Вселенная создала бы немного больше частиц материи, чем антиматерии.

NOVA, T2K и DUNE



Детектор NOνA, Фермилаб.

Проект NOνA (NuMI Off-Axis νe Appearance) объединил несколько сотен ученых и инженеров из 40 институтов из восьми стран. От России в этом эксперименте участвуют Институт ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН), Физический институт им. П.Н. Лебедева (ФИАН) и Объединенный институт ядерных исследований из Дубны.

В проекте используется пучок нейтрино от генератора NuMI (Neutrinos at the Main Injector). Для реализации эксперимента NOvA построили две лаборатории, находящиеся на удалении 800 километров от источника нейтрино. Поток нейтрино, выйдя из недр генератора NuMI, проходит через толщи земных пород и попадает в огромные датчики, которые находятся по обе стороны маршрута движения частиц. Аналогичный эксперимент в Японии под названием T2K отправляет нейтрино через 295 километров земной поверхности.


Один из датчиков нейтрино в проекте NOνA: 14,3 м длина, 4,2 м высота, 2,9 метра ширина. А самый большой весит 14 тысяч тонн: его длина 78 м, высота 15,6 м, ширина 15,6 м — это самое большое сооружение из пластика на Земле.

Однако NOνA — это еще не предел. Сейчас готовится эксперимент DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) на базе ускорительного комплекса Фермилаб (Национальной лаборатории имени Ферми, здесь же проходит NOνA) и уже существующего нейтринного детектора LBNE (Long-Baseline Neutrino Facility). Планируется, что генератор частиц NuMI и новый датчик, вмещающий в себя 40 000 литров жидкого аргона, будут расположены на расстоянии 1300 км друг от друга.

Эти исследования помогут проверить гипотезу о том, что материи во Вселенной больше, чем антиматерии. Помимо изучения нейтрино эксперимент ставит перед собой задачу поиска распада протона в нескольких важных режимах распада. Даже если данные исследований не совпадут с ожиданиями ученых, они принесут пользу, так как позволят исключить множество предлагаемых сейчас гипотез.

Daya Bay


Daya Bay — это эксперимент по изучению осцилляций нейтрино (эффекта, обусловленного изменением типа (или флейвора) нейтрино по мере их движения от источника до детектора), проводящийся в Китае. Установка, расположенная в трех подземных залах, состоит из восьми антинейтринных жидкосцинтилляционных детекторов, каждый из которых содержит 20 тонн жидкого сцинтиллятора. Источником антинейтрино являются шесть атомных реакторов (тепловая мощность каждого около 3 ГВт), располагающихся на расстояниях от ~500 до ~1800 метров от детекторов. Ученые из Daya Bay пытаются выяснить два ключевых параметра нейтринной физики — «угол смешивания нейтрино» и «разность квадратов нейтринных масс».

Обнаружение темной материи


Что такое темная материя? Никто пока не знает. Во Вселенной много темной материи — вещества, которое мы не регистрируем напрямую ни в каком диапазоне электромагнитного спектра, но которое «собирается» в галактиках и их скоплениях. Эта материя должна состоять из частиц нового сорта, которым нет места в Стандартной модели.

Есть много экспериментов, в которых ищут прямые доказательства существования темной материи. Трудность состоит в том, что все они указывают на разные вещи.


Детектор LUX.

Очень чувствительный детектор, названный LUX (Large Underground Xenon), должен был помочь устранить путаницу, но в результате добавил еще больше тайн. LUX расположен в заброшенной золоторудной шахте в штате Южная Дакота. Установка была запущена в середине 2013 года, и с тех пор не обнаружила частиц темной материи.

На смену LUX уже готовится следующий сверхчувствительный детектор LZ. Одновременно коллаборация DARWIN готовит 25-тонный ксеноновый детектор — для сравнения, в LUX всего 370 кг ксенона.

Проблема в том, что у ученых нет консенсуса в отношении того, как искать темную материю. Есть разные проекты, и никто не может предсказать, какой из них даст положительный эффект. А ведь каждый проект съедает огромное количество ресурсов научного сообщества.

Наблюдение за темной энергией


Согласно данным наблюдений космической обсерватории «Планк», общая масса-энергия наблюдаемой Вселенной состоит на 68,3% из темной энергии (26,8% занимает темная материя, а всё остальное — что-то еще). При этом физики до сих пор не знают, что такое темная энергия, как она вызывает расширение Вселенной (и вызывает ли). Темная энергия — это просто условный термин для того, что кажется очень большой космической загадкой. Но ученые не оставляют попыток «пролить свет» на эту тайну.

Проект Dark Energy Survey (DES) до 2019 года будет изучать ночное небо. Главный инструмент DES — 570-мегапиксельная камера (одна из самых мощных в мире), интегрированная в корпус четырехметрового телескопа Victor M. Blanco, расположенного в чилийских Андах. Оптическая система камеры состоит из пяти линз строго определенной формы. Диаметр самой крупной из них составляет 90 сантиметров.

DES способна запечатлеть свет, исходящий от сотен тысяч звезд, удалённых на 8 миллиардов световых лет от Земли. Саму энергию увидеть нельзя, однако, если составить полную карту распределения темной материи, ученые смогут измерить, с какой скоростью происходит относительное смещение этих масс темной материи. Эти данные помогут лучше понять энергию, ответственную за расширение Вселенной.

Конечно, сама темная материя тоже невидима, но ее присутствие можно обнаружить по гравитационным искажениям света дальних астрономических объектов. Астрофизики ищут на получаемых с DES цифровых изображениях вполне определенный тип искажений — так называемые гравитационные линзы.

Сравнивая степень сближения известных нам масс темной материи в различные этапы развития Вселенной на основе анализа изображений астрономических объектов, удаленных от нас на различные расстояния, космологи смогут оценить скорость и динамику расширения. А это, в свою очередь, может дать ответ о природе темной энергии, либо докажет полную несостоятельность теории.

Обсерватория NEPTUNE


Этот эксперимент касается другого космоса, который находится у наших ног. Океаны покрывают почти три четверти поверхности Земли и содержат 90% всей жизни, но они слабо изучены. Океаническая обсерватория NEPTUNE (the North-East Pacific Time-Series Underwater Networked Experiment — Северо-восточная тихоокеанская подводная экспериментальная сеть без временных перебоев) состоит из сотен километров кабелей и 130 приборов с 400 датчиками, и осуществляет первый крупномасштабный круглосуточный мониторинг океанской системы.

Датчики «Нептуна» собирают химические и физические анализы, чтобы определить, как океанографические данные изменяются с течением времени. Гидрофоны, расположенные на морском дне, записывают дельфинов и китов для отслеживания их численности и маршрутов миграции. Есть системы, распознающие цунами для сейсмических исследований, и датчики, измеряющие количества парниковых газов в экосистеме океана. Дистанционно управляемый робот ездит по морскому дну, чтобы контролировать подводные отложения метана.

NIF и ITER


National Ignition Facility (NIF, Национальный комплекс лазерных термоядерных реакций) — научный комплекс для осуществления инерциального термоядерного синтеза (ICF) с помощью лазеров. На возведение ушло 12 лет и примерно 4 млрд долларов. Комплекс состоит из 192 мощных лазеров, импульсы от которых, после многокаскадного усиления, одновременно направляются на миллиметровую мишень с термоядерным топливом. Мощность лазерной установки — 500 ТВт. Температура мишени будет достигать десятков миллионов градусов, при этом она сожмется в 1000 раз — в результате давление внутри будет как в ядре газового гиганта.

Когда 192 отдельных луча сходятся на мишени, содержащей атомы дейтерия (водород с одним нейтроном) и тритием (водород с двумя нейтронами), ядра атомов сливаются и создают всплеск энергии. В 2013 году на установке была зажжена термоядерная реакция, в ходе которой впервые в мире энергия, выделенная в ходе реакции, превысила энергию, поглощенную мишенью.


Гигантская строительная площадка комплекса ITER площадью в 180 га.

Проект, который затмит NIF — это ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), крупнейший в мире термоядерный реактор массой 23 000 тонн, который должен доказать коммерческую выгоду использования термоядерной энергии. Фактически ITER строят уже десять лет, а концептуальная проработка термоядерного реактора была завершена еще в 1989 году.
Работают над реактором всем миром — Россия, Индия, Япония, Китай, Южная Корея и США, а также весь Евросоюз. Что не удивительно с учетом бюджета — 19 миллиардов евро. Это один из самых дорогостоящих экспериментов в истории человечества (для сравнения, БАК стоил «всего» 4,4 млрд долларов).

Проект, в котором дейтерий-тритиевая смесь должна быть нагрета до температуры более ста миллионов градусов Цельсия, будет запущен не раньше 2025 года. Если все пройдет успешно, человечество получит самую перспективную альтернативу нефти и газу.

Приборы и методы экспериментальной физики (Современные детекторы космических излучений)

Цель программы: подготовка высококвалифицированных специалистов, знающих современную экспериментальную ядерную физику, владеющих методикой и экспериментальными навыками работы с современной научной аппаратурой и способных самостоятельно вести научно-исследовательскую работу в наземных космических экспериментах, в том числе – имитаторах космического излучения (коллайдерах, ускорителях и т.п.), включая подготовку эксперимента под определенную научную задачу и его проведение, интерпретацию полученных результатов (анализ данных), а также обладающих универсальными и предметно-специализированными компетенциями, способствующими его социальной мобильности и устойчивости на рынке труда.

Научно-исследовательская работа может включать:

  • создание и совершенствование методики и техники физического эксперимента в области физики средних и высоких энергий
  • подготовку и проведение экспериментов в данной области, интерпретацию их результатов;
  • решение фундаментальных проблем космофизики и физики частиц, связанных со физикой космоса, скрытой массой и «темной энергией» и др.

Подразделения НИЯУ МИФИ, ведущие подготовку: кафедра экспериментальной ядерной физики и космофизики (№7), кафедра экспериментальных методов ядерной физики (№11), кафедра физики элементарных частиц (№40), НОЦ НЕВОД (№607).

Область профессиональной деятельности: подготовка аспирантов ориентирована на их научно-исследовательскую работу в области физики ядра и частиц, астрофизики и смежных прикладных областей науки и производства. Выпускники могут участвовать в подготовке и проведении различных экспериментов по физике ядра и частиц, включая космические лучи, проводить предварительную обработку и физический анализ данных, могут делать теоретические оценки эффективности регистрации ядерных процессов на ускорителе или других источниках излучений.

Объекты профессиональной деятельности: экспериментальная физика ядра и элементарных частиц, космофизика, с ориентацией как на космофизические, так и на эксперименты на ускорителях ядер и элементарных частиц, например, Большой Адронный Коллайдер (Женева, Швейцария), новый российский коллайдер NICA (Дубна, ОИЯИ), Т2К (Япония) и другие, а также на создание приборов и методов для соответствующих исследовательских целей.

Особенности учебного плана: учебный план, помимо обязательных гуманитарных дисциплин, содержит специальные курсы «Постановка и проведение экспериментов на ускорителях и коллайдерах» (знакомит с современными методами и инструментами экспериментальных исследований в области физики высоких энергий на ускорителях, с крупнейшими текущими и прошедшими экспериментами), «Специальные методы обработки экспериментальных данных» (знакомит с углубленным изложением, как базовых статистических подходов, так и специальных алгоритмов обработки экспериментальных данных), а также базовый курс «Современные детекторы элементарных частиц» (углубленное изучение принципов работы и применения современных газовых, сцинтилляционных, полупроводниковых, черенковских детекторов излучения в экспериментальной ядерной физике, физике элементарных частиц и физике высоких энергий). Аспиранты имеют возможность выбрать специализацию подготовки, ориентированное на разработку методов и аппаратуры для исследований или разработку методов обработки экспериментальных данных.

Перечень предприятий для прохождения практики и трудоустройства выпускников:  МИФИ, международный центр по физике частиц ЦЕРН (Швейцария), ИЯИ РАН, НИЦ «Курчатовский институт», BNL (США), ОИЯИ (Дубна), НИЦ КИ ИФВЭ (Протвино) и ИТЭФ, ФИАН, ИКИ, DESY (Германия) и др. 

Современные проблемы физики и технологий

Современные проблемы физики и технологий

Студенты, аспиранты и молодые ученые смогут поучаствовать в VIII Международной молодежной научной школе-конференции «Современные проблемы физики и технологий». Она состоится с 15 по 20 апреля 2019 года в Национальном исследовательском ядерном университете МИФИ в Москве.


Цель научной школы-конференции — повысить квалификацию будущих исследователей, закрепить молодые кадры в науке и образовании, стимулировать их к научно-технической творческой деятельности. На школе-конференции обсудят актуальные научные проблемы современной фундаментальной и прикладной физики, ядерных, лазерных, биомедицинских и прорывных технологий в IT, ядерного и электрофизического приборостроения.

Программа школы предусматривает лекции ведущих зарубежных и российских ученых по современным научным направлениям исследований; выступление молодых ученых с устными и стендовыми докладами; конкурсы школьных проектов, научных молодежных и бакалаврских работ; посещение лабораторий научно-образовательных учреждений так далее. Рабочие языки конференции — русский и английский.

По итогам школы-конференции будут изданы сборник тезисов и сборник трудов. Все участники школы-конференции получат «Сертификат участника». Победители и призеры конкурса бакалаврских работ и молодежного конкурса награждаются дипломами и сертификатом на право опубликования научной статьи по представленному научному докладу.

Электронная регистрация на школу-конференцию для всех желающих открыта до 1 марта 2019 года.

Подробности о VIII Международной молодежной научной школе-конференции «Современные проблемы физики и технологий» можно узнать на сайте http://magistr.mephi.ru/school/

Лорена Целинская, медиацентр Verbum

Фото из открытых источников

О прошедшем совещании «Современные проблемы ядерной физики и физики элементарных частиц»

11-е Совещание «Современные проблемы ядерной физики и физики элементарных частиц» было организовано совместно Лабораторией теоретической физики им. Н.Н.Боголюбова ОИЯИ, Азиатско-тихоокеанским центром теоретической физики, Петербургским институтом ядерной физики имени Б.П.Константинова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (ПИЯФ НИЦ КИ) и Санкт-Петербургским государственным университетом (СПбГУ). Спонсорами мероприятия выступили Объединенный институт ядерных исследований, Российский фонд фундаментальных исследований, ПИЯФ НИЦ КИ, партнером — Центр межрегионального инновационного развития “ИННО-МИР”. Совещание проводилось с 24 по 29 июля 2017 г. в Петергофе.

В работе совещания приняло участие 60 ученых из ОИЯИ, России (ПИЯФ НИЦ КИ, СПбГУ, Санкт-Петербургского политехнического университета им. Петра Великого, НИЯУ МИФИ, Государственного университета «Дубна», Новосибирского государственного университета), Республики Корея, Китая, Японии, Испании, Казахстана, Словакии. Было представлено около 50 докладов по различным тематикам ядерной физики (ядерная физика при высоких и низких энергиях; механизмы ядерных реакций и структура ядер; тяжелые и сверхтяжелые элементы; ядерная физика с радиоактивными ионами; ядерная астрофизика; изучение радиоактивных материалов и физика твердого тела) и физики элементарных частиц (эффективные квантовополевые теории и спектроскопия адронов; адронная физика; горячая и плотная ядерная материя; космические лучи и нейтринная физика; прецизионные тесты Стандартной модели; темная энергия и темная материя).

Открыл Совещание директор ЛТФ ОИЯИ проф. В.В.Воронов. От имени локального Организационного Комитета с приветственным словом выступил проф. А.А.Андрианов из Санкт-Петербурского государственного университета. Несмотря на то, что доминировали доклады по теории различных процессов, были и приглашенные обзорные доклады по текущим и планируемым экспериментам. Так проф. Е.А.Строковский из ЛФВЭ ОИЯИ рассказал о недавнем прогрессе в экспериментах с релятивистскими ионами на Нуклотроне, проф. К.Хан из Республики Корея сделал обзор о будущих экспериментах на новом корейском ускорителе радиоактивных ионов RAON, а проф. А.Е.Барзах (ПИЯФ НИЦ КИ) представил исследования по редким изотопам на установках ИРИС (ПИЯФ НИЦ КИ) и ISOLDE (ЦЕРН), а также планируемые эксперименты на установке ИРИНА для вводимого в строй высокопоточного реактора ПИК (ПИЯФ НИЦ КИ). Следует подчеркнуть, что по сравнению с предыдущими совещаниями из этой серии, в нынешнем совещании участвовала большая делегация из Китая, что говорит о значительном интересе азиатских стран к поискам путей совместной научной деятельности. Кроме того, в совещании активное участие приняли и молодые ученые из разных стран, что вселяет надежду на хорошее будущее данной серии совещаний.

Очередное 12-е Совещание планируется провести с 20 по 24 августа 2018 года в г.Пусан, Республика Корея.

Конференция «Современные проблемы физики конденсированного состояния»

Добавить «Золотую ленточку»

12 апреля 2016 г. — 14 апреля 2016 г., срок заявок: 15 марта 2016 г.

Узбекистан, Бухара (издание включено в: РИНЦ)

Форма участия: очно-заочная

Конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИКИ КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ – ‘СПФКС-2016’».

В конференции будут представлены следующие секции:
1. Критические и нелинейные явления в конденсированных средах (КНЯ).
2. Магнитооптические эффекты в наноструктурных системах (МОЭ).
3. Молекулярная спектроскопия конденсированных сред (МС).
4. Проблемы современной физики твёрдого тела (ФТТ).
5. Актуальные вопросы квантовой релятивистской статистической физики (КРСФ).

Рабочие языки конференции: узбекский, русский и английский.

При обращении к организаторам мероприятия обязательно ссылайтесь на сайт «Конференции.ru» как на источник информации.

Последний день подачи заявки: 15 марта 2016 г. (приём заявок закончен)

Организаторы: Бухарский инженерно-технологический институт

Контактная информация: 200100. Узбекистан, Бухара ул. К. Муртазаева 15. Бухарский инженерно-технологический институт

Эл. почта: m. [email protected]

Приложения: Информационное сообщение(.pdf, 196.104 КБ)

Поделитесь информацией о мероприятии со знакомыми:

 

 

Нашли ошибку? Выделите ее, нажмите Ctrl и Enter одновременно.

Почему физики (вероятно, зря) верят в красоту? Отрывок из книги “Уродливая Вселенная”

XX век иногда называют веком физики. Специальная и общая теории относительности, квантовая теория поля — все это разработали тогда. Но XX век закончился. В последние годы ученые “поймали” бозон Хиггса, зарегистрировали гравитационные волны, “сфотографировали” черную дыру. Это большие достижения, но не прорывы, которые так нужны.

Успешные эксперименты на громадных установках вроде обсерватории LIGO подтверждают теории XX века, но не позволили выйти за их пределы. В своей исповедальной и где-то еретической книге “Уродливая Вселенная” специалист по элементарным частицам Сабина Хоссенфельдер пишет, что ее коллеги, да и она сама, зря поверили, будто в основе мироздания — прекрасная простота.

В приведенном отрывке Хоссенфельдер объясняет, что когда-то эта идея помогала ученым. Но теперь эстетический идеал заводит физиков в дебри мультивселенной и теории струн, которые, по мнению автора, даже нельзя считать наукой в строгом смысле.

© Издательство “Бомбора”

В мою бытность подростком, в 1980-е годы, не много было научно-популярных книг о современной теоретической физике или, не дай бог, математике. Биографии умерших людей — вот где приходилось искать. Просматривая книги в библиотеке, я воображала себя физиком-теоретиком, который пыхтит трубкой и думает великие думы, устроившись в кожаном кресле и рассеянно поглаживая бороду. Что-то в этой картинке казалось мне неправильным. Но идея, что математика плюс мышление способны раскрыть тайны природы, произвела на меня неизгладимое впечатление. Если это навык, которому можно выучиться, я хотела этому выучиться.

Одной из немногих научно-популярных книг, освещавших современную физику, в 1980-х годах была “Пугающая симметрия” Энтони Зи. Тогда и до сих пор профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, он писал: “Мои коллеги и я, мы интеллектуальные преемники Альберта Эйнштейна, нам приятно думать, что мы тоже ищем красоту”. И Зи изложил программу: “В этом веке физики стали крайне дерзки. <…> Им уже мало просто объяснить то или другое явление, они преисполнились веры, что Природе внутренне присуща прекрасная простота”.

Они не только “преисполнились веры” в красоту, но и изыскали способ выразить свою веру в математической форме. Как писал Зи, “физики выработали понятие симметрии как объективного критерия для оценки устройства Природы. Когда есть две теории, физики чувствуют, что более симметричная, как правило, является и более красивой. В глазах физика красота подразумевает симметрию”.

На эту тему

Для физика симметрия — это организующий принцип, избавляющий от ненужного повторения. Любой тип регулярности, схожести или порядка может быть математически запечатлен как выражение симметрии. Наличие симметрии всегда изобличает избыточность и допускает упрощение. Следовательно, симметрии объясняют больше с меньшими затратами.

Например, вместо того чтобы объяснять вам, что небо чистое на западе, на востоке, на севере, на юге, на юго-западе и так далее, я просто могу сказать, что оно чистое в любом направлении. Эта независимость от направления есть вращательная симметрия, благодаря которой достаточно описать, как система выглядит в одном направлении, после чего добавить, что она такая же и во всех других. Выгода — меньшее количество слов или, как в наших теориях, меньшее число уравнений.

Симметрии, с которыми имеют дело физики, представляют собой более абстрактные версии этого простого примера — вроде вращений относительно нескольких осей во внутренних математических пространствах. Но все они работают одинаково: найдите преобразование, относительно которого законы природы остаются инвариантными, — и вы нашли симметрию. Подобным преобразованием симметрии может быть что угодно, для чего вы можете записать четкую процедуру, — сдвиг, отражение, поворот или любая другая операция, какую вы только можете придумать. Если эта операция не меняет законов природы — вы нашли симметрию. С ней вы экономите усилия, которые необходимо было бы затратить, чтобы объяснить, к каким изменениям ведет эта операция: вместо этого вы просто констатируете, что изменений нет. Это и есть “экономия мышления” Маха.

В физике мы используем много разных типов симметрии, но у них у всех есть одна общая черта: симметрия — очень сильный объединяющий принцип, поскольку объясняет, как вещи, некогда казавшиеся очень разными, на самом деле, связанные преобразованием симметрии, составляют одно целое. Часто, однако, непросто найти правильную симметрию, чтобы упростить большие объемы данных.

Самым ошеломительным успехом принципов симметрии было, вероятно, создание кварковой модели. С момента появления ускорителей в 1930-х годах физики соударяли частицы друг с другом со все возрастающей энергией. К середине 1940-х они достигли энергий, позволяющих прощупать структуру атомного ядра, — и количество частиц стало расти. Сначала были заряженные пионы и каоны. Затем нейтральный пион и нейтральный каон, первые дельта-резонансы, частица, прозванная “лямбда”, заряженные сигма-частицы, ро-частицы, омега-мезон, эта-, К*- и фи-мезон — и это было только начало. Когда Леон Ледерман спросил Энрико Ферми, что тот думает о недавнем открытии частицы, названной К20, Ферми ответил: “Молодой человек, если бы я мог упомнить названия этих частиц, я стал бы ботаником”.

На эту тему

Всего физики детектировали сотни частиц, каждая из которых была нестабильной и быстро распадалась. Казалось, эти частицы никак друг с другом не связаны, и это шло вразрез с надеждой физиков на то, что законы природы будут упрощаться для более фундаментальных составляющих материи. К 1960-м годам главной исследовательской задачей стало вместить этот “зоопарк частиц” в целостную теорию.

Одним из наиболее популярных подходов в то время был следующий: попросту отказаться от желания получить объяснение и записывать свойства частиц в большую таблицу — матрицу рассеяния, или S-матрицу, — которая была самой противоположностью красоты и экономии. А затем пришел Марри Гелл-Манн. Он определил подходящие свойства частиц — названные гиперзарядом и изоспином, — и оказалось, что все частицы разделяются на симметричные группы, так называемые мультиплеты.

Позднее стало понятно: закономерности мультиплетов означают, что наблюдаемые частицы состоят из более мелких объектов, которые — по тогда еще не вполне понятным причинам — никогда не детектировались сами по себе, по отдельности. Гелл-Манн назвал эти более мелкие составляющие “кварками” (кварковая модель была независимо предложена примерно в то же время Джорджем Цвейгом). Более легкие объединения — мезоны — состоят из двух кварков, а более тяжелые — барионы — из трех. (Все мезоны нестабильны. К барионам относятся нейтроны и протоны, образующие атомное ядро.)

Симметрия получающихся систем, будучи однажды раскрытой, бросается в глаза. Примечательно, что, когда Гелл-Манн предложил эту идею, некоторые мультиплеты все еще были неполны. И поэтому требования симметрии побудили его предсказать существование частиц, необходимых для “дозаполнения наборов”, в частности существование бариона омега-минус. Позднее тот был найден со свойствами, вычисленными Гелл-Манном, и ученый в 1969 году был награжден Нобелевской премией. Красота одержала победу над неприглядностью, постмодернистским S-матричным подходом.

Этот случай был только началом череды успехов на счету симметрий. Принципы симметрии также управляли работой — увенчавшейся опять-таки успехом — над объединением электромагнитного взаимодействия со слабым в электрослабое взаимодействие. Аналогично сильное взаимодействие было объяснено симметрией между элементарными частицами. Теперь и теории относительности Эйнштейна — специальная и общая — могли восприниматься как выражение требований симметрии.

Таким образом, современная вера в красоту как ориентир основывается на применении этого критерия в развитии Стандартной модели и общей теории относительности. Его часто оправдывают экспериментальной полезностью: замечено, что он работает, и кажется крайне целесообразным продолжать его использовать. Гелл-Манн сам сказал, что “в фундаментальной физике красивая или элегантная теория с большей вероятностью оказывается верна, чем неэлегантная теория”. Ледерман, молодой человек, спрашивавший Ферми о частице к20, также впоследствии получил Нобелевскую премию и тоже обратился в веру поборников красоты: “Мы верим, что природа лучше всего описывается уравнениями как можно более простыми, красивыми, компактными и универсальными”.

‘ Лекция Марри Гелл-Манна, где он рассуждает о красоте теорий (с русскими субтитрами)’

Стивен Вайнберг, также удостоенный Нобелевской премии — за объединение электромагнитного и слабого взаимодействий, — любит проводить аналогию с коневодством: “[Коневод] смотрит на лошадь и говорит: “Прекрасная лошадь”. Хотя он или она может выражать чисто эстетическое чувство, я думаю, за этим стоит нечто большее. Коневод перевидал множество лошадей и по своему опыту работы с ними знает, что вот та лошадь, которая побеждает на скачках”.

Однако как опыт работы с лошадьми не помогает при конструировании гоночных машин, так и опыт теорий прошедшего столетия, вероятно, несильно поможет при создании теорий лучше прежних. Да и без оправдательных отсылок к опыту красота остается такой же субъективной, какой была всегда. Современные физики осознают это очевидное противоречие научному методу, однако же применение эстетических критериев стало широко распространенным. И чем дальше область исследований от экспериментальной проверки, тем больше учитывается эстетическая привлекательность соответствующих теорий.

В фундаментальной физике, которая настолько далека от экспериментальных испытаний, насколько только наука может быть, все еще оставаясь наукой, оценивание красоты особенно ярко выражено. Многие из моих коллег даже не пытаются отрицать, что уделяют больше внимания теориям, которые считают привлекательными. Их типичное предостережение против субъективных оценок неизменно сопровождается последующим “но” и отсылкой к распространенной практике.

Так, Фрэнк Вильчек, получивший в 2004 году вместе с Дэвидом Гроссом и Хью Дэвидом Политцером Нобелевскую премию за исследования сильного взаимодействия, пишет в своей книге “Красота физики”, что “наше чувство прекрасного никак напрямую не приспособлено к фундаментальным работам Природы”. Но: “Попробовав вкус красоты в сердце мира, мы жаждем большего. В этих поисках, я думаю, нет более многообещающего проводника, чем сама красота”.

На эту тему

Герард Хоофт, первым сформулировавший математический критерий естественности, который теперь направляет значительную часть исследований в теоретической физике элементарных частиц (и тоже удостоенный Нобелевской премии), предостерегает: “Красота — опасное понятие, поскольку она всегда может вводить людей в заблуждение. Если у вас есть теория, оказавшаяся красивее, чем вы исходно ожидали, это служит намеком на то, что все верно, что вы правы. Но никаких гарантий и в помине нет. На ваш взгляд, теория, положим, и красива, но она может быть просто ошибочной. И с этим ничего не поделаешь”. Но: “Разумеется, когда мы читаем о новых теориях и видим, как они красивы и просты, у них есть немалое преимущество. Мы верим, что такие теории имеют гораздо больше шансов оказаться успешными”.

В своей книге-бестселлере “Элегантная Вселенная” специалист по теории струн Брайан Грин (не получивший Нобелевской премии) уверяет читателя: “. ..Эстетические аргументы не решают научных споров”. Затем он продолжает: “Однако, несомненно, бывают случаи, когда решения, принимаемые физиками-теоретиками, основываются на эстетических соображениях, на ощущении того, что красота и элегантность той или иной теории соответствуют красоте и элегантности окружающего нас мира. <…> До настоящего времени такой подход не раз демонстрировал свою мощь и предсказательную силу”.

Абстрактная математика трудно выразима, и этот человеческий поиск красоты может быть назван средством маркетинга научно-популярных книг. Но научно-популярные книги не просто доступно излагают трудные вопросы, а делают нечто большее — показывают, как физики-теоретики мыслят и работают.

эталонных кадров

главная следующая

Майкл Фаулер, Университет Вирджинии

Инерциальные рамы

Краеугольным камнем специальной теории относительности является Принцип Относительность :

Законы Физика одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Мы увидим, что из этого безобидного глядя заявление.

Давайте сначала, однако, кратко рассмотрим ньютоновское механика с точки зрения системы отсчета.

«Система отсчета» — это просто набор координат: то, что вы используете для измерения вещей, которые материи в ньютоновских задачах, то есть положениях и скоростях, поэтому мы тоже нужны часы.

Точка в пространстве определяется тремя ее координатами (x, y, z) и «событием», например, небольшим взрывом, по месту и времени: (x,y,z,t).

Инерциальная система определяется как система, в которой выполняется закон инерции Ньютона , т. е. любое тело, на которое не действует внешняя сила, остается в покое, если оно изначально в покое, или продолжает двигаться с постоянной скоростью, если это то, что это делалось с самого начала.Пример не -инерциальная система отсчета представляет собой вращающуюся систему, такую ​​как карусель.

«Законы физики», которые мы рассмотрим в первую очередь, — это законы ньютоновской механики, как это выражено законами движения Ньютона, с гравитационными силами, а также контактные силы от предметов, сталкивающихся друг с другом. Например, зная универсальное гравитационная постоянная из эксперимента (и вовлеченных масс), это можно из Ньютона Второй закон,

сила = масса × ускорение ,

для предсказания будущих движений планет с большой точностью.

Предположим, мы знаем из опыта, что эти законы механики верны в одном точка зрения. Как они выглядят в другой кадр, движущийся относительно первого кадра? Чтобы это выяснить, нам нужно выяснить, как получить от положения, скорости и ускорения в одном кадре до соответствующих величины во втором кадре.

Очевидно, что две системы отсчета должны иметь постоянную относительную скорость, иначе закон инерции не будет выполняться в них обоих. Выберем координаты так, чтобы эта скорость была вдоль оси x обоих из них.

Обратите внимание, что мы также добавляем часы с каждым кадром.

Предположим, что S′  выполняется относительно S со скоростью v по оси x. Для удобства обозначим момент, когда O′ проходит O , как нулевую точку хронометраж.

Преобразования Галилея

Если событие происходит в точке (x,y,z,t), измеряемой в S, , каковы его координаты (x′,y′,z′,t′) в S′ ? Легко видеть, что t′=t – мы синхронизировал часы, когда O′ прошло O .Также очевидно, что y′=y и z′=z, из рисунка. Мы также можем видеть, что x=x′+vt. Таким образом, (x,y,z,t) в S соответствует (x′,y′,z’,t′) в S’ , где

х’=х-vt,y’=y,z’=z,t’=t.

Вот как трансформируется позиций ; они известны как Galilean . преобразования.

А как насчет скоростей ? То скорость в S′ в направлении x’

u′x=dx′dt′=dx′dt=ddt(x−vt)=dxdt−v=ux−v.

Это и так очевидно: это просто сложение формул скоростей

ux=u’x+v.

Как ускорение трансформируется?

du′xdt′=du′xdt=ddt(ux−v)=duxdt

, так как v постоянно.

То есть

ах=ах,

ускорение одинаковое в обоих кадрах. Это опять-таки очевидно — ускорение есть скорость изменения скорости, а скорости одних и тех же частица, измеренная в двух кадрах, отличается в раз постоянным -кратным относительная скорость двух кадров.

мы получаем тот же закон при переходе к другой инерциальной системе отсчета, потому что каждый член в приведенном выше уравнении остается тем же .

Обратите внимание, что ma→ – это скорость изменения импульса, т.е. одинаково на обоих кадрах. Итак, в столкновение, скажем, если полный импульс сохраняется в одном кадре (сумма индивидуальные скорости изменения импульса равны нулю) то же самое верно для всех инерционные рамки.

главная следующая

Излучение черного тела

предыдущая домашняя следующая

Майкл Фаулер, Университет Вирджинии.

Запрос 8: Не все исправлено Тела, нагретые выше определенного градуса, излучают Свет и сияют; и не это излучение, производимое вибрационным движением его частей?   

Исаак Ньютон , Opticks , опубликовано 1704.

Нагретые тела излучают

Теперь мы обратимся к другой загадке. противостояние физиков на рубеже веков (1900 г.): как именно нагретые тела излучать? Было общее понимание задействованного механизма – тепло было Известно, что молекулы и атомы твердого тела колеблются, а молекулы а сами атомы представляли собой сложные узоры электрических зарядов.(Как обычно, Ньютон был на правильном пути.) Из экспериментов Герца и других следует, Предсказания Максвелла о том, что колеблющиеся заряды излучают электромагнитные волны излучение было подтверждено, по крайней мере, для простых антенн. Из уравнений Максвелла было известно, что это излучение путешествовало со скоростью света и из этого было реализовано что сам свет и тесно связанное с ним инфракрасное тепловое излучение были собственно электромагнитные волны. То картина, таким образом, заключалась в том, что когда тело нагревается, последующие вибрации на молекулярные и атомные масштабы неизбежно вызывали осцилляции заряда. Если предположить, что теория Максвелла электромагнитное излучение, которое так хорошо работало в макроскопическом мире, было также действительны на молекулярном уровне, эти колеблющиеся заряды будут излучать, предположительно испуская наблюдаемое тепло и свет.

Как поглощается радиация?

Что означает фраза «черный излучение тела? Дело в том, что излучение от нагретого тела зависит до некоторой степени от нагреваемого тела. Чтобы увидеть это проще всего, давайте создадим резервную копию На мгновение рассмотрим, как различные материалы поглощают излучение.Некоторые, например стекло, почти не поглощают свет. вообще – свет проходит напролом. Для блестящего металлика поверхности свет тоже не поглощается, а отражается. Для черного материала, как сажа, свет и тепло почти полностью впитываются, и материал нагревается. Как понять эти разные поведение с точки зрения света как электромагнитной волны, взаимодействующей с зарядами в материале, заставляя эти заряды колебаться и поглощать энергию от радиация? В случае стекла, очевидно, этого не происходит, по крайней мере, не так много. Почему бы нет? Полное понимание того, зачем нужна квантовая механика, но общее идея такова: в стекле есть заряды — электроны которые способны колебаться в ответ на приложенное внешнее колебательное электрическое поле, , но эти заряды тесно связаны с атомами и могут колебаться только на определенных частотах. (Для квантовых экспертов эти заряды колебания происходят при переходе электрона с одной орбиты на другую. Конечно, это не было понято в 1890-е годы, время первых прецизионных работ по излучению черного тела.) Бывает, что для обычного стекла ни одна из этих частот не соответствует видимый свет , поэтому нет резонанс со световой волной и, следовательно, мало энергии поглощается. Вот почему стекло идеально подходит для окон! Дух. Но стекло непрозрачно на некоторых частотах вне видимого диапазона (в общем, как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом). Это частоты, на которых распределения электрического заряда в атомах или связях могут естественным образом колебаться.

Как мы можем понять отражение света металлической поверхностью? В куске металла электроны могут свободно двигаться через все твердое тело. Это что делает металл металлом: он легко проводит и электричество, и тепло, и то, и другое фактически переносится токами этих свободно движущихся электронов. (Ну, немного тепла переносится вибрации.) Но металлы узнаваемы потому что они блестящие – почему это? Опять же, это свободные электроны: они приводится в большие (относительно атомов) колебания электрическим полем входящей световой волны, и этот индуцированный колебательный ток излучает электромагнитно, точно так же, как ток в передающей антенне.Это излучение является отраженным светом. Для блестящей металлической поверхности поглощается лишь небольшая часть падающей лучистой энергии. тепло, оно просто переизлучается, то есть отражается.

Теперь давайте рассмотрим вещество, которое поглощает света: без пропускания и без отражение. Мы подошли очень близко к идеальному поглощению с сажей. Подобно металлу, он будет проводить электрический ток, но далеко не так эффективно. Есть неприсоединенных электронов, которые могут двигаться через все тело, но они постоянно натыкаются на вещи – у них есть короткий средний свободный пробег.Когда они натыкаются, они вызывают вибрацию, как мячи ударяются о бампер в автомате для игры в пинбол, поэтому они отдать кинетическую энергию в тепло. Хотя электроны в саже имеют короткую средний свободный пробег по сравнению с таковыми в хорошем металле, они двигаются очень свободно по сравнению с электронами, связанными с атомами (как в стекле), поэтому они могут ускорять и забрать энергию из электрического поля в световой волне. Поэтому они очень эффективны посредники в передаче энергии световой волны в тепловую.

Связь поглощения и излучения

Увидев, как копоть может впитывать излучение и перевод энергии в тепло, а как насчет обратного? Почему он излучает при нагревании? Аналогия с автоматом для игры в пинбол все еще хороша: представьте себе сейчас автомат для игры в пинбол, в котором барьеры и т. д. сильно вибрируют, потому что они питаются энергией. Шарики (электроны), отскакивающие от них, внезапно ускоряется при каждом столкновении, и эти ускоряющие заряды излучают электромагнитные волны.С другой стороны, электроны в металле имеют очень длинные длины свободного пробега, колебания решетки влияют на них гораздо меньше, поэтому они менее эффективны в сборе и излучении тепловой энергии. Из таких рассуждений видно что хорошие поглотители излучения также являются хорошими излучателями.

На самом деле, мы можем быть гораздо более точными: тело испускает излучение при заданной температуры и частоты точно так же, как он поглощает такое же излучение .Это было доказано Кирхгофом: существенное Дело в том, что если мы предположим, что конкретное тело может поглощать лучше, чем излучать, то в комнате, полной предметов одинаковой температуры, он будет поглощать излучение от других тел лучше, чем излучает энергию обратно к ним. Это значит, что станет жарче, а остальные помещения станет холоднее, что противоречит второму закону термодинамики. (Мы могли бы использовать такое тело для построения вытяжка двигателя работает, а в комнате становится все холоднее и холоднее!)

Но металл светится при нагревании достаточно: почему это? При повышении температуры решетка атомов вибрирует все больше и больше, эти вибрации рассеивают и ускоряют электроны.Даже стекло светится на высоте достаточно температуры, так как электроны ослаблены и вибрируют.

Спектр «черного тела»: дыра в духовке

Любое тело при любой температуре выше Абсолютный ноль будет излучать в некоторой степени, интенсивность и распределение частот излучения в зависимости от детальной структуры тела. Чтобы начать анализ теплового излучения, нам нужно конкретизируйте тело, излучающее: t he простейший возможный случай — это идеализированное тело, являющееся совершенным поглотителем, и поэтому также (из приведенного выше аргумента) идеальный излучатель.Для очевидного причинам это называется « черное тело » .

Но нам нужно проверить наши идеи экспериментально: так как же построить идеальный поглотитель? Хорошо, нет ничего идеального, но в 1859 году Кирхгоф пришла в голову хорошая идея: маленькое отверстие в боку большой коробки — отличный поглотитель, так как любое излучение, прошедшее через отверстие, отражается внутри, много поглощается при каждом отскоке и имеет мало шансов когда-либо получить снова. Итак, мы можем сделать это наоборот : иметь духовку с крошечным отверстие в боку, и, по-видимому, излучение, выходящее из отверстия, представление идеального излучателя, которое мы собираемся найти. Кирхгоф бросил вызов теоретикам и экспериментаторов, чтобы вычислить и измерить (соответственно) энергию/частоту кривая для этого «излучения полости», как он это назвал (по-немецки, конечно: hohlraumstrahlung, где hohlraum означает полую комнату или полость, strahlung излучение). На самом деле именно вызов Кирхгофа в 1859 г. привел непосредственно к квантовая теория сорок лет спустя!

Что было замечено: два закона

Первая количественная гипотеза на основе экспериментального наблюдения за дырочным излучением было:

Стефана Закон (1879 г.):

всего мощность, излучаемая с одного квадратного метра черного поверхность при температуре T идет как четвертая степень абсолютной температуры:

P=σT4, σ=5. 67×10−8 Вт/кв.м/К4.

Пять лет спустя, в 1884 г., Больцман вывел это поведение T4 из теории: он применил классический термодинамические рассуждения к ящику, наполненному электромагнитным излучением, используя Уравнения Максвелла для связи давления с плотностью энергии. (Небольшое количество энергии выход из отверстия, конечно, будет иметь ту же температурную зависимость, что и интенсивность излучения внутри.) См. сопровождающий примечания для деталей вывода.

Упражнение : температура поверхности Солнца 5700К. Какая мощность излучается одним квадратный метр поверхности Солнца? Дано что расстояние до земли около 200 радиусов солнца, какая максимальная мощность возможно ли с солнечной энергетической установки площадью один квадратный километр?

  Закон Вина о перемещении (1893 г.):

При изменении температуры духовки, поэтому частота, при которой излучаемое излучение является наиболее интенсивным.Фактически, эта частота прямо пропорциональна абсолютной температуре:

fмакс∝T.

(Вин сам вывел этот закон теоретически в 1893 году, следуя термодинамическим рассуждениям Больцмана. У него было ранее наблюдался, по крайней мере, полуколичественно, американцем астроном, Лэнгли.) Формула получена в сопроводительных примечаниях .

На самом деле, этот сдвиг вверх fmax с T знаком всем — когда железо нагревается в огне, первое видимое излучение (около 900К) глубокое красный, самая низкая частота видимого света. Дальнейшее увеличение Т вызывает изменение цвета на оранжевый, а затем желтый и, наконец, синий при очень высоких температурах (10 000 К и выше), для которых пик интенсивности излучения переместился за пределы видимого диапазона в ультрафиолетовый.

Это смещение частоты, при которой максимальная мощность излучения очень важна для использования солнечной энергии, например как в оранжерее. Стекло должно позволять солнечное излучение внутрь, но не выпускать тепловое излучение. Это возможно, потому что два излучения находятся в очень разных частотных диапазонах—5700К и, скажем, 300К — и вот материалы, прозрачные для света, но непрозрачные для инфракрасного излучения. Теплицы работают только потому, что fmax зависит от температуры.

Что наблюдалось: полная картина

К 1890-м гг., экспериментальный методы усовершенствовались настолько, что стало возможным делать довольно точные измерения распределения энергии в этом резонаторном излучении, или как мы назовем его излучением черного тела. В 1895 году в университете Берлина, Вены и Люммера проделал маленькое отверстие в боковой стенке полностью закрытой духовки и начали измерять выходящее излучение.

Луч, выходящий из отверстия, был проходили через дифракционную решетку, которая посылала разные длины волн/частоты в разных направлениях, все к экрану. Детектор перемещали вверх и вниз по экран, чтобы узнать, сколько лучистой энергии излучается на каждой частоте спектр. (Это теоретическая модель эксперимента — фактический экспериментальные установки были гораздо более изощренными. Например, сделать сложный инфракрасный измерения волны более высокой частоты были устранены многократными отражениями из кварца и других кристаллов. ) Они нашел близкую к этой кривую интенсивность/частота излучения (правильная):

Видимый спектр начинается с около 4,3×10 14 Гц, поэтому эта духовка светится темно-красным цветом.

Один второстепенная точка : этот график представляет собой плотность энергии внутри печи , которую мы обозначаем ρ(f,T), что означает что при температуре T энергия в Дж/м 3 в частотный интервал f,f+Δf равно ρ(f,T)Δf.

Чтобы найти мощность, выкачиваемую из отверстие, имейте в виду, что излучение внутри духовки имеет волны, одинаково идущие в обе стороны – только половина из них выйдет через отверстие. Кроме того, если отверстие имеет площадь A , волны, идущие изнутри под углом, увидят меньшую целевую область. Результатом этих двух эффектов является то, что

мощность излучения от площади отверстия A=14Acρ(f,T).  

(Подробное происхождение числа 14 содержится в примечаниях . )

Они также смогли подтвердить оба Стефана. Закон P=σT4 и закон смещения Вина путем измерения кривые черного тела при разных температурах, например:

Давайте посмотрим на эти кривые подробнее. деталь: для низких частот было обнаружено, что f,  ρ(f,T) пропорциональна f2, имеет параболическую форму, но при увеличении f она падает ниже параболы, достигая максимума при fmax, а затем довольно быстро падает к нулю, когда f превышает fmax .

Для тех низких частот, где ρ(f,T) носит параболический характер, удвоение температуры было удваивает интенсивность излучения.Но также и при 2T кривая следовала по удвоенной параболической траектории намного дальше, прежде чем отступить — фактически, в два раза дальше, и fmax(2T)=2fmax(T).

Кривая ρ(f,2T) затем достигает в восемь раз больше высоты р(f,Т). (См. график выше.) Он также распространяется в два раза степени, поэтому площадь под кривой, соответствующей полной энергии излучается, увеличивает в шестнадцать раз при удвоении температуры: Стефан Закон, P=σT4.

Понимание кривой черного тела

Эти прекрасно точные экспериментальные результаты были ключом к революции. Первый успешный теоретический анализ данные были получены Максом Планком в 1900 году. Он сосредоточены на моделировании колебательных зарядов, которые должны существовать в печи. стенки, излучающие тепло внутрь и — в термодинамическом равновесие – сами управляется радиационным полем.

Суть в том, что он нашел его может объяснить наблюдаемую кривую , если он требовал, чтобы эти осцилляторы не непрерывно излучают энергию, как того требовала бы классическая теория, но они могли терять или приобретать энергию только в куски , называемые квантами , размером hf для генератора частоты f.Константа h теперь называется постоянной Планка, h = 6,626 × 10−34 джоулей⋅сек.

При таком предположении Планк рассчитал следующую формулу для плотности энергии излучения внутри печь:

ρ(f,T)df=8πVf2dfc3hfehf/kT−1.

Совершенное согласие этого формулы с точными опытами и, как следствие, необходимость энергии квантование, было самым важным прогресс в физике в веке.

Но несколько раз никто не замечал годы! Кривая его черного тела была полностью принят как правильный: все более точные эксперименты подтверждали это снова и снова, но радикальный характер квантового предположения не угас. в.Планк не был слишком расстроен — он не поверьте, он видел в этом техническое решение, которое (как он надеялся) в конце концов оказаться ненужным.

Часть проблемы заключалась в том, что путь Планка к формуле был долго, трудно и неправдоподобно — он даже делал противоречивые предположения на разных этапах, как указывал Эйнштейн позже. Но результат был правильный так или иначе, и понять, почему мы пойдем по другому, более легкому маршруту, начатому (но успешно не завершен) лордом Рэлеем в Англии.

Звуковая идея Рэлея: подсчет стоячих волн

В 1900 году, фактически за несколько месяцев до Прорывная работа Планка, лорд Рэлей применил более прямой подход к излучение внутри печи: он даже не подумал об осцилляторах в стены, , он просто принял излучение за набор стоячих волн в кубическом корпус: электромагнитные генераторы . В отличие от несколько мрачной реальности настенных осцилляторов, эти стоячие электромагнитные волны были кристально чистыми.

Это был естественный подход для Рэлея — он решал почти идентичную задачу четверть века назад, анализ стоящих звуков волн в кубической комнате (§267 его книги). Задача состоит в том, чтобы найти и перечислить различные возможные стоячие волны в комнате/печи, совместим с граничными условиями. Для звуковых волн в помещении амплитуда звука достигает нуля при стены. Для электромагнитных волн электрическое поле параллельно стена должна стремиться к нулю, если стена является идеальным проводником (и можно предположить, что это — см. примечание позже).

Так какие же разрешенные стоячие волны? В качестве разминки рассмотрите различные разрешенные виды колебаний, то есть стоячие волны, в струне длиной a, фиксированной на обоих концах:

Возможные значения длины волны являются:

λ=2а,  а,  2а/3, …

Таким образом, допустимые частоты равны

.

f=c/λ=c/2a,  2(c/2a),  3(c/2a), …

Эти разрешенные частоты на равном расстоянии c/2a друг от друга. Мы определить спектральную плотность, заявив, что

номер мод между f и f+Δf=N(f)Δf

, где мы предполагаем, что Δf большой по сравнению с расстоянием между последовательные частоты.Очевидно, что для этого одномерного упражнения N(f) – константа, равная 2a/c, каждой моде соответствует целочисленная точка на действительная ось в единицах c/2a.

Амплитуда колебаний как функция времени:

y=Asin2πxλsin2πft

удобнее писать

y=Asinkxsinωt, где k=2π/λ,   ω=2πf, поэтому ω=ck.

Допустимые значения k (называется волновым числом ) являются:

k = 2π/λ = π/a,   2π/a,  3π/a, …  f=ck/2π.

Обобщение до трех размеры просты: в кубическом ящике со стороной a разрешенная стоячая волна должна удовлетворять граничные условия во всех трех направлениях. Это означает, что выбор волновых чисел:

kx = 2π / λx = π / a, 2π / a, 3π / a, . .. ky = 2π / λy = π / a, 2π / a, 3π / a, kz = 2π / λz = π / a, 2π / а,  3π/а, …

То есть каждый режим помечен с тремя положительными целыми числами:

(kx,ky,kz)=πa(l,m,n)

и частота режима:

f=ck/2π=(c/2π)kx2+ky2+kz2.

(Детали электромагнитного волны и вывод этой формулы приведены в сопроводительных примечаниях.)

Для инфракрасного и видимого излучения в духовке разумного размера частотные интервалы, измеренные экспериментально, далеки от больше, чем интервал c/2a между этими целыми точками. Как и в одномерном примере, эти моды заполняют трехмерное k -пространство равномерно, с плотностью (a/π)3,  но теперь это означает, что плотность мод , а не . равномерно в зависимости от частоты.

Их количество между f и f+Δf=N(f)Δf является объемом в k-пространстве, в единицах (π/a)3, сферической оболочки радиусом k=2πf/c, толщиной Δk=2πΔf /c и ограничивается тем, что все компоненты k должны быть положительными (например, целыми числами), множитель 1/8.

Включая коэффициент 2 для двух состояния поляризации стоячих электромагнитных волн, плотность состояний как функция частоты в печи объемом V=a3 составляет:

Н(f)Δf=18×2×4πk2Δk(π/a)3=14×(aπ)3×4π(2πc)3f2Δf

дает плотность состояний излучения в духовке

Н(f)Δf=8Vπf2Δfc3.

 (Подробности этого анализа можно найти в примечаниях. Если ты интересно, почему это нормально иметь духовку с идеально отражающей поверхностью? стены, когда мы ранее настаивали на поглощении стен, Кирхгоф доказал задолго до этого две такие печи при одинаковой температуре будут иметь одинаковую интенсивность излучения – в противном случае энергия могла бы передаваться от одного к другому, нарушая второй закон.)

Как насчет равнораспределения энергии?

Центральный результат классической статистической механика – это равнораспределение энергии: для системы, находящейся в тепловом равновесии, каждая степень свободы имеет среднюю энергию 12kBT. (kB — постоянная Больцмана.) Таким образом, молекулы в газе имеют среднюю кинетическую энергия 32kBT,   12kBT для каждого направления и простой одномерный гармонический осциллятор имеет полную энергию kBT:   12kBT кинетическая энергия и 12kBT потенциальная энергия.

Сравнивая теперь формулу для число мод N(f)Δf в малом интервале Δf  

Н(f)Δf=8Vπf2Δfc3

с формулой Планка для излучения энергоемкость в том же интервале:

ρ(f,T)Δf=8πVf2Δfc3hfehf/kBT−1,

для низкочастотных мод hf≪kBT можно сделать приближение

э.ч.с./кВТ-1≅hf/кВт.

, и из этого сразу следует, что каждая мода имеет энергию кБт, что соответствует классическим предсказаниям.

Но на высоте дела идут плохо частоты! Количество режимов увеличивается без ограничений, энергия однако в этих высокочастотных модах экспоненциально затухает по мере увеличения частоты. Позже Эренфест назвал это ультрафиолетом . катастрофа . звук Рэлея подход, по-видимому, не был таким уж разумным — что-то решающее значение отсутствовало.

Возможно, удивительно, что Планк никогда не упоминал о равнораспределении.Конечно, как заметил сам Рэлей, равнораспределение было хорошо известно, что у него есть проблемы, например, с удельной теплоемкостью газов. А также на самом деле Планк даже не был уверен в существовании атомов: позже он написал, что в 1890-х гг. «Я был склонен отвергать атомизм» (см. примечания). На самом деле, даже Больцман не был уверен, как хорошо осцилляторы пришли к тепловому равновесию с электромагнитным излучением — ведь было хорошо известно, что колебание двухатомных молекул не достигло классического теплового равновесия с кинетической энергией.(Как давно В 1877 году Максвелл указал, что горячие газы излучают свет при определенных частоты. Частоты не меняются с температурой, поэтому колебания должны быть простыми гармоническими, но такой осциллятор, несомненно, также возбуждаться от столкновений на низком температуры, так почему в этот режим не подавалась энергия?)

Эйнштейн видит фотонный газ

Как упоминалось ранее, после Планка объявил свой результат в декабре 1900 года, на тема несколько лет. Никто (включая Планка) осознал важность того, что он сделал — его работа многие считали просто умным техническим решением, даже если оно давало право ответ (сама кривая была полностью принята за правильную).

Затем в марте 1905 года Альберт Эйнштейн обратил внимание на проблему. Он сначала повторно получил результат Рэлея, предполагая равнораспределение:

ρ(f,T)=8πf2c3kBT

и заметил, что это не смысл на высоких частотах.Поэтому он сосредоточился по формуле Планка для высоких частот, hf≫kBT:

ρ(f,T)df≅8πVhf3dfc3e−hf/kBT

(асимптотически идентично для f→∞ более ранней формуле Вина).

Эйнштейн усмотрел здесь аналогию с распределение энергии в классическом газе.

Вспомним из прошлой лекции, что (нормированная) функция распределения вероятностей для классических атомов как функция скорости v была

 f(v)=4π(m2πkT)3/2v2e−E/kBT,

и соответствующая плотность энергии в E

f(E)=[4π(m2πkT)3/2v2]Ee−E/kBT.

Формула излучения при высоких частоты

ρ(f,T)=8πf2hfc3e−hf/kBT.

Эйнштейн указал, что если высокочастотное излучение представляется газом независимых частиц имея энергию E=hf, плотность энергии по частоте/энергии в радиация

ρ(E,T)=[8πf2c3]Ee−E/kBT.

Сравнивая это с выражением для атомов аналогия близка: вспомните, что для излучения частота равна пропорциональна волновому числу и, при квантовании, импульсу; для (нерелятивистских) скорость атомов пропорциональна импульсу, поэтому обе эти распределения по существу находятся в импульсном пространстве.Конечно, нормировочные коэффициенты различаются, потому что общее число атомов не меняется с температурой, в отличие от общего излучение. Тем не менее аналогия есть убедительным и заставил Эйнштейна заявить, что излучение в корпусе само квантовалось , квантование энергии был не какое-то особое свойство только настенные осцилляторы, как думал Планк. Кванты излучения — это, конечно, фотоны, но это слово не было придумано до позже.

Эйнштейн был обеспокоен Вывод Планком своего результата, зависящий, как и прежде, от классического анализ взаимодействия настенного осциллятора с излучением с последующим утверждением, что взаимодействие на самом деле было совсем не таким. Но ответ был правильным, и теперь Эйнштейн стал понимать почему. В отличие от плохо изученные настенные осцилляторы, электромагнитная стоячая волна колебания в печи были совершенно четкими.

Энергия в генераторе как функция температуры

Эйнштейн понял, что с точки зрения электромагнитные стоячие волны Рэлея, кривые излучения черного тела имеют простая интерпретация: средняя энергия в генераторе с частотой f при температуре T равна

E¯=hfehf/kBT−1.

Более того, работа Планка стала правдоподобной что такое же квантование имело место для материальных осцилляторов в стенах.

Эйнштейн сделал следующий шаг: он предположил, что все осцилляторы квантованы, например, вибрирующий атом в твердый. Это объяснило бы, почему Закон Дюлонга-Пти, согласно которому каждому атому в твердом теле присваивается удельная теплоемкость 3 кБ, не работает при высоких температурах. низкие температуры: когда kBT ≪ hf, моды не возбуждаются, поэтому поглощают мало высокая температура.Удельная теплоемкость падает, т. действительно наблюдается. Кроме того, это объясняет, почему молекулы двухатомных газов, таких как кислород и азот, не появляются поглощать тепло в колебательные моды – эти моды имеют очень высокую частоту.

Стоит подумать о постоянном обмене энергией с окружающей средой для осциллятора, находящегося в тепловом равновесии при температуре T. Случайные тепловые флуктуации в системе имеют энергию порядка kBT, это количество энергии, приблизительно, доставили туда и обратно.Но если осциллятор имеет hf=5kBT, скажем, он может принимать только порции энергии размер 5kBT и будет возбужден только в маловероятном случае что пять из этих случайных колебаний kBT собираются вместе в нужном месте в нужное время. Высокая частота моды эффективно заморожены этой минимальной потребностью в энергии. Экспоненциальный спад возбуждения с частота отражает экспоненциальное падение вероятности получения правильного количество колебаний вместе, аналогично экспоненциальному падению вероятности подбрасывания монеты n решек подряд.

Простой вывод формулы Планка из распределения Больцмана

Существенное предположение Планка в вывод его формулы заключался в том, что осцилляторы обмениваются энергией только с излучение в квантах в.ч. Эйнштейн ясно дал понять, что хорошо изученное стоячие электромагнитные волны, излучение в печи, тоже квантуют энергии.

Как обсуждалось в предыдущем лекция, вероятность того, что система при температуре T имеет энергию E , пропорциональна e−E/kBT, формуле Больцмана.Оказывается, эта формула по-прежнему актуальна. справедливо в квантовых системах. Теперь классический простой гармонический осциллятор при T будет иметь распределение вероятностей пропорциональна e−E/kBT=e−(mv2+mω2×2)/2kBT, поэтому ожидаемое значение энергии равно

E¯=∬(12mv2+12mω2×2)e−(mv2+mω2×2)/2kBTdvdx∬e−(mv2+mω2×2)/2kBTdvdx=kBT,

просто классическое равнораспределение энергия.

Но теперь мы знаем, что это неправда, если осциллятор квантуется: энергии теперь находятся в шагах друг от друга. Принимая основное состояние за ноль энергии, допустимые энергии равны

.

0,hf, 2hf, 3hf… 

и в предположении Больцмана выражение для относительных вероятностей по-прежнему верно, относительные вероятности этих состояний будет в соотношениях:

e-hf/kBT,  e-2hf/kBT,  e-3hf/kBT… 

Чтобы найти энергию осциллятора при этой температуры, мы используем эти вероятности, взвешенные соответствующими энергии и разделить на нормировочный коэффициент, чтобы гарантировать, что вероятности добавить до 1:

E¯=hfe-hf/kBT+2hfe-2hf/kBT+3hfe-3hf/kBT…1+e-hf/kBT+e-2hf/kBT+e-3hf/kBT…=hfehf/kBT-1.

(Выражение оценивается как следующим образом: напишите e−hf/kT=x, так что сумма относительных вероятностей равна 1+x+x2+x3+…=1/(1−x), а числитель в приведенном выше выражении для E¯ равен hfx(1 +2x+3×2+…)=hfx/(1−x)2, поскольку задан бесконечный ряд в скобках путем дифференцирования 1+x+x2+x3+… )

Это действительно правильный результат из экспериментов с черным телом. Очевидно, относительная вероятность Больцмана функция e−E/kBT все еще действительна в квантовых системах.

Заметка о законе смещения Вина

Легко увидеть, как Перемещение Вина Закон следует из формулы Планка: максимальное излучение на единицу частоты диапазон находится на частоте f, для которой функция f3/(eHF/kBT−1) максимальна.Численное решение дает hfmax=2,82kBT.

Можно установить теоретически (и подтверждается экспериментально), что уравнение, связывающее частоту максимальная энергоемкость в единицах Джоулей/м 3 /Гц составляет:

fmax=5,88×1010T Гц/K.

Однако закон часто формулируется в с точки зрения длины волны , на которой интенсивность, теперь измеряемая в Джоулях/м 3 /м, то есть за единицу интервала длины волны и 90 003

λмакс=2.9×10−3Тм⋅К.

Важно отметить здесь заключается в том, что эти формулы не дают одного и того же результата, что легко проверить, так как fmaxλmax≅1,7×108 м/с, не скорость света! Причина в том, что две меры, на единицу интервала частоты и на единицу интервала длина волны различаются, поэтому утверждение, что, скажем, солнечный свет наиболее интенсивен в желтый должен указать, что используется (на самом деле это будет длина волны, частота дала бы ближний инфракрасный диапазон).

Графики излучения черного тела как функция температуры были созданы с использованием электронной таблицы Excel. Ты добро пожаловать, чтобы загрузить эту электронную таблицу и использовать ее, чтобы изучить, как изменяется излучение с температурой. Он очень прост в использовании — вы просто введите температуру и посмотрите, как изменится график.

СКАЧАТЬ ТАБЛИЦУ

Хороший пример излучения черного тела это то, что осталось от Большого Взрыва. Установлено, что интенсивность картина этого фонового излучения во Вселенной следует за черным телом кривая очень точно, для температуры примерно на три градуса выше абсолютной нуль.

предыдущая домашняя следующая

Создание частиц

предыдущая домашняя следующая

Майкл Фаулер, Университет Вирджинии

Релятивистские столкновения могут производить новые частицы

Мы упоминали, как с помощью синхроциклотрона можно разогнать протоны до релятивистских скоростей. Энергия покоя протона mpc2 составляет 938 МэВ, используя здесь стандартную высокую энергетическая физика единица энергии: 1 МэВ = 10 6 эВ. Нейтрон немного тяжелее — mnc2=940. МэВ.(Электрон 0,51 МэВ). Таким образом, чтобы разогнать протон до релятивистской скорости подразумевает придание ему К.Е. порядка 1000 МэВ или 1 ГэВ.

Стандартная рабочая процедура физиков высоких энергий состоит в том, чтобы разгонять частицы до релятивистских скоростей, а затем разбивать их на другие частицы, чтобы увидеть, что происходит. Для например, быстрые протоны будут нацелены на покоящиеся протоны (атомы водорода, в Другими словами, электрон может пренебрегать). В коллайдере пучки ускоренные протоны сталкиваются лоб в лоб. Как мы увидим, это значительно увеличивает энергию центра масс (это не просто удвоилось), но, конечно, количество попаданий значительно уменьшилось.

Чтобы увидеть, что происходит в результате столкновения, в результате обломков (обычно быстро улетающие!) должны быть обнаружены. Первым успешным детектором была камера Вильсона, изобретенная в 1911 году. Если быстрая заряженная частица пролетит перенасыщенный газ, он ионизирует некоторые молекулы, тогда они являются ядрами или семенами для образования капель, а путь реализуется в виде цепочки крошечных капель.То камера Вильсона была заменена в пятидесятых годах пузырьковой камерой, прозрачный контейнер, наполненный перегретой жидкостью. энергичная частица движение через жидкость оставляет за собой след ионизированных молекул, которые зарождаются пузыри. Пузыри быстро растут, чтобы выделить пути, затем поднимаются и уходят гораздо быстрее, чем капли в облаке камера. Но по мере развития акселераторов начался поиск менее частых событий, все более быстрое время выполнения работ стало важным для детекторов.Облака и пузыри сменились искрами и проводами, тонкими параллельными проводами. миллиметрах друг от друга, в легко ионизуемом газе пролетающая частица генерирует искры между проводами. Это улучшило время отклика на порядки. В настоящее время детекторы часто состоят из многих тысяч очень крошечных твердотельных реверсивных элементов. смещенные диоды, запускаемые частицей и подключенные для получения точной траектории Информация. На самом деле майор эксперименты имеют область столкновения, окруженную слоями как твердых детекторы состояния и детекторы проволочной сетки.

Так или иначе, вернемся к первым ранним попыткам, и к тому, что было заметил – оказалось что в р-р-рассеянии при низких, но релятивистских энергиях иногда выходит больше частиц, чем входит — частицы, называемые пионы, π + , № 0 , № были созданы. π 0 электрически нейтрально, π + имеет точно такой же заряд, как и протон. Опытным путем установлено, что общая электрический заряд всегда сохранялся при столкновениях, независимо от того, сколько новых рождались частицы, а общее барионное число (протоны + нейтроны) составляло законсервированный.

Возможные сценарии включают:

р+р→р+р+π0,

и

р+р→р+n+π+.

Масса нейтрального пиона 135 МэВ, заряженные пионы имеют 140 МэВ, где мы следуем стандартной практике высоких энергий, называя mc 2 «массой», поскольку это энергетический эквивалент и, следовательно, энергия, которая при рождении частицы при столкновении берется из кинетической энергии и накапливается в массе.

Энергия, необходимая для производства пиона

Влетающий протон с кинетической энергией 135 МэВ не иметь возможность создать нейтральный пион (масса покоя 135 Мэв) при столкновении с неподвижным протоном.Это потому, что входящий протон также имеет импульс, а при столкновении импульс сохраняется, поэтому часть частиц после столкновение должно иметь импульс и, следовательно, кинетическую энергию.

Самый простой способ узнать, сколько энергии входящий протон должен создать нейтральный пион, чтобы отправиться в центр масс кадра, где изначально два протона движутся навстречу друг другу с равными и с противоположными скоростями, полного импульса нет. Очевидно, в этом кадре наименьший возможный К.E. должно быть достаточно, чтобы создать π0 с всеми частицы конечного состояния (p, p, π0) покоятся. Таким образом, если входящие протоны в центр масс рамы движется со скоростью ±v, полная энергия, которая должна равняться остальной части энергии конечных стационарных масс, составляет

E=2mpc21−v2/c2=2mpc2+mπc2,

 мы находим два оба входящих протона должны двигаться со скоростью 0,36 c .

Напомним, что это скорость в центре масс рамы, и для практических целей, таких как разработка ускорителя, нам нужно знать энергия, необходимая в «лабораторной» системе координат — той, в которой протонов изначально покоится.То два кадра, очевидно, имеют относительную скорость 0,36 c , поэтому, чтобы получить скорость влетающего протона в лабораторном кадре, мы необходимо добавить скорость 0,36 c к единице 0,36 c с использованием релятивистского добавление формулы скоростей, что дает 0,64 c . Это подразумевает входящие протон имеет релятивистскую массу, в 1,3 раза превышающую его массу покоя, и, таким образом, К.Э. около 280 МэВ.

Таким образом, чтобы создать пион с энергией покоя 135 МэВ, необходимо необходимо придать налетающему протону не менее 290 МэВ кинетической энергии.Это называется «пороговой энергией» для производство пионов. Эта «неэффективность» (больше энергии, чем кажется необходимым) возникает из-за того, что импульс также должен сохраняться, поэтому в лаборатории в конечных частицах все еще остается значительная КЭ.

Производство Антипротон

О повышении энергии налетающего протона дальше, больше образуются частицы, в том числе «антипротон» — отрицательно заряженная тяжелая частица, которая аннигилирует протон во вспышке энергия. Экспериментально выясняется, что антипротон может быть произведен только в сопровождении вновь созданного протона,

п+п→п+п+п+п¯.

Заметьте, мы могли бы сохранить электрический заряд с меньшим энергия с реакцией

р+р→р+р+π++р¯

, но этого не происходит, поэтому энергия, импульс и заряд сохранение – не единственные ограничения в создании новых частиц. (Есть также угловой момент, но здесь это не важно.)

На самом деле то, что мы здесь видим, является экспериментальным. подтверждение того, что сохранение барионного числа , которое при низких энергиях ранее обсуждавшееся в контексте производства пионов просто означало, что общее количество протонов и нейтронов оставалось фиксированным, обобщается при высоких энергий, чтобы включить античастицы с отрицательным барионным числом, -1 для антипротон.Таким образом, сохранение барионного числа становится параллельным электрическому заряду. сохранение.

Новые частицы всегда могут быть получены при достаточно высоких энергиях. при условии, что общий новый заряд и общее новое барионное число равны нулю. (На самом деле существуют и другие законы сохранения, которые становятся важными, когда образуются экзотические частицы, мы можем обсудить их позже.) Мы должны еще раз подчеркнуть, что это экспериментальных результатов, полученных из исследуя миллионы столкновений между релятивистскими частицами.

Машина, созданная для производства одной частицы

Один из первых современных ускорителей, построенный в >Беркли в пятидесятых годах, был разработан специально для производства антипротона, поэтому это было очень важно правильно рассчитать этот порог образования антипротонов! Это можно сделать тем же методом, который мы использовали выше для производства пионов, но здесь мы используем другой прием, который часто полезный. Мы показали, что на преобразование энергии и импульса частицы из одной системы отсчета в другую

E2-c2p2=E’2-c2p’2

Поскольку уравнения Лоренца линейны, если у нас есть система частиц с полной энергией E и суммарный импульс p в одном кадре, E’ , p’ в другом должно быть верно, что

E2−c2p→2=E′2−c2p′→2.

Мы можем использовать эту инвариантность для получения информации о лабораторных кадрах из центр масс рамы. отметив, что в в системе центра масс (ЦМ) импульс равен нулю, а в лабораторной системе весь импульс находится в падающем протоне,

Ecm2=((мин+m0)c2)2−c2pin2

где здесь м 0 – масса покоя протона, min – релятивистская масса налетающего протон: мы пишем m01−vin LAB2/c2=min.

На пороге образования антипротона, E см = 4 м 0 c 2 , поэтому

16m02c4=min2c4+2minc2m0c2+m02c4−c2pin2,

и используя

мин2c4−c2pin2=m02c4,

находим

2(minc2)(m0c2)+2(m0c2)2=16(m0c2)2,

так

минс2=7м0с2.

Следовательно, чтобы создать две дополнительные частицы, при полном покое энергии 2m0c2, необходимо, чтобы влетающий протон имеют кинетическую энергию 6m0c2. То Беркли Геватрон имел расчетную энергию 6,2 ГэВ.

Высшие Энергии

По мере того, как мы переходим к более высоким энергиям, эта «неэффективность» усугубляется — рассмотрим энергии таким образом, что кинетическая энергия >> энергия покоя, и принять входящий частица и частица-мишень имеют одинаковую массу покоя, m0, при этом падающая частица имеет релятивистскую масса мин:

Сравнение энергии центра масс с лабораторной энергией в эти высокие энергии,

ELAB=(min+m0)c2,ECM2=ELAB2-pLAB2c2=min2c4+2minc2m0c2+m02c4-pLAB2c2=2m0c2(minc2+m0c2).

Для m≫m0,

ECM2≈2m0c2mc2≈2m0c2.ELAB

так

ECM≈2m0c2.ELAB,

в конечном счете нужно учетверить лабораторная энергия, чтобы удвоить энергию центра масс. А при более высоких энергиях все становится все хуже — вот почему коллайдеры построены!

предыдущая домашняя следующая

Современная физика

Современная физика

Современная физика

Из каких компонентов состоит окружающий нас мир и как они взаимодействуют?

Как физики, мы наблюдаем, мы экспериментируем и мы строим концептуальные модели.Строим модели на разных уровнях. Модели изготовлены люди для людей. Модель – это управляемое представление лежащей в основе реальности. Модели могут меняться по мере изменения наших знаний, но основная реальность, по-видимому, не меняется.

Различные физические модели имеют разные области применимости, они имеют было проверено для работы в разных масштабах.

Примеры весов:
Космический Материал Атомный и ядерный Элементарная частица

Физику часто делят на классическую Физика и современная физика.

Классическая физика
в модель макроскопического мира вокруг нас. Все законы классической физики были известны к концу 19 -го века. Классический Физика хорошо работает, описывая и предсказывая почти все повседневные явления. Известные свойства материи в конце 19 в. века были массой и зарядом. Наименьшими составляющими были атомы. Известными взаимодействиями были гравитация, моделируемая законом тяготения Ньютона , электромагнитные взаимодействия, моделируемые уравнения Максвелла и контактная сила , возникающая из требования, что «атомам нужно свое пространство».
Последствия взаимодействий описывались законами движения Ньютона, которые предсказывают, как вещество ведет себя под действием сил. Статистическая физика и термодинамика была разработана для описания систем с большим числом степени свободы.

Современная физика физика 20 -го века. Основные строительные блоки, теория относительности и квантовая механика , были разработаны в начале этого века.Два разных типа задач классической физики стало очевидным в конце 19 в. Одна проблема заключалась во внутреннем непоследовательность. Проблема другого типа возникла из-за измерений, которые невозможно понять с помощью классической физики.


Специальная теория относительности

Уравнения Максвелла предсказывают, что скорость света в свободном пространстве равна c = 3*10 8 м/с. Они не указывают система отсчета.Однако в физике скорость определяется относительно системы отсчета.

Пример:

Вы идете от задней части самолета к передней со скоростью 1 м/с относительно самолета. Самолет летит со скоростью 200 м/с вперед по отношению к поверхность Земли. Ваша скорость относительно поверхности Земля 201 м/с.

Вы посылаете импульс света со спины на перед самолетом.Уравнения Максвелла предсказывают скорость этот импульс должен быть c по отношению к самолету и по отношению к поверхность земли. какой дает?

Первой мыслью физиков было предположить что хотя Максвелл не указал систему отсчета, в которой свет двигался со скоростью c, такая уникальная система отсчета обязательно должна была существует. Его называли эфиром, неким веществом, которое пронизывал все пространство, и по которому световые волны распространялись со скоростью в.Эксперименты искали этот эфир, но так и не нашли. В известном эксперименте, названном экспериментом Майкельсона-Морли, использовалась интерферометр для высокоточных измерений скорости света излучается далекой звездой по отношению к Земле. Измерения были сделанные в разное время года, когда Земля двигалась навстречу или от звезды на ее орбите вокруг Солнца. Эксперимент Майкельсона-Морли не обнаружил зависимости скорости света относительно Земли в момент измерения и часто упоминается как определенный эксперимент, опровергающий существование эфира.

Специальная теория относительности Эйнштейна разрешает конфликт между законами движения Ньютона и уравнениями Максвелла. Эйнштейн предложил два постулата.

I. Законы природы одинаковы во всех инерциальных отсчетах кадры.
II. В вакууме свет распространяется относительно любой инерциальной системы отсчета и во всех направления с универсальной скоростью c. Эта скорость является константой природы.

Чтобы удовлетворить оба постулата, пришлось отказаться от идей абсолютного времени и пространства.В зависимости от их состояние движения, разные наблюдатели будут измерять разное пространство и время промежутки между событиями. Различия становятся очевидными только тогда, когда относительная скорость наблюдателей приближается к скорости света. Ньютона законы движения остаются в силе до тех пор, пока второй закон записывается как F = ∆ p /∆t.

  • Однако импульс частицы массы m необходимо переопределить.
  • Релятивистски правильный импульс равен p = γm v , где γ = 1/(1 – v 2 /c 2 ) ½ = (1 – v 2 /c 2 ) – ½ .
  • Пока скорость частицы намного меньше c, p ≈ m v .
  • Изменяется и выражение для полной энергии частицы.
  • Полная релятивистская энергия частицы массы m равна записывается как сумма его массы энергии mc 2 , его кинетическая энергия KE, и его потенциальная энергия PE.
  • Для свободной частицы с нулевой потенциальной энергией полная энергия может быть записана как
    E = (m 2 c 4 + p 2 c 2 ) ½ = γmc 2 .
  • Когда кинетическая энергия мала по сравнению с остальными энергии, оба выражения могут быть упрощены, что дает массовую энергию и нерелятивистское выражение для кинетической энергии.
    E = mc 2 + p 2 /(2m) = mc 2 + ½mv 2 .

Релятивистские поправки к уравнениям движения становятся важными, когда скорость частица приближается к скорости света, или когда ее кинетическая энергия становится Сопоставима ее остальная энергия.Формула релятивистской энергии должна быть используется для анализа быстрых столкновений, рождения частиц, аннигиляции частиц и распад частиц.

Современная физика, 4-е издание | Уайли

Предисловие v

1. Некоторые недостатки классической физики 1

1.1 Обзор классической физики 3

1.2 Недостатки классических представлений о пространстве и времени 11

1.3 дефицита в классической теории статистики частиц 13

1.4 Теория, эксперимент, закон 21

Вопросы 22

Проблемы 22

2. 5 Специальная теория относительности 25

2.1 Классическая относительность 26

2. 2 Эксперимент Майкельсона-Морли 29

2.3 Постулаты Эйнштейна 31

2.4 Следствия постулатов Эйнштейна 32

2.5 Преобразование Лоренца 41

2.6 Twin Paradox 46

2.7 релятивистскую динамику 48

2.8 Законы о сохранении в релятивистских распадах и столкновениях 54

2.9 Экспериментальные испытания специальной относительности 58

Вопросы 65

Проблемы 66

3. Подобные свойства Электромагнитное излучение 71

3.1 Обзор электромагнитных волн 72

3.2 Фотоэлектрический эффект 77

3.3 Тепловое излучение 83

3.4 Compon Effect 90

3.5 Другие фотонные процессы 93

3.6 Частицы или волны 96

Вопросы 99

Проблемы 100

4. 5 4.

4,1 De Broglie’s Hypotheseis 106

4.2 Экспериментальные данные для волн де Бройля 108

4.3 Соотношения неопределенностей для классических волн 115

4.4 Соотношения неопределенностей Гейзенберга 118

4. 5 волновых пакетов 124

4.6 Движение волнового пакета 128

4.7 вероятность и случайность 131

Вопросы 133

Проблемы 134

5. Уравнение Schrödinger 139

5.1 поведение волны на Граница 140

5.2 Удержание частицы 144

5.3 Уравнение Шредингера 146

5.4 Применение уравнения Шредингера 150

5.5 Простой гармонический осциллятор 163 5002

шагов и барьеров 165

Вопросы 173

Проблемы 174

6.

6. 6. 60015 Модель атома 177

6.1 Основные свойства атомов 178

6.2 Эксперименты по рассеянию и модель Thomson 179

6.3 Ядерный атом Резерфорда 182

6.4 Линейчатые спектры 188

6.5 Модель Бора 191

6.6 Эксперимент Франка-Герца 197

6.7 Принцип соответствия 199

3 6,00028 Недоль жизни модели BOHR 201

Вопросы 203

Проблемы 203

Проблемы 203

70018 70018 Атом водорода в волновой механике 207

7. 1 Одномерный атом 208

7.2 Угловой импульс в атоме водорода 210

7.3 Волновые функции атома водорода.7 Уровни энергии и спектроскопические обозначения 227

7.8 Zeeman Effect 228

7.9 Структура 230

Вопросы 232

Проблемы 233

8. Многие-электронные атомы 237

8.1 Принцип исключения Pauli 238

8.2 Электронные состояния в многоэлектронных атомах 240

8.3 Внешние электроны: экранирование и оптические переходы 244

8.4 Свойства элементов 248

8.5 Внутренние электроны: поглощения краев и х лучи 253

8.6 Добавление угловых моментов 257

8,7 лазеры 261

Вопросы 265

Вопросы 265

9000

9. Молекулярная структура 269

9.1 Молекула водорода 270

9.2 Ковалентная склеивание в молекулах 274

9,3

9,3 ионные склеивания 282

9.4 молекулярные вибрации 286

9.4 9.5 Молекулярные вращения 290

9. 5 902 909

9.6 Молекулярные спектры 294

Вопросы 298

Проблемы 299

10. Статистическая физика 303

10.1 Статистический анализ 304

10.2 Классическая и квантовая статистика 306

10.3 Плотность состояний 310

10.4 Распределение Максвелла-Больцмана 315

10,5 квантовая статистика 321

10.6 Применение Bose- Статистика Эйнштейна. твердотельная физика 341

11.1 Кристаллические структуры 342

11.1. Кристаллические конструкции 342

11.2 Тепловая мощность твердых веществ 350

11.3 Электроны в металлах 354

11,4 Теория полосы твердых веществ 358

11.5 Сверхпроводность 364

11.6 Сертинавские и примесные полупроводники 369

11.7 Полупроводниковые приборы 372

11.8 Магнитные материалы 376

Вопросы 383

Проблемы 384

12. Ядерная структура и радиоактивность 389

12.1 Атомные составляющие 390

12. 1 Атомные составляющие 390

12.2 Ядерные размеры и формы 392

12.3 Ядерные массы и энергии связывания 394

12.4 Ядерная сила 399

12,5 квантовых состояний в ядрах 401

12.6 Радиоактивно Распад 403

12,7 Альфа-распад 407

12,8 Бета-распад 410

12,9 Гамма-распад и возбужденные состояния ядер 414

12.10 Природные радиоактивности 418

Вопросы 421

Проблемы 421

13.

5 13. 5 13. 5 13. 5 13.

13.1 Типы ядерных реакций 428

13.2 Радиоизотопное производство в ядерных реакциях 432

13.3 Кинематика реакции низкоэнергии 434

13,4 деления 437

13.5

13.5 Fusion 443

13.

13.6 Нуклеосинтез 450

13.7 Применения ядерной физики 453

Вопросы 459

Проблемы 459

14. Элементарные частицы 463

14.1 Четыре основные силы 464

14.2 Классифицирующие частицы 466

14. 3 Законы 470003

14.3 Закон охраны 471

14,4 взаимодействия частиц и распады 475

14.5 Энергия и импульс в распадах частиц 481

14.6 Энергия и импульс в реакциях частиц 483

14.7 Кварковая структура мезонов и барионов 487

14.8 Стандартная модель 494

Вопросы 499

Задачи 499

15. Cosmology: происхождение и судьба вселенной 503

15.1 Расширение вселенной 504

15.2 Космическая микроволновая предпосылка излучения 508

15.3 Темная материя 510

15.4 Общая теория относительности 512

15.5 общей теории относительности 519

15.6 Звездная эволюция и черные дыры 523

15.7 Космология и общая теория относительности 528

15.8 Космология Большого взрыва 530

15.9 Образование ядер и атомов 533

15.10 Экспериментальная космология 536

Вопросы 541

Проблемы 542

Приложение A: Константы и конверсионные факторы 545

Приложение B: Комплексные номера 547

Приложение C: Периодическая таблица элементов 549

Приложение D: Таблица атомных масс 551

Приложение E: Некоторые вехи истории современной физики 561

Ответы на нечетные задачи 565

Указатель 569

Современная

Указатель к таблицам 070 90 Physics 077 10002

TN2612 Теория относительности (3 ECTS):
Понимание антиинтуитивных последствий специальной теории относительности Эйнштейна для пространства и времени.

TN2985 Введение в эксперименты в физике (2 ECTS):
Постановка и проведение эксперимента, интерпретация данных измерений, анализ ошибок и написание исследовательского отчета.

TN2986 Математические методы современной физики (2 ECTS) :
Краткий курс математики для физиков.

TN2305 Квантовая механика для несовершеннолетних (4 ECTS)
Введение в общие понятия и базовый математический аппарат квантовой механики.

TN2306 Квантовая инженерия и приложения (3 ECTS):
Понимание инженерных аспектов квантовых технологий.

TN2625 Статистическая физика для несовершеннолетних (4 ECTS) :
Как статистический подход приводит к пониманию физических явлений в классической и квантовой механике понимание научных статей, выполнение научных исследований в мультидисциплинарной команде и написание соответствующего отчета на основе постановки задачи в области физики/прикладной физики.

Курс по выбору (3 ECTS) :

TN1651 Введение в биофизику (английский) :
Введение в молекулярную биологию клетки и концепции биофизики.

TN1851 Радиационная наука и технология (голландский!)
Введение в область ядерной науки и техники.

TN2811 Введение в элементарные частицы:
Введение в экспериментальные и теоретические подходы в физике элементарных частиц.

Современная физика – Лабораторная программа и дополнительные материалы – Физический факультет

Лаборатория современной физики

Первая неделя: Учащиеся, зарегистрированные на этот курс , должны пройти обязательный курс обучения безопасности в лаборатории  (Перейти –> Онлайн-курсы –> ЛАЗЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ) до входа в лабораторию. Получив уведомление, завершите необходимые модули не позднее первого лабораторного совещания. До тех пор, пока не будут пройдены все обязательные курсы по безопасности в лаборатории, учащийся не получит доступа к лабораторным помещениям, не сможет участвовать ни в каких лабораторных мероприятиях и получит нулевую оценку за любую незавершенную работу.После завершения обучение по безопасности в лаборатории действительно до конца того же учебного года (т. е. до августа следующего года) и должно проходить заново в последующие годы. В этой политике Университета нет исключений. Невыполнение требуемого обучения исключает участие в любых лабораторных работах, в том числе в тех, за которые выставляется оценка. Вопросы, касающиеся онлайн-обучения по безопасности в лаборатории, следует направлять на горячую линию обучения Службы нормативно-правового соответствия университета по телефону 817-272-2080 или по адресу [email protected]образование
Перейдите на https://uta-ehs.org/, войдите в систему, нажмите «Мое обучение» и завершите все указанные там занятия.

LAB Zero: Статистическая лаборатория. Загрузите лабораторную работу Статистика и проработайте ее. Файл справки для нулевой лаборатории:  Приложение A . Эта лабораторная работа должна быть проведена на следующей неделе, перед началом второй лабораторной. Вам нужно будет управлять своими собственными зубочистками. Подойдет любая палка аналогичного размера. Вы можете выполнить эту лабораторную работу у себя дома в удобное время.

Начиная с недели 15 февраля в лаборатории будет девять различных установок. Вы встретитесь в назначенный день и проведете лабораторию. Первая лабораторная работа, которую вы выполняете, устанавливает ротацию вашей группы. В следующий раз, когда вы встретитесь, вы будете выполнять другую лабораторную работу в соответствии с графиком, показанным ниже. Лаборатория Т.А. будет доступен в течение первого часа, чтобы ответить на вопросы о требованиях к лабораторному отчету или лабораторном упражнении. Свяжитесь с вашим Т.А. чтобы решить, где встретиться.

Одна лаборатория самого низкого уровня будет удалена.Если вы пропустите какие-либо лабораторные исследования, вам следует связаться с вашим T.A. так что он / она предоставит вам доступ в комнату лаборатории. .
Ваш лабораторный отчет будет оцениваться следующим образом: Lab Report Outline

Имеется девять групп. В каждой группе может быть только один ученик.

Эксперименты:

Соотношение э/м

Фотоэффект

Атомик-Спектра

Дифракция электронов

Франк-Герц

Микроволновая печь

Эффект Зеемана

Излучение черного тела

Тестовое соединение

 

Все лабораторные отчеты должны быть представлены 3 мая.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.