Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

1. Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

01.(0) Специфика законов в
микромире. Основные формулы
теории относительности.

2. Специфика законов в микромире

В физике атома, ядра и элементарных частиц изучаются явления, происходящие на очень малых расстояниях, очень быстро, при больших скоростях и
энергиях, приходящихся на одну частицу.
Характерные размеры:
атом ~ 10-10м (0.1 нанометра, или 1 ангстрем),
протон ~ 10-15м = 1 фм (1 фемтометр),
атомное ядро ~ 10-14м = 10 фм (10 фемтометров).
Характерные времена: физика атома ~ 10-8с - 10-11с,
физика ядра и элементарных частиц ~ 10-8с - 10-24с.
Характерные энергии: десятки Эв в физике атома,
миллионы Эв (Мэв) в ядерной физике, миллиарды и
триллионы Эв (Гэв и Тэв) в физике элементарных
частиц.

3. Специфика законов в микромире

При больших скоростях и высоких энергиях классическая механика Ньютона перестает быть справедливой, и должна быть заменена релятивистской механикой.
Другой особенностью законов микромира является
дискретная структура энергетических спектров
атомов, атомных ядер, элементарных частиц. Фундаментальной константой, характеризующей эту
дискретность, является постоянная Планка:
h ≈ 6.6·10-34 Дж·с
Квантовыми свойствами нельзя пренебречь, если
малы массы частиц и расстояния между ними, поэтому нам придется изучить некоторые основные
законы квантовой теории.

4. Основные формулы теории относительности

Замедление хода движущихся часов
t
t0
1 V / c
2
2
Лоренцево сокращение длины (Lorentz H.)
L L0 1 V / c
2
2

5. Основные формулы теории относительности

Сложение скоростей
V1 V2
V
V1V2
1 2
c

6. Основные формулы теории относительности

Зависимость массы от скорости
m0
m
2
V
1 2
c
Связь между массой и энергией (Einstein A.)
2
- полная энергия
E mc
E0 m0c
T = E - E0
2
- энергия покоя
- кинетическая энергия

7. Массы покоя некоторых элементарных частиц

Электрон: me = 9.1·10-31кг = 511кэв = 0.511Мэв
Протон:
mp = 1.6724·10-27кг = 938.3 Мэв
Нейтрон:
mn = 1.6748·10-27кг = 939.6 Мэв
Разность масс нейтрона и протона:
mn - mp = 1.3 Мэв
(Для справки: электрон-вольт: 1Эв = 1.6·10-19 Дж)

8. Основные формулы теории относительности

Соотношение между энергией и
импульсом
E p c m c
2
2 2
2 4
0
1
1
2
2 4
2
2
p
E m0 c
E E0
c
c

9. Критерии применимости нерелятивистских формул

или T << E0
Если, например, кинетическая энергия протона равна 1 Мэв, то это много меньше
его энергии (массы) покоя, которая равна
938.3 Мэв, поэтому в данном случае можно пользоваться нерелятивистскими формулами.
Если же электрон имеет энергию 1 Мэв, то
он является релятивистским, т.к. для него
v << c
T > E0.

10. Ультрарелятивистские частицы

Если T >> E0, то у такой частицы скорость v почти
v ≈ c), а импульс
1
1
E
2
2 4
2
p
E m0 c
E
c
c
c
равна скорости света c (
(как для фотона). Такая частица называется ультрарелятивистской.
Фотон с любой энергией является ультрарелятивистской частицей. Его скорость всегда равна скорости
света, масса покоя равна нулю, а релятивистская
масса может быть определена из соотношения
E = mc2 = h :
mфотона = h /c2.