Естествознание. 10 класс
Конспект урока
Естествознание, 10 класс
Урок 12. Фундаментальные поля как составляющие материи
Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
- Что такое фундаментальные взаимодействия и фундаментальные поля?
- Как описываются фундаментальные взаимодействия с помощью поля?
- Почему фундаментальные поля можно считать одной из составляющих материи?
Глоссарий по теме:
Фундаментальное взаимодействие – тип физического взаимодействия, который не сводится к другим взаимодействиям.
Концепция дальнодействия — совокупность представлений, согласно которым действие одного тела на другое передается мгновенно через пустоту на сколь угодно большие расстояния. Открытие электромагнитного поля показало, что концепция дальнодействия неверна.
Концепция близкодействия — совокупность представлений, согласно которым взаимодействие между удаленными телами происходит при участии промежуточной среды (поля) не превышая скорости света.
Гравитационное взаимодействие – универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами, имеющими массу.
Гравитационное поле – одно из физических полей, через которое осуществляется гравитационное взаимодействие.
Пробное тело – физическая модель, обладающая массой (остальными параметрами можно пренебречь) не влияющая на систему; применяется для измерения величины гравитационного взаимодействия.
Электромагнитное взаимодействие – тип фундаментального взаимодействия, в котором участвуют заряженные частицы.
Электромагнитное поле – одно из физических полей, через которое осуществляется электромагнитное взаимодействие.
Пробный заряд — физическая модель, обладающая зарядом (размером можно пренебречь), не оказывающая влияние на систему; применяется для измерения величины электромагнитного взаимодействия.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
- Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017. : с 53 -58.
- Универсальная научно-популярная энциклопедия «Кругосвет» http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/CHASTITSI_ELEMENTARNIE.html?page=0%2C1
- Фундаментальные взаимодействия И.Л.Бухбиндер: http://nuclphys.sinp.msu.ru/mirrors/fi.htm
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Взаимосвязь материальных объектов проявляется прежде всего в том, что они взаимодействуют друг с другом, т.е. воздействуют друг на друга. Взаимодействие между телами характеризуется некоторой силой.
В повседневной жизни мы встречаемся с разнообразными силами. Мы можем наблюдать силу ветра, мы прикладываем мускульную силу, чтобы поднять и перенести тяжести. Электрическая сила заставляет двигаться электропоезда. В курсе физики вы знакомились с силами упругости и трения.
Если посмотреть на структуру вещества, то эти взаимодействия можно представить как взаимодействие между молекулами и атомами. А, например, силы трения и силы упругости — как результат взаимодействия между электронами и ядрами. При этом, такие взаимодействия как гравитационные и электромагнитные нельзя уже свести к каким-то другим взаимодействиям.
Для характеристики взаимодействий, которые не сводятся к другим взаимодействиям, используют понятие фундаментальные (основные).
Таким образом, все перечисленные выше силы — лишь разные проявления этих фундаментальных сил, или взаимодействий.
Современная наука выделяет четыре типа фундаментальных взаимодействий:
Заметим, что два последних проявляются на расстояниях соизмеримых с размером ядра, т.е. их действие распространяется на сверхмалых расстояниях.
Как описать фундаментальное взаимодействие
Чтобы понять, как воздействует одно тело на другое с помощью фундаментального взаимодействия, нужно уяснить какими характеристиками они обладают. Можно выделить два подхода к описанию фундаментальных взаимодействий: концепция дальнодействия и концепция близкодействия.
По концепции дальнодействия, зародившейся в рамках классической механики, считается, что все взаимодействия между телами осуществляются через пустое пространство на любое расстояние мгновенно, так как скорость света в классической механике принята за бесконечность.
Согласно второй концепции, все взаимодействия передаются при помощи тех или иных полей, непрерывно распространяющихся в пространстве. Согласно современным взглядам, не существует взаимодействий, в том числе фундаментальных, которые распространяются быстрее света (согласно общей теории относительности).
Рассмотрим описание взаимодействия частиц при помощи поля на примере гравитационного и электромагнитного взаимодействий.
В курсе физики вы изучали закон всемирного тяготения: все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Оно универсально, т.е. осуществляется между любыми объектами, имеющими гравитационные свойства, которые характеризуются такой величиной как масса. Гравитационное взаимодействие – самое слабое и существенно лишь для тел с большими массами. Действуя и в микромире, оно играет основную роль лишь в макромире и особенно в мегамире.
Рассмотрим гравитационное взаимодействие на примере пробного тела в Солнечной системе, обозначив его массу через m (не путать с весом). В соответствии с законом всемирного тяготения на него действуют все тела Солнечной системы с силой притяжения, равной векторной сумме всех этих сил (
g – суммарная гравитационная сила). Поскольку каждая из отдельных сил пропорциональна массе m, то суммарную силу можно описать формулой:
Векторная величина 
зависит от расстояния до других тел Солнечной системы (координат), т.е. является характеристикой поля — гравитационного. Такие рассуждения применимы и для других космических систем независимо от размера. К слову, величина 
вблизи поверхности Земли – знакомое нам ускорение свободного падения.
Поэтому действие гравитационных сил, создаваемое некоторой системой тел и действующее на пробное тело, можно представить как действие гравитационного поля, создаваемого всеми телами (за исключением пробного) на пробное тело.
Подобные рассуждения можно сделать и для электрического поля. Используя в этом случае закон Кулона: сила взаимодействия двух пробных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Тогда, 
, где 
сила системы заряженных тел, q – пробный заряд, 
– напряженность электрического поля (является характеристикой поля).
Таким образом, система заряженных тел действует на пробный заряд с определенной силой как электрическое поле.
При этом стоит отметить, что если заряды перейдут в движение, то кроме электрических сил, начинают действовать и магнитные силы. Если принять во внимание относительность механического движения, тогда кажется правомерным вывод, что эти силы связаны между собой.
Действительно, опыты показывают, что существует единая электромагнитная сила, действующая между зарядами — единое электромагнитное поле, которое представляет собой совокупность двух полей — электрического и магнитного. В различных системах отсчета исчезает электрическая или магнитная составляющая электромагнитного поля.
Фундаментальные поля как часть материи
Стоит отметить, что уже описанные фундаментальные взаимодействия (гравитационное и электромагнитное), а также сильное и слабое взаимодействия осуществляются на элементарном уровне.
Все фундаментальные взаимодействия имеют такие характеристики: энергия и инерция. Если поле не считать материальным, то следовало бы признать, что энергия и импульс не связаны с чем-то материальным и сами по себе переносятся через пространство. Из этого следует, что существуют определенные переносчики полевого взаимодействия. В процессе взаимодействия физический объект испускает частицы — переносчики взаимодействия, которые поглощаются другим физическим объектом.
Появление квантовой теории поля дополнило представление о взаимодействиях. Она показала, что при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами — переносчиками взаимодействия, или квантами соответствующего поля. В частности, для электромагнитного взаимодействия таким переносчиком является фотон. Для гравитационного взаимодействия предполагают – гравитон.
В космических масштабах такие наблюдения более наглядны. Так, луч света (электромагнитное взаимодействие) от Солнца доходит до Земли за 8 минут, а от Полярной звезды — за 472 года, т.е. мы видим сейчас Полярную звезду такой, какой она была во времена Колумба.
Резюме теоретической части:
Взаимосвязь материальных объектов проявляется прежде всего в том, что они взаимодействуют друг с другом. При этом, не существует одного универсального вида взаимодействия, а имеются четыре вида взаимодействий, которые осуществляются посредством соответствующих полей, являющихся их материальным носителями. Такими взаимодействиями являются: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.
Конечность скорости распространения фундаментальных полей и перенос энергии и импульса этими полями позволяют признать их одной из составляющих материи.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:
Задание 1. В макромире в области масштабов от радиуса атома до нескольких километров наиболее эффективным является … взаимодействие.
Пояснение: правильный ответ – «б». Поскольку сильное и слабое взаимодействие проявляются в масштабах, соотносимых с размером ядра. При этом гравитационное взаимодействие является очень слабым взаимодействием, суммируется и проявляется при огромных массах, поэтому на уровне атомов гравитационными силами пренебрегают.
Задание 2. Соотнесите, какие из утверждений относятся к электромагнитному, а какие – к гравитационному взаимодействию.
а) частица-переносчик – фотон;
б) частица-переносчик – гравитон;
в) обеспечивает взаимодействие абсолютно всех частиц;
г) обеспечивает взаимодействие электрически заряженных частиц;
д) действует на расстояниях соизмеримых с размером ядра атома;
е) распространяется со скоростью света.
Электромагнитное взаимодействие: а, г, е.
Гравитационное взаимодействие: б, в, е.
Пояснение: ответ «д» является характеристикой сильного взаимодействия, т.е. не соответствует ни одному из рассматриваемых взаимодействий.
Источник
Фундаментальные взаимодействия
От прогулки по улице, до запуска ракеты в космос, или прикрепления магнита на ваш холодильник, физические силы действуют всюду вокруг нас. Но все силы, которые мы переживаем каждый день (и многие из них мы не осознаем) могут быть сведены всего к четырём фундаментальным взаимодействиям:
- гравитационному;
- электромагнитному;
- сильному;
- слабому.
Они называются четыре фундаментальные силы природы, и они управляют всем, что происходит во всей Вселенной.
Гравитация
Гравитация это притяжение между двумя объектами, которые имеют массу или энергию, это видно, когда бросаешь камень с моста, когда планеты кружат по орбите вокруг звезды или когда Луна становится причиной приливов и отливов на Земле. Гравитация, возможно, самая подсознательно воспринимаемая и знакомая из фундаментальных сил, но она также является самой сложной для объяснения.
Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно его на это вдохновило яблоко, которое упало с дерева. Он описал гравитацию как постоянное притяжение между двумя объектами. Спустя века, Альберт Эйнштейн предложил свою теорию общей относительности, согласно которой гравитация это не притяжение, а сила. Массивный объект ведёт себя в пространстве-времени, немного похоже на то, как большой мяч расположенный посреди листа влияет на материю, деформируя её и заставляя другие, меньшие, объекты на листе двигаться к центру.
На этом снимке, полученном космическим телескопом “Хаббл”, показан детальный вид центральной части спиральной галактики без перемычки NGC 772. Авторы и права: NASA / ESA / Hubble / A. Seth et al.
Гравитацией удерживаются вместе планеты, звёзды и даже галактики, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярных и атомарных уровнях. Подумай об этом: Насколько тяжело поднять мяч с земли? Или поднять твою ступню? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомарном уровнях, гравитация почти не имеет никакого влияния в сравнении с другими фундаментальными силами.
Электромагнетизм
Электромагнитное взаимодействие также называется силой Лоренца и действует между заряжёнными частицами. Противоположные заряды притягивают друг друга, в то время как одинаковые заряды отталкиваются. Чем больше заряд, тем сильнее сила. Точно так же, как и гравитация, эта сила может чувствоваться с бесконечного расстояния (хотя сила будет очень, очень мала на таком расстоянии).
Как указывает её название, электромагнитная сила состоит из двух частей электрической силы и магнитной силы. Сначала физики описывали эти силы как отдельные друг от друга, но позже исследователи осознали, что они являются компонентами одной и той же силы.
Электрический компонент действует между заряжёнными частицами двигаются ли они или нет, создавая поле, которым заряды могут влиять друг на друга. Но если их привести в движение эти заряжённые частицы начинают демонстрировать второй компонент, магнитную силу. Частицы создают магнитное поле вокруг них в то время, когда они движутся. Таким образом, когда электроны спешат по проводам, чтобы зарядить ваш компьютер или телефон, или включить ваш телевизор, вокруг провода образуется магнитное поле.
Магнитные поля в спиральной галактике Мессье 77. Магнитные поля выравниваются по всей длине массивных спиральных рукавов галактики, подразумевая, что гравитационные силы, которые создали форму галактики, также сжимают и её магнитное поле. Авторы и права: NASA / SOFIA / JPL-Caltech / Roma Tre University.
Электромагнитные силы передаются между заряжёнными частицами в результате обмена невесомыми, несущими силу бозонами, которые называются фотоны. Несущие силу фотоны, которые меняются местами с заряжёнными частицами, в то же время являются другой формой фотонов.
Электромагнитные силы ответственны за некоторые из самых часто наблюдаемых явлений: трение, упругость, нормальная сила и сила удержания твёрдых тел в заданной форме. Они также ответственны за притяжение, которое испытывают птицы, самолеты и даже Супермен, во время полёта. Это становится возможным благодаря тому, что заряжённые (нейтральные) частицы взаимодействуют друг с другом. Нормальная сила, которая держит книгу на крышке стола, например, является последствием отталкивания электронов атомов стола и электронов атомов книжки.
Сильное взаимодействие
Сильная ядерная сила, также называется сильное ядерное взаимодействие, это самая сильная фундаментальная сила природы. Она в шесть тысяч квинтильонов квинтильонов квинтильонов (это 39 нолей после 6!) раз сильнее чем сила гравитации. И поэтому она в состоянии связать вместе фундаментальные частицы вещества, чтобы сформировать большие частицы. Она держит вместе кварки, которые составляют протоны и нейтроны, и часть сильного взаимодействия также держит вместе протоны и нейтроны атомного ядра.
Сильное взаимодействие работает только тогда, когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу. Они должны быть где-то на расстоянии 10 -15 метров друг от друга, или, грубо говоря, на расстоянии диаметра протона.
Хотя, сильное взаимодействие является нерегулярным, потому что, в отличие от любой другой фундаментальной силы, оно становится слабее, когда между субатомными частицами уменьшается расстояние. Фактически она достигает максимальной силы, когда частицы находятся дальше всего друг от друга. Крошечная частица сильного взаимодействия, называемая остаточным сильным взаимодействием, действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядрах отталкивают друг друга потому что они имеют одинаковый заряд, но остаточное сильное взаимодействие может побороть это отталкивание, таким образом частицы остаются связанными в aтомных ядрах.
Слабое взаимодействие
Слабая сила, также называется слабым ядерным взаимодействием, ответственна за распад частиц. Это постоянное изменение одного типа субатомных частиц в другие. Таким образом, например, нейтрино который случайно пройдёт близко возле нейтрона может превратить нейтрон в протон, в то время, как нейтрино станет электроном.
Физики описывают это взаимодействие через обмен несущими силу частицами, которые называют бозонами. Специфические виды бозонов ответственны за слабое, электромагнитное и сильное взаимодействия. В случае слабого взаимодействия, бозоны – это заряжённые частицы, которые называются бозоны W и Z. Когда субатомные частицы такие как протоны, нейтроны и электроны подходят на расстояние 10 -18 метров или 0,1% диаметра протона, один к другому, они могут обменяться своими бозонами.
Наше Солнце – звезда второй популяции возрастом около пяти миллиардов лет. Она включает в себя элементы, которые тяжелее водорода и гелия, а также кислород, углерод, неон и железо. Авторы и права: NASA / Solar Dynamics Observatory.
Слабое взаимодействие критично для реакции ядерного слияния, которая даёт энергию Солнцу и производит энергию, которая требуется для большинства форм жизни здесь на Земле. Именно поэтому археологи могут использовать, радиоактивный углерод, чтобы датировать древние кости, дерево и другие артефакты. Радиоактивный углерод имеет шесть протонов и восемь нейтронов, один из этих нейтронов распадается в протон, чтобы создать радиоактивный азот, который имеет семь протонов и семь нейтронов. Этот распад происходит прогнозируемо, что позволяет учёным определять насколько старым является такой артефакт.
Единая теория фундаментальных взаимодействий
Главный вопрос четырёх фундаментальных взаимодействий заключается в том являются ли они в действительности проявлением единой большой силы Вселенной или нет. Если да, каждая из них должна быть в состоянии объединяться с другими, и уже есть некоторые доказательства.
Физики Шелдон Глашоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Салам с Империального колледжа в Лондоне выиграли Нобелевскую премию по физике в 1979 за объединение электромагнитной и слабой сил в результате чего появилась электрослабое взаимодействие. Физики также пытались объединить электрослабую силу с сильным взаимодействием,. Окончательный кусочек пазла будет требовать объединения гравитации с электросильной силой, чтобы развить, так называемую теорию всего, теоретическую систему взглядов, которая могла бы объяснить всю Вселенную.
Физикам довольно сложно совместить микромир с макромиром. На больших и в особенности астрономических шкалах, гравитация доминирует и лучше всего описывается теорией общей относительности Эйнштейна. Но на молекулярных, атомных и субатомных шкалах доминирует квантовая механика. На данный момент никому ещё не удалось найти хороший способ объединить эти два мира.
Физики, изучающие квантовую гравитацию, имеют своей целью описать силу в условиях квантового мира, что могло бы помочь с объединением. Фундаментальным для этого подхода было бы открытие гравитонов, теоретических, несущих силу бозонов гравитационной силы. Гравитация – это единственная фундаментальная сила, которую физики могут сейчас описать, не используя частицы, которые несут силу. Но, потому что описания всех других фундаментальных сил требует частиц, которые несут силу, учёные ожидают, что гравитоны должны существовать на субатомном уровне – исследователи эти частички просто пока не нашли.
Масса галактик в скоплении Abell 2744 составляет менее пяти процентов от общей массы. Газ (около 20 процентов) настолько горячий, что светит только в рентгеновских лучах (выделен красным). Невидимая тёмная материя (около 75 процентов массы) здесь окрашена в синий цвет. Авторы и права: NASA / EKA.
Чтобы ещё больше всё усложнить можно вспомнить о невидимом царстве тёмной материи и тёмной энергии. Неясно состоят ли тёмная материя и энергия из одной частицы или всего набора частиц, которые имеют их собственные силы и носители бозоны.
Первичные носители-частицы, которые представляют интерес – это теоретический тёмный фотон, который передавал бы взаимодействия между видимой и невидимой материей. Если тёмные фотоны существуют, они могли бы привести к открытию пятой фундаментальной силы. Пока, однако, нет доказательств того, что тёмные фотоны существуют и некоторые исследования предоставили сильные доказательства, что эти частички не существуют.
Источник
