Частицы классификация русский язык

Как подчеркивать частицы в предложении

Поскольку они не являются членами предложения, их подчеркивать не надо. Но в школьной практике бывает иначе. Некоторые учителя говорят, что надо подчеркивать вместе с тем словом, к которому частица относится. Например: «Я не рассказал друзьям о происшедшем» – частица «не» относится к сказуемому «рассказал», поэтому подчеркивается вместе с ним двойной линией.

Некоторые учителя велят выделять служебные слова, например, в треугольник. Я думаю, что это более рационально, помогает ребенку «видеть» служебные части речи в предложении.

Уточните у своего учителя, как подчеркивать предлоги, союзы и частицы и подчеркивайте так, как он/она скажет.

Классификация микрочастиц

Основные представления статистической Физики.

При изучении основных физических свойств различных микроприборов (и соответственно материалов из которых они сделаны) нам необходимо выяснить поведение коллектива микрочастиц.

Классификация микрочастиц.

Для проведения классификации необходимо сделать несколько предположений:

1) Все частицы в нашем коллективе будут тождественны, следовательно Принцип Гейзенберга — принцип неразличности частиц в коллективе.

Так как в квантовой механике нет понятия траектории (мы не можем одновременно определить координату и импульс (dх, dр > h), то не можем различить данную частицу в коллективе, т. е. отличить ее от другой.

Пусть есть волновая функция ψ, которая будет описывать поведение 1-ой и 2-ой частицы в рассматриваемом коллективе, следовательно ψ(r1, r2), следовательно W=|ψ(r1, r2)|2dr1dr2 — эта запись показывает вероятность того, что в состоянии, описываемом функцией ψ, координаты 1-ой частицы лежат в интервале r1 ÷ r1+dr1, и 2-ой частицы в интервале r2 ÷ r2+dr2.

Согласно принципу неразличимости, перестановка частиц не должна изменить физического состояния системы

r1-r2->r2-r1

т.е. ψ(r1, r2)->ψ(r2, r1),

следовательно |ψ(r1, r2)|2=|ψ(r2, r1)|2

Это тождество выполняется в 2-х случаях:

  1. ψ(r1, r2)=-ψ(r2, r1) — ассиметричная функция — фермионы
  2. ψ(r1, r2)=ψ(r2, r1) — симметричная функция — бозоны

Между этими частицами существует обменное взаимодействие, которое может быть 2-х видов :

  • отталкивания;
  • притяжения.

Для фермионов характерно отталкивание, т.е. стремление к уединению.

Поясним это: Пусть микрочастицы в одинаковом интервале r1=r2 следовательно ψ(r1, r1). По принципу неразличимости ψI(r1, r1)=-ψII(r1, r1).

Два числа с разными знаками равны, если они равны нулю: |ψ(r1, r1)|2 = 0 следовательно вероятность нахождения двух частиц в одном месте, с одинаковыми параметрами равна 0.

Принцип Паули: о невозможности нахождения двух фермионов в одном состоянии.

Фермионы не обладают целочисленным спином : S= ±1/2; ±3/2; …

К фермионам относятся : электроны, протоны, нейтроны, ядра химических элементов, у которых нечетное количество нуклонов (т.к. они тоже имеют не целочисленный спин). Свойством притяжения обладают бозоны (т. е. они стремятся к объединению, чем больше коллектив таких частиц, тем у него больше свойство притягивать к себе другие частицы — бозоны).

По аналогии : ψI(r1, r2)=ψII(r1, r2)&nequal;0 =>ψ(r1, r2)2&nequal;0 — эти частицы могут находиться в одном месте.

Спин у бозонов целочисленный : S= ±1; ±2; …

Бозоны: фотоны, пионы, ядра химических элементов с четным количеством нуклонов.

2) Микрочастицы будем рассматривать как идеальный газ.

И он для нас будет являться простейшим коллективом микрочастиц.

Идеальный газ — это совокупность частиц, энергия взаимодействия которых мала по сравнению с их кинетической энергией.

Уточнение:

  • энергия мала не по величине, а это означает, что частицы встречаются редко, но именно это взаимодействие их при встрече приводит к установлению термодинамического равновесия;
  • имеется в виду слабое силовое взаимодействие, тогда как обменное взаимодействие — сильное;
  • считаем, что все частицы в нашем коллективе движутся, лишь поступательно, т. е. вращательно-колебательное движение мы не учитываем.

Группы элементарных частиц

Информацию об основных элементарных частицах мы собрали в таблицу. Размещение частиц соответствует существующей ныне системе классификации элементарных частиц. Каждая из частиц имеет ряд характеристик: время жизни, масса, выраженная в электронных массах, электрический заряд в единицах элементарного заряда и спин, который также носит название момента импульса, выраженный в единицах постоянной Планка ħ = h2π.

Группа Название частицы Символ Масса (в электронных массах) Электрический заряд Спин Время жизни (с)
Частица Античастица
Фотоны Фотон γ 1 Стабилен
Лептоны Нейтрино электронное νe νe~ 12 Стабильно
Нейтрино мюонное νμ νμ~ 12 Стабильно
Электрон e– e+ 1 –1     1 12 Стабилен
Мю-мезон μ– μ+ 206,8 –1     1 12 2,2·10–6
Адроны Мезоны Пи-мезоны π 264,1 ,87·10–16
π+ π– 273,1 1     –1 2,6·10–8
К-мезоны K+ K– 966,4 1     –1 1,24·10–8
K K~ 974,1 ≈ 10–10–10–8
Эта-нуль-мезон η 1074 ≈ 10–18
Барионы Протон p p~ 1836,1 1     –1 12 Стабилен
Нейтрон n n~ 1838,6 12 898
Лямбда-гиперон Λ Λ~ 2183,1 12 2,63·10–10
Сигма-гипероны Σ+ Σ+~ 2327,6 1     –1 12 ,8·10–10
Σ Σ~ 2333,6 12 7,4·10–20
Σ – Σ –~ 2343,1 –1     1 12 1,48·10–10
Кси-гипероны Ξ Ξ~ 2572,8 12 2,9·10–10
Ξ – Ξ –~ 2585,6 –1     1 12 1,64·10–10
Омега-минус-гиперон Ω– Ω–~ 3273 –1     1 12 ,82·10–11

Определение 3

Выделяют три основные группы элементарных частиц:

  • фотоны;
  • лептоны;
  • андроны.

Определение 4

Фотоны представлены одной частицей. Это фотон – носитель электромагнитного взаимодействия.

Определение 5

К лептонам относятся легкие частицы:

  • два сорта нейтрино (электронное и мюонное);
  • электрон;
  • μ-мезон.

Объединяет частицы из группы лептонов спин 12. В таблицу мы включили только основные лептоны. На самом деле их намного больше.

Определение 6

Андроны делятся на две основные подгруппы:

  • мезоны;
  • барионы.

Нужна помощь преподавателя?
Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Определение 7

К подгруппе мезонов относятся:

  • нейтральные, а также положительно и отрицательно заряженные π-мезоны, чья масса составляет порядка 250 электронных масс;
  • четыре K-мезона;
  • η-мезон.

Спин всех мезонов равен нулю.

Подгруппа барионов по сравнению с мезонами является более обширной и состоит из более тяжелых элементарных частиц. Нуклоны являются самыми легкими из барионов, затем идут гипероны. Масса омега-минус-гиперона составляет 3273 электронных массы. Спин барионов составляет 12.

Виды частиц по строению

В зависимости от способа образования различают непроизводные  и производные частицы.

Производными являются частицы, которые произошли от слов, относящихся к другим частям речи. Чаще всего они образуются от местоимений (это, все, всего), наречий (подлинно, определенно, исключительно) или союзов (если, хотя, будто). Однако существуют также глагольные формы (мол), перешедшие в разряд частиц.

Непроизводные частицы также принято называть первичными (да, нет не, ни, бы, же). По сравнению с производными они составляют небольшую группу, так как переход слов в разряд частиц является продуктивной моделью образования слов в современном русском языке.

Все непроизводные частицы являются простыми по строению, а среди производных есть как простые (лишь, словно, как), так и составные (вовсе не, только лишь, разве не, как раз, куда там).

6.1 Электрическое поле заряженной элементарной частицы

Для приближенного описания постоянного электрического поля заряженной элементарной частицы, как системы точечных зарядов, потребуется не менее 6 «кварков» внутри элементарной частицы — лучше если взять 8 «кварков», и при этом совершенно не важно, будет это позитрон, π+ мезон, протон, положительно заряженный векторный мезон, или любая другая положительно заряженная элементарная частица (для отрицательно заряженных элементарных частиц, поле меняет свой знак, на противоположный). Три сказочных кварка в протоне и два сказочных кварка в заряженном мезоне не могут отобразить реальную структуру постоянного электрического поля заряженной элементарной частицы

Понятное дело, что это выходит за рамки стандартной модели — модели кварков.

У любой заряженной элементарной частицы, можно выделить два электрических заряда и соответственно два электрических радиуса:

Для отрицательно заряженной элементарной частицы

электрический радиус внешнего постоянного электрического поля (заряда -1.25e) — rq-.

электрический радиус внутреннего постоянного электрического поля (заряда +0.25e) — rq+.

Для положительно заряженной элементарной частицы

электрический радиус внешнего постоянного электрического поля (заряда +1.25e) — rq+.

электрический радиус внутреннего постоянного электрического поля (заряда -0.25e) — rq-.

Величины радиусов определяются полевой теорией элементарных частиц.

Данные характеристики электрического поля заряженной элементарной частицы соответствуют распределению 1 полевой теории элементарных частиц. Физика пока экспериментально не установила точность данного распределения и какое распределение наиболее точно соответствует реальной структуре постоянного электрического поля заряженной элементарной частицы в ближней зоне.

Электрический радиус указывает среднее местонахождение равномерно распределенного по окружности электрического заряда, создающего аналогичное электрическое поле. Оба электрических заряда лежат в одной плоскости (плоскости вращения переменного электромагнитного поля элементарной частицы) и имеют общий центр, совпадающий с центром вращения переменного электромагнитного поля элементарной частицы.

Напряженность E электрического поля отрицательно заряженной элементарной частицы (например, электрона) в ближней зоне (r~r0~), в системе СИ, как векторная сумма, приблизительно равна:

где n=r/r — единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда qэлементарной частицы в направлении точки наблюдения (А), n+=r+/r — единичный вектор из ближней (1) или дальней (2) точки заряда q+ элементарной частицы в направлении точки наблюдения (А), r — расстояние от центра элементарной частицы до проекции точки наблюдения на плоскость электрона, q — внешний электрический заряд -1.25e, q+ — внутренний электрический заряд +0.25e, жирным шрифтом выделены вектора, ε — электрическая постоянная, z — высота точки наблюдения (А) (расстояние от точки наблюдения до плоскости элементарной частицы), r — нормировочный параметр. (В системе СГС отсутствует множитель .) Для определения напряженности электрического поля положительно заряженной элементарной частицы (например, протона), в уравнении необходимо заменить все знаки электрических зарядов на противоположные.

Данное математическое выражение представляет собой сумму векторов и ее надо вычислять по правилам сложения векторов, поскольку это поле двух распределенных электрических зарядов (q-= -1.25e и q+= +0.25e). Первое и третье слагаемое соответствуют ближним точкам зарядов, второе и четвертое — дальним. Данное математическое выражение не работает во внутренней (кольцевой) области элементарной частицы, генерирующей ее постоянные поля (при одновременном выполнении двух условий: r 0~c и Z 0~c).

Потенциал электрического поля отрицательно заряженной элементарной частицы (например, электрона) в точке (А) в ближней зоне (r~r0~), в системе СИ приблизительно равен:

где r — нормировочный параметр, величина которого может отличаться от значения в формуле E. (В системе СГС отсутствует множитель .) Данное математическое выражение не работает во внутренней (кольцевой) области элементарной частицы, генерирующей ее постоянные поля (при одновременном выполнении двух условий: r 0~c и Z 0~c). Для определения потенциала электрического поля положительно заряженной элементарной частицы (например, протона), в уравнении необходимо заменить все знаки электрических зарядов на противоположные.

Калибровку r для обоих выражений ближней зоны необходимо производить на границе области, генерирующей постоянные поля электрона.

Знаки препинания при частицах

Если формообразующие и отрицательные частицы не вызывают сомнений по поводу отсутствия при них знаков препинания, то смысловые требуют пояснения. По внешнему виду слова этой части речи (о, ну, ах) сходны с междометиями, требующими выделения запятыми.

При синтаксическом разборе возникает вопрос, как обозначается частица. Поскольку отдельным членом предложения служебная часть речи не является, в этом случае слова из разрядов отрицательных и формообразующих присоединяются к значимым частям речи и подчёркиваются вместе с ними.

Модальные членом предложения не являются и не подчёркиваются.

Из знаков препинания при частицах применяется дефис.

Энергии

Энергии элементарных частиц измеряют в электронвольтах (эВ) и кратных единицах. По определению, 1 эВ — это энергия, которую приобретет электрон в электрическом поле при прохождении разности потенциалов в 1 вольт; 1 эВ примерно равен 1,6·10–19 Дж. Электронвольт удобен для описания атомных и оптических процессов. Например, молекулы газа при комнатной температуре имеют кинетическую энергию примерно 1/40 электронвольта. Кванты света — фотоны — в оптическом диапазоне имеют энергию около 2 эВ.

Явления, происходящие внутри ядер и элементарных частиц, сопровождаются гораздо большими изменениями энергии. Здесь уже используются мегаэлектронвольты (МэВ, 106 эВ), гигаэлектронвольты (ГэВ, 109 эВ) и даже тераэлектронвольты (ТэВ, 1012 эВ). Например, протоны и нейтроны движутся внутри ядер с кинетической энергией в несколько десятков МэВ. Энергия протон-протонных или электрон-протонных столкновений, при которых становится заметна внутренняя структура протона, составляет несколько ГэВ. Для того чтобы родить самые тяжелые из известных на сегодня частиц, топ-кварки, требуется сталкивать протоны с энергией около 1 ТэВ.

Между шкалой расстояний и шкалой энергии можно установить соответствие. Для этого можно взять фотон с длиной волны L и вычислить его энергию: E = c·h/L. Здесь c — скорость света, а h — постоянная Планка, фундаментальная квантовая константа, равная примерно 6,62·10–34 Дж·с. Это соотношение можно использовать не только для фотона, но и более широко, при оценке энергии, необходимой для изучения материи на масштабе L. В «микроскопических» единицах измерения, 1 ГэВ отвечает размеру примерно 1,2 фм.

Шкалу энергий можно также связать и со шкалой времен: E = h/T. Физический смысл этого соотношения в квантовой механике таков: процесс, сопровождающийся неопределенностью энергии E, длится примерно в течение времени T. Например, если частица распадается в течение типичного адронного масштаба времени, то неопределенность ее массы составляет порядка 1 ГэВ.

I. Фермионы

В этот класс входят 12 обычных частиц и столько же античастиц. Они противоположны по заряду: например, античастица отрицательно заряженного электрона — это положительно заряженный позитрон.

Эти 12 частиц, в свою очередь, можно поделить на две группы по 6 штук: кварки и лептоны.

Как устроен атом

Атом состоит из ядра, в котором сосредоточено более 99 % его массы, и электронной оболочки, окружающей его, как облако. Электроны, составляющие внешнюю оболочку, — это элементарные частицы. Ядро же состоит из протонов и нейтронов (вместе они называются нуклонами). Протоны заряжены положительно, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов на внешней оболочке, а нейтроны, как следует из названия, вообще не имеют заряда и «склеивают» ядро, не давая ему распасться (как это происходит с радиоактивными элементами).

Кварки — любители ходить в парах

В отличие от электронов кварки не могут существовать в свободном состоянии и соединяются в пары. Эти пары называются мезонами — это частицы, которые перемещаются между протонами и нейтронами и удерживают ядро в стабильном состоянии. Три кварка образуют нуклоны — протон или нейтрон. Частицы, состоящие из четырех или пяти кварков, являются экзотическими и отчасти вызывают гравитационное взаимодействие между телами.

Лептоны — одиночки

Второй тип фермионов — лептоны, их свойства совершенно другие. Кварки не могут существовать поодиночке, а лептоны, наоборот, не могут соединяться (если это, конечно, не частица со своей античастицей: объединяясь, они исчезают, выделяя энергию).

Долгое время ученые не могли понять, в чем «сила» электрона. В конце концов они нашли этому одно разумное объяснение: электрон — это единственная стабильная заряженная частица из своего класса. Остальные 5 заряженных лептонов не существуют дольше 2 микросекунд: они либо распадаются на несколько более мелких частиц, либо, наоборот, соединяются в одну более крупную.

Нейтрино — неуловимые лептоны

Еще один вид лептонов — нейтрино, практически неуловимые частицы, которые движутся в космосе со скоростью света. Еще с середины ХХ века проводятся эксперименты, чтобы их поймать и изучить. Многое в этих «неуловимых» частицах уже исследовано, и ученые даже пытались создать коммуникацию с их помощью, но идея осталась лишь в планах. Нейтрино могут быть индикаторами различных процессов, происходящих в ядрах звезд. Например, в нашем Солнце протекает множество термоядерных реакций каждую секунду, и практически каждая такая реакция выделяет хотя бы одно нейтрино.

Нейтрино бывают нескольких видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Все эти названия взяты не с потолка.

Теория[править | править код]

Квантовая теория поля
Фейнмана диаграмма
История
Фон
Теория поля Калибровочная теория Симметрия Пуанкаре Квантовая механика Спонтанное нарушение симметрии
Симметрия
Ответсвенность подбора информации Пересечения (физика) Четность Время разворота Симметрия в квантовой механике
Инструменты
Аномалия Эффективная теория поля Математическое ожидание — вакуум Духи Фаддеева- Попова Диаграмма Фейнмана Решеточная калибровочная теория LSZ снижение формулы Партитионная функция Пропагатор Квантования Регуляризация Перенормировки Вакуум государства Теорема фитиль Аксиомы Wightmanа
Уравнение Дирака
* Уравнение Дирака
  • Уравнение Клейна-Гордона
  • Действие Прока
  • Уравнение Wheeler-DeWitt
  • Уравнение Bargmann-Вигнера
Стандартные модели
* Электрослабое взаимодействие
  • Механизм Хиггса
  • Квантовая хромодинамика
  • Квантовая электродинамика
  • Теория Yang-Millsа
Неполные теории
* Квантовая гравитация
  • Теория струн
  • Суперсимметрии
  • Технология теории моделей вне стандартной
  • Теория всего
Учёные
* C. D. Anderson * P. W. Anderson * бете * Bjorken * Им. Н.Н. Боголюбова * Brout * Callan * Coleman * DeWitt * Дирак * Dyson * Энглерт * Fermi * Feynman * Фирца * ФОК * Fröhlich * Glashow * Гелл-Манн * Gross * Гуральник * Гейзенберг * Higgs * Гаага * Hagen * ‘т Хоофта * Иордании * Kendall * корма * Lamb * Ландау * Lee * Majorana * Mills * Намбу * Нишиджима * Parisi * Поляков * Salam * Швингер * Скирма * Сударшан * Tomonaga * Вельтману * Ward * Вайнберг * Вейля * Вильчек * Уилсон * Ян * Юкава

Теоретическая физика элементарных частиц — попытки разработать модели, теоретические основы и математические инструменты, чтобы понять текущие эксперименты и делать прогнозы для будущих экспериментов. См. также теоретическая физика en:Theoretical_physics. Существуют несколько основных взаимосвязанных усилий, предпринимаемые в области теоретической физики элементарных частиц на сегодняшний день. Одним из важных — отдельно попытка лучше понять стандартную модель и ее испытания. Путем извлечения параметров стандартной модели — от экспериментов с меньшей неопределенностью. Эта работа исследует пределы стандартной модели и, следовательно, расширяет наше понимание природы строительных блоков. Эти усилия осуществляются сложно, наличие сложности расчёта величин в квантовой хромодинамике en:Quantum_chromodynamics. Некоторые теоретики, работающие в этой области называют себя phenomenologists en:Quantum_chromodynamics и они могут использовать инструменты квантовой теории поля en:Quantum_field_theory и эффективной теории поля en:Effective_field_theory. Другие делают ставку на использование решеточной теории поля en:Lattice_field_theory и называют себя теоретиками решетки.

Другие основные усилия в процессе создания модели, где строительство модели en:Model_building_(particle_physics) требует разработку идей для того, что бы физика могла лежать за пределами стандартной модели en:Physics_beyond_the_Standard_Model (при более высоких энергиях или меньших расстояниях). Эта работа часто мотивируется проблемами иерархии en:Hierarchy_problem и сдерживается существующими экспериментальными данными. Основные усилия могут включать в себя работы по суперсимметрии en:Supersymmetry, альтернативы Хиггсовского механизма en:Higgs_mechanism, дополнительных пространственных измерений (таких, как Рэндалл-Sundrum моделей en:Randall–Sundrum_model), Preon en:Preon теории, комбинации этих или других идей.

Третие значительные усилия в области теоретической физики элементарных частиц — теория струн en:String_theory. Струнные теоретики пытаются построить единое описание квантовой механики и общей теории относительности путем построения теории, основанной на малых струнах и мембранах en:Brane , а не на частицах. Если теория успешна, ее можно считать теорией всего en:Theory_of_everything.

Есть и другие направления работы в области теоретической физики элементарных частиц, начиная от частиц, космологии для петлевой квантовой гравитации en:Loop_quantum_gravity.

Это деление усилий в области физики элементарных частиц отражается в названиях категорий как: архивные en:wiki/ArXiv (имеющиеся теории), архива бумаг (не разработанных теорий en:Preprint): hep-th (теория), hep-ph (феноменология), hep-ex (эксперименты), hep-lat (решеточная калибровочная теория en:Lattice_gauge_theory).

3 Радиус элементарной частицы

Теперь разберемся с радиусом (r) элементарной частицы, в полевой теории он определяется как r0~.

У нас имеется масса переменного электромагнитного поля (назовем ее m0~) вращающаяся со средней скоростью равной скорости света по среднему радиусу (r) с вращательным моментом равным Lħ. Тогда средний радиус такого вращения будет определяться формулой:

Масса, сосредоточенная в переменном электромагнитном поле m0~ немного меньше массы покоя m. Для ее определения необходимо вычислить отдельно энергию, содержавшуюся в постоянных электрическом и магнитном полях, а затем вычесть ее из полной внутренней энергии — так мы получим энергию, содержащуюся только в переменном электромагнитном поле. Но если достаточно точности 4 процента — то можно использовать приближенную формулу. А можно и взять данные (процент от полной внутренней энергии) от уже рассчитанной аналогичной элементарной частицы (протон, нейтрон, позитрон, мюон, электрон).

Радиус области пространства, занимаемого элементарной частицей, определяется как:

К величине r0~ добавился еще радиус кольцевой области, занимаемой переменным электромагнитным полем элементарной частицы. Необходимо помнить, что часть величины массы покоя, сосредоточенной в постоянных (электрическом и магнитном) полях элементарной частицы находится за пределами данной области, в соответствии с законами электродинамики.

II. Бозоны

Невольно возникает вопрос: а чем фермионы отличаются от бозонов? Всё дело в квантовой характеристике — спи́не. У фермионов он дробный: чтобы при повороте в пространстве частица стала симметричной себе, надо повернуть ее больше чем на один полный оборот. А у бозонов спин целый — то есть либо они одинаковы, как ни крути, либо для совмещения самих с собой в пространстве их нужно повернуть на 180 или 360 градусов.

Спин обуславливает обменное взаимодействие элементарных частиц, когда между двумя одинаково заряженными частицами может возникать связь (это свойство исчезает при переходе к большим системам). Если по законам классической механики два электрона должны отталкиваться, то квантовая механика «разрешает» им находиться относительно близко друг от друга — на одной орбитали.

Траектории движения элементарных частиц, образующихся в результате столкновения двух протонов

Бозоны, слава богу, не делятся ни на какие группы. В Стандартной модели их выделяют всего пять: фотон, W-бозон, Z-бозон, глюон и бозон Хиггса. С фотоном мы уже знакомы, его функция — переносить электромагнитное возбуждение (то есть свет разного диапазона длин волн). W- и Z-бозоны — это своего рода волшебные палочки. W-бозоны переносят электрический заряд, понижая или повышая его у выбранной цели, и могут превращать один вид кварков в другой. Z-бозоны помогают передавать импульс и спин от одной частицы к другой при их столкновении.

Выделяют 8 типов глюонов.

Избранное

См. также

Приносить пользу. Памяти Алексея Владимировича Бялко

07.09 • Редакция журнала «Природа» • Библиотека

Следствия столкновения, породившего Луну: траектории осколков

Алексей Бялко, Михаил Кузьмин • Библиотека • «Природа» №10, 2020

Луна могла сформироваться из выплеснувшейся на орбиту земной магмы

16.05.2019 • Владислав Стрекопытов • Новости науки

Земная порода с Луны

04.02.2019 • Владислав Стрекопытов • Картинки дня

«История Земли». Глава из книги

2015 • Роберт Хейзен • Книжный клуб • Главы

У земных и лунных пород значения изотопного показателя кислорода различаются

30.03.2020 • Кирилл Власов • Новости науки

На поверхности Луны обнаружен материал ее мантии

13.06.2019 • Кирилл Власов • Новости науки

Мантийный селен подтверждает, что вода попала на Землю в ходе поздней тяжелой бомбардировки

26.08.2019 • Владислав Стрекопытов • Новости науки

Глубины магматических океанов хватило для окисления мантии молодой Земли

12.09.2019 • Кирилл Власов • Новости науки

Метеорные потоки стимулируют круговорот воды на Луне

10.05.2019 • Кирилл Власов • Новости науки

Биография Земли: основные этапы геологической истории

Михаил Кузьмин, Владимир Ярмолюк • Библиотека • «Природа» №6, 2017

Изотопный состав неона из мантии указывает на то, что молодая Земля росла быстро

12.12.2018 • Владислав Стрекопытов • Новости науки

Что грозит планете из космоса?

Максим Борисов • Библиотека • «Троицкий вариант» №8, 2021

Зодиакальный свет: старая проблема и новые гипотезы

Алексей Бялко • Библиотека • «Природа» №6, 2020

Радиационное охлаждение осколков

При разлете от раскаленной Земли осколки имели высокую начальную температуру по всей своей массе, достигающую нескольких тысяч кельвинов. Рассмотрим, как падают температуры таких горячих осколков в результате радиационного охлаждения.

Тепловые характеристики силикатных осколков в течение первых оборотов вокруг Солнца можно считать близкими плотности ρ, теплоемкости cp и теплопроводности k обыкновенных хондритов:

ρ = (3,2–3,9) · 103 кг/м3; cp = 680–900 Дж/(кг·К); k = 2,3–3,9 Вт/(К·м).

Нижние пределы этих параметров относятся к хондритам типа L с низким содержанием железа, а верхние — к хондритам типа H, с высоким. Их коэффициенты температуропроводности χ ограничены достаточно узким диапазоном значений:

χ = kcp = (1,03–1,20) · 10−6 м2/с = 35 ± 3 м2/год.

Как хорошо известно, расстояние выравнивания температуры, а в нашем случае глубина остывания раскаленной поверхности растет со временем как

D(t) = 2(χt)1/2.

Если размеры тела достаточно велики, то глубина остывания за год составит примерно 12 м, за четыре года — более 20 м, за десять лет — примерно 50 м. Тела с размерами, меньшими этих величин, остынут за эти времена практически полностью.

Охлаждение изначально горячего тела прекращается в тот момент, когда температура его поверхности становится равной равновесной температуре, обусловленной солнечным излучением и отражательной способностью тела. Эта равновесная температура описывается хорошо известной формулой

Trad = TS(RS/2a)1/2(1 − A)1/4.

Здесь RS — радиус Солнца, TS — его температура в данную эпоху, a — большая полуось орбиты тела, A — альбедо тела.

Напомним, что светимость Солнца в рассматриваемую эпоху была существенно, на 75–80%, ниже современной; соответственно ниже была и температура его поверхности TS. График зависимости Trad от альбедо А приведен на рис. 1. Вообще говоря, полуоси орбиты у осколков разнятся, но при построении этого графика среднее расстояние до Солнца a считалось равным астрономической единице. Большинство хондритов имеют темную поверхность, их альбедо мало. Так, при А = 0,05 радиационная температура оказывается близкой к 250 К.

Теперь рассмотрим раскаленное тело, вылетевшее в космос после ГС, его форма при достаточно крупных размерах близка к сферической. Поверхность горячего осколка излучает энергию в вакуум по закону Стефана — Больцмана пропорционально T4. Временно забудем о внешнем солнечном освещении. Внутренняя температура тела в течение первых оборотов вокруг Солнца остается выше наружной, а подвод тепла к поверхности происходит в основном с глубины D(t) (рис. 2, а).

Как было показано в нашей работе [], в условиях, когда начальная температура однородно разогретого тела значительно выше радиационной температуры, зависимость его поверхностной температуры от времени описывается простой формулой

\( T(t) = (\frac{9σ^2}{kρc_p} · \frac{1}{t})^{1/6} = (300±15)\:\text{K}\:(\text{1 год}/t)^{1/6} \)

Здесь σ — постоянная Стефана — Больцмана. Эта формула получена решением приближенного дифференциального уравнения, а не уравнения в частных производных. Однако возможная ошибка в численном коэффициенте 9 компенсируется значительным разбросом произведения термодинамических коэффициентов kρcp для обыкновенных хондритов. Кроме того, ошибка результата из-за неопределенности этого произведения уменьшается вшестеро вследствие того, что коэффициент возводится в степень 1/6.

График зависимости остывания поверхности тела от времени приведен на рис. 2, б вместе с переходом к радиационным температурам для трех значений альбедо. Таким образом, как бы сильно ни был изначально разогрет осколок, улетевший от Земли, уже через один оборот вокруг Солнца (время порядка года) его температура опустится ниже 300 К = 27°С, а после нескольких оборотов опустится существенно ниже.

Вместе с силикатными осколками при ГС на орбиты вокруг Солнца вылетают и все газы, в частности пары воды. Это означает, что уже после нескольких оборотов орбиты на поверхности даже крупных осколков очень скоро может начаться конденсация паров, образование ледяной корки. Тела меньшего размера успевают остыть по всей своей массе и переходят к радиационным температурам раньше крупных. У ледяной поверхности альбедо мало, поэтому дальнейшее охлаждение тела только усиливается.

Кварки и их свойства

Сейчас известно шесть сортов (на физическом жаргоне — ароматов) кварков. Они обозначаются буквами u, d, s, c, b, t и попарно объединяются в три поколения кварков (рис. 3). Из них только первые пять участвуют в образовании адронов. Топ-кварк t настолько тяжел, что распадается исключительно быстро и попросту не успевает образовать адроны. Известно также, что других кварков не существует; по крайней мере, не существует других легких кварков, которые могли бы образовывать настоящие адроны.

Пройдемся кратко по всем пяти «адронообразующим» кваркам.

  • Легкие кварки u (up, верхний) и d (down, нижний). Легкие кварки — самые распространенные в природе. Именно из них состоят протоны (uud), нейтроны (udd), переносчики ядерных сил, пи-мезоны. Обычно пишут, что массы u- и d-кварков составляют несколько МэВ, но это число для адронной физики почти бесполезно. Дело в том, что массы адронов получаются не только из масс кварков, но еще и из-за конфайнмента, который дает вклад в общую массу адрона от 100 до нескольких сотен МэВ.
  • Странный кварк s. Название «странный» возникло исторически, когда содержащие его частицы (странные адроны) только-только стали появляться в экспериментальных данных и вели себя «как-то не так» по сравнению с известными адронами. Странные адроны уже давно не считаются чем-то необычным, это вполне «рутинные» частицы в современных экспериментах.
  • Очарованный кварк c. Такое симпатичное название — просто причуда физического жаргона, отчасти скрашивающая сухие тексты по адронной физике. Содержащие этот кварк частицы (очарованные адроны) тяжелее своих легких собратьев (к их массе добавляется примерно 1,5 ГэВ на каждый c-кварк) и живут недолго, порядка одной пикосекунды (в системе покоя частицы). Тем не менее это позволяет им отлететь от точки рождения на расстояния порядка миллиметра, что надежно регистрируется детекторами. Такое разделение событий рождения и распада позволяет хорошо идентифицировать такие адроны.
  • Прелестный кварк b еще тяжелее, его масса около 5 ГэВ, однако время жизни его даже больше, чем у c-кварка, — около 1,5 пс. Из-за того что масса b-кварка намного больше адронного масштаба масс (несколько сотен МэВ), становится очень удобно описывать прелестные адроны как связанную систему тяжелого и легкого кварка; многие успехи в теоретическом описании прелестных адронов связаны именно с этим простым фактом.