minevi.ru
страница 1
скачать файл
Содержание

Тема № 2: «Физические поля твердых тел и физических веществ, и проявление их взаимодействий».



Введение 2

1. Общая характеристика физических взаимодействий 3

2. Фундаментальные физические взаимодействия 4

2.1. Гравитация 4

2.2. Электромагнитное 5

2.3. Слабое взаимодействие 6

2.4. Сильное взаимодействие 7

3. Явления на границе жидкости и твердого тела 9

Заключение 12

Список литературы 13




Введение

Многие твёрдые тела содержат в себе кристаллические структуры. В минералогии и кристаллографии под кристаллической структурой подразумевается определённый порядок атомов в кристалле. Кристаллическая структура состоит из элементарных ячеек, набора атомов расположенных в особенном порядке, который периодически повторяется во всех направлениях пространственной решётки. Расстояния между элементами этой решётки в различных направлениях называют параметром этой решётки. Кристаллическая структура и симметричность играют роль в определении множества свойств, таких как спайность кристалла, электронная зонная структура и оптические свойства.

При применении достаточной силы любое из этих свойств может быть нарушено, вызывая остаточную деформацию.

Твёрдые тела обладают тепловой энергией, следовательно, их атомы совершают колебательное движение. Тем не менее, это движение незначительно и не может наблюдаться или быть почувствованным при нормальных условиях.

Раздел физики, изучающий твёрдые тела называется физикой твёрдого тела и является подразделом физики конденсированных сред. Материаловедение главным образом рассматривает вопросы, связанные со свойствами твёрдых тел, такими как твёрдость, предел прочности, сопротивление материала нагрузкам, а также фазовые превращения. Это значительным образом совпадает с вопросами, изучаемыми физикой твёрдого тела. Химия твёрдого состояния перекрывает вопросы, рассматриваемые обоими этими разделами знаний, но особенно затрагивает вопросы синтезирования новых материалов. Легчайшим известным твёрдым материалом является аэрогель. Некоторые виды аэрогеля имеют плотность 1.9 мг/см? или 1.9 кг/м? (1/530 плотности воды).

1. Общая характеристика физических взаимодействий

В основе каждого фундаментального взаимодействия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся выяснить лишь в ходе дальнейших, все более глубоких исследований природы вещества и вакуума. Носителем способности частиц к взаимодействиям, а также количественной мерой самого взаимодействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных типов друг друга «не замечают». Наименьшее дискретное значение заряда (квант) называют единичным зарядом. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух взаимодействующих частиц, более сложно она зависит от расстояния между частицами.

По современным представлениям взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, без посредника оно не протекает. В основе такого требования лежит тот факт, что скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом - скоростью света. Поэтому притяжение или отталкивание частиц передается через среду, их разделяющую. Такой средой является вакуум. При создании теории взаимодействия используют определенную модель процесса: заряд-фермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны; по своей природе это поле близко к тому состоянию, которое физики приписывают вакууму.

Иначе говоря, заряд частицы возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на определенное расстояние; частицы поля являются виртуальными - существуют очень короткое время и в эксперименте не могут быть обнаружены; оказавшись в радиусе действия своих однотипных зарядов, две реальные частицы начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный частицей-партнером, и наоборот; обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания частиц-хозяев.

Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из фундаментальных взаимодействий, соответствует своя бозонная частица - переносчик взаимодействия. Очень важным фактором является наличие массы у частиц, в том числе и у некоторых переносчиков взаимодействия (вопрос о происхождении массы у частиц до сих пор не решен, предполагается, что она появляется в результате особой формы взаимодействия частиц со структурой вакуума) - от этого зависит радиус действия соответствующих сил.

2. Фундаментальные физические взаимодействия

В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения; вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизаций и т.д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодействия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел, процессов. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики.



2.1. Гравитация

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в XVII веке ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы.

Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной?

Все дело во второй удивительной черте гравитации - ее универсальности. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. Зато в микромире роль гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты в гравитации пока не доступны наблюдению.

Кроме того, гравитация - дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.

Пока еще нет однозначного ответа на вопрос, чем является гравитация - неким полем, искривлением пространства-времени или тем и другим вместе. На этот счет существуют разные мнения и концепции. Поэтому нет и завершенной теории квантово-гравитационного взаимодействия.

2.2. Электромагнитное

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен людям с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и др.).

В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма - первой единой теории поля.

Существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 90-е гг. XIX в. Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами - северный полюс и южный. Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой - как южный. Еще с древнейших времен известны попытки получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс - монополь. Но все они заканчивались неудачей: на месте разреза возникали два новых магнита, каждый из которых имел и северный, и южный полюсы. Может быть, существование изолированных магнитных полюсов в природе исключено? Определенного ответа на этот вопрос пока не существует. Некоторые современные теории допускают возможность существования монополя.

Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи - в мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

2.3. Слабое взаимодействие

К выявлению существования слабого взаимодействия физика продвигалась медленно. Слабое взаимодействие ответственно за распады частиц; и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.

У бета-распада обнаружилась в высшей степени странная особенность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается один из фундаментальных законов физики - закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. Чтобы «спасти» закон сохранения энергии, В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она - нейтральная и обладает необычайно высокой проникающей способностью, вследствие чего ее не удавалось наблюдать. Э. Ферми назвал частицу-невидимку «нейтрино».

Но предсказание нейтрино - это только начало проблемы, ее постановка. Нужно было объяснить природу нейтрино, но здесь оставалось много загадочного. Дело в том, что электроны и нейтрино испускались нестабильными ядрами. Но было неопровержимо доказано, что внутри ядер нет таких частиц. Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, предоставленные самим себе, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляется три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое взаимодействие.

Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10-16см от источника, и потому оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомными частицами. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.

Теория слабого взаимодействия была создана в конце 60-х гг. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики.




2.4. Сильное взаимодействие

Последнее в ряду фундаментальных взаимодействий - сильное взаимодействие, которое является источником огромной энергии. Наиболее характерный пример энергии, высвобождаемой сильным взаимодействием, - Солнце. В недрах Солнца и звезд непрерывно протекают термоядерные реакции, вызываемые сильным взаимодействием. Но и человек научился высвобождать сильное взаимодействие: создана водородная бомба, сконструированы и совершенствуются технологии управляемой термоядерной реакции.

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика шла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить; очевидно, необходимо какое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено. Выяснилось, что хотя по своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия, но за пределами ядра оно не ощущается. Как и в случае слабого взаимодействия, радиус действия новой силы оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10-13 см. Кроме того, выяснилось, что сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.

Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 60-х гг., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков.


3. Явления на границе жидкости и твердого тела

Если жидкость находится в соприкосновении с твердым телом и газовой фазой вещества, то конфигурация всей системы определяется величиной сил взаимодействия между молекулами жидкости, твердого тела и газа. В положении равновесия система должна обладать минимумом потенциальной энергии. В этом случае контур, граничащий с тремя фазами вещества, располагается на поверхности твердого тела таким образом, что сумма всех приложенных к каждому элементу контура сил поверхностного натяжения на направление возможного перемещения контура (направление касательной к поверхности твердого тела) равна нулю.

Естественно, что для краевого угла должно выполняться условие
(σтг -σтж )/σжг ≤1.
Ели краевой угол θ=0, то жидкость растекается тонким слоем по поверхности твердого тела. Явление полного растекания жидкости по поверхности твердого тела называется полным смачиванием. Его можно наблюдать для воды на чистом стекле.

В случае, когда θ=π, поверхность жидкости, граничащая с твердым телом, стягивается в точку. Это явление носит название полного несмачивания. Оно наблюдается, например, для воды, находящейся на поверхности парафина.

На практике в большинстве случаев наблюдаются промежуточные состояния частичного смачивания (0<θ<π/2) или частичного несмачивания (π>θ>π/2). Явление несмачивания делает возможным плавание на поверхности жидкости тел с плотностью, большей, чем плотность жидкости. Например, смазанная жиром стальная игла или бритвенное лезвие может удерживаться на поверхности воды. Этот эффект объясняется тем, что действующие на тело сила Архимеда и силы поверхностного натяжения превышают силу тяжести. Смачивание и несмачивание вызывает искривление поверхности жидкости на границе соприкосновения жидкости с поверхностью сосуда, в котором эта жидкость находится.

Несмачивающие покрытия широко используются на практике для защиты различных сооружений от воздействия атмосферной влаги. На явлении смачивания и несмачивания основана флотация – отделение измельченной пустой породы от руды с помощью вспененной жидкости. Руда, содержащая ценные металлы или соединение металлов с другими элементами (например, пирит FeS, свинцовый блеск PbS и т.д.) и пустую породу (известняк, кварцит и т.п.) размалывается в мелкий (размеры частиц ~ 0,01-0,1 мм) порошок, который перемешивается с водой. Эта смесь из бункера 1 поступает в камеру 2, куда через кран 4 из цистерны 3 заливается масло и другие химические реагенты. В камере смесь интенсивно взбалтывается мешалками 5 или струей сжатого воздуха и насыщается пузырьками воздуха. Из камеры 2 взболтанная в жидкости руда (пульпа) поступает в отстойник 6. Здесь каменистые породы, смачиваемые водой и не смачивающиеся маслом, постепенно оседают на дно отстойника 6. Металлосодержащие породы хорошо смачиваются маслом, вследствие чего они покрываются тонкой масляной пленкой. Попав внутрь воздушного пузырька, частицы руды удерживаются силами поверхностного натяжения и всплывают вместе с пузырьком. Далее пена с частицами, содержащими металл, накапливается в отстойнике 7. Таким образом, разделение компонентов руды произведено. Если в руде содержится несколько металлов, то, вводя в ванну 2 соответствующие химические вещества, можно добиться того, чтобы всплывали только частицы, содержащий определенный металл.

Материя представляет собой непрерывно движущуюся энергетическую массу, которая представляется разнообразием своих форм. Это и химические вещества, к которым принадлежат все без исключения макроскопические тела и составляющие их частицы микромира – молекулы и атомы, это и различные физические поля: световое, тепловое, энергетическое поле материи, биополе органического мира, поле мышления и электромагнитное поле. Однако, несмотря на разнообразие форм, материя имеет только одну – дискретную энергетическую структуру.

Элементарные частицы атома находятся постоянно в беспрерывном сложном движении и представляют собой образования, состоящие из более мелких или, иначе, из очень тонких частиц, каждая из которых, в свою очередь, состоит из очень мелких или из очень тонких частиц. В живом организме и в воде очень тонкие частицы – это образования, которые состоят из сверхтонких частиц материи.

Каждая элементарная частица в результате своего движения беспрерывно излучает и поглощает тонкие частицы, а они – излучают и поглощают очень тонкие частицы. Притом при излучении каждая очень тонкая частица свободно проникает в промежутки между тонкими частицами, а тонкие частицы при излучении проникают в промежутки между элементарными частицами.

Беспрерывное излучение и поглощение более крупными частицами более мелких частиц, их сложное движение в определенной среде с проявлением энергетической силы и есть не что иное, как физическое поле. Что представляет собой энергетическая сила поля и что такое энергия?

В природе существует только один вид энергии – это движение различных форм материи, начиная от сверхтонких частиц и до планет и систем. Другого не дано! А вот физических полей имеется несколько, и определяются они частицами, принимающими участие в излучении и поглощении. Энергетическая же сила поля, или просто энергия поля, определяется в первую очередь мощностью излучаемых и поглощаемых частиц: их количеством, частотой, амплитудой и движением.

Для более наглядного определения частиц материи и условного разделения их по размерам иногда пользуются дольными единицами метрической системы мер и по их приставкам придают соответствующие им названия, как, например, это широко распространено для "микрочастиц":

• мелкие или тонкие частицы – наночастицы – образуют наномир;

• очень мелкие или очень тонкие частицы – пикочастицы – образуют пикомир;

• сверхмелкие или сверхтонкие частицы – фемточастицы – образуют фемтомир.

Заключение

Электрические, магнитные и оптические свойства твердых тел широко используются в радиотехнике и электротехнике, в приборостроении и т. п. Полупроводниковые приборы заменили электронные лампы; сверхпроводящие соленоиды заменяют электромагниты; создаются высокочастотные устройства и измерительные приборы, использующие сверхпроводники; основой квантовых генераторов являются кристаллы.

Современная техника широко использует квантовые свойства твердых тел. Расширяются экспериментальные методы исследования твердых тел, они включают низкие температуры, сильные магнитные и электрические поля, высокие давления, практически весь диапазон электромагнитных волн (от радиоволн до жёстких g-квантов), разнообразные "проникающие" частицы (нейтроны, протоны больших энергии) и т. д. Некоторые исследования твердых тел стали возможны только после появления сверхчистых кристаллов.

Важная особенность физики твердых тел — возможность синтезировать твердые тела с необходимыми свойствами. Техническое использование сверхпроводимости основано на создании сплавов (Nb3Sn и др.), совмещающих сверхпроводящие свойства (при высоких Ткр и Нкр)с пластичностью.



Физика твердых тел — непрерывно действующий источник новых материалов. Новые физические идеи, рождающиеся в физике твердых тел, проникают в ядерную физику, астрофизику, в физику элементарных частиц, в молекулярную биологию, геологию и др.

Список литературы




  1. Андреев Э. П. К вопросу о пространстве микромира // Вопросы философии, 1963, № 2.

  2. Киттель Ч., Введение в физику твердого тела, пер. с англ., 2 изд., М., 1962.

  3. Корсаков В. К. О фор1. ранович П. А. Понятие фундаментальной длины и методологические проблемы современной физики. – Новосибирск: Изд-во НИИ МИОО Новосибирского гос. университета, 1998.

  4. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Механика сплошных сред, 2 изд., М., 1953.

  5. Пайерлс Р., Квантовая теория твердых тел, пер. с англ., М., 1956.



скачать файл



Смотрите также:
Тема №2: «Физические поля твердых тел и физических веществ, и проявление их взаимодействий»
155,48kb.
Налог на доходы физических лиц (ндфл) Налогоплательщики и объект налогообложения
447,22kb.
Рабочая группа по перевозкам опасных грузов
1130,42kb.
Примерные правила заполнения бланков ответов участников огэ
35,52kb.
Обзор минералогии золота
1002,8kb.
Тематическое планирование Тема теория Практическая часть Растворы. Практическая работа «Изучение растворимости различных веществ в воде, спирте, бензине, масле»
62,02kb.
Тема: «Соли аммония» урок спектакль. Цель: Углубить знания о данном классе соединений на примере солей аммония. Задачи
152,71kb.
Налоговые льготы по транспортному налогу для физических лиц и индивидуальных предпринимателей
87,51kb.
Учебнику А. В. Пёрышкина «Физика. 7 класс»
109,57kb.
Поет о счастье ветер деревья и поля 2р
22,54kb.
Поздравляем Бориса Лазаревича Иоффе с 85 –летием со дня рождения!
9,95kb.
С. hcl Выберите пару веществ, реакция ионного обмена между которыми протекает до конца А
35,69kb.