Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №12

Высокоэнергическое излучение как поток α-, β-частиц и γ-фотонов ионизирует твердые, жидкие и газообразные вещества. Высокоэнергетические частицы и фотоны, поступающие с Солнца, ионизируют атомы газов в верхних слоях атмосферы Земли. Эти ионы образуют проводящий слой ионосферы, который отражает радиоволны из наземных источников обратно на поверхность на частотах менее 30 МГц.

См. также статьи «Оптические спектры 1 и 2», «Энергетические уровни атомов».

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ

Согласно квантовой теории, такие физические величины, как заряд и энергия, могут изменяться только на величину, кратную минимальной величине, которая называется квантом. Квантовую теорию разработал Планк в 1900 году, чтобы объяснить спектр теплового излучения, испускаемого нагретыми телами. Интенсивность излучения нагретого тела изменяется непрерывно при изменении длины волны и достигает пика при определенном ее показателе. Классическая теория излучения, основанная в 1848 году, не могла объяснить образования пика на кривой, так как согласно ей интенсивность стремится к бесконечности при бесконечном уменьшении длины волны. Такое гипотетическое явление было названо ультрафиолетовой катастрофой. Планк объяснил форму кривой, предположив, что энергия каждого атома источника излучения кратна основному показателю, hf, где f — частота колебаний атома. Кроме того, он предположил, что энергия атома может изменяться на один квант энергии (= hf) при поглощении или испускании излучения. Согласно теории Планка, ультрафиолетовой катастрофы не происходит, так как чем короче длина волны излучения, тем выше ее частота и тем выше должны быть энергетические уровни атомов, вибрирующих с этой частотой. Все меньше и меньше таких атомов будет находиться над нижней границей энергетического уровня. Таким образом, интенсивность испускаемого излучения при уменьшении длины волны упадет до нуля.

Теория о квантовой природе электромагнитного излучения получила дальнейшую разработку в трудах Эйнштейна, который с ее помощью объяснил фотоэлектрический эффект. Он предположил, что квант электромагнитного излучения, названный фотоном, равен hf, где h — постоянная Планка, f — частота излучения.

Электрический заряд также квантовая величина. В 1915 году Роберт Милликан продемонстрировал заряд масляных капель, сделав вывод, что он всегда кратен элементарной единице заряда, которым, как предположил ученый, обладает электрон.

См. также статьи «Корпускулярно-волновая двойственность», «Фотон», «Электрон».

КВАРКИ 1

Кварки — «кирпичики», из которых состоят протоны и нейтроны. Существует шесть различных кварков. Три из них имеют заряд +²/₃е, а три других — ¹/₃е.

• «Верхний» кварк (u-кварк, +²/₃е) и «нижний» кварк (d-кварк, — ¹/₃е) составляют протоны и нейтроны.

• «Очарованный» кварк (с-кварк, +²/₃е) и «странный» кварк (s-кварк, — ¹/₃е) тяжелее u- и d-кварков и нестабильны.

• t-кварки (+ ²/₃ е) и b-кварки (- ¹/₃е) самые тяжелые и потому самые нестабильные.

Кварковая модель объясняет существование всех известных барионов, антибарионов и мезонов. Мезоны и барионы вместе называются адронами.

• Барион состоит из трех кварков, антибарион — из трех антикварков. Например, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (uud), а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков (udd).

• Мезон состоит из кварка и антикварка. Например, пион, или π-мезон, состоит из u- или d-кварка и u- или d-антикварка.

Первое доказательство существования кварков было получено, когда обнаружили, что электроны с высокой энергией в пучке отклонялись от неподвижной цели тремя центрами рассеяния внутри каждого протона и нейтрона. В линейном ускорителе Стэнфордского университета для определения внутренней структуры протонов и нейтронов был создан электронный пучок с достаточно высокой энергией. Результаты подтвердили кварковую модель, разработанную Мюрреем Гелл-Манном и Георгом Цвейгом, в качестве объяснения поведения частиц, образующихся при столкновениях на высокой скорости между адронами.

Кварки не существуют изолированно. При столкновениях адронов с большой энергией образуются кварк-антикварковые пары. В результате формируются дополнительные адроны и ни один из кварков или антикварков не остается вне адрона. Внутри последнего кварки движутся относительно свободно при условии, что они не отдаляются друг от друга. Взаимодействие между кварками осуществляется путем обмена глюонами.

См. также статьи «Взаимодействия частиц», «Ускорители частиц».

КВАРКИ 2

Материя состоит из фундаментальных частиц — лептонов (т. е. электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино) и кварков.

Частицы материи первоначально разделяли на три группы согласно их массе:

• легче электрона или такой же массы — лептон;

• тяжелее протона или такой же массы — барион;

• легче фотонов и тяжелее электронов — мезон.