Изменение силы действующей на заряд
Заряд – важная характеристика элементарных частиц и макроскопических объектов, определяющая их способность взаимодействовать с электрическим и магнитным полем. Величину заряда обозначают символом q, а его единицей является кулон (Кл).
Взаимодействие заряда со силой осуществляется посредством электромагнитной силы, которая действует на заряженные частицы в электрическом и магнитном поле. Электромагнитная сила является векторной величиной и направлена вдоль линии, соединяющей заряды. Она зависит как от величины зарядов, так и от расстояния между ними.
Изменение взаимодействия заряда со силой связано с изменением величины зарядов. Если заряды одноименные (т.е. оба заряда положительные или оба отрицательные), то они отталкиваются друг от друга и электромагнитная сила между ними направлена вдоль линии их разъединения. Если заряды разноименные, то они притягиваются друг к другу и электромагнитная сила между ними направлена вдоль линии их соединения.
Изменение взаимодействия заряда со силой может быть также связано с изменением расстояния между заряженными частицами. Если расстояние увеличивается, то электромагнитная сила между зарядами уменьшается. Если расстояние уменьшается, то сила увеличивается.
Взаимодействие заряда и электрической силы
Взаимодействие заряда и электрической силы является одним из фундаментальных принципов электростатики. Заряды взаимодействуют друг с другом с помощью электрической силы, которая может быть притягивающей или отталкивающей в зависимости от типа зарядов.
Каждый заряд обладает свойством создавать электрическое поле вокруг себя. Электрическое поле порождается зарядом и является векторной величиной. Другой заряд, находящийся в поле первого заряда, ощущает действие электрической силы.
Математически, электрическая сила взаимодействия двух зарядов определяется законом Кулона и равна произведению зарядов, деленному на квадрат расстояния между ними:
F = k * (q1 * q2) / r^2
где F — электрическая сила взаимодействия, k — постоянная Кулона, q1 и q2 — заряды, r — расстояние между зарядами.
Закон Кулона позволяет определить, как будет изменяться электрическая сила взаимодействия при изменении зарядов или расстояния между ними. С увеличением зарядов или сокращением расстояния электрическая сила становится больше, а при уменьшении зарядов или увеличении расстояния сила уменьшается.
Важно отметить, что электрическая сила взаимодействия является действующей парной силой и всегда направлена по линии, соединяющей заряды. Если заряды одинакового знака, то электрическая сила будет отталкивающей, а если заряды разного знака, то сила будет притягивающей.
Таким образом, взаимодействие заряда и электрической силы является основой для понимания различных электростатических явлений и является ключевым понятием в электрической физике.
Изменения взаимодействия заряда со силой в электростатическом поле
Электростатическое поле является результатом взаимодействия заряда со силой, которая проявляется в виде притяжения или отталкивания зарядов друг от друга. Как изменится это взаимодействие в зависимости от изменения параметров системы?
1. Величина заряда. Заряды могут быть положительными или отрицательными. Если два заряда имеют одинаковый знак, они отталкиваются друг от друга. Если заряды имеют разные знаки, они притягиваются друг к другу. С увеличением величины зарядов возрастает и сила их взаимодействия.
2. Расстояние между зарядами. Сила взаимодействия между зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. То есть, с увеличением расстояния между зарядами, сила взаимодействия уменьшается. Эта зависимость описывается законом Кулона.
3. Угол между зарядами. Если заряды движутся по криволинейной траектории, угол между ними может быть разным. В этом случае, проекция силы, действующей между зарядами, на ось движения будет определять величину взаимодействия.
Помимо указанных факторов, взаимодействие заряда со силой может быть изменено в атомах и молекулах из-за наличия электромагнитных полей и других физических явлений.
Зависимость силы взаимодействия от параметров системы
Изменения взаимодействия заряда со силой в электростатическом поле зависят от различных параметров системы. Понимание этих изменений является важным для понимания физических процессов, связанных с электричеством и магнетизмом.
Влияние движения на взаимодействие заряда и силы
Движение заряда имеет важное влияние на его взаимодействие со силой. В классической электродинамике относительное движение зарядов создает электромагнитное поле, которое действует на заряды и определяет действующую на них силу.
Взаимодействие заряда со силой можно рассмотреть на примере двух заряженных частиц. Если заряды движутся друг относительно друга, то они создают магнитное поле вокруг себя. Это поле оказывает влияние на движение этих зарядов и создает силу взаимодействия между ними.
Движение заряда также влияет на направление и величину силы, с которой он взаимодействует с внешним электромагнитным полем. Если заряд движется вдоль линий магнитной индукции, сила, действующая на него, будет минимальной. Если же заряд перпендикулярен к магнитному полю, сила достигнет максимального значения.
При движении заряда со скоростью, близкой к скорости света, взаимодействие заряда со силой становится более сложным. В этом случае важными становятся явления, связанные с релятивистскими эффектами. Одним из таких эффектов является изменение массы заряда при движении, что приводит к изменению силы, действующей на заряд.
Таким образом, движение заряда играет важную роль в взаимодействии со силой. Оно создает электромагнитное поле, которое определяет силу взаимодействия между зарядами, а также влияет на направление и величину силы, с которой заряд взаимодействует с электромагнитным полем.
Взаимодействие заряда и электромагнитной силы
Взаимодействие заряда и электромагнитной силы является одной из фундаментальных тем физики. Заряды могут испытывать взаимодействие как между собой, так и с внешними электромагнитными полями.
Электромагнитная сила возникает в результате взаимодействия между зарядами и проявляется в двух основных формах: силы притяжения и отталкивания. Заряды одного знака отталкиваются друг от друга, а заряды разного знака притягиваются. Эта сила описывается законом Кулона.
Закон Кулона формулирует взаимодействие между двумя точечными зарядами:
F = k * q1 * q2 / r 2
- F — электромагнитная сила, действующая между зарядами;
- k — электростатическая постоянная, имеющая значение приблизительно равное 9 * 10 9 Н * м 2 / Кл 2 ;
- q1 и q2 — величины зарядов, взаимодействующих между собой;
- r — расстояние между зарядами.
Электромагнитная сила также может влиять на движение зарядов в магнитном поле и определяется с помощью закона Лоренца:
F = q * (E + v × B)
- F — электромагнитная сила, действующая на заряд;
- q — величина заряда;
- E — электрическое поле;
- v — скорость заряда;
- B — магнитное поле.
Электромагнитная сила имеет огромное значение во многих областях физики и науки. Она определяет взаимодействие зарядов в электрических цепях, поведение зарядов в электромагнитных полях, действие электромагнитных устройств и технологий. Понимание этих принципов является важным для развития современных технологий и научных исследований.
Изменение взаимодействия заряда со силой в проводниках и диэлектриках
Взаимодействие заряда со силой в проводниках и диэлектриках отличается друг от друга. Проводники и диэлектрики имеют различные свойства, которые определяют их взаимодействие с зарядом.
Взаимодействие заряда со силой в проводниках:
В проводниках электрические заряды могут свободно перемещаться под воздействием электрического поля. Это означает, что в проводнике нет накопления нераспределенных зарядов, а все заряды располагаются в его объеме или на его поверхности.
Когда проводник находится в электрическом поле, внутренние заряды быстро перераспределены таким образом, чтобы создать равномерное электрическое поле внутри проводника. Это приводит к тому, что у проводника внутри нет электрического поля, а только на его поверхности.
Таким образом, в проводнике электрические заряды под действием внешнего электрического поля будут перемещаться до тех пор, пока не установится равновесие и не создастся электростатическое поле внутри проводника.
Взаимодействие заряда со силой в диэлектриках:
В отличие от проводников, в диэлектриках электрические заряды не могут свободно перемещаться. Диэлектрик состоит из атомов и молекул, чьи заряды находятся в связанных состояниях. Под действием электрического поля, заряды внутри диэлектрика могут слабо перемещаться, но в целом они остаются в своих местах.
Взаимодействие заряда со силой в диэлектриках осуществляется через электростатическое взаимодействие между зарядами внутри диэлектрика. Под действием внешнего электрического поля, заряды в диэлектрике начинают смещаться по направлению поля, что приводит к поляризации диэлектрика.
В итоге, внутри диэлектрика формируется электрическое поле, обратное по направлению внешнему полю. Это внутреннее поле компенсирует внешнее поле, и общее электрическое поле внутри диэлектрика становится слабее по сравнению с внешним полем.
Таким образом, в проводниках и диэлектриках взаимодействие заряда со силой происходит по-разному. Проводники позволяют зарядам свободно перемещаться, образуя электростатическое поле на поверхности проводника, в то время как диэлектрики не позволяют зарядам двигаться и создают электростатическое поле внутри себя.
Вопрос-ответ
Что такое взаимодействие заряда со силой?
Взаимодействие заряда со силой — это явление, при котором заряды воздействуют друг на друга с определенной силой. Заряженные частицы, такие как электроны и протоны, взаимодействуют между собой с помощью электромагнитной силы.
Какой характер имеет взаимодействие заряда со силой?
Взаимодействие заряда со силой имеет электромагнитный характер. Заряженные частицы обладают электрическими полями, которые взаимодействуют друг с другом и вызывают силу притяжения или отталкивания между ними.
Как изменится взаимодействие заряда со силой при изменении заряда?
При изменении заряда взаимодействие заряда со силой также изменится. Если заряд одной частицы увеличивается, то сила взаимодействия с другой частицей увеличивается и наоборот. Пропорциональность между зарядом и силой взаимодействия описывается законом Кулона.
Как изменится взаимодействие заряда со силой при изменении расстояния между заряженными частицами?
При изменении расстояния между заряженными частицами взаимодействие заряда со силой также изменится. Сила взаимодействия между заряженными частицами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними по закону Кулона, поэтому увеличение расстояния приведет к уменьшению силы и наоборот.
Каким образом можно изменить взаимодействие заряда со силой?
Взаимодействие заряда со силой можно изменить путем изменения заряда частиц, изменения расстояния между ними, а также путем введения дополнительных заряженных объектов или изменения характеристик окружающей среды. Кроме того, взаимодействие заряда со силой может быть изменено при наличии других воздействующих сил, таких как сила тяжести или магнитное поле.
Силы электромагнитного взаимодействия неподвижных зарядов. Основные положения
Электрический заряд — физическая величина, определяющая силу электромагнитного взаимодействия. Существует два вида электрических зарядов — положительные и отрицательные.
Минимальным положительным зарядом (+е) обладает протон, минимальным отрицательным зарядом (-е) — электрон.
Электрический заряд дискретен: суммарный положительный заряд тела кратен заряду протона, суммарный отрицательный — заряду электрона.
Суммарный заряд электронейтральных тел равен нулю. Электростатическое взаимодействие — взаимодействие неподвижных заряженных тел или частиц.
Заряды одинакового знака отталкиваются, а противоположных знаков притягиваются друг к другу.
Закон сохранения заряда: в электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов остается постоянной.
Сила электростатического взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме определяется законом Кулона:
где q1 и q2 — заряды, r — расстояние между ними,
Система статических зарядов не может быть устойчивой. Взаимодействие между зарядами передается электромагнитным полем, источником которого являются заряды. Электромагнитное поле распространяется в пространстве со скоростью света. Электростатическое поле в данной точке характеризуется напряженностью поля.
Напряженность поля — векторная физическая величина, равная отношению силы Кулона, действующей на пробный положительный заряд q0 в данной точке поля, к величине этого заряда:
Единица напряженности — ньютон на кулон (1 Н/Кл).
Напряженность электростатического поля, созданного точечным положительным зарядом q в точке, находящейся на расстоянии r от него,
Сила, действующая на точечный заряд, помещенный в электростатическое поле, напряженность которого E,
Линии напряженности электростатического поля — линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают по направлению с вектором напряженности электростатического поля.
Напряженность электростатического поля пропорциональна степени сгущения линий напряженности поля. Принцип суперпозиции электростатических полей — напряженность поля системы зарядов равна геометрической (векторной) сумме напряженностей полей, созданных каждым зарядом в отдельности:
Внутри заряженной сферы напряженность электростатического поля равна нулю.
Вне заряженной сферы напряженность электростатического поля совпадает с напряженностью поля точечного заряда, равного заряду сферы и помещенного в ее центре. Напряженность поля, созданная бесконечной заряженной плоскостью, зависит от поверхностной плотности заряда а:
Популярное изложение
Физика высоких энергий и физика астрочастиц (космических частиц) являются сегодня двумя наиболее крупными и активно развивающимися направлениями физики элементарных частиц. Экспериментальные исследования именно в этих областях позволяют ученым изучать физический мир природы в его наиболее загадочных проявлениях, таких как поле Хиггса, темная материя Вселенной и др.
Все силы, возникающие в природе, на самом фундаментальном уровне могут быть описаны с помощью четырёх видов взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного. Первые два действуют на любых расстояниях и поэтому знакомы каждому, вторые два — действуют на крошечных расстояниях и поэтому менее известны. Гравитационное взаимодействие присуще всем телам обладающим массой. К электромагнитному сводятся взаимодействие между заряженными телами и частицами, а также упругие, вязкие, молекулярные, химические и др. Сильное взаимодействие удерживает вместе кварки, составляющие нуклоны (протоны и нейтроны), а также сами протоны и нейтроны в атомных ядрах. Слабое взаимодействие на микроуровне отвечает за выделение энергии в звёздах, в том числе и на Солнце, и ответственно за радиоактивный распад ядер.
Каждое из взаимодействий осуществляется при помощи особых элементарных частиц – переносчиков того или иного взаимодействия: фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия, векторные бозоны — переносчики слабого взаимодействия, гравитоны, пока не открытые экспериментально, являются переносчиками гравитационного взаимодействия.
Рис. 1. Стандартная модель элементарных частиц (источник Википедия: Стандартная модель )
Теоретическая модель, объединяющая все четырёх взаимодействиях и накопленные знания об этих переносчиках, называется Стандартной моделью (СМ). СМ на настоящий момент является самой полной и подтвержденной экспериментально моделью строения нашей Вселенной. СМ состоит из семьнадцати (включая недавно открытый Хиггс бозон) элементарных частиц: шести кварков, шести лептонов и пяти бозонов, как представлено на рисунке 1. Однако до сих пор остаётся немало вопросов относительно СМ, в том числе относительно теоретических следствий, вытекающих из неё. Одним из таких направлений является поиск новых частиц, экспериментальное открытие которых приведет к расширению СМ.
Группа ATLAS МИФИ ведет активную работу в этом направлении, осуществляя поиск частиц с зарядами выше элементарного. Такие частицы не предсказываются СМ, но могли бы объяснить природу скрытой массы — гипотетической формы материи, которая не испускает электромагнитное излучение, следовательно, делает невозможным её прямое наблюдение. В предположении о “составной” природе скрытой массы отдельные частицы, “составляющие” её “атомы”, могут наблюдаться экспериментально на коллайдере (ускорителе элементарных частиц), оставляя уникальный след в детекторах частиц.
Не только новые частицы представляют большой интерес для физиков. Исследование свойств уже открытых крупиц материи позволяет дополнять и проверять существующие теоретические модели. Ярким примером таких работ является исследование свойств нейтрино. Даже малейшая разница, например, в массе этой частицы может привести к пересмотру глобальных теорий.
Для таких исследований на ускорителях создаются мощные нейтринные пучки, которые затем направляются на расположенные в сотнях километрах от них детекторы. Эти исследования позволяют изучать нейтринные осцилляции – удивительный эффект превращения нейтрино одного типа в другой. Они также способствуют поискам ответа на вопрос: почему в нашей Вселенной больше вещества, чем антивещества. С другой стороны, на стыке нейтринной физики и физики астрочастиц ведутся поиски нейтрино от астрофизических источников (сверхновые, гамма-всплески, первичные черные дыры и др.). Эти исследования ведут к более глубокому пониманию эволюции звезд и природы катастрофических процессов во Вселенной.
Рис. 2. Мегапроект «Борексино», реализуемый в международной подземной лаборатории Гран-Сассо (Италия) с участием стран Евросоюза, России и США предусматривает проведение фундаментальных исследований в области нейтринной физики и физики частиц и междисциплинарных исследований для решения актуальных задач астрофизики, атомной отрасли, наук о Земле
Физика нейтрино уже давно выделилась в самостоятельный раздел физики частиц. Достижения в этом сфере способствовали развитию существующих и формированию новых, переживающих сейчас бурный расцвет разделов науки: нейтринная астрофизика и нейтринная геофизика. При помощи нейтрино ведутся невозможные ранее исследования солнечных и земных недр. Изучение нейтрино от широкого спектра природных и искусственных источников является сегодня одним из тех путей, который может позволить нащупать механизмы расширения Стандартной модели физики частиц и прояснить природу целого ряда наблюдаемых, но еще непонятых явлений.
Другим направлением работы группы НИЯУ МИФИ, связанным с подтверждением предсказаний Стандартной модели, является проверка величины сечения рождения переносчиков слабого взаимодействия, т.е. векторных бозонов на эксперименте ATLAS на Большом адронном коллайдере (БАК). Векторных бозона на данный момент известно 3 вида: W–, W+, Z0. Эти частицы имеют очень большие массы: mW 85mp, mZ 96mp, где mp – масса протона. В МИФИ занимаются исследованием более сложного процесса: рождением Z бозона совместно с фотоном в процессе столкновений протонных пучков на БАК. Такое исследование позволяет проводить проверку Стандартной Модели с очень высокой (ранее недостижимой) точностью. Оно позволяет “засечь” запрещённые в СМ взаимодействия как в случае, если они происходят напрямую, так и в случае, если они реализуются посредством новых неизвестных ранее частиц.
Рис. 3. Рождение векторного бозона Z на эксперименте ATLAS
В настоящий момент уже однозначно доказано, что электромагнитные и слабые взаимодействия являются проявлением одного и того же взаимодействия, которое получило название электрослабого (1967 г. С.Вайнберг и А.Салам). Гипотеза состояла в следующем: природа слабого и электромагнитного взаимодействий едина, так как на малых расстояниях слабые взаимодействия сравниваются по силе с электромагнитными, и разница между промежуточными векторными бозонами и фотонами стирается. Иными словами, при энергиях, превышающих несколько сотен гигаэлектронвольт электромагнитное и слабое взаимодействия становятся неразличимыми по интенсивности, они как бы сливаются в одно электрослабое взаимодействие.
Таким образом, вместо четырёх фундаментальных взаимодействиях можно говорить лишь о трёх: гравитационном, сильном и электрослабом. Из этой гипотезы следует, что на малых расстояниях промежуточные векторные бозоны не отличаются по своим свойствам от фотонов, а это значит, что промежуточные векторные бозоны и фотоны это по сути два проявления одной и той же частицы – переносчика электрослабого взаимодействия (иначе сила взаимодействия не может быть одинаковой). Это возможно только тогда, когда выполняется принцип локальной калибровочной инвариантности (симметрии).
Выяснилось, что при изменении масштаба, то есть при уменьшении расстояния, переносчики электрослабого взаимодействия переходят из одного своего проявления – фотонов – в другое проявление – промежуточные векторные бозоны. Однако, данное предположение поставило новый вопрос: каким образом промежуточные векторные бозоны и фотоны могут быть проявлениями одних и тех же частиц, если у фотонов масса равна нулю, а промежуточные векторные бозоны имеют очень большие массы?
Для решения этой проблемы в 1964 году английским физиком Питером Хиггсом был предложен механизм, впоследствии названый механизмом Хиггса. Этот механизм основывается на идее спонтанного нарушения симметрии (Spontaneous symmetry breaking — SSB). Явление SSB обычно определяют следующим образом. Физическая система имеет спонтанно нарушенную симметрию, если взаимодействия, определяющие динамику системы, обладают одной симметрией, а основное состояние — другой. Примером спонтанного нарушения симметрии может служить модель с шариком, покоящимся на вершине полностью симметричной горы. Основное состояние при этом будет обладать осевой симметрией, но данное состояние будет неустойчиво. Если шарик предоставить самому себе, то при сколь угодно малом воздействии он скатится с вершины и система перейдёт в состояние устойчивого равновесия. Таким образом изначально симметричное состояние переходит в несимметричное — происходит спонтанное нарушение симметрии. Когда, в свою очередь, спонтанное нарушение симметрии происходит в калибровочных теориях, это явление называют механизмом Хиггса. В теории электрослабого взаимодействия при спонтанном нарушении симметрии появляются четыре безмассовых намбу-голдстоуновских бозона (следствие так называемой теоремы Голдстоуна), которые никак не проявляются в физическом спектре, но объединяются с безмассовыми калибровочными бозонами, придавая им массу. Таким образом, появляются четыре массивные частицы: W–, W+, Z0-бозоны и бозон Хиггса.
Рис. 4. Рождение Хигсс бозона в столкновении встречных пучков на ускорителе на БАК
Изложенные выше положения составляют единую теорию электрослабого взаимодействия. Именно из неё следовало существование трёх видов промежуточных векторных бозонов W–, W+, Z0, а также предсказаны значения их масс. Экспериментальное открытие промежуточных векторных бозонов в 1983 году подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия.
Основным методом исследования в физике элементарных частиц является метод рассеяния, то есть столкновение различных частиц друг с другом, в результате которого рождаются новые частицы. В последнее время широко применяются коллайдеры – ускорители, в которых сталкиваются два пучка частиц с нулевым суммарным импульсом (частицы из разных пучков имеют равные по модулю, но противоположно направленные импульсы). Говорят, что процесс рассматривается в системе центра инерции сталкивающихся частиц. Рождающиеся в коллайдере новые частицы регистрируются различными детекторами. В эксперименте по поиску векторных бозонов на протонном синхротроне на протонном синхротроне сталкивались протонный и антипротонный пучки, в каждом из которых энергия частицы равна Е. Тогда суммарная энергия столкновения двух частиц равна 2Е. При условии 2Е > Мс2 в этом столкновении может быть рождена частица массой М.
Кварк u из протона и антикварк d из антипротона могут слиться в W+. Аналогично, пары u кварка и его партнера из антимира и d кварка с антипартнером могут дать при слиянии Z0-бозон, пара u анти u кварка – W–-бозон. Родившись, эти частицы быстро распадаются на элекроны, мюоны и нейтрино и их антипартнеров. Позитрон или положительно заряженный мюон с высокой эффективностью могут быть зарегистрированы детекторами, и это будет служить признаком рождения промежуточного векторного бозона. Нейтрино при этом улетают, унося значительную часть энергии. Так экспериментальное открытие векторных промежуточных бозонов подтвердило справедливость единой теории электрослабого взаимодействия.
Рис. 5. Установка эксперимента UA1 на супер протонном синхротроне (SPS CERN), где впервые экспериментально наблюдались векторные бозоны
В настоящий момент самым грандиозным экспериментом в области физики высоких энергий можно по праву считать Большой адронный коллайдер. На пути разгоняемых протонных пучков в точках их столкновений установлены детекторы, регистрирующие разлетающиеся осколки. Одним из таких детекторов является детектор переходного излучения TRT. Этот детектор помогает измерить треки частиц и отделить один тип частиц от другого, а именно электроны от пи-мезонов, что является очень полезной информацией для многих физических анализов. Группа ATLAS МИФИ имеет непосредственное отношение как к разработке этого детектора, так и к поддержанию его в рабочем состоянии в экстремальных условиях внутри ускорителя.
Рис. 6. ATLAS — oдин из четырёх основных экспериментов на коллайдере БАК в Европейской Организации Ядерных Исследований (CERN) в Женеве (Швейцария). Эксперимент проводится на одноимённом детекторе, предназначенном для исследования процессов, происходящих в протон-протонных и ион-ионных столкновениях при сверхвысоких энергиях
Помимо протонов Большой адронный коллайдер позволяет разгонять и сталкивать друг с другом ядра химических элементов. Каждый год столкновениям ядер свинца отводится порядка одного месяца в рамках научной программы коллайдера. Основная цель таких столкновений — это изучение свойств адронной материи при сверхвысоких давлениях и температурах, особый интерес представляет промежуточная фаза таких столкновений — кварк-глюонная материя.
Главное отличие научных задач в рамках ядро-ядерных столкновений от поиска хиггсовского бозона, суперсимметрии и разнообразных новых частиц заключается в том, что при изучении столкновений ядер возникновения новых частиц не ожидается, но с их помощью можно лучше понять как работает сильное взаимодействие.
Динамическое описание сильного взаимодействия — это исключительно важная (в том числе и с практической точки зрения), сложная и многогранная задача современной физики. Сильное взаимодействие обеспечивает существование конфайнмента, благодаря нему протоны и нейтроны в ядрах удерживаются вместе, и при этом не сливаются друг с другом. При этом, даже в вакууме , вдали от протонов и нейтронов, сильное взаимодействие «живет» исключительно нетривиальной жизнью, что значительно усложняет задачу по его изучению. По этому, описание сильного взаимодействия во всех его проявлениях является не менее важной задачей, чем открытие хиггсовского бозона или суперсимметрии.
Время существования кварк-глюонной материи — миллиардные доли секунды, поэтому не возможно напрямую в эксперименте измерять поведение кварк-глюонной материи и ответы на все вопросы приходится получать из косвенных методов при помощи регистрации многочисленных адронов, рожденных в столкновении.
Рис. 7. Событие столкновения ядер свинца на эксперименте ATLAS. В результате рождается множество “осколков” реакции, которые оставляют свои следы в детекторах
Среди многообразия доступных для наблюдения величин есть несколько ключевых, хорошо «зарекомендовавших себя» в предыдущих коллайдерных экспериментах с более низкими энергиями. Физики группы НИЯУ МИФИ в ATLAS занимаются несколькими из них. Глобальными и наиболее просто измеряемыми характеристиками в эксперименте в столкновениях релятивистских тяжелых ядер являются множественность заряженных частиц и распределение заряженных частиц по поперечному импульсу. По их свойствам можно делать важные заключения о новом состоянии ядерного вещества — кварк-глюонной материи (КГМ).
НИЯУ МИФИ имеет также длительный опыт успешного участия в крупном международном мегапроекте ALICE в CERN. Работы проводятся в тесном сотрудничестве с НИЦ «Курчатовский институт» — координатором российского участия в этом мегапроекте. Эксперимент ALICE специально разработан и создан для экспериментов по физике ядро-ядерных столкновений при энергиях Большого адронного коллайдера (БАК) в CERN.
Еще одна важнейшая задача ядерной физики — получение и изучение свойств ядер, находящихся в экстремальном состоянии — экзотических ядер. Примерами являются ядра, имеющие большой угловой момент («бешено» вращающиеся ядра), высокую энергию возбуждения («горячие» ядра), сильно деформированные ядра (также ядра с необычной конфигурацией), ядра с аномальным числом нейтронов или протонов (нейтронно-избыточные или нейтронно-дефицитные ядра и протонно-избыточные или протонно-дефицитные ядра), сверхтяжёлые ядра с числом протонов Z > 110.
Изучение свойств ядерной материи в экстремальных состояниях дает информацию о свойствах микромира и позволяет моделировать различные процессы, происходящие во Вселенной. Поэтому, синтезируя и изучая экзотические состояния ядер, ученые делают важные шаги в понимании не только фундаментальных свойств самого ядра, но и всей Вселенной. Например, внутри звезд и при взрывах сверхновых чрезвычайно высокие температуры и давления приводят к созданию частиц и ядер, которые при обычных условиях не существуют. Количество этих экзотических нестабильных ядер, перемешивающихся в котле Вселенной, находящихся далеко за пределами широкого спектра стабильных изотопов, обычно встречающихся на Земле.
Производство и исследование таких экзотических ядер в современных ускорителях представляет интерес по двум причинам. Во-первых, ученые могут проверить теоретические модели, описывающие свойства ядер не наблюдаемых на Земле в стабильном состоянии. Во-вторых, мы сегодня знаем, что синтез элементов в звездах происходит с участием экзотических ядер. Распад этих ядер происходит через испускание бета-частиц (т.е. высокоскоростных электронов) до появления стабильных ядер, известных на Земле. Таким образом, образование химических элементов (нуклеосинтез) и их распространенность определяется свойствами этих экзотических ядер. Тем самым, исследование экзотических ядер позволяет нам решать важные задачи астрофизики и космологии. Сотрудники НИЯУ МИФИ кафедры элементарных частиц ведут активную исследовательскую работу по поиску экзотических ядер.
Не только предсказания СМ и новые частицы учёные со всего мира надеются разглядеть в сложной мозаике из следов частиц, оставленных в детекторах. Дополнительные пространственные измерения – еще одно направление в физике высоких энергий (ФВЭ), которое занимает умы физиков. Идея о том, что число пространственных измерений в нашем мире может быть больше трех, была выдвинута еще в первой половине XX века в работах Т. Калуцы и О. Клейна. В настоящее время данная идея лежит в основе практически всех попыток объединения четырех физических взаимодействий. Возникает вопрос: почему мы не наблюдаем дополнительных измерений? Один из наиболее популярных ответов на данный вопрос заключается в предположении о компактности (малости) дополнительных измерений: наименьший достижимый масштаб расстояний в современных физических экспериментах составляет порядка 10^(-18) см, и если компактные дополнительные пространства существуют, они должны иметь размер меньше 10^(-18) см.
Помимо чисто теоретических аспектов, широко обсуждаются и возможности экспериментального обнаружения дополнительных пространственных измерений. В частности, предполагается, что в высокоэнергичных столкновениях частиц на Большом адронном коллайдере могут рождаться частицы, которые “чувствуют” дополнительные пространства и могут проникать в них. В таком случае, часть суммарной энергии сталкивающихся частиц может теряться для наблюдателя, измеряющего ее в нашем четырехмерном пространстве-времени. Обнаружение подобного дисбаланса энергий явилось бы косвенным свидетельством многомерности пространства.
Все современные эксперименты в области ФВЭ не могли бы обойтись без не менее сложных вычислительных систем и алгоритмов. ФВЭ подразумевает обработку колоссального объема данных, которая невозможна без использования распределенных вычислительных систем: начиная от всем известной технологии всемирной паутины (World Wide Web), придуманной в ЦЕРН и повлиявшей на весь мир, и заканчивая использованием супер компьютеров и современных облачных систем. Так в грид-системе эксперимента АТЛАС за первые 5 лет работы эксперимента была обработано более 100 Пбайт данных (больше чем архив всего интернета в данный момент). При этом, объем данных постоянно возрастает, что вынуждает постоянно развивать новые технологии, которые впоследствии находят применение во всех областях науки.
В скором времени в статью будет добавлена информация по следующим разделам:
Детекторы элементарных частиц
Закон Кулона
Еще в древности было известно, что наэлектризованные тела взаимодействуют. Силу взаимодействия двух небольших заряженных шариков с помощью крутильных весов впервые измерил Шарль Кулон. Он сформулировал закон, который позже назвали его именем.
Так же, было выяснено, что сила, с которой два заряда притягиваются, или отталкиваются, зависит не только от самих зарядов, но и от вещества, в котором эти заряды находятся.
Опыт Кулона
Кулон нашел способ измерить взаимное действие двух зарядов. Для этого он использовал крутильные весы.
Ему не пришлось применять дополнительную особо чувствительную аппаратуру. Потому, что взаимное действие зарядов имело достаточную для наблюдения интенсивность.
Примечание: Опыт Кулона похож на опыт Кавендиша, который экспериментально определил гравитационную постоянную G.
Устройство крутильных весов
Такие весы (рис. 1) содержат перекладину — тонкий стеклянный стержень, расположенный горизонтально. Он подвешен на тонкой вертикально натянутой упругой проволоке.
На одном конце стержня находится небольшой металлический шарик. К другому концу прикреплен груз, который используется, как противовес.
Еще один металлический шарик, прикрепленный ко второй палочке из стекла, можно располагать неподалеку от первого шарика. Для этого в верхней крышке корпуса весов проделано отверстие.
Рис. 1. Устройство крутильных весов, использованных Кулоном для обнаружения силы взаимодействия зарядов
Если наэлектризовать шарики, они начнут взаимодействовать. А прикрепленная к проволоке перекладина, на которой находится один из шариков, будет поворачиваться на некоторый угол.
На корпусе весов на уровне палочки располагается шкала с делениями. Угол поворота связан с силой взаимного действия шариков. Чем больше угол поворота, тем больше сила, с которой шарики действуют друг на друга.
Чтобы сдвинувшийся шарик вернуть в первоначальное положение, нужно закрутить проволоку на некоторый угол. Так, чтобы сила упругости скомпенсировала силу взаимодействия шариков.
Для закручивания проволоки в верхней части весов есть рычажок. Рядом с ним расположен диск, а на нем – еще одна угловая шкала с делениями.
По нижней шкале определяют точку, в которую необходимо вернуть шарик. Верхней шкалой пользуются, чтобы установить угол, на который нужно рычажком закрутить проволоку.
С помощью крутильных весов Шарль Кулон выяснил, как именно сила взаимного действия зависит от величины зарядов и расстояния между зарядами.
В те годы единиц для измерения заряда не было. Поэтому ему пришлось изменять заряд одного шарика с помощью метода половинного деления.
Когда он касался заряженным шариком второго такого же шарика, заряды между ними распределялись поровну. Таким способом, можно было уменьшать заряд одного из шариков, участвующих в опыте, в 2, 4, 8, 16 и т. д. раз.
Так опытным путем Кулон получил закон, формула которого очень похожа на закон всемирного тяготения.
В память о его заслугах, силу взаимодействия зарядов называют Кулоновской силой.
Закон Кулона для зарядов в вакууме
Рассмотрим два точечных заряда, которые находятся в вакууме (рис. 2).
Рис. 2. Два положительных заряда q и Q, расположенных в вакууме на расстоянии r, отталкиваются. Силы отталкивания направлены вдоль прямой, соединяющей заряды
На рисунке 2 сила \(\large F_ \) – это сила, с которой положительный заряд Q отталкивает второй положительный заряд q. А сила \(\large F_ \) принадлежит заряду q, с такой силой он отталкивает заряд Q.
Примечание: Точечный заряд – это заряженное тело, размером и формой которого можно пренебречь.
Силы взаимодействия зарядов, по третьему закону Ньютона, равны по величине и направлены противоположно. Поэтому, для удобства можно ввести обозначение:
\[\large F_ = F_ = F\]
Для силы взаимодействия зарядов в вакууме Шарль Кулон сформулировал закон так:
Два точечных заряда в вакууме,
взаимодействуют с силой
прямо пропорциональной
произведению величин зарядов
и обратно пропорциональной
квадрату расстояния между ними.
Формула для этого закона на языке математики запишется так:
\(F \left( H \right) \) – сила, с которой два точечных заряда притягиваются, или отталкиваются;
\(|q| \left( \text\right) \) – величина первого заряда;
\(|Q| \left( \text\right) \) – величина второго заряда;
\(r \left( \text\right) \) – расстояние между двумя точечными зарядами;
\(k \) – постоянная величина, коэффициент в системе СИ;
Сила – это вектор. Две главные характеристики вектора – его длина и направление.
Формула позволяет найти одну из характеристик вектора F — модуль (длину) вектора.
Чтобы определить вторую характеристику вектора F – его направление, нужно воспользоваться правилом: Мысленно соединить два неподвижных точечных заряда прямой линией. Сила, с которой они взаимодействуют, будет направлена вдоль этой прямой линии.
Сила Кулона – это центральная сила, так как она направлена вдоль прямой, соединяющей центры тел.
Примечание: Еще один пример центральной силы — сила тяжести.
Что такое коэффициент k с точки зрения физики
Постоянная величина \(k \), входящая в формулу силы взаимодействия зарядов, имеет такой физический смысл:
\(k \) — это сила, с которой отталкиваются два положительных точечных заряда по 1 Кл каждый, когда расстояние между ними равно 1 метру.
Значение постоянной k равно девяти миллиардам!
Это значит, что заряды взаимодействуют с большими силами.
Рис. 3. Коэффициент k в формуле взаимодействия зарядов
Константу k можно вычислить опытным путем, расположив два известных заряда (не обязательно по 1 Кулону каждый) на удобном для измерений расстоянии (не обязательно 1 метр) и измерив силу из взаимного действия.
Нужно подставить известные величины зарядов, расстояние между ними и измеренную силу в такую формулу:
Величина k связана с электрической постоянной \(\varepsilon\) такой формулой:
Поэтому дробь из правой части этой формулы можно встретить в различных справочниках физики, где она заменяет коэффициент k.
Закон Кулона для зарядов в веществе
Если два точечных заряда находятся в веществе, то сила их взаимного действия будет меньше, чем в вакууме. Для зарядов в веществе закон Кулона выглядит так:
\(F \left( H \right) \) – сила взаимодействия зарядов в веществе;
\(|q| ; |Q| \left( \text\right) \) – величины зарядов;
\(r \left( \text\right) \) – расстояние между зарядами;
\( k = 9\cdot 10^ \) – постоянная величина;
\( \varepsilon \) – диэлектрическая проницаемость вещества, для разных веществ различается, ее можно найти в справочнике физики;
Рис. 4. Два заряда -q и +Q, расположенные в вакууме на расстоянии r, притягиваются сильнее, нежели те же заряды, расположенные на таком же расстоянии в диэлектрике
Силы, с которыми заряды действуют друг на друга в веществе, отличаются от сил взаимодействия в вакууме в \( \varepsilon \) раз:
Примечание: Читайте отдельную статью, рассказывающую, что такое диэлектрическая проницаемость и электрическая постоянная.