Меню

Укажите единицу измерения энергии кванта



Энергия кванта

У всех классических механических волн (в жидкостях, газах и твердых телах) главный параметр, определяющий энергию волны, — это ее амплитуда (точнее, квадрат амплитуды). В случае света амплитуда определяет интенсивность излучения. Однако при изучении явления фотоэффекта — выбивания светом электронов из металла — обнаружилось, что энергия выбитых электронов не связана с интенсивностью (амплитудой) излучения, а зависит только от его частоты. Даже слабый голубой свет выбивает электроны из металла, а самый мощный желтый прожектор не может выбить из того же металла ни одного электрона. Интенсивность определяет, сколько будет выбито электронов, — но только если частота превышает некоторый порог. Оказалось, что энергия в электромагнитной волне раздроблена на порции, получившие название квантов. Энергия кванта электромагнитного излучения фиксирована и равна

где h = 4·10 –15 эВ·с = 6·10 –34 Дж·с — постоянная Планка, еще одна фундаментальная физическая величина, определяющая свойства нашего мира. С отдельным электроном при фотоэффекте взаимодействует отдельный квант, и если его энергии недостаточно, он не может выбить электрон из металла. Давний спор о природе света — волны это или поток частиц — разрешился в пользу своеобразного синтеза. Одни явления описываются волновыми уравнениями, а другие — представлениями о фотонах, квантах электромагнитного излучения, которые были введены в оборот двумя немецкими физиками — Максом Планком и Альбертом Эйнштейном.

Энергию квантов в физике принято выражать в электрон-вольтах. Это внесистемная единица измерения энергии. Один электрон-вольт (1 эВ) равен энергии, которую приобретает электрон, когда разгоняется электрическим полем напряжением 1 вольт. Это очень небольшая величина, в единицах системы Си 1 эВ = 1,6·10 –19 Дж. Но в масштабах атомов и молекул электрон-вольт — вполне солидная величина.

От энергии квантов напрямую зависит способность излучения производить определенное воздействие на вещество. Многие процессы в веществе характеризуются пороговой энергией — если отдельные кванты несут меньшую энергию, то, как бы много их ни было, они не смогут спровоцировать надпороговый процесс.

Немного забегая вперед, приведем примеры. Энергии СВЧ-квантов хватает для возбуждения вращательных уровней основного электронно-колебательного состояния некоторых молекул, например воды. Энергии в доли электрон-вольта хватает для возбуждения колебательных уровней основного состояния в атомах и молекулах. Этим определяется, например, поглощение инфракрасного излучения в атмосфере. Кванты видимого света имеют энергию 2–3 эВ — этого достаточно для нарушения химических связей и провоцирования некоторых химических реакций, например, тех, что протекают в фотопленке и в сетчатке глаза. Ультрафиолетовые кванты могут разрушать более сильные химические связи, а также ионизировать атомы, отрывая внешние электроны. Это делает ультрафиолет опасным для жизни. Рентгеновское излучение может вырывать из атомов электроны с внутренних оболочек, а также возбуждать колебания внутри атомных ядер. Гамма-излучение способно разрушать атомные ядра, а самые энергичные гамма-кванты даже внедряются в структуру элементарных частиц, таких как протоны и нейтроны.

Источник

Фундаментальные константы

Физика, свободная от метафизических гипотез, невозможна. ( Макс Борн)

Разделы микроскопической физики (микрофизики или физики микромира):

  • Базовые единицы измерения в природе и их кванты
  • Универсальные физические постоянные (фундаментальные константы)
  • Ресурсы о фундаментальных постоянных
  • Литература об универсальных константах

Базовые единицы измерения в природе и их кванты

В разделе ниже даются «первичные» физические константы, от которых завсисят другие, «вторичные». Эти первичные константы (или их часть) можно считать некими «квантами».

Авторские рассуждения о квантах мира и вычисления кванта массы

Поскольку материя в нашем мире мыслится в понятии массы, а располагается в пространственно-временных координатах, то нам интересны, прежде всего, «кванты» пространства и времени:

А вот какое значение у минимально возможной массы — «кванта материи»? Можно ли его вычислить? Давайте попробуем сделать это несколькими способами:

  1. на основе постоянной Планка ħ = 6,626176·10 -34 Дж·с.
  2. на основе указанных «первичных» констант tu, lu и hu = 7,69558071(63)·10 –37 Дж·с.
  3. на основе III закона Кеплера, показывающего соотношение пространства и времени рядолм с неизменной массой, в формуле которого участвует гравитационная постоянная G (или γ) = 6,6720·10 -11 Н·м2·кг -2 .

Вычисление кванта массы на основе постоянной Планка

Вычисление кванта массы на основе первичных констант

Вычисление кванта массы на основе гравитационной постоянной

Универсальные физические постоянные (фундаментальные константы)

Можно было бы думать, что свойства мира определяются такими универсальными постоянными, как скорость света, заряд электрона или постоянная Планка, но это не так. Если бы даже каждая из этих постоянных изменилась, но изменилась так, что численное значение «альфа» [постоянная тонкой структуры α] по-прежнему осталось бы равным 1/137, мир тоже остался бы прежним, и мы никогда не смогли бы опознать, что в нем что-то изменилось. Но если «альфа» изменится хотя бы на одну миллионную, свойства нашего мира станут совершенно другими — например, в нем не сможет существовать жизнь.

Первичные физические постоянные

Свет от квазаров на своем пути длиной в миллиарды лет проходит через межзвездные облака металлов (железа, никеля, хрома). В 1997 при его исследовании обнаружили, что он поглотил некоторые из фотонов света квазара. Но не те, которые ожидалось. Единственное непроверенное разумное объяснение состоит в том, что постоянная тонкой структуры, или альфа (α), имела различное значение в то время, когда свет проходил через облака. Но ведь альфа определяет, как свет взаимодействует с материей, и не должна меняться. Ее значение зависит от заряда электрона, скорости света и постоянной Планка. Какая же постоянная изменилась?

Согласно Н. Косинову, проведенные исследования показали, что используемые в современной физике фундаментальные физические константы непосредственно происходят от перечисленных ниже констант вакуума :

  • hu = 7,69558071(63)·10 –37 Дж·с.
  • Gu = 2,56696941(21)·10 –45 Н·с 2 .
  • Ru = 29,9792458 Ом.
  • tu = 0,939963701(11)·10 –23 с.
  • lu = 2,817940285(31)·10 –15 м.

[А я бы не исключил возможность, что некоторые физические константы зависят не только от этих первичных, которые можно назвать «квантами» и которые по сему относятся к области микромира, но и от значений, которые относятся к области мегамира, например, возраста и радиуса Вселенной.]

Вторичные физические постоянные

Установлено, что современные фундаментальные физические постоянные имеют вторичный статус по отношению к найденным константам и представляют собой различные комбинации констант hu, tu, lu и чисел π и α. Константам, входящим в hu-tu-lu-π-α-базис, определен специальный статус – как универсальные суперконстанты . На основе универсальных суперконстант получено новое значение гравитационной постоянной Ньютона, планковских констант и найдена универсальная формула силы [?].

Новые фундаментальные физические константы дают широкие возможности для установления новых физических законов и поиска констант взаимодействия для различных физических законов.

Все фундаментальные физические постоянные:

  • Основные механические константы:
    • Постоянная тонкой структуры α = 0,072973506; 1/α = 137,03604.
    • Гравитационная постоянная G = 6,6720·10 -11 Н·м2·кг -2 .
    • Скорость света в вакууме с = 2,99792458·10 8 м·с -1 .
    • Постоянная Планка ħ = 6,626176·10 -34 Дж·с.
  • Наименьшие из известных расстояний:
    • Радиус первой боровской орбиты a = 0,52917706·10 -10 м.
    • Классический радиус электрона re = 2,8179380·10 -15 м.
    • Постоянная Ридберга R = 10973731,77 м -1 . [или ей лучше к энергетическим константам отнести?]
  • Массы и энергии стабильных частиц:
    • Масса покоя электрона me = 9,109534·10 -31 кг 5,4858026·10 -4 а.е.м.
    • Энергия покоя электрона me·c 2 = 0,5110034 МэВ.
    • Масса покоя протона mp = 1,6726485·10 -27 кг = 1,007276470 а.е.м.
    • Энергия покоя протона mp·c 2 = 938,2796 МэВ.
    • Масса покоя нейтрона mn = 1,6749543·10 -27 кг = 1,008665012 а.е.м.
    • Энергия покоя нейтрона mn·c 2 = 939,5731 МэВ.
    • Отношение массы протона к массе электрона mp/me = 1836,15152.
    • Атомная единица массы (10 -3 кг·моль -1 )/NA, а.е.м. = 1,6605655(86)·10 -27 кг.
    • Массы атомов в а.е.м.: водород 1 H — 1,007825036; дейтерий 2 H — 2,014101795; гелий-4 4 He — 4,002603267.
    • Энергетические эквиваленты: а.е.м. = 931,5016 МэВ; 1 электронвольт = 1,6021892·10 -19 Дж.
    • Энергия kT (при 25 °C) — энергетические эквиваленты: 4,11·10 -21 Дж; 9,83·10 -22 Кал; 0,0256 эВ; 2,479 кДж/моль; 0,593 кКал/моль.
  • Магнитно-электрические константы:
    • Магнитная постоянная μ = 4π·10 -7 Гн·м -1 = 1,25663706144·10 -6 Гн·м -1 .
    • Электрическая постоянная ε = (μc 2 )-1 8,85418782·10 -12 Ф·м -1 .
    • Заряд электрона (абс. величина) e = 1,6021892·10 -19 Кл = 4,803242·10 -10 уд. СГСЭ.
    • Отношение заряда электрона к его массе e/me = 1,7588047·10 11 Кл·кг -1 .
    • Магнетон Бора μБ = 9,274078·10 -24 Дж·Тл -1 .
    • Ядерный магнетон μN = 5,050824·10 -24 Дж·Тл -1 .
    • Магнитный момент нейтрона в ядерных магнетонах μnN = 1,91315.
    • Магнитный момент протона в ядерных магнетонах μpN = 2,7928456.
    • Отношение Джозефсона 2e/h = 4,835939·10 14 Гц·В -1 .
    • Квант магнитного потока Ф = h/2e = 2,0678506·10 -15 Вб.
  • Аэродинамические константы:
    • Постоянная Авогадро NA = 6,022045·10 23 моль -1 .
    • Постоянная Фарадея F = NA·e = 96484,56 Кл·моль -1 .
    • Молярная газовая постоянная R = 8,31441 Кл·моль -1 ·K -1 .
    • Объем моля идеального газа при нормальных условиях (1 атм, T0 = 273,15 К) Vm = 22,41383·10 -3 м 3 ·моль -1 .
    • Постоянная Больцмана k = R/NA = 1,380662·10 -23 Дж·К -1 .

Ресурсы о фундаментальных постоянных

Сетевые статьи и новости о физических константах:

Источник

Квант. Энергия кванта. Скорость света

Квант — неделимая порция какой-либо величины в физике. Фотон — квант электромагнитного поля;

Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Ско́рость све́та — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. Энергию квантов в физике принято выражать в электрон-вольтах. Это внесистемная единица измерения энергии. От энергии квантов напрямую зависит способность излучения производить определенное воздействие на вещество. Многие процессы в веществе характеризуются пороговой энергией — если отдельные кванты несут меньшую энергию, то, как бы много их ни было, они не смогут спровоцировать надпороговый процесс. Если световой пучок падает на поверхность, разделяющую две прозрачные среды разной оптической плотности, например воздух и воду, то часть света отражается от этой поверхности, а другая часть — проникает во вторую среду. При переходе из одной среды в другую луч света изменяет направление на границе этих сред. Это явление называется

преломлением света. Опыты показывают, что при одном и том же угле падения угол преломления тем меньше, чем плотнее в оптическом отношении среда, в которую проникает луч. Если свет идёт из среды более оптически плотной в среду менее плотную, то угол преломления луча больше угла падения. 1 . На границе раздела двух сред различной оптической плотности луч света при переходе из одной среды в другую меняет своё направление. 2. При переходе луча света в среду с большей оптической плотностью угол преломления меньше угла падения; при переходе луча света из оптически более плотной среды в среду менее плотную угол преломления больше угла падения. Преломление света сопровождается отражением, причём с увеличением угла падения яркость отражённого пучка возрастает, а преломлённого ослабевает. Чем более плотная среда тем меньше скорость света , чем менее плотная среда тем больше скорость света. Максимальное значение скорости света ( в вакууме 3*10 в 8 степени м/с)

3.7 Спектр. Условия образования спектров излучения. Характер распределения энергии в спектре: непрерывные, линейчатые, полосатые спектры и системы их излучающие

Спектр — распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы). Графическое представление такого распределения называется спектральной диаграммой . Обычно под спектром подразумевается электромагнитный спектр — спектр частот электромагнитного излучения. В научный обиход термин спектр ввёл Ньютон в 1671—1672 годах для обозначения многоцветной полосы, похожей на радугу, которая получается при прохождении солнечного луча через треугольную стеклянную призму. Непрерывные спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейчатые спектры. Линейчатый спектр. это спектр, испускаемый газами, парами малой плотности в атомарном состоянии. Состоит из отдельных линий разного цвета (длины волны, частоты), имеющих разные расположения. Каждый атом излучает набор электромагнитных волн определенных частот. Поэтому каждый химический элемент имеет свой спектр. Каждая линия имеет конечную ширину Это самый фундаментальный, основной тип спектров. Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн. Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом. При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются, и, наконец, при очень большом сжатии газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр. Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Полосатые спектры. Полосатый спектр состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками. Каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом. Распределение энергии в спектре.Энергия теплового излучения с непрерывным спектром распределяется неравномерно по разным частям спектра. Характер этого распределения зависит как от температуры, так и от природы излучающего тела. Эмиссионный спектр, спектр излучения, спектр испускания — относительная интенсивность электромагнитного излучения объекта исследования по шкале частот. Обычно изучается излучение в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне от сильно нагретого вещества. Спектр излучения вещества представляют либо в виде горизонтальной цветовой полосы — результат расщепления света от объекта призмой — либо в виде графика относительной интенсивности, либо в виде таблицы. Нагретое вещество излучает электромагнитные волны (фотоны). Спектр этого излучения на фоне спектра излучения абсолютно чёрного тела, при достаточной температуре, на определённых частотах имеет ярко выраженные увеличения интенсивности. Причина повышения интенсивности излучения — в электронах, находящихся в условиях квантования энергии. Такие условия возникают внутри атома, в молекулах и кристаллах. Возбуждённые электроны переходят из состояния бо́льшей энергии в состояние меньшей энергии с испусканием фотона. Разница энергий уровней определяет энергию испущенного фотона, и следовательно его частоту в соответствии с формулой: Е=hv, где Е – энергия фотона, h- постоянная Планка, v –частота.

Источник

Величины в ФЭЧ и их единицы измерения

Размеры

В физике элементарных частиц изучаются атомные ядра и еще более мелкие частицы. Их размеры удобно выражать в фемтометрах (фм): 1 фм = . Эту единицу измерения называют также ферми: 1 ферми = = 1 фм.

Фемтометр в миллион раз меньше нанометра — типичного размера молекул. Размер протона или нейтрона как раз составляет примерно 1 фм. Существуют составные частицы, размер которых еще меньше; например, ипсилон-мезон, состоящий из кварк-антикварковой пары b–анти-b, имеет размер примерно 0,2 фм. Другие частицы (называемые фундаментальными), например кварки, электроны, нейтрино и т. д., пока считаются точечными; если они и имеют внутреннюю структуру, то эта структура проявится при размерах, меньших, чем тысячная доля фемтометра.

Времена

В отличие от расстояний, характерные времена, использующиеся при описании превращений элементарных частиц, могут быть самые разные.

Для протон-протонных столкновений в качестве базовой единицы времени можно взять время, за которое частица с околосветовой скоростью проходит расстояние, равное размеру протона, — это составляет примерно . Эту единицу можно назвать типичным адронным масштабом времени. Для сравнения, это примерно в миллиард раз меньше, чем период колебаний световой волны.

Когда два протона сталкиваются в коллайдере, именно в течение этого промежутка времени происходит рождение некоего высокоэнергетического сгустка материи и его распад на конечные частицы. Однако сами рожденные частицы могут жить намного дольше. Например, адроны, распадающиеся за счет слабого взаимодействия, живут пикосекунды, наносекунды и иногда даже больше. Рекордсмен тут нейтрон, чье время жизни в свободном состоянии составляет примерно 15 минут. Относительно большое время жизни этих частиц вызвано тем, что распадаются они не за счет сильного, а за счет слабого или электромагнитного взаимодействия. Такие частицы успевают пролететь до распада большие дистанции — миллиметры, метры и больше; эти метастабильные частицы регистрируются непосредственно в детекторе. Частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия (так называемые адронные резонансы), живут в течение адронного масштаба времени. Такие частицы до детектора не долетают, и они изучаются по следам своего распада.

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 . 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, 10 6 эВ), гигаэлектронвольты (ГэВ, 10 9 эВ) и даже тераэлектронвольты (ТэВ, 10 12 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 . 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.

Массы

Согласно знаменитой формуле Эйнштейна , энергия покоя и масса тесно взаимосвязаны. В мире элементарных частиц эта связь проявляется самым непосредственным образом: при столкновении частиц с достаточной энергией могут рождаться новые тяжелые частицы, а при распаде покоящейся тяжелой частицы разница масс переходит в кинетическую энергию получившихся частиц. По этой причине массы частиц тоже принято выражать в электронвольтах (а точнее, в электронвольтах, деленных на скорость света в квадрате). 1 эВ соответствует массе всего в . Электрон в этих единицах весит 0,511 МэВ, а протон 0,938 ГэВ. Открыто множество и более тяжелых частиц; рекордсменом пока остается топ-кварк с массой около 170 ГэВ. Самые легкие из известных частиц с ненулевой массой — нейтрино — весят всего несколько десятков мэВ (миллиэлектронвольт).

Частота событий

Обсуждая вероятность того или иного процесса на коллайдере, физики обычно приводят две величины: сечение процесса и светимость коллайдера. Именно их произведение определяет, насколько часто происходит столкновение того или иного типа на данном коллайдере.

Сечение (или, по-старинному, эффективное сечение) — это, грубо говоря, та поперечная площадь в частице-мишени, в которую надо попасть налетающей частице, чтобы произошла нужная реакция. Однако не стоит понимать эти слова буквально: будто поверхность протона разделена на области: попадешь в одну — произойдет одна реакция, попадешь в другую — другая. Так могло бы быть в классической механике, но в мире квантовых частиц самые разные процессы протекают с какой-то вероятностью даже при совершенно идентичных столкновениях. Просто эти вероятности удобно выражать в виде неких сечений, отвечающих тому или иному процессу, и измерять их в единицах площади. Стандартная единица измерения сечений в физике элементарных частиц — барн (b); .

Светимость — это «инструментальная» характеристика коллайдера, характеризующая интенсивность пучков. Светимость зависит от количества частиц в каждом пучке и от того, насколько плотно частицы собраны. Чем больше светимость, тем чаще происходят столкновения частиц из встречных пучков.

Светимость выражается в . Для того чтобы узнать, как часто (то есть сколько раз в секунду) будет происходить какой-то процесс на данном коллайдере, надо умножить сечение процесса на светимость коллайдера. Например, при проектной светимости LHC, равной процесс рождения хиггсовского бозона с массой 200 ГэВ, имеющий сечение 20 pb (= ), будет происходить со средней частотой один раз в пять секунд.

Далее, частота, с которой детектор будет регистрировать данный тип событий, обычно меньше частоты, с которой это событие происходит. Так получается потому, что вовсе не на каждое событие детектор «срабатывает» нужным образом, то есть у детектора неидеальная эффективность регистрации. Например, родившиеся частицы могут пролететь мимо детектора и избежать регистрации (впрочем, благодаря высокой герметичности современных детекторов вероятность этого мала). Либо энергия частицы одной из частиц может оказаться маленькой, и детектор просто не учтет эту частицу, примет ее за случайный шум. Либо детектор может неправильно идентифицировать рожденную частицу, приняв ее за другую и на основании этого отбросив событие как неинтересное.

Все эти процессы необходимо учитывать при сравнении реально полученных данных с теоретическими расчетами. Обычно это делается путем сложного численного моделирования процессов, протекающих внутри детектора при прохождении сквозь него частиц.

Наконец, число событий, отобранных для анализа какого-то конкретного процесса (то есть та статистика, на основе которой физики, например, заявляют об открытии новой частицы), обычно намного меньше числа реально зарегистрированных событий этого типа. Дело в том, что обычно искомые события происходят довольно редко, и их приходится вылавливать из мешанины самых разнообразных фоновых процессов. Для того чтобы увеличить надежность результатов, физики обычно отбирают только самые четкие события-кандидаты, наиболее непохожие на последствия фоновых процессов. Подробнее про эту методику см. в популярной статье Анатомия одной новости, или Как на самом деле физики изучают элементарные частицы.

Источник

Читайте также:  Величины углов как измерить величину угла

Сравнить или измерить © 2021
Внимание! Информация, опубликованная на сайте, носит исключительно ознакомительный характер и не является рекомендацией к применению.