Обложка Ильин В.А., Кудрявцев В.В., Смирнова Л.Н. Магистральные направления физики XXI века: Физика технологий будущего для будущих физиков и инженеров: Современная микрофизика: Стандартная модель, коллайдер LHC, бозон Хиггса, суперсимметрия, частицы темной материи, Новая физика, управляемый термоядерный синтез, ядерная геохронология, синтез сверхтяжелых элементов
Id: 236966
925 руб.

Магистральные направления физики XXI века:
Физика технологий будущего для будущих физиков и инженеров: СОВРЕМЕННАЯ МИКРОФИЗИКА: Стандартная модель, коллайдер LHC, бозон Хиггса, суперсимметрия, частицы темной материи, Новая физика, управляемый термоядерный синтез, ядерная геохронология, синтез сверхтяжелых элементов Кн.2. №218
Магистральные направления физики XXI века: Физика технологий будущего для будущих физиков и инженеров: Современная микрофизика: Стандартная модель, коллайдер LHC, бозон Хиггса, суперсимметрия, частицы темной материи, Новая физика, управляемый термоядерный синтез, ядерная геохронология, синтез сверхтяжелых элементов

URSS. 2021. 304 с. ISBN 978-5-9519-2377-6.
  • Твердый переплет
Белая офсетная бумага
Белая офсетная бумага.

Аннотация

Настоящая книга знакомит читателей с явлениями и законами, относящимися к современной физике микромира. Качественный стиль изложения, отсутствие затруднительных теоретических расчетов, обращение к фрагментам из истории науки позволяет представить сложные вопросы современной микрофизики на высоком содержательном уровне и в научно-популярном стиле.

Данной книгой авторы пытаются решить проблему отсутствия в программах вузов и ...(Подробнее)школ сведений о современной физике, связанную со сложностью тех физических явлений, которые исследует современная наука. Ознакомление с настоящим материалом позволит ликвидировать этот пробел в образовании, донести до читателя обширные идейные, экспериментальные и технические аспекты, которыми живет современная наука и которые зачастую остаются неизвестными для большей части общества. Данный материал не только позволит расширить ваш научный кругозор, но и будет содействовать развитию вашего научного мировоззрения и формированию современного стиля мышления — эффективных инструментов в процессе научного познания.

Отдельно стоит отметить, что книга будет крайне полезна будущим и практикующим учителям физики: представленные материалы дадут им сведения, которые можно использовать в преподавании школьного курса физики, при проведении внеклассной работы (например, проектной и учебно-исследовательской деятельности).

Материалы книги адресованы учителям физики, студентам вузов, учащимся классов (в том числе естественно-научного профиля) старшей школы, а также всем, кому интересны достижения современной физики и техники, история развития физической науки.


Содержание
Оглавление5
Предисловие10
Глава 1. Современные представления об элементарных частицах и фундаментальных взаимодействиях. Стандартная модель16
1. Модели атома. Из истории открытия элементарных частиц16
2. Систематизация элементарных частиц. Кварковая структура адронов21
3. Лептоны и их свойства. Кварк-лептонная симметрия27
4. Взаимодействие кварков. Цвет32
5. Фундаментальные взаимодействия36
6. CPT-теорема. Антивещество45
7. Обменный характер фундаментальных взаимодействий. Диаграммы Фейнмана47
8. Частицы — переносчики фундаментальных взаимодействий50
9. Спонтанное нарушение электрослабой симметрии. Поле Хиггса. Бозон Хиггса54
Глава 2. Ускорители и коллайдеры. БАК — инструмент XXI века60
1. Ускорители и коллайдеры: устройство и принцип действия60
2. Большой адронный коллайдер — самый значимый научный прибор XXI века68
3. Ускорительный комплекс Большого адронного коллайдера70
4. Детекторы Большого адронного коллайдера78
4.1. Детектор ATLAS82
4.2. Детектор CMS87
4.3. Детектор LHCb88
4.4. Детектор ALICE90
4.5. Эксперимент LHCf93
4.6. Эксперимент TOTEM94
5. Обработка сигналов на Большом адронном коллайдере94
Приложение (микростриповые детекторы и дрейфовые камеры)96
Глава 3. Основные научные результаты Большого адронного коллайдера101
1. Соответствие параметров БАК задачам экспериментов101
2. Краткая история БАК103
3. Первые результаты экспериментов105
4. Открытие бозона Хиггса108
5. Свойства бозона Хиггса112
6. Проверка Стандартной модели117
7. Исследования горячей и плотной материи120
Глава 4. Будущее Большого адронного коллайдера и новые проекты125
1. Модернизация БАК: новые задачи и новые вызовы125
2. Молодые ученые — главное сокровище БАК131
3. Мифология БАК134
Глава 5. Современные идеи физики микромира143
1. Электрослабое взаимодействие и теории Великого объединения. Теория Всего145
2. Модель суперсимметрии151
3. Поиск частиц темной материи158
4. Экзотические модели Новой физики164
5. Поиск Новой физики через прецизионное измерение параметров Стандартной модели166
Глава 6. Современные методы ядерной геохронологии169
1. Физические методы на службе археологии169
2. У. Либби — создатель радиоуглеродного метода170
3. Изотопы172
4. Как образуется радиоуглерод?173
5. Как вычислить возраст образца?175
6. Подготовка образца к радиоуглеродному анализу176
7. Эксперимент У. Либби177
8. Другие методы измерения активности радиоуглерода179
9. Проверка точности метода радиоуглеродного анализа181
10. Успехи радиоуглеродного метода анализа182
11. Критика метода радиоуглеродного анализа186
12. Калибровка метода радиоуглеродного анализа189
13. Другие методы ядерной геохронологии191
13.1. Калий-аргоновый и аргон-аргоновый методы192
13.2. Уран-свинцовый метод194
13.3. Свинец-свинцовый метод195
13.4. Рубидий-стронциевый метод196
13.5. Самарий-неодимовый метод197
Глава 7. Существует ли граница таблицы Менделеева? Синтез сверхтяжелых элементов200
1. Периодический закон и таблица Менделеева200
2. Квантово-механическая интерпретация таблицы Менделеева203
3. Изотопы: стабильные и радиоактивные205
4. Реакции деления ядер. Модели атомных ядер207
5. Спонтанно делящиеся изомеры212
6. Синтез сверхтяжелых элементов. Исследования Г. Сиборга214
7. Исследования Г. Н. Флерова. Ядерные реакции на тяжелых ионах217
8. «Холодное» слияние массивных ядер. Исследования Ю. Ц. Оганесяна221
9. Синтез 114-го элемента. Открытие «острова стабильности»223
10. Синтез 116-го элемента227
11. Синтез 118-го элемента. Что же дальше?230
12. Названия химических элементов232
Глава 8. Термоядерный синтез: проблемы и перспективы239
1. Актуальность проблемы УТС239
2. Явление радиоактивности. Строение атомного ядра240
3. Ядерные реакции. Энергия связи ядра. Дефект масс243
4. Термоядерные реакции246
5. Термоядерные реакции в недрах звезд249
6. Критерии реализации и схемы осуществления УТС251
7. Неуправляемый термоядерный синтез (термоядерная бомба)253
8. Токамак264
9. Термоядерный реактор ITER: устройство и принцип действия270
10. Безопасность термоядерного реактора ITER277
11. Состояние проекта ITER. Вклад России в его разработку278
Микрофизика и физическая картина мира284
Заключение290
Именной указатель294
Предметный указатель297

Предисловие
Дорогой читатель!

Представленная вашему вниманию книга посвящена некоторым магистральным направлениям современной микрофизики. Эту область науки еще иногда называют физикой элементарных частиц или физикой высоких энергий. Цель микрофизики — исследование структуры и свойств элементарных частиц, а также взаимодействий между ними.

Не боясь погрешить против истины, можно сказать, что микрофизика выступает в роли фундамента всего современного естествознания, ведь она рассматривает вопрос о том, как устроена материя. Вообще говоря, эта проблема — одна из древнейших в истории науки. Более 2000 лет назад в древней Греции уже существовало два альтернативных взгляда на природу материи. Сторонники одного направления (Левкипп, Демокрит, Эпикур) утверждали, что нет ничего, кроме атомов и пустоты, в которой они движутся. Атомы — это мельчайшие неделимые частицы, вечные и неизменные, пребывающие в постоянном движении и различающиеся формой и величиной. Сторонники другого направления (Аристотель и его последовали) придерживались мнения, что вещество можно делить бесконечно.

Поразительно, но наука начала использовать атомистиче-скую гипотезу только в начале XIX в., когда на этой основе удалось объяснить целый ряд химических явлений. В 1830-е гг. в рамках теории электролиза, разработанной М. Фарадеем, был измерен элементарный заряд. В конце XIX в. последовала целая лавина открытий в области физики микромира. Вот лишь некоторых из них:

● обнаружение явления радиоактивности (1896 г., А. Беккерель);

● открытие электрона (1897 г., Дж. Дж. Томсон);

● исследование радиоактивного распада и открытие новых химических элементов — радия и полония (1898 г., М. Склодовская-Кюри и П. Кюри);

● установление сложного состава радиоактивного излучения (1899 г., Э. Резерфорд и его сотрудники) и др.

Кратко «пробежимся» по важнейшим событиям в физике ядра и элементарных частиц, произошедших в начале XX в. В результате серии экспериментов (1906–1911 гг.), выполненных Э. Резерфордом и его коллегами, было подтверждено существование атомного ядра. В 1919 г. Э. Резерфордом была обнаружена положительно заряженная частица ядра — протон, а в 1932 г. его ученик Дж. Чед¬вик экспериментально открыл нейтрон. Вскоре после этого Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра (1932 г.). В том же году в космических лучах был открыт позитрон (К. Андерсон) — положительно заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю) заряд, что и электрон.

Существование позитрона было предсказано П. Дираком в 1928 г. Он же показал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны исчезать (или, как говорят, аннигилировать), породив фотоны большой энергии. Может происходить и обратный процесс — рождение электронно-позитронной пары.

Таким образом, наиболее важной особенностью элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям, они могут, как исчезать (аннигилировать), так и рождаться.

В 1937 г. в космических лучах были обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные мюонами. Затем в 1947–1950 гг. были открыты пионы, которые, по современным представлениям, осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. В последующие годы число вновь открываемых частиц стало быстро расти. Этому способствовали исследования космических лучей, развитие ускорительной техники и изучение ядерных реакций.

В настоящее время элементарными называют частицы, которые на современном уровне знаний не состоят из более простых частиц. Еще недавно к ним относились нуклоны (барионы), лептоны, мезоны и фотоны. Сейчас известно, что адроны (барионы и мезоны), в свою очередь, состоят из кварков и антикварков, имеющих дробный электрический заряд. Именно они вместе с лептонами считаются элементарными.

В 1930-е гг. возникла гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля (И. Е. Тамм, Д. Д. Иваненко). Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами — квантами электромагнитного поля.

Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов. Х. Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены.

В 1957 г. было теоретически предсказано существование тяжелых частиц, так называемых векторных бозонов W+, W– и Z0, обуславливающих обменный механизм слабого взаимодействия. Эти частицы были обнаружены в 1983 г. в экспериментах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высокой энергией. Открытие векторных бозонов ознаменовало успех теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие. Кроме того, впоследствии была разработана теоретическая модель, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимо-действия (так называемая Стандартная модель).

Постепенно у ученых возросла уверенность в том, что все виды фундаментальных взаимодействий тесно связаны между собой и, по существу, являются проявлениями различных квантовых полей. Однако объединение всех взаимодействий остается пока лишь привлекательной научной гипотезой.

За более чем вековой период исследований было проведено огромное количество экспериментов, направленных на поиск элементарных частиц и описание взаимодействий между ними. Физика микромира развивается настолько стремительно, что даже специалисты (мы имеем в виду, в первую очередь, учителей физики), не могут справиться с потоком новых открытий в области микрофизики. Более того, в силу использования сложного математического аппарата (теории групп, квантовой теории поля) современная физика микромира становится все менее понятной людям, интересующимся вопросами природы и устройства материи. Еще Аристотель отмечал, что чем глубже мы постигаем природу, тем дальше уходим от ее непосредственного чувственного восприятия. За прошедшие две с лишним тысячи лет это положение только усугубилось.

Не следует ли тогда вообще отказаться от популяризации микрофизики, предоставив ее профессионалам, физической элите? История физики свидетельствует, что такая ситуация возникала, и причем не однажды. Она была всегда характерна для периодов, когда наука находилась на переломном этапе, а сейчас в микрофизике создалось именно такое положение. Например, экспериментальное обнаружение бозона Хиггса (2012 г.), подтвердило современную Стандартную модель, но и показало ее ограничения и необходимость поиска новых явлений, или новой физики за пределами Стандартной модели. Эта новая физика может привести к пересмотру наших представлений о строении материи, столь же радикальному, как это было в период юности квантовой механики. Так можем ли мы лишать наших детей и внуков удовольствия ощутить, в какой период они живут, только потому, что нам очень трудно изложить им ряд теоретических идей? Как утверждал А. Эйнштейн, «каждый интеллигентный человек, даже неспециалист, может глубоко вникнуть в современные физические проблемы».

На наш взгляд, следует попытаться найти такие объяснения основных положений микрофизики, которые будут понятны даже старшеклассникам, изучающих физику на углубленном уровне. На страницах книги мы расскажем вам об увлекательной истории физических открытий и изобретений в физике микромира, о ее многогранных связях с другими научными направлениями (прежде всего, космологией), с техникой и инновационным научным приборостроением (например, коллайдер LHC, термоядерный реактор ITER).

Несколько слов мы бы хотели адресовать будущим и практикующим учителям физики. Мы надеемся, что представленные материалы дадут вам сведения, которые можно использовать в преподавании школьного курса физики, при проведении проектной и учебно-исследовательской деятельности по физике с учетом ее современных достижений.

При подготовке к учебным проектам обратите внимание, что в содержании книги можно условно выделить следующие три крупных раздела.

● Теоретические аспекты современной микрофизики (главы 1, 5).

● Инструменты современной микрофизики. Большой адронный коллайдер (главы 2–4).

● Современная микрофизика и другие области науки и техники (главы 6–8).

При изучении материала вам встретится текст, на который следует при чтении обратить внимание. Он выделен курсивом. Это могут быть новые термины, названия теорий, отдельные выводы или ключевые идеи. В конце пособия приведен именной и предметный указатели, которые помогут вам найти в книге необходимые определения, понятия, фамилии ученых.

Желаем вам успехов!


Об авторах
Ильин Вадим Алексеевич
Доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей и экспериментальной физики Института физики, технологии и информационных систем (ИФТИС) МПГУ. Радиофизик, автор более 400 научных работ по физике и методике ее преподавания, в том числе более 100 — по истории физики.
Кудрявцев Василий Владимирович
Доктор физико-математических наук, кандидат педагогических наук, профессор кафедры общей и экспериментальной физики Института физики, технологии и информационных систем (ИФТИС) МПГУ. Автор свыше 100 научных работ, в том числе 40 — по истории физики.
Смирнова Лидия Николаевна
Доктор физико-математических наук, профессор. Специалист по физике атомного ядра и элементарных частиц, профессор кафедры общей ядерной физики физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова, заслуженный научный сотрудник МГУ. Участник эксперимента ATLAS и открытия бозона Хиггса. Соавтор более 1000 научных публикаций.