От лат evaporo испаряю и греч grapho пи­шу), метод получения изображений объектов в их собственном (обычно ик) тепловом излучении. Предложен нем

Вид материала

Документы

Содержание Электромагнитная индукция Электромагнитное взаимо­действие Рис. 1. Зависимость от энергии фотонов ξ Рис. 2. Поведение се­чения а (в произволь­ных ед.) процесса е Рис. 3. Отношение R=(Z)/(p) полных сечений адронного поглощения фотонов с ξ Рис. 4. Зависимость отношения R=(е Электромагнитное поле Потенциалы электромагнит­ного поля). Электромагнитные волны Спектр электромагнитных волн

Подобный материал:

• Реферат по русскому языку на тему: «Типы словарей», 284.65kb.
• Метод распознавания изображений гистологических препаратов в задачах медицинской диагностики, 31.25kb.
• Конспект лекций для 16-и часового курса начертальная геометрия издание 2-ое, 578.52kb.
• Обработка и передача изображений, 243.48kb.
• Социоло́гия (от лат socius общественный; др греч. λόγος мысль, причина) наука о закономерностях, 85.75kb.
• Isbn 5-7262-0634 нейроинформатика 2006, 165.42kb.
• М. В. Лычагин Зав кафедрой д э. н., профессор, 986.65kb.
• Предложен метод неразрушающего акустического контроля многофазных макрооднородных композитных, 14.58kb.
• От греч autos -сам, bios жизнь, grapho пишу, лит прозаический жанр; как правило, последовательное, 2051.5kb.
• М. В. Корытова научный руководитель Р. Т. Файзуллин, д т. н., профессор Омский государственный, 26.14kb.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ, возникновение электродви­жущей силы (эдс индукции) в прово­дящем контуре, находящемся в перем. магн. поле или движущемся в пост. магн. поле. Электрич. ток, вызванный этой эдс, наз. индукционным. Э. и. открыта англ. физиком М. Фа­радеем в 1831 (и независимо амер. учёным Дж. Генри в 1832). Согласно закону Фарадея, эдс индукции ξ_i в контуре прямо пропорц. скорости изменения во времени t магнитного потока Ф через поверхность S, ог­раниченную контуром:

ξ_i=-k(dФ/dt); коэфф. пропорциональности k в Га­усса системе единиц равен 1/c, а в СИ k=1. Это выражение наз. зако­ном Фарадея. Знак минус в правой его части определяет направление индукц. тока в соответствии с Ленца правилом, В пост. магн. поле эдс индукции возникает лишь в том слу­чае, когда магн. поток через ограни­ченную контуром поверхность изме­няется во времени, т. е. контур при движении должен пересекать линии магн. индукции (при движении вдоль линий Ф=0 эдс не возникает).

Эдс индукции равна работе по пере­мещению единичного заряда вдоль замкнутого контура, совершаемой си­лами вихревого электрич. поля, к-рое, согласно Максвелла уравнениям, по­рождается в пр-ве при изменении магн. поля со временем.

Э. и. лежит в основе работы генера­торов электрич. тока, трансформа­торов и т. д.

Г. Я. Мякишев.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЗАИМО­ДЕЙСТВИЕ, тип фундам. вз-ствия (наряду с гравитационным, слабым и сильным), характеризуемый участием эл.-магн. поля. Эл.-магн. поле (в квант. физике — фотон) либо излу­чается или поглощается при вз-ствии, либо переносит вз-ствие между те­лами. Так, притяжение между двумя неподвижными телами, обладающими разноимёнными электрич. зарядами, обусловлено действием электрич. по­ля, создаваемого одним из зарядов, на другой.

Э. в. явл. дальнодействующим и может приводить как к притяжению, так и к отталкиванию между телами. Это отражает существование двух раз­ноимённых электрич. зарядов: поло­жительного и отрицательного. Раз­ноимённые заряды притягиваются, од­ноимённые отталкиваются. Свобод­ные магн. заряды в природе но обна­ружены (см. Магнитный монополь).

С помощью Э. в. осуществляется вз-ствие положительно заряж. ядер и отрицательно заряж. эл-нов в ато­мах и молекулах в-ва, и тем самым Э. в. определяет (на основе законов квант. механики) возможность ус­тойчивого состояния таких микроси­стем. Размеры их существ. образом определяются величиной электрич. за­ряда эл-на (так, боровский радиус атома водорода равен ћ2/me², где m — масса эл-на). К Э. в. сводится боль­шинство сил, наблюдаемых в макро­скопич. явлениях: силы упругости, трения, поверхностного натяжения в жидкостях и др. Св-ва разл. агрегат­ных состояний в-ва, хим. превраще­ния, электрич., магн. и оптич. явления определяются Э. в. Эл.-магн. природу имеют явления ионизации и возбуж­дения атомов среды электрич. полем быстро движущихся заряж. ч-ц, про­цессы расщепления ядер фотонами, реакции фоторождения мезонов, ра­диационные (с испусканием фотонов) распады элем. ч-ц и возбуждённых состояний ядер, упругое и неупругое рассеяние эл-нов, позитронов и мюо­нов и т. п. Проявления Э. в. широко используются в электротехнике, ра­диотехнике, электронике, оптике, квант. электронике.

Эл.-магн. явления, в к-рых участ­вуют слабые, медленно меняющиеся эл.-магн. поля, управляются законами классич. электродинамики, описыва­емой Максвелла уравнениями. Для сильных или быстро меняющихся по­лей определяющую роль играют квант. явления. Кванты поля эл.-магн. из­лучения (фотоны, или -кванты) имеют энергию ξ_=ћ, импульс p=(ћ/c)n (где n — единичный вектор в направ­лении распространения эл.-магн. вол­ны, со — её круговая частота), спин J=1 и отрицательную зарядовую чётность. Обладая целочисл. спином, фотоны подчиняются Бозе — Эйнштейна статистике, вследствие чего в одном и том же состоянии может находиться любое число фотонов. Это обусловливает возможность описания Э. в. с участием большого числа фотонов (n_=ξ/ћ>>1) в рамках клас­сической (а не только квантовой) физики. Как фундаментальное, Э. в. изучается в явлениях на малых рас­стояниях (обычно порядка или меньше атомных), где существенны квант. эффекты. Вз-ствия между фотонами и заряж. лептонами описываются ур-ниями квантовой электродинамики. При Э. в. адронов и ядер существ. роль играет сильное вз-ствие.

Константой Э. в., определяющей его «силу» в квант. явлениях, служит элем. электрич. заряд e4,8•10^-10 ед. заряда СГСЭ (абс. величина заряда эл-на); интенсивность (или эфф. се­чение) эл.-магн. процессов в микро­мире пропорц. безразмерному пара­метру =e²/ћc¹/₁₃₇ (наз. постоян­ной тонкой структуры) или его более высоким степеням.

Тот факт, что электрич. заряд оп­ределяет силу вз-ствия и в то же время явл. сохраняющейся величи­ной,— важнейшее св-во Э. в. Вслед­ствие этого Э. в. записывается оди­наковым образом для тел и ч-ц разл. природы, для разл. эл.-магн. явлений и процессов. Это св-во носит назв. универсальности Э. в. Двоякая роль электрич. заряда определяется тем, что эл.-магн. поле относится к т. н. калибровочным полям.

Среди др. типов вз-ствий Э. в. занимает промежуточное положение как по «силе» и длительности проте­кания процессов, так и по числу за­конов сохранения, к-рые выполня­ются при Э. в. Так, характерные времена радиац. распадов элем. ч-ц и возбуждённых состояний ядер (10^-12 —10^-21 с) значительно превосходят «ядерные» времена (~10^-23 с) и много меньше времён распадов, обусловлен­ных слабым вз-ствием (10³—10^-11 с). При Э. в., в отличие от слабого вз-ствия, сохраняются пространств. четность, зарядовая чётность, стран­ность, «очарование», «красота». С хо­рошей степенью точности установлено, что Э. в. инвариантно по отношению к обращению времени. При Э. в. адро­нов нарушаются присущие сильному вз-ствию законы сохранения изото­пического спина и G-чётности, при этом изотопич. спин адронов может измениться при испускании или по­глощении фотона лишь на ±1 или 0. Унитарная симметрия адронов SU(3) приводит к определ. соотноше­ниям между эл.-магн. хар-ками ч-ц, входящих в один унитарный мультиплет.

Законы сохранения и св-ва фотонов в значит. степени определяют специ­фич. черты Э. в. Так, дальнодействующий хар-р Э. в. связан с равен­ством нулю массы покоя фотона, а вследствие того, что спин фотона равен 1, появляются определ. правила

872


отбора в процессах испускания фо­тонов (напр., запрещены переходы с испусканием одного фотона между состояниями системы, имеющей нуле­вой момент кол-ва движения).

Из-за малости а вероятности эл.-магн. процессов малы по сравнению с вероятностями аналогичных процес­сов, протекающих за счёт сильного вз-ствия. Напр., сечение рассеяния фотонов с энергией 320 МэВ на про­тоне составляет ок. 2•10^-30 см², что примерно в 10⁵ раз меньше сечения рассеяния -мезонов на протоне при соответствующей полной энергии в системе центра инерции (с. ц. и.).

При матем. описании Э. в. эл.-магн. поле в пространственно-временной точ­ке х характеризуется четырёхмерным вектор-потенциалом A_(x), =0, 1, 2, 3: А=(, А), где  — скалярный, А — векторный потенциалы. Плот­ность лагранжиана вз-ствия L поля с зарядом записывается в виде скаляр­ного произведения:



где A_(х) — четырёхмерный вектор плотности электрич. тока: j= (с, j),  — плотность заряда, j — плотность тока. В квант. физике j_ и А_ стано­вятся операторами, при этом ток, образованный движущимися заряж. ч-цами со спином ¹/₂ (напр., эл-нами), описывается выражением: j_(х)=е^~(х)_(х). Здесь (x) — оператор уничтожения исходного эл-на, ^~(x) — оператор рождения эл-на в конечном (после вз-ствия с фотоном) состоянии, 7ц — матрицы Дирака (см. Дирака уравнение) [_ введены для того, чтобы из операторов ^~ и , к-рые явл. четырёхмерными спинорами относи­тельно преобразований Лоренца, скон­струировать четырёхмерный вектор (как А_) — эл.-магн. ток j_. Тогда произведение j_A_ будет скаляром, т. е. L—инвариантом]. Через L выра­жаются наблюдаемые хар-ки Э. в.: сечения эл.-магн. процессов, вероят­ности радиац. распадов, эл.-магн. св-ва ч-ц (их магн. моменты, форм-факторы) и др. При калибровочных преобразованиях



где  — произвольная ф-ция х, ур-ния движения и наблюдаемые физ. вели­чины остаются неизменными. Это св-во получило назв. калибровочной инва­риантности — одной из важнейших симметрии в природе (калибровочной симметрии), объясняющей универ­сальность Э. в. Обобщение калибро­вочной теории на др. типы вз-ствий привело к созданию единой теории слабых и эл.-магн. вз-ствий (см. Сла­бое взаимодействие), а также совр. теории сильного вз-ствия на малых (10^-14 см) расстояниях — кванто­вой хромодинамики.

Квант. электродинамика, развитая для описания ат. явлений, оказалась справедливой и для расстояний, значи­тельно меньших, чем атомные (вплоть до ~10^-16 см). Её предсказания с высокой степенью точности согласу­ются с эксперим. данными. Так, не найдено отклонения измеренной ве­личины магн. момента эл-на от теор. значения на уровне точности 10^-8%.

Не обнаружено различия в хар-ре Э. в. для эл-нов (позитронов), мюонов и -лептонов, хотя масса мюона при­мерно в 200, а -лептона — в 3600 раз больше, чем у эл-на. Всё отличие явлений с участием е^±, ^±, ^± обус­ловлено лишь разницей масс этих ч-ц.

В эл.-магн. процессах с участием адронов и ядер (фоторождении мезо­нов, рассеянии эл-нов и мюонов на протонах и ядрах, фоторасщеплении ядер, аннигиляции пары е⁺е^- в ад­роны и др.) важную роль играет сильное вз-ствие. Так, резонансные состояния адронов — резонансы могут возбуждаться фотонами и ярко про­являются, напр., в полных сечениях процесса поглощения фотонов прото­нами с образованием адронов (рис. 1). Эл.-магн. св-ва и эл.-магн. структура адронов (магн. моменты, распреде­ления зарядов и токов) обусловлены «облаком» виртуальных ч-ц (преим. пионов), испускаемых адронами. Напр., среднеквадратичный радиус распреде­ления заряда в протоне (электрич. формфактор протона) определяется размерами этого «облака» и состав­ляет ~0,8•10^-13 см. С короткодейст­вующим хар-ром сильного вз-ствия связаны малые размеры адронов и ядер (R10^-12—10^-13 см) и тем самым плавная зависимость от углов дифф. сечений вз-ствия с ними фотонов небольших энергий (ξ_<ћc/R): со­ответствующая этим энергиям длина



Рис. 1. Зависимость от энергии фотонов ξ_


(в лаб. системе) полного сечения погло­щения фотонов протоном (vp). Макси­мумы соответствуют энергиям возбуждения нуклонных резонансов.

волны  эл.-магн. поля превышает размеры адронной системы (>R), и вз-ствие происходит за счёт испу­скания или поглощения фотонов пре­им. низких мультипольностей.

При энергиях ξ_ выше 2 ГэВ угл. и энергетич. зависимости хар-к (се­чений, поляризаций и др.) фотонных процессов и процессов вз-ствия между адронами схожи: дифф. сечения ха­рактеризуются направленностью впе­рёд, полное сечение (p) слабо за­висит от энергии (рис. 1), а при ξ_ >50 ГэВ медленно возрастает с увеличением энергии, что характерно для полных сечений вз-ствий адронов. Это сходство легло в основу модели векторной доминантно­сти, согласно к-рой фотон взаимодей­ствует с адронами, предварительно перейдя в адронное состояние — век­торные мезоны ₀, ,  и др. (имею­щими такие же квант. числа, как и





Рис. 2. Поведение се­чения а (в произволь­ных ед.) процесса е⁺+е^-К⁺+К^- в зависимости от раз­ности ξ-Мс², где ξ — полная энергия

сталкивающихся ч-ц в с. ц. и., М — масса -мезона (Мс²=1019,5 МэВ). Справа — соответствующая диаграмма Фейнмана.


фотон, за исключением массы). Воз­можность такого перехода ярко ил­люстрируется резонансной зависимо­стью от энергии сечения процесса е⁺+е^-К⁺+К^-, обусловленного превращением пары е⁺е^- в вирту­альный фотон, а последнего в векторный -мезон и его последующим распадом на пару К-мезонов (рис. 2). Эксперимент показал удовлетворит. применимость модели векторной доминантности для описания т. н. мяг­ких эл.-магн. явлений, к-рые ха­рактеризуются малыми передаваемы­ми адронной системе импульсами (<1 ГэВ/с). В частности, обнаружены «теневые» эффекты при адронном по­глощении фотонов высокой энергии (ξ_ >2 ГэВ) ядрами. В отсутствие «теневых» эффектов сечение адронного поглощения фотонов на ядре Z должно быть равно сумме сечений поглощения фотонов отд. нуклонами. (Z)=A•(p) [(n)(p)], где А — число нуклонов в ядре Z (пунк­тирная кривая на рис. 3). Наблюдаемая более слабая зависимость от А (сплош­ная кривая на рис. 3) обусловлена воз­можностью превращения фотона, напр., в °-мезон, к-рый сильно погло­щается нуклонами ядра, что приводит к «затенению» внутр. нуклонов при прохождении фотонов через ядро.

873




Рис. 3. Отношение R=(Z)/(p) полных сечений адронного поглощения фотонов с ξ_=16 ГэВ на ядрах и на протонах в зави­симости от числа А нуклонов в ядре.


Э. в. адронов и ядер предоставляет уник, возможность для изучения их строения, для исследования природы сильного вз-ствия. Так, наиб. полные сведения о размерах ядер, о распре­делении в них зарядов получены при измерении сечений упругого рассея­ния эл-нов на ядрах. При исследо­вании фоторождения мезонов были открыты нек-рые нуклонные резонансы. Новые тяжёлые векторные мезоны (J/, ',  и др.) были об­наружены и изучены по их эл.-магн. распадам на пары е⁺е^-, ⁺^- и в процессах рождения на встречных электрон-позитронных пучках.

Большую роль в изучении струк­туры адронов сыграли эксперименты по рассеянию эл-нов большой энер­гии на протонах. Оказалось, что дифф.



Рис. 4. Зависимость отношения R=(е^- +ре^-+адроны)/_M от квадрата пере­данного эл-ном четырёхмерного импульса |q²| для угла рассеяния эл-нов =10° и для полной энергии W адронов конечного состоя­ния в с. ц. и. (_M — дифф. сечение рассея­ния эл-нов на точечной ч-це с положит. элем. зарядом). Ослабление зависимости R от |q²| при увеличении W указывает на переход к точечноподобному хар-ру глубоко неупругого рассеяния эл-нов на протоне. Отношение R для упругого рассеяния эл-нов на протонах (штрихпунктирная кривая) иллюстрирует кардинальное отличие про­тона от точечной ч-цы.


сечение упругого рассеяния значи­тельно отличается от сечения рассея­ния на точечной ч-це и сильно падает по сравнению с последним при уве­личении |q²| (где q — переданный эл-ном четырёхмерный импульс; рис. 4). Это доказывает, что нуклон — про­тяжённый объект. Напротив, сечение глубоко неупругого рассеяния — т. н. жёсткого процесса е+ре+адроны, в к-ром адронам передаются боль­шие импульсы (> 1 ГэВ/с) и энергии (2—3 ГэВ), ведёт себя так же, как рассеяние на точечной ч-це. Послед­нее обстоятельство привело к форму­лировке т. н. партонной модели адро­нов, согласно к-рой адроны состоят из частей — партоное, проявляющих себя при вз-ствии с фотонами как бесструктурные (точечные) ч-цы.

Отождествление партонов с квар­ками оказалось плодотворным для понимания строения адронов. В при­менении к Э. в. адронов кварковая модель даёт хорошо согласующиеся с экспериментом предсказания не толь­ко для магн. моментов ч-ц, но и для вероятностей радиац. распадов адро­нов, для сечений упр. и глубоко неупр. рассеяния эл-нов. При Э. в. фотон взаимодействует с входящими в со­став адронов кварками. При этом в жёстких процессах получившие в ре­зультате вз-ствия большую энергию кварки и испускаемые ими глюоны образуют адронные струи, к-рые на­блюдались в реакциях е⁺+е^-2 струи адронов, е⁺+е^-3 струи адронов при энергиях ~ 10 ГэВ в с. ц. и. В мягких эл.-магн. процессах фотон виртуально переходит в систему кварк — антикварк, к-рые взаимодей­ствуют с кварками адронов.

В жёстких процессах, обусловлен­ных, согласно соотношению неопреде­лённостей, явлениями на малых рас­стояниях в адроне (10^-14 см), квар­ки ведут себя как почти свободные ч-цы. Это послужило основанием для разработки квант. хромодинамики — теории вз-ствия кварков и глюонов. Исследование Э. в. адронов наряду с изучением их слабого и сильного вз-ствий играет важную роль в про­верке и дальнейшем развитии этой теории.

• Фрауэнфельдер Г., X е н л и Э., Субатомная физика, пер. с англ., М., 1979; Вайнберг С., Свет как фундаменталь­ная частица, [пер. с англ.], «УФН», 1976, т. 120, в. 4; Фейнман Р., Взаимо­действие фотонов с адронами, пер. с англ., М., 1975.

А. И. Лебедев.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ, осо­бая форма материи, посредством к-рой осуществляется вз-ствие между элект­рически заряж. ч-цами (см. Поля физические). Э. п. в вакууме харак­теризуется вектором напряжённости электрич. поля Е и магн. индукцией В, к-рые определяют силы, дейст­вующие со стороны поля на непод­вижные и движущиеся заряж. ч-цы. Наряду с векторами Е и В, измеря­емыми непосредственно, Э. п. может характеризоваться скалярным  и векторным А потенциалами, к-рые

определяются неоднозначно, с точно­стью до калибровочного преобразова­ния (см. Потенциалы электромагнит­ного поля). В среде Э. п. характери­зуется дополнительно двумя вспомогат. величинами: напряжённостью магн. поля Н и электрич. индукцией D.

Э. п. изучает классич. электродинамика; в произвольной среде оно описывается Максвелла уравнениями, позволяющими определить поля в зависимости от распределения заря­дов и токов. Микроскопич. Э. п., созданные отд. элем. ч-цами, харак­теризуются напряжённостями микро­скопич. полей: электрич. поля е и магнитного h. Их ср. значения свя­заны с макроскопич. хар-ками Э. п. след. образом: е^~=Е, h^~=B, Микро­скопич. поля удовлетворяют Лоренца — Максвелла уравнениям.

Э. п. неподвижных или равномерно движущихся заряж. ч-ц неразрывно связано с этими ч-цами; при ускорен­ном движении ч-ц Э. п. «отрывается» от них и существует независимо в форме эл.-магн. волн (см. Излуче­ние).

Порождение Э. п. перем. магн. по­лем и магн. поля переменным элект­рическим приводит к тому, что элект­рич. и магн. поля не существуют обособленно, независимо друг от дру­га. Компоненты векторов, характери­зующих Э. п., образуют, согласно относительности теории, единую физ. величину — тензор Э. п., элементы к-рого преобразуются при переходе от одной инерц. системы отсчёта к другой в соответствии с Лоренца преобразованиями.

При больших частотах Э. п. стано­вятся существенными его квантовые (дискретные) св-ва, и Э. п. можно рассматривать как поток квантов по­ля — фотонов. В этом случае классич. электродинамика неприменима, и Э. п. описывается квантовой электродина­микой.

• Т а м м И. Е., Основы теории электри­чества, 9 изд., М., 1976; Калашни­ков С. Г., Электричество, 4 изд., М., 1977 (Общий курс физики); Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М., Фейнмановские лекции по физике, 2 изд., [в. 5—7], М., 1977; Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973 (Теоре­тическая физика, т. 2); их же, Электро­динамика сплошных сред, М., 1959.

Г. Я. Мякишев.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ,

электромагнитные колебания, распро­страняющиеся в пр-ве с конечной ско­ростью. Существование Э. в. было предсказано англ. физиком М. Фа­радеем в 1832. Англ. физик Дж. Макс­велл в 1865 теоретически показал, что эл.-магн. колебания распростра­няются в вакууме со скоростью света. В 1888 максвелловская теория Э. в. получила подтверждение в опытах нем. физика Г. Герца, что сыграло решающую роль для её утверждения. Теория Максвелла позволила уста­новить, что радиоволны, свет, рентге­новское и гамма-излучения представ­ляют собой Э. в. с различной длиной

874


СПЕКТР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН



волны  (см. табл.), причём между соседними диапазонами шкалы Э. в. нет резких границ (рис.). Частота  колебаний связанных электрич.