Согласно принципу сложения колебаний, если колебания двух или более волн складываются, то частота результирующего колебания равна сумме частот отдельных колебаний в той же точке в тот же момент времени. Интерференция — явление, наблюдаемое при одновременном распространении нескольких когерентных волн, т. е. имеющих постоянную разность фаз.
Интерференция происходит, когда волны из двух когерентных источников накладываются друг на друга или когда волна из одного источника разделяется на две, а затем снова сходится в одну.
• Интерференцию звуковых волн можно наблюдать с помощью двух динамиков, подключенных к одному генератору частоты. Динамики служат источниками волн с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз, следовательно, являются когерентными источниками звуковых волн. Если передвигаться в области распространения звуковых волн, можно заметить точки усиления и ослабления звука, соответствующие положительной и отрицательной интерференции.
• В точке усиления звук становится громким потому, что максимум или минимум волны одного динамика приходит в эту точку одновременно с максимумом или минимумом волны из другого динамика.
• В зоне ослабления звука волны из одного динамика достигают максимума в тот момент, когда волны из другого динамика достигают минимума. Интерференцию света нельзя наблюдать при помощи двух его источников, так как длина волны световых фотонов в разных источниках света меняется случайным образом.
• Интерференцию можно наблюдать, разделив фронт волны из одного источника постоянной частоты. Допустим, в преграде на пути волны на небольшом расстоянии друг от друга имеются две узкие щели, каждая из которых служит как бы источником рассеивающихся волн. В зоне их наложения происходит интерференция. Две щели являются когерентными генераторами волн, поскольку фронт первоначальной волны достигает их через постоянный интервал времени. С помощью этого метода можно наблюдать интерференцию не только звуковых волн, но также микроволн и света.
См. также статью «Дифракция».
ИОНИЗАЦИЯ
Ионизациейназывается процесс образования ионов.
Ионизацией называется процесс образования ионов. Ионы — электрически заряженные атомы или молекулы. Положительные ионы образуются из тех типов атомов, которые легко теряют электроны внешних оболочек, отрицательные — из тех типов атомов, которые легко приобретают дополнительные электроны.
Свободными радикаламиназываются группы атомов, переносящие заряд, обычно отрицательный.
Свободными радикалами называются группы атомов, переносящие заряд, обычно отрицательный. Энергия ионизации атома — энергия, необходимая для превращения атома в ион. Иногда ее измеряют в электронвольтах (эВ): 1 эВ = 1,6 x 10-19 Дж.
Ионизация газа может быть вызвана сильным электрическим полем или нагреванием газа до достаточно высокой температуры, столкновением атомов газа или воздействием излучения с высокой энергией. Когда над молниеотводом проходит заряженное облако, у вершины проводника образуется сильное электрическое поле. Там, где стержень заостряется, создается самое сильное поле, и находящиеся поблизости молекулы воздуха становятся ионами, которые проводят электрический разряд между вершиной молниеотвода и грозовой тучей.
В газоразрядной трубке вследствие большой разности потенциалов между двумя электродами в разряженном газе создается сильное электрическое поле. В результате электроны отрываются от атомов газа и последние становятся положительно заряженными ионами.
Ионизация происходит при нагревании газа до температуры в несколько тысяч градусов вследствие столкновений на большой скорости атомов газа между собой. При этом атомы теряют часть кинетической энергии и один электрон или более отрывается от них. Когда электроны и газовые ионы воссоединяются, излучается свет. Внутри звезд вещество находится в ионизированной форме, поскольку кинетические энергии частиц слишком велики, чтобы они могли воссоединиться.
Высокоэнергическое излучение как поток α-, β-частиц и γ-фотонов ионизирует твердые, жидкие и газообразные вещества. Высокоэнергетические частицы и фотоны, поступающие с Солнца, ионизируют атомы газов в верхних слоях атмосферы Земли. Эти ионы образуют проводящий слой ионосферы, который отражает радиоволны из наземных источников обратно на поверхность на частотах менее 30 МГц.
См. также статьи «Оптические спектры! 1 и 2», «Энергетические уровни атомов».
КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ
Согласно квантовой теории, такие физические величины, как заряд и энергия, могут изменяться только на величину, кратную минимальной величине, которая называется квантом. Квантовую теорию разработал Планк в 1900 году, чтобы объяснить спектр теплового излучения, испускаемого нагретыми телами. Интенсивность излучения нагретого тела изменяется непрерывно при изменении длины волны и достигает пика при определенном ее показателе. Классическая теория излучения, основанная в 1848 году, не могла объяснить образования пика на кривой, так как согласно ей интенсивность стремится к бесконечности при бесконечном уменьшении длины волны. Такое гипотетическое явление было названо ультрафиолетовой катастрофой. Планк объяснил форму кривой, предположив, что энергия каждого атома источника излучения кратна основному показателю, hf где f — частота колебаний атома. Кроме того, он предположил, что энергия атома может изменяться на один квант энергии (= hf) при поглощении или испускании излучения. Согласно теории Планка, ультрафиолетовой катастрофы не происходит, так как чем короче длина волны излучения, тем выше ее частота и тем выше должны быть энергетические уровни атомов, вибрирующих с этой частотой. Все меньше и меньше таких атомов будет находиться над нижней границей энергетического уровня. Таким образом, интенсивность испускаемого излучения при уменьшении длины волны упадет до нуля.
Теория о квантовой природе электромагнитного излучения получила дальнейшую разработку в трудах Эйнштейна, который с ее помощью объяснил фотоэлектрический эффект. Он предположил, что квант электромагнитного излучения, названный фотоном, равен hf, где h — постоянная Планка, f — частота излучения.
Электрический заряд также квантовая величина. В 1915 году Роберт Милликан продемонстрировал заряд масляных капель, сделав вывод, что он всегда кратен элементарной единице заряда, которым, как предположил ученый, обладает электрон.
См. также статьи «Корпускулярно-волновая двойственность», «Фотон», «Электрон».
КВАРКИ 1
Кварки — «кирпичики», из которых состоят протоны и нейтроны. Существует шесть различных кварков. Три из них имеют заряд +2/3е, а три других -1/3е.
• «Верхний» кварк (u-кварк, +2/3е) и «нижний» кварк (d-кварк, — 1/3e) составляют протоны и нейтроны.
• «Очарованный» кварк (с-кварк, + 2/3е) и «странный» кварк (s-кварк, — 1/3 е) тяжелее u — и d-кварков и нестабильны.
• t-кварки (+ 2/3 е) и b-кварки (- 1/3 е) самые тяжелые и потому самые нестабильные.
Кварковая модель объясняет существование всех известных барионов, антибарионов и мезонов. Мезоны и барионы вместе называются адронами.
• Барион состоит из трех кварков, антибарион — из трех антикварков. Например, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (uud), а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков (udd).
• Мезон состоит из кварка и антикварка. Например, пион, или п-мезон, состоит из u- или d-кварка и u- ИЛИ d-антикварка.
Первое доказательство существования кварков было получено, когда обнаружили, что электроны с высокой энергией в пучке отклонялись от неподвижной цели тремя центрами рассеяния внутри каждого протона и нейтрона. В линейном ускорителе Стэнфордского университета для определения внутренней структуры протонов и нейтронов был создан электронный пучок с достаточно высокой энергией. Результаты подтвердили кварковую модель, разработанную Мюрреем Гелл-Манном и Георгом Цвейгом, в качестве объяснения поведения частиц, образующихся при столкновениях на высокой скорости между адронами.