Rozważamy podręcznik "Modern Physics for Scientists and Engineers" autorstwa Stephena T. Taylora, wydanie drugie, w formacie PDF.
Relatywistyczna kinematyka
Zaczynamy od podstaw relatywistycznej kinematyki. Traktuje ona ruch obiektów z prędkościami bliskimi prędkości światła.
Prędkość światła w próżni, oznaczana jako c, jest fundamentalną stałą fizyczną. Jej wartość to około 3 x 108 m/s.
Transformacja Galileusza, która sprawdza się dla małych prędkości, zawodzi, gdy prędkości zbliżają się do c.
W takim przypadku musimy zastosować transformację Lorentza.
Dylatacja czasu to zjawisko, w którym czas płynie wolniej dla poruszającego się obiektu względem obserwatora.
Skrócenie długości to zjawisko, w którym długość poruszającego się obiektu skraca się w kierunku ruchu.
Rozważmy przykład. Statek kosmiczny leci z prędkością 0.8c. Dla obserwatora na Ziemi, czas na statku płynie wolniej. Długość statku, mierzona przez obserwatora na Ziemi, jest skrócona.
Relatywistyczna dynamika
Następnie przechodzimy do relatywistycznej dynamiki. Opisuje ona zachowanie się masy, pędu i energii przy wysokich prędkościach.
Masa relatywistyczna wzrasta wraz z prędkością. Masa spoczynkowa to masa obiektu w spoczynku.
Równoważność masy i energii wyraża się słynnym równaniem E = mc2. Energia E jest równa masie m pomnożonej przez kwadrat prędkości światła c.
Pęd relatywistyczny różni się od pędu klasycznego. Przy wysokich prędkościach, klasyczna definicja p = mv przestaje być dokładna.
Przykład: Cząstka porusza się z prędkością bliską prędkości światła. Jej energia kinetyczna jest znacznie większa niż przewidywałaby to mechanika klasyczna.
Dualizm korpuskularno-falowy
Dualizm korpuskularno-falowy to koncepcja, że światło i materia wykazują zarówno właściwości falowe, jak i korpuskularne.
Efekt fotoelektryczny dowodzi korpuskularnej natury światła. Światło pada na metal, powodując emisję elektronów.
Dyfrakcja elektronów dowodzi falowej natury elektronów. Elektrony przechodzą przez szczelinę i tworzą wzór interferencyjny.
Hipoteza de Broglie'a mówi, że każdej cząstce można przypisać falę o długości fali λ = h/p, gdzie h to stała Plancka, a p to pęd.
Rozważmy elektron. Można go opisać zarówno jako cząstkę (mającą masę i ładunek), jak i jako falę (mającą długość fali i częstotliwość).
Mechanika kwantowa
Mechanika kwantowa to teoria opisująca świat w skali atomowej i subatomowej.
Równanie Schrödingera jest podstawowym równaniem mechaniki kwantowej. Opisuje ewolucję stanu kwantowego w czasie.
Funkcja falowa Ψ opisuje stan kwantowy cząstki. |Ψ|2 daje prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w danym miejscu.
Zasada nieoznaczoności Heisenberga mówi, że nie można jednocześnie dokładnie znać położenia i pędu cząstki.
Kwantyzacja energii oznacza, że energia może przyjmować tylko określone, dyskretne wartości.
Przykład: Atom wodoru. Elektrony mogą zajmować tylko określone poziomy energetyczne. Przejście elektronu między poziomami powoduje emisję lub absorpcję fotonu o określonej energii.
Fizyka jądrowa
Fizyka jądrowa zajmuje się badaniem jąder atomowych.
Jądro atomowe składa się z protonów i neutronów.
Siły jądrowe silne utrzymują nukleony razem w jądrze.
Rozpad promieniotwórczy to proces, w którym niestabilne jądra emitują cząstki alfa, beta lub promieniowanie gamma.
Reakcje jądrowe to procesy, w których jądra atomowe zderzają się i przekształcają.
Przykład: Reakcja rozszczepienia jądra uranu. Energia uwalniana w tej reakcji jest wykorzystywana w elektrowniach jądrowych.
Fizyka cząstek elementarnych
Fizyka cząstek elementarnych bada fundamentalne składniki materii i oddziaływania między nimi.
Model Standardowy opisuje znane cząstki elementarne i siły oddziaływania.
Cząstki dzielimy na fermiony (np. elektrony i kwarki) i bozony (np. fotony i gluony).
Kwarci tworzą protony i neutrony.
Leptony to elektrony, miony i taony oraz odpowiadające im neutrina.
Przykład: Bozon Higgsa. Jego odkrycie potwierdziło istnienie pola Higgsa, które nadaje cząstkom masę.
Podsumowanie
Podręcznik "Modern Physics for Scientists and Engineers" dostarcza solidnych podstaw z zakresu fizyki współczesnej. Pokrywa kluczowe zagadnienia, takie jak relatywistyczna kinematyka i dynamika, dualizm korpuskularno-falowy, mechanika kwantowa, fizyka jądrowa i fizyka cząstek elementarnych. Znajomość tych zagadnień jest kluczowa dla zrozumienia współczesnej nauki i technologii.
