Cząstka punktowa - Point particle

Punkt cząstek ( idealne cząstki lub pointlike cząstek , często pisane cząstek pointlike ) jest wyidealizowanie z cząstkami często używane w fizyce . Jego cechą charakterystyczną jest brak rozszerzenia przestrzennego ; będąc bezwymiarowym , nie zajmuje miejsca . Cząstka punktowa jest odpowiednią reprezentacją dowolnego obiektu, gdy jego rozmiar, kształt i struktura są nieistotne w danym kontekście. Na przykład z odpowiedniej odległości każdy obiekt o skończonych rozmiarach będzie wyglądał i zachowywał się jak obiekt punktowy. Cząstkę punktową można również odnieść w przypadku poruszającego się ciała pod względem fizycznym.

W teorii grawitacji fizycy często dyskutują o masa punktowa , co oznacza cząstkę punktową omasieniezeroweji bez innych właściwości lub struktury. Podobnie welektromagnetyzmiefizycy dyskutują oładunek punktowy , cząstka punktowa o niezerowymładunku.

Niekiedy, ze względu na specyficzne kombinacje właściwości, rozciągnięte obiekty zachowują się punktowo nawet w ich bezpośrednim sąsiedztwie. Na przykład obiekty kuliste oddziałujące w przestrzeni trójwymiarowej, których oddziaływania opisane są prawem odwrotnych kwadratów, zachowują się tak, jakby cała ich materia była skoncentrowana w ich środkach masy . Na przykład w grawitacji newtonowskiej i klasycznym elektromagnetyzmie odpowiednie pola na zewnątrz kulistego obiektu są identyczne z polami cząstki punktowej o równym ładunku/masie znajdującej się w centrum kuli.

W mechanice kwantowej pojęcie cząstki punktowej komplikuje zasada nieoznaczoności Heisenberga , ponieważ nawet cząstka elementarna , bez struktury wewnętrznej, zajmuje niezerową objętość. Na przykład, orbity atomowych o elektronu w atom wodoru, mieści się w objętości ~ 10 -30 m 3 . Istnieje jednak rozróżnienie między cząstkami elementarnymi, takimi jak elektrony lub kwarki , które nie mają znanej struktury wewnętrznej, a cząstkami złożonymi, takimi jak protony , które mają strukturę wewnętrzną: Proton składa się z trzech kwarków.

Cząstki elementarne są czasami nazywane „cząstkami punktowymi”, ale jest to w innym sensie niż omówione powyżej.

Nieruchomość skoncentrowana w jednym punkcie

Gdy cząstka punktowa ma właściwość addytywną, taką jak masa lub ładunek, skoncentrowana w jednym punkcie w przestrzeni, można to przedstawić za pomocą delta Diraca .

Fizyczna masa punktowa

Przykład masy punktowej wykreślonej na siatce . Szarą masę można uprościć do masy punktowej (czarne kółko ). Praktyczne staje się przedstawienie masy punktowej jako małego okręgu lub kropki, ponieważ rzeczywisty punkt jest niewidoczny.

Punkt masa ( masa pointlike ) to koncepcja, na przykład w fizyce klasycznej , od obiektu fizycznego (zazwyczaj sprawa ), który ma masę niezerową, a jednak wyraźnie i konkretnie jest (lub jest myśl lub modelowany jako) nieskończenie (nieskończenie małe) w swojej objętości lub wymiarach liniowych .

Podanie

Powszechnym zastosowaniem masy punktowej jest analiza pól grawitacyjnych . Analizując siły grawitacyjne w układzie, niemożliwe staje się uwzględnienie każdej jednostki masy z osobna. Jednak sferycznie symetryczne ciało oddziałuje grawitacyjnie na zewnętrzne obiekty, tak jakby cała jego masa była skoncentrowana w jego środku.

Masa punktu prawdopodobieństwa

Temperatura masy w prawdopodobieństwa i statystyk nie odnosi się do masy, w tym sensie, fizyki, ale raczej odnosi się do ograniczonej niezerowe prawdopodobieństwo, że zatęża się w punkcie rozkładu masy prawdopodobieństwa , w którym znajduje się nieciągły segmentu w funkcji gęstości prawdopodobieństwa . Aby obliczyć taką masę punktową, przeprowadza się całkowanie w całym zakresie zmiennej losowej , na gęstości prawdopodobieństwa części ciągłej. Po zrównaniu tej całki z 1, masę punktową można znaleźć przez dalsze obliczenia.

Opłata punktowa

Potencjał skalarny ładunku punktowego zaraz po wyjściu z magnesu dipolowego, poruszającego się od lewej do prawej.

Ładowania punkt stanowi wyidealizowany model cząstki, która posiada ładunek elektryczny . Ładunek punktowy to ładunek elektryczny w punkcie matematycznym bez wymiarów.

Fundamentalne równanie z elektrostatyki jest prawo Coulomba , który opisuje siłę elektrycznego pomiędzy dwoma opłat punktowych. Pole elektryczne związane z klasycznym ładunkiem punktowym wzrasta do nieskończoności, gdy odległość od ładunku punktowego maleje do zera, co powoduje, że energia (a więc masa) ładunku punktowego jest nieskończona .

Twierdzenie Earnshawa mówi, że zbiór ładunków punktowych nie może być utrzymywany w konfiguracji równowagi wyłącznie przez oddziaływanie elektrostatyczne ładunków.

W mechanice kwantowej

Proton jest kombinacją dwóch kwarków górnych i jednego kwarka dolnego , utrzymywanych razem przez gluony .

W mechanice kwantowej rozróżnia się cząstkę elementarną (zwaną również „cząstką punktową”) i cząstkę złożoną . Cząstka elementarna, taka jak elektron , kwark , czy foton , to cząstka o nieznanej strukturze wewnętrznej. Natomiast cząstka złożona, taka jak proton lub neutron , ma strukturę wewnętrzną (patrz rysunek). Jednak ani cząstki elementarne, ani kompozytowe nie są zlokalizowane przestrzennie, ze względu na zasadę nieoznaczoności Heisenberga . Pakiet fal cząstek zawsze zajmuje niezerową objętość. Na przykład zobacz orbital atomowy : Elektron jest cząstką elementarną, ale jego stany kwantowe tworzą trójwymiarowe wzory.

Niemniej jednak istnieje dobry powód, dla którego cząstka elementarna jest często nazywana cząstką punktową. Nawet jeśli elementarna cząstka ma zdelokalizowany paczka falowa The paczka falowa może być reprezentowana jako superpozycji kwantowej od stanów kwantowych w którym cząstka jest zlokalizowanych dokładnie. Ponadto oddziaływania cząstki można przedstawić jako superpozycję oddziaływań poszczególnych stanów, które są zlokalizowane. Nie dotyczy to cząstki złożonej, której nigdy nie można przedstawić jako superpozycji dokładnie zlokalizowanych stanów kwantowych. W tym sensie fizycy mogą dyskutować o wewnętrznej „rozmiarze” cząstki: o rozmiarze jej wewnętrznej struktury, a nie o rozmiarze jej pakietu fal. W tym sensie „rozmiar” cząstki elementarnej wynosi dokładnie zero.

Na przykład w przypadku elektronu dowody eksperymentalne pokazują, że rozmiar elektronu jest mniejszy niż 10-18 m. Jest to zgodne z oczekiwaną wartością dokładnie zero. (Nie należy tego mylić z klasycznym promieniem elektronu , który wbrew nazwie nie ma związku z rzeczywistym rozmiarem elektronu.)

Zobacz też

Uwagi i referencje

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura