Непостоянство радиуса протона попытались объяснить квантовой интерференцией
Физики из Института квантовой оптики общества Макса Планка, Российского квантового центра и Физического института академии наук им. Лебедева поставили новый эксперимент по измерению зарядового радиуса протона. Полученная величина оказалась несколько меньше общепринятой, она в пределах погрешности совпадает с ранними экспериментами с мюонным водородом. Исследование может дать ответ на нерешенную проблему «загадки радиуса протона»: в различных измерениях протон словно бы меняет свои размеры, чего не предсказывает ни одна современная теория. По словам исследователей, источником эффекта может быть квантовая интерференция, которая искажала результаты ранних измерений. Работа опубликована в журнале Science, кратко о ней сообщает ФИАН-информ.
Сравнение протонного радиуса, полученного в работе группы Колачевского 2017 года (зеленый ромб) и в ранних работах (треугольник и шестиугольник). Фиолетовым показаны результаты спектроскопии мюонного водорода.
Axel Beyer et al. / Science, 2017
Согласно данным CODATA, международной комиссии, отслеживающей, анализирующей и публикующей новые результаты измерений фундаментальных констант, зарядовый радиус протона составляет 0,8751(61) фемтометра. Эта величина показывает то, как пучок отрицательно заряженных частиц рассеивается на протоне — чем больше зарядовый радиус, тем большая доля частиц будет рассеиваться. Один из методов его измерения — сверхточная спектроскопия электронных переходов в атоме водорода. Отличный от нуля размер протона влияет на энергию электронов, находящихся рядом с ним, и смещает их энергию на небольшую измеримую величину, которую можно описать в рамках квантовой электродинамики.
В 2010 году международная группа физиков опубликовала результаты экспериментов с экзотической частицей — мюонным водородом. Она отличается от обычного водорода тем, что электроны в ней заменены на более тяжелые лептоны — мюоны (в 207 раз тяжелее). Эксперимент должен был уточнить зарядовый радиус протона — мюон летает гораздо ближе к ядру, чем электрон, и лучше «чувствует» размеры частицы. Однако новые точные данные оказались на четыре процента меньше, чем принятые на тот момент — 0.8418 фемтометра. Эта разница в несколько раз превышает погрешность эксперимента, а значит речь шла о каком-то принципиально новом эффекте. Протон словно бы сжимался рядом с мюоном. Со временем и уточнением данных значимость разницы между радиусами протона только росла, ставя под вопрос абсолютную точность квантовой электродинамики. До сих пор однозначного решения загадки представлено не было. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале «Щель в доспехах»
В новой работе немецкие ученые по предложению директора ФИАН Николая Колачевского усовершенствовали традиционный спектральный эксперимент, устранив ряд источников погрешности. Его суть заключается в точном измерении энергии электронного перехода в атоме водорода между двумя уровнями.
Axel Beyer et al. / Science, 2017
Как правило, основными источниками погрешности в экспериментах с возбужденными атомами являются допплеровские сдвиги (из-за большой скорости горячих атомов — порядка трех километров в секунду), эффект Штарка (сдвиг и расщепление линий в электрическом поле) и влияние сверхтонкой структуры. Авторы новой работы снизили температуру атомов до криогенной и уменьшили скорости примерно на порядок. В дополнение к этому, ученые научились бороться с квантовой интерференцией.
Квантовая интерференция — хорошо известное в ядерной оптике явление. Оно возникает, когда есть два энергетических перехода с близкими по значению энергиями. Эти переходы могут влиять друг на друга, аналогично тому, как два когерентных луча света могут формировать интерференционную картину складываясь друг с другом. В атомной спектроскопии интерференция возникает из-за расщепления энергетических уровней. Ранее считалось, что это явление дает очень слабый вклад в сдвиг спектральных линий, из-за чего физики практически не учитывали его.
В новой работе эксперимент был построен следующим образом. На первом этапе в установку попадал пучок холодных атомов водорода. Он был возбужден из основного в одно из двух сверхтонких 2S-состояний с помощью двухфотонного поглощения. Затем атомы дополнительно возбуждались в следующее состояние (4P) с помощью синего лазера. Интерферирующие переходы в сверхтонкой структуре этого энергетического уровня расположены довольно далеко друг от друга (это расстояние в сто раз больше ширины линий), но все равно дают большой вклад в положение пика перехода 2S-4P. Он оказался соизмерим с расхождением между частотами переходов в обычном и мюонном водороде.
После тщательной обработки результатов эксперимента, продлившегося около года, физики оценили зарядовый радиус протона — он оказался равен 0.8335(91) фемтометра, что в рамках погрешности совпадает с результатами для мюонного водорода и на три стандартных отклонения меньше, чем у традиционных экспериментов. Как отмечают авторы, говорить о решении проблемы радиуса протона еще рано — новый результат получен лишь на одном измерении (хотя его точность и превосходит объединенную точность других измерений). Необходимо выяснить причину, из-за которой ранние результаты оказываются систематически сдвинуты. Кроме того, новый радиус расходится не только со спектроскопическими экспериментами, но и с данными по рассеянию электронов на протоне.
Чтобы окончательно раскрыть загадку зарядового радиуса протона, потребуются дополнительные эксперименты — в том числе и с более тяжелыми ядрами. К примеру, недавно мы сообщали о спектроскопии мюонного дейтерия, которая также подтвердила расхождение в радиусах дейтрона.
Энергия протона который движется в ускорителе уменьшилась на некоторую величину
Задания Д21 № 11068 
Энергия протона, который движется в ускорителе уменьшилась на некоторую величину. Как в результате этого изменятся следующие три величины: скорость протона, кинетическая энергия протона, энергия покоя протона.
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
| Скорость протона | Кинетическая энергия протона | Энергия покоя протона |
Энергия покоя не зависит от скорости движения протона и вычисляется по формуле Эйнштейна
Таким образом, энергия покоя не изменится.
Полная энергия это сумма кинетической энергии и энергии покоя
Так как энергия протона уменьшилась, то уменьшилась его кинетическая энергия. Кроме того, это связано с тем, что уменьшилась скорость протона.
Пробный экзаменационный вариант «ЕГЭ физика пробник 26 вариант» (вариант, ответы, подробное решение 2022)
1. Выберите все верные утверждения о физических явлениях, величинах и закономерностях. Запишите в ответ их номера.
1) В инерциальной системе отсчёта импульс системы тел сохраняется, если сумма внешних сил равна нулю.
2) Процесс конденсации жидкостей происходит с поглощением большого количества теплоты.
3) В процессе электризации трением два первоначально незаряженных тела приобретают разноимённые и равные по модулю заряды.
4) В цепи постоянного тока во всех параллельно соединённых резисторах протекает одинаковый электрический ток.
5) В процессе альфа-распада происходит испускание радиоактивным веществом ядер атомов гелия.
2. Даны следующие зависимости величин:
А) Зависимость скорости распространения механической волны от длины волны;
Б) Зависимость периода гармонических колебаний в колебательном контуре от индуктивности катушки;
В) Зависимость давления идеального газа от температуры при изохорном процессе.
Установите соответствие между этими зависимостями и видами графиков, обозначенных цифрами 1−5. Для каждой зависимости А−В подберите соответствующий вид графика и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
3. По горизонтальному полу по прямой равномерно тянут ящик, приложив к нему горизонтальную силу 35 Н. Коэффициент трения скольжения между полом и ящиком равен 0,25. Чему равна масса ящика? Ответ дайте в килограммах.
4. Первая пружина имеет жесткость вторая — Обе пружины растянуты на 1 см. Чему равно отношение потенциальных энергии пружин ?
5. Шарик массой 0,4 кг, подвешенный на пружине, совершает свободные гармонические колебания вдоль вертикальной прямой. Какой должна быть масса шарика, чтобы период его свободных вертикальных гармонических колебаний на этой же пружине был в 2 раза меньше?
6. В таблице представлены результаты измерения избыточного (по сравнению с атмосферным) давления p воды в зависимости от времени t. Измерения проводились при помощи датчика, установленного на подводном аппарате, который совершал экспедицию в пресном водоёме, находясь на разных глубинах.
Из приведённого ниже списка выберите все правильные утверждения.
1) Глубина погружения аппарата всё время увеличивалась.
2) Максимальная глубина погружения аппарата составила 80 м.
3) Аппарат при погружении достиг глубины 80 м.
4) При погружении от глубины 20 м до глубины 60 м средняя скорость движения аппарата вдоль вертикали была равна 0,5 м/мин.
5) Аппарат всё время двигался вдоль вертикали с постоянной по модулю скоростью.
Брусок массой m, прикреплённый к невесомой пружине жёсткостью k, покоится на гладкой наклонной поверхности. Ось пружины параллельна этой поверхности (см. рисунок).
Как изменятся деформация пружины в равновесном состоянии и модуль равнодействующей сил тяжести и упругости пружины, если массу бруска уменьшить в 4 раза, а жёсткость пружины уменьшить в 2 раза?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
3) не изменяется
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
в равновесном состоянии
Модуль равнодействующей сил
тяжести и упругости пружины
После удара шайба массой m начала скользить со скоростью вверх по плоскости, установленной под углом α к горизонту (см. рисунок). Коэффициент трения шайбы о плоскость равен μ. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
А) модуль ускорения при движении шайбы вверх
Б) модуль силы трения
Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:
9. Во сколько раз изменится абсолютная температура газа при увеличении средней кинетической энергии теплового движения молекул в 2 раза?
10. В сосуде находится влажный воздух при температуре 100 °С. Относительная влажность воздуха равна 50 %. Во сколько раз увеличится концентрация молекул водяного пара в этом сосуде, если, не изменяя температуру, увеличить относительную влажность воздуха до 75 %?
11. В сосуде объёмом 250 л под тяжёлым поршнем находится кислород. Давление кислорода 300 кПа. В изобарном процессе плотность газа уменьшилась в 5 раз. Какую работу совершил газ в этом процессе? Ответ дайте в килоджоулях.
В сосуде находится два моля кислорода. В момент времени t = 0 в сосуде приоткрывают клапан, через который газ начинает просачиваться из сосуда в окружающую среду. При этом температура газа в сосуде поддерживается равной 301 К. На рисунке изображён график зависимости давления p газа в сосуде от времени t.
Выберите все верные утверждения на основании анализа представленного графика.
1) Скорость утечки газа равна 0,2 моль/мин.
2) Объём сосуда равен ≈ 20 литров.
3) Начальная концентрация газа в сосуде была равна ≈ 100 м –3
4) Масса газа в сосуде в начальный момент времени была равна 32 г.
5) Средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул газа в состоянии 1 и состоянии 2 одинакова.
13. На электроплитке стоит кастрюля, в которую налит некоторый объём тосола. Плитку включают, и тосол нагревается от 20 °C до 50 °C. Затем в кастрюлю вместо тосола наливают тот же объём воды. Далее воду нагревают от той же начальной температуры до той же конечной температуры, увеличив мощность плитки в 2,5 раза. Как во втором опыте по сравнению с первым изменяются количество теплоты, получаемое жидкостью при нагревании, и время нагревания жидкости до конечной температуры? Считайте, что всё количество теплоты, выделяемое плиткой, расходуется на нагревание жидкости. Удельная теплоёмкость тосола равна 2000 Дж/(кг·°C)), а его плотность 1100 кг/м 3 .
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Количество теплоты, получаемое жидкостью при нагревании
Время нагревания жидкости
до конечной температуры
14. На рисунке показана схема участка электрической цепи. По участку АВ течёт постоянный ток А. Какое напряжение показывает идеальный вольтметр, если сопротивление Ом? (Ответ дайте в вольтах.)
Электрон, двигаясь со скоростью направленной вдоль оси влетает в область однородного магнитного поля с индукцией лежащей в горизонтальной плоскости (на рисунке эта плоскость показана тонировкой). Как направлена (вверх, вниз, к наблюдателю, от наблюдателя) сила Лоренца, действующей на электрон? Ответ запишите словом (словами).
В плоском зеркале 3 наблюдается изображение стрелки С, глаз находится в точке Г. Какая часть (доля) изображения стрелки в зеркале видна глазу?
17. На железный сердечник надеты две катушки, как показано на рисунке. По правой катушке пропускают ток, который меняется согласно приведённому графику. На основании этого графика выберите все верные утверждения. Индуктивностью катушек пренебречь.
1) В промежутке между 1 с и 2 с ЭДС индукции в левой катушке равна 0.
2) В промежутках 0−1 с и 3−5 с направления тока в левой катушке были одинаковы.
3) В промежутке между 1 с и 2 с индукция магнитного поля в сердечнике была равна 0.
4) Сила тока через амперметр была отлична от 0 только в промежутках 0−1 с и 3−5 с.
5) Сила тока в левой катушке в промежутке 0−1 с была больше, чем в промежутке 2−3 с.
18. Сопротивление участка электрической цепи постоянного тока увеличили, оставив напряжение неизменным. Как в результате этого изменились сила тока, текущего через участок цепи, и выделяющаяся в участке цепи тепловая мощность?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем таблице:
Сила тока, текущего
через участок цепи
выделяющаяся в участке цепи
19. Колебательный контур состоит из конденсатора емкостью и катушки индуктивностью При электромагнитных колебаниях, происходящих в этом контуре, максимальный заряд конденсатора равен Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым их можно рассчитать. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
А) Энергия запасенная в колебательном контуре
Б) Максимальная сила тока, протекающего через катушку
20. Модуль импульса фотона красного света в 2 раза меньше модуля импульса фотона фиолетового света. Найдите отношение длины волны фотона фиолетового цвета к длине волны фотона красного цвета.
21. Энергия протона, который движется в ускорителе уменьшилась на некоторую величину. Как в результате этого изменятся следующие три величины: кинетическая энергия протона, энергия покоя протона?
Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Кинетическая энергия протона
Энергия покоя протона
В мерный стакан налита вода. Укажите объём воды с учётом погрешности измерения, учитывая что погрешность составляет половину цены деления мерного стакана. В ответе запишите значение и погрешность слитно без пробела.
23. Необходимо собрать экспериментальную установку, с помощью которой можно определить коэффициент трения скольжения стали по дереву. Для этого школьник взял стальной брусок с крючком. Какие два предмета из приведённого ниже перечня оборудования необходимо дополнительно использовать для проведения этого эксперимента?
1) деревянная рейка
4) пластмассовая рейка
В ответ запишите номера выбранных предметов.
В одной плоскости лежат длинный прямой проводник и кольцевой проводник, по которым текут постоянные токи (см. рисунок). Куда направлена суммарная сила, действующая на кольцевой проводник со стороны магнитного поля, создаваемого прямым проводником? Ответ поясните, опираясь на законы электродинамики.
25. В кубическом метре воздуха в помещении при температуре 20 °С находится водяных паров. Пользуясь таблицей плотности насыщенных паров воды, определите относительную влажность воздуха. Ответ приведите в процентах, округлите до целых.
26. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов, вылетающих из металлической пластинки под действием света, равна 2 эВ. Длина волны падающего монохроматического света составляет длины волны, соответствующей «красной границе» фотоэффекта для этого металла. Какова работа выхода электронов? Ответ приведите в электронвольтах.
27. Некоторое количество азота находится в замкнутом сосуде при температуре 300 К и давлении 2 атм. Когда температуру сосуда повысили до 3000 К, часть молекул азота распалась на атомы, и в результате этого давление увеличилось до 30 атм. Какая часть молекул азота распалась на атомы?
28. В плоском незаряженном воздушном конденсаторе с площадью пластин S = 200 см 2 и расстоянием между ними d = 2 мм в некоторый момент времени одной из пластин сообщили заряд q = 50 нКл, оставив вторую пластину незаряженной. Чему после этого стала равна разность потенциалов между пластинами? Краевыми эффектами пренебречь, электрическое поле внутри конденсатора считать однородным.
29. На непроводящей горизонтальной поверхности стола проводящая жёсткая рамка массой m из однородной тонкой проволоки, согнутая в виде квадрата ACDE со стороной (см. рисунок). Рамка находится в однородном горизонтальном магнитном поле, вектор индукции которого перпендикулярен сторонам АЕ и CD и равен по модулю В. По рамке течёт ток в направлении, указанном стрелками (см. рисунок). При какой минимальной силе тока рамка начнет поворачиваться вокруг стороны CD?
30. На гладкой горизонтальной плоскости лежат два груза массами и соединённые невесомой нерастяжимой нитью, перекинутой через два неподвижных (А и В) и один подвижный (О) невесомые блоки, как показано на рисунке. Оси блоков горизонтальны, трения в осях блоков нет. К оси О подвижного блока приложена направленная вертикально вниз сила F = 4 Н. Найдите ускорение этой оси. Сделайте схематический рисунок с указанием сил, действующих на грузы и блок.
Какие законы Вы используете для описания движения брусков? Обоснуйте их применение.
1. Выберите все верные утверждения о физических явлениях, величинах и закономерностях. Запишите в ответ их номера.
1) В инерциальной системе отсчёта импульс системы тел сохраняется, если сумма внешних сил равна нулю.
2) Процесс конденсации жидкостей происходит с поглощением большого количества теплоты.
3) В процессе электризации трением два первоначально незаряженных тела приобретают разноимённые и равные по модулю заряды.
4) В цепи постоянного тока во всех параллельно соединённых резисторах протекает одинаковый электрический ток.
5) В процессе альфа-распада происходит испускание радиоактивным веществом ядер атомов гелия.
2. Даны следующие зависимости величин:
А) Зависимость скорости распространения механической волны от длины волны;
Б) Зависимость периода гармонических колебаний в колебательном контуре от индуктивности катушки;
В) Зависимость давления идеального газа от температуры при изохорном процессе.
Установите соответствие между этими зависимостями и видами графиков, обозначенных цифрами 1−5. Для каждой зависимости А−В подберите соответствующий вид графика и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.