IB 物理/物理学史与发展 HL

E.5 熵的概念

E.5.1

卡诺在他关于热机的著作中首次提出了熵的概念。通过构建一个理论模型，该模型实现了 100% 的效率，实际上，他假设熵可以保持恒定，因为该模型中的所有操作都是可逆的。

克劳修斯和开尔文也研究了熵的宏观解释（克劳修斯创造了这个术语）。

玻尔兹曼基于粒子的随机运动，发展了微观解释。

E.5.2

克劳修斯使用熵来描述能量的退化和不可用性。尽管能量守恒，但只有当它能够做功时，它才是有用的。例如，一个区域温度高，而另一个区域温度低的系统比具有相同热量但均匀分布的系统更有用。当能量更均匀地分布时，据说它退化了。

E.5.3

麦克斯韦妖是一个“思想实验”，它试图克服熵总是增加的定律。我们想象有两个装满气体的容器，通过一根小管连接在一起。在中央有一个妖，正如妖所做的那样，它想尝试提高一侧的温度，并降低另一侧的温度，从而违背熵定律。他/她/它通过打开和关闭一个门来做到这一点，允许快速移动的粒子进入左侧，缓慢移动的粒子进入右侧。这种快速移动和缓慢移动粒子的分离意味着熵正在被违反。

问题在于，为了让妖做到这一点，必须消耗能量，因此即使内部熵正在减小，实现这一点所需的能量也会更大，因此在其他地方会有更大的熵增加。

E.5.4

在用热力学术语分析系统时，重要的是要考虑第一和第二定律。为了理解系统的有用性和做功的能力，必须考虑能量的数量和质量。

E.6 量子概念

E.6.1

空腔辐射振荡器（也称为黑体辐射器）与吸收所有照射在其上的电磁能量的物体有关。随着辐射波长的减小（即频率增加），物体中粒子的振荡增加。因此，可以推断，最终，振荡会变得如此之大，以至于辐射器会简单地分崩离析。这个波长被计算为在紫外光谱范围内，因此被称为紫外灾难。

E.6.2

马克斯·普朗克的想法是，能量只能以离散的量被辐射器吸收或发射，因此低频不太可能给高频振荡器提供能量，因为这种低频振荡器发射的能量不足以提供能量。因此，紫外灾难不会发生。

E.7 守恒原理和对称性

E.7.1

四种基本力是

引力 : 长程力，与其他力相比非常弱。
电磁力 : 长程力，更强，但只在小距离处才显著。
弱力 : 短程力，比引力强，比电磁力弱。
强力 : 非常短程力（只影响最近的核子），非常强。

E.7.2

1935 年已知的基本粒子是质子、中子和电子。

E.7.3

强力使原子核结合在一起。

弱力参与了β衰变中中子转化为质子的过程。

E.7.4

用于描述力运动的模型是“虚拟交换”粒子模型。每种力都有一个相关的虚拟粒子（尽管引力子的存在从未被证实）。

强力 : 胶子（以前是介子，这是教学大纲中所说的）
电磁力 : 光子
弱核力 : 玻色子
引力 : 引力子

费曼图基本上显示了两个粒子相互移动，然后相互远离，转折点之间有一条虚线代表虚拟粒子的运动。

E.7.5

核反应中守恒的事物

质能
动量
角动量
电荷
轻子数
μ子数
重子数

在编写核反应时，应考虑所有这些因素（但动量因素实际上无法写出）。

E.7.6

对称操作（感谢抽象代数）是一种“操作”，它涉及旋转或平移，在此过程中所有内容都保持守恒。

E.7.7

默里·盖尔曼的“八重道”是一个基于 SU3 群的模型，旨在模拟夸克组成的粒子。它用于预测 Ω 负粒子的存在及其特性，然后再物理上发现它。

E.7.8

有六种夸克 : 上、下、奇、粲、顶（也称为真）和底（也称为美）。此外，每种夸克都有自己的反夸克，具有相反的电荷和相反的奇异性、粲性、顶性或底性，具体取决于情况。它们的重子数也为 -¹/₃，而正常夸克的重子数为 ¹/₃。

这些夸克结合在一起形成不同的粒子。它们各自的电荷为 ±¹/₃ 或 ±²/₃，它们结合在一起形成质子 (uud) 和中子 (udd) 等粒子。上夸克的电荷为 +²/₃，下夸克的电荷为 -¹/₃（注意，其他类型并不常见）。

E.7.9

夸克还具有称为颜色的性质，可能的取值为红色、蓝色、绿色、反红色、反蓝色和反绿色。

这个想法最初是为了保留泡利不相容原理而提出的。夸克通过交换称为胶子的粒子结合在一起（这有点像强力）。有 8 个胶子，其中 6 个带颜色电荷。

E.7.10

科学中的组织原则：它们很好，并且有助于组织事物。它们有助于显示数据中的趋势，否则数据只是一团糟。

示例包括八重道和力的统一。