IB 物理/物理學史與發展 HL

E.5 熵的概念

E.5.1

卡諾在他關於熱機的著作中首次提出了熵的概念。透過構建一個理論模型，該模型實現了 100% 的效率，實際上，他假設熵可以保持恆定，因為該模型中的所有操作都是可逆的。

克勞修斯和開爾文也研究了熵的宏觀解釋（克勞修斯創造了這個術語）。

玻爾茲曼基於粒子的隨機運動，發展了微觀解釋。

E.5.2

克勞修斯使用熵來描述能量的退化和不可用性。儘管能量守恆，但只有當它能夠做功時，它才是有用的。例如，一個區域溫度高，而另一個區域溫度低的系統比具有相同熱量但均勻分佈的系統更有用。當能量更均勻地分佈時，據說它退化了。

E.5.3

麥克斯韋妖是一個“思想實驗”，它試圖克服熵總是增加的定律。我們想象有兩個裝滿氣體的容器，透過一根小管連線在一起。在中央有一個妖，正如妖所做的那樣，它想嘗試提高一側的溫度，並降低另一側的溫度，從而違背熵定律。他/她/它透過開啟和關閉一個門來做到這一點，允許快速移動的粒子進入左側，緩慢移動的粒子進入右側。這種快速移動和緩慢移動粒子的分離意味著熵正在被違反。

問題在於，為了讓妖做到這一點，必須消耗能量，因此即使內部熵正在減小，實現這一點所需的能量也會更大，因此在其他地方會有更大的熵增加。

E.5.4

在用熱力學術語分析系統時，重要的是要考慮第一和第二定律。為了理解系統的有用性和做功的能力，必須考慮能量的數量和質量。

E.6 量子概念

E.6.1

空腔輻射振盪器（也稱為黑體輻射器）與吸收所有照射在其上的電磁能量的物體有關。隨著輻射波長的減小（即頻率增加），物體中粒子的振盪增加。因此，可以推斷，最終，振盪會變得如此之大，以至於輻射器會簡單地分崩離析。這個波長被計算為在紫外光譜範圍內，因此被稱為紫外災難。

E.6.2

馬克斯·普朗克的想法是，能量只能以離散的量被輻射器吸收或發射，因此低頻不太可能給高頻振盪器提供能量，因為這種低頻振盪器發射的能量不足以提供能量。因此，紫外災難不會發生。

E.7 守恆原理和對稱性

E.7.1

四種基本力是

引力 : 長程力，與其他力相比非常弱。
電磁力 : 長程力，更強，但只在小距離處才顯著。
弱力 : 短程力，比引力強，比電磁力弱。
強力 : 非常短程力（隻影響最近的核子），非常強。

E.7.2

1935 年已知的基本粒子是質子、中子和電子。

E.7.3

強力使原子核結合在一起。

弱力參與了β衰變中中子轉化為質子的過程。

E.7.4

用於描述力運動的模型是“虛擬交換”粒子模型。每種力都有一個相關的虛擬粒子（儘管引力子的存在從未被證實）。

強力 : 膠子（以前是介子，這是教學大綱中所說的）
電磁力 : 光子
弱核力 : 玻色子
引力 : 引力子

費曼圖基本上顯示了兩個粒子相互移動，然後相互遠離，轉折點之間有一條虛線代表虛擬粒子的運動。

E.7.5

核反應中守恆的事物

質能
動量
角動量
電荷
輕子數
μ子數
重子數

在編寫核反應時，應考慮所有這些因素（但動量因素實際上無法寫出）。

E.7.6

對稱操作（感謝抽象代數）是一種“操作”，它涉及旋轉或平移，在此過程中所有內容都保持守恆。

E.7.7

默裡·蓋爾曼的“八重道”是一個基於 SU3 群的模型，旨在模擬夸克組成的粒子。它用於預測 Ω 負粒子的存在及其特性，然後再物理上發現它。

E.7.8

有六種夸克 : 上、下、奇、粲、頂（也稱為真）和底（也稱為美）。此外，每種夸克都有自己的反夸克，具有相反的電荷和相反的奇異性、粲性、頂性或底性，具體取決於情況。它們的重子數也為 -¹/₃，而正常夸克的重子數為 ¹/₃。

這些夸克結合在一起形成不同的粒子。它們各自的電荷為 ±¹/₃ 或 ±²/₃，它們結合在一起形成質子 (uud) 和中子 (udd) 等粒子。上夸克的電荷為 +²/₃，下夸克的電荷為 -¹/₃（注意，其他型別並不常見）。

E.7.9

夸克還具有稱為顏色的性質，可能的取值為紅色、藍色、綠色、反紅色、反藍色和反綠色。

這個想法最初是為了保留泡利不相容原理而提出的。夸克透過交換稱為膠子的粒子結合在一起（這有點像強力）。有 8 個膠子，其中 6 個帶顏色電荷。

E.7.10

科學中的組織原則：它們很好，並且有助於組織事物。它們有助於顯示資料中的趨勢，否則資料只是一團糟。

示例包括八重道和力的統一。