Законы классической физики в микромире. Квантовая оптика. Физика микромира. Молекулярная физика. Материи в микромире

Краткая история изучения элементарных частиц

Первой элементарной частицей, открытой учеными, был электрон. Электрон - это элементарная частица, носящая отрицательный заряд. Он был открыт в 1897 году Дж. Дж. Томсоном. Позднее, в 1919 году Э. Резерфордом было обнаружено, что среди выбитых из атомных ядер частиц есть протоны. Затем были открыты нейтроны и нейтрино.

В 1932 году К. Андерсоном при изучении космических лучей были открыты позитрон, мюоны, К-мезоны.

С начала 50-х годов основным инструментом изучения элементарных частиц стали ускорители, что позволило обнаружить большое количество новых частиц. Исследования показали, что мир элементарных частиц очень сложен, а их свойства носят неожиданный, непредсказуемый характер.

Элементарные частицы в физике микромира

Определение 1

В узком понимании, элементарные частицы – это такие частицы, которые не состоят из других частиц. Но, в современной физике используется более широкое понимание этого термина. Так, элементарные частицы – это мельчайшие частицы материи, не являющиеся атомами и атомными ядрами. Исключение из этого правила составляет протон. Именно поэтому элементарные частицы получили название субъядерных частиц. Преобладающая часть этих частиц являются составными системами.

Элементарные частицы принимают участие во всех фундаментальных видах взаимодействия – сильном, гравитационном, слабом, электромагнитном. Гравитационное взаимодействие, ввиду малых масс элементарных частиц, часто не учитывается. Все существующие на данный момент элементарные частицы разделяются на три большие группы:

• бозоны. Это элементарные частицы, переносящие электрослабые взаимодействия. К ним относится квант электромагнитного излучения фотон, имеющий массу покоя, равную нулю, чем обусловливается то, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является предельной скоростью распространения физического воздействия. Скорость света одна из фундаментальных физических постоянных, ее значение равно 299 792 458 м/с.
• лептоны. Эти элементарные частицы принимают участие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. На данный момент существует 6 лептонов: электрон, мюон, мюонное нейтрино, электронное нейтрино, тяжелый τ-лептон и соответствующее нейтрино. Все лептоны имеют спин ½. Каждому лептону соответствует античастица, которая имеет ту же массу, тот же спин и другие характеристики, но отличается знаком электрического заряда. Существуют позитрон, являющийся античастицей электрона, мюон, положительно заряженный и три антинейтрино, имеющие лептонный заряд.
• адроны. Эти элементарные частицы принимают участие в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны – это тяжелые частицы, масса которых в 200 000 раз больше массы электрона. Это самая многочисленная группа элементарных частиц. Адроны в свою очередь подразделяются на барионы – элементарные частицы со спином ½, мезоны, имеющие целочисленный спин. Кроме того, существуют так называемые резонансы. Так называют короткоживущие возбужденные состояния адронов.

Свойства элементарных частиц

Любой элементарной частице присущ набор дискретных значений и квантовых чисел. Общими характеристиками абсолютно всех элементарных частиц являются следующие:

• масса
• время жизни
• электрический заряд

Замечание 1

По времени жизни элементарные частицы являются стабильными, квазистабильными, нестабильными.

Стабильными элементарными частицами являются: электрон, время жизни которого составляет 51021 лет, протон – более 1031 лет, фотон, нейтрино.

Квазистабильные – это частицы, которые распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействий, время жизни квазистабильных элементарных частиц составляет более 10-20 с.

Нестабильные элементарные частицы (резонансы) распадаются в ходе сильного взаимодействия и их время жизни составляет $10^{-22} – 10^{-24}$ с.

Квантовыми числами элементарных частиц являются лептонный и барионный заряды. Эти числа являются строго постоянными величинами для всех видов фундаментальных взаимодействий. Для лептонных нейтрино и их античастиц лептонные заряды имеют противоположные знаки. Для барионов барионный заряд равен 1, для соответствующих им античастиц барионный заряд составляет -1.

Характерным для адронов является присутствие особых квантовых чисел: «странности», «красоты», «очарования». Обычными адронами являются нейтрон, протон, π-мезон.

Внутри разных групп адронов существуют семейства частиц, имеющих близкую по значению массу и сходные свойства по отношению к сильному взаимодействию, но отличающиеся электрическим зарядом. Примером этого является протон и нейтрон.

Способность элементарных частиц к взаимовпревращениям, которые происходят в результате электромагнитных и других фундаментальных взаимодействий, является их важнейшим свойством. Таким видом взаимопревращений является рождение пары, то есть образование частицы и античастицы одновременно. В общем случае, происходит образование пары элементарных частиц с противоположными барионными и лептонными зарядами.

Возможен процесс образования позитронно-электронных пар, мюонных пар. Еще одним видом взаимных превращений элементарных частиц является аннигиляция пары в результате столкновения частиц с образованием конечного числа фотонов. Как правило, происходит образование двух фотонов при суммарном спине сталкивающихся частиц, равном нулю, и трех фотонов при суммарном спине, равном 1. Данный пример является проявлением закона сохранения зарядовой четности.

При некоторых определенных условиях возможно образование связанной системы позитрония е-е+ и мюония µ+е-. таким условием может быть невысокая скорость сталкивающихся частиц. Такие нестабильные системы получили название водородоподобных атомов. Время жизни водородоподобных атомов зависит от конкретных свойств вещества. Эта особенность дает возможность использования их в ядерной химии для подробного изучения конденсированного вещества и для исследования кинетики быстрых химических реакций.

· Путь микроскопии 3

· Предел микроскопии 5

· Невидимые излучения 7

· Электроны и электронная оптика 9

· Электроны - волны!? 12

· Устройство электронного микроскопа 13

· Объекты электронной микроскопии 15

· Виды электронных микроскопов 17

· Особенности работы с электронным микроскопом 21

· Пути преодоления дифракционного предела электронной микроскопии 23

· Список литературы 27

· Рисунки 28

Примечания:

1. Символ ­ означает возведение в степень. Например, 2 ­3 означает «2 в степени 3».

2. Символ e означает запись числа в показательной форме. Например, 2 e3 означает «2, умноженное на 10 в 3 степени».

3. Все рисунки находятся на последней странице.

4. Вследствие использования не совсем «свежей» литературы данные в этом реферате не отличаются особой «свежестью».

Глаз не видел бы Солнца,

если бы он не был подобен

Солнцу.

Гёте.

Путь микроскопии.

Когда на пороге XVII столетия был создан первый микроскоп, вряд ли кто-либо (и даже его изобретатель) мог представить будущие успехи и многочисленные области применения микроскопии. Оглядыва­ясь назад, мы убеждаемся, что это изобретение знаменовало собой нечто большее, чем создание нового устройства: впервые человек по­лучил возможность увидеть ранее невидимое.

Примерно к этому же времени относится еще одно событие ¾ изобретение телескопа, позволившее увидеть невидимое в мире пла­нет и звезд. Изобретение микроскопа и телескопа представляло собой революцию не только в способах изучения природы, но и в самом ме­тоде исследования.

Действительно, натурфилософы древности наблюдали природу, узнавая о ней только то, что видел глаз, чувствовала кожа, слышало ухо. Можно лишь удивляться тому, как много правильных сведений об окружающем мире получили они, пользуясь «невооруженными» орга­нами чувств и не ставя специальных экспериментов, как это делают сейчас. Вместе с тем наряду с точными фактами и гениальными до­гадками как много ложных «наблюдений», утверждений и выводов ос­тавили нам ученые древности и средних веков!

Лишь значительно позднее был найден метод изучения при­роды, заключающийся в постановке сознательно планируемых экспе­риментов, целью которых является проверка предположений и четко сформулированных гипотез. Особенности этого метода исследования Фрэнсис Бэкон - один из его создателей - выразил в следующих, став­ших знаменитыми, словах: «Ставить эксперимент - это учинять допрос природе».Самые первые шаги экспериментального метода по совре­менным представлениям были скромны, и в большинстве случаев экс­периментаторы того времени обходились без каких-либо устройств, «усиливающих» органы чувств. Изобретение микроскопа и телескопа представляло собой колоссальное расширение возможностей наблю­дения и эксперимента.

Уже первые наблюдения, проведённые с помощью самой простой и несовершенной по современным представлениям техники, открыли «целый мир в капле воды». Оказалось, что знакомые предметы выгля­дят совсем по-иному, если их рассматривать в микроскоп: гладкие на взгляд и ощупь поверхности оказываются в действительности шерохо­ватыми, в «чистой» воде движутся мириады мельчайших организмов. Точно так же первые астрономические наблюдения с помощью теле­скопов дали возможность человеку по-новому увидеть привычный мир планет и звёзд: например, поверхность Луны, воспетой поэтами всех поколений, оказалась гористой и испещрённой многочисленными кра­терами, а у Венеры была обнаружена смена фаз, как и у Луны.

В дальнейшем эти простейшие наблюдения дадут жизнь само­стоятельным областям науки ¾ микроскопии и наблюдательной ас­трономии. Пройдут годы, и каждая из этих областей разовьется в мно­гочисленные разветвления, выражающиеся в целом ряде самых раз­личных применений в биологии, медицине, технике, химии, физике, на­вигации.

Современные микроскопы, которые в отличие от электронных мы будем называть оптическими, представляют собой совершенные при­боры, позволяющие получать большие увеличения с высокой разре­шающей способностью. Разрешающая способность определяется рас­стоянием, на котором два соседних элемента структуры могут быть ещё видимы раздельно. Однако, как показали исследования, оптиче­ская микроскопия практически достигла принципиального предела своих возможностей из-за дифракции и интерференции ¾ явлений, обусловленных волновой природой света.

Степень монохроматичности и когерентности является важной характеристикой волн любой природы (электромагнитных, звуковых и др.). Монохроматические колебания ¾ это колебания, состоящие из синусоидальных волн одной определённой частоты. Когда мы пред­ставляем колебания в виде простой синусоиды соответственно с по­стоянными амплитудой, частотой и фазой, то это является опреде­лённой идеализацией, так как, строго говоря, в природе не существует колебаний и волн, абсолютно точно описываемых синусоидой. Однако, как показали исследования, реальные колебания и волны могут с большей или меньшей степенью точности приближаться к идеальной синусоиде (обладать большей или меньшей степенью монохроматич­ности). Колебания и волны сложной формы можно представить в виде набора синусоидальных колебаний и волн. По сути дела, эту математи­ческую операцию осуществляет призма, разлагающая в цветной спектр солнечный свет.

Монохроматические волны, в том числе и световые, одной и той же частоты (при определённых условиях!) могут взаимодействовать между собой таким образом, что в результате «свет превратится в темноту» или, как говорят, волны могут интерферировать. При интер­ференции происходят местные «усиления и подавления» волн друг другом. Для того чтобы картина интерференции волн оставалась не­изменной с течением времени (например, при рассматривании её гла­зом или фотографировании), необходимо, чтобы волны были между собой когерентны (две волны когерентны между собой, если они дают устойчивую картину интерференции, чему соответствуют равенства их частот и неизменный сдвиг фаз).

Если на пути распространения волн поместить препятствия, то они будут существенно влиять на направление распространения этих волн. Такими препятствиями могут быть края отверстий в экранах, не­прозрачные предметы, а также любые другие виды неоднородностей на пути распространения волн. В частности, неоднородностями могут быть также и прозрачные (для данного излучения) предметы, но отли­чающиеся по коэффициенту преломления, а значит, и по скорости про­хождения волн внутри них. Явление изменения направления распро­странения волн при прохождении их вблизи препятствий называют дифракцией. Обычно дифракция сопровождается интерференцион­ными явлениями.

Предел микроскопии.

Изображение, получаемое при помощи любой оптической сис­темы, есть результат интерференции различных частей световой волны, прошедшей через эту систему. В частности, известно, что огра­ничение световой волны входным зрачком системы (краями линз, зер­кал и диафрагм, составляющих оптическую систему) и связанное с ним явление дифракции приводит к тому, что светящаяся точка будет изо­бражена в виде дифракционного кружка. Это обстоятельство ограни­чивает возможность различать мелкие детали изображения, форми­руемого оптической системой. Изображение, например, бесконечно удалённого источника света (звезды) в результате дифракции на круг­лом зрачке (оправе зрительной трубы), представляет собой довольно сложную картину (см. рис. 1). На этой картине можно увидеть набор концентрических светлых и тёмных колец. Распределение освещённо­стей, которое можно зафиксировать, если двигаться от центра кар­тины к её краям, описывается довольно сложными формулами, кото­рые приводятся в курсах оптики. Однако закономерности, свойствен­ные положению первого (от центра картины) тёмного кольца, выглядят просто. Обозначим через D диаметр входного зрачка оптической сис­темы и через l длину волны света, посылаемого бесконечно удалён­ным источником.

Рис. 1. Дифракционное изображение светящейся точки (так называемый диск Эйри).

Если обозначить через j угол, под которым виден радиус первого тёмного кольца, то как доказывается в оптике

sin j » 1,22 * ( l /D) .

Таким образом, в результате ограничения волнового фронта краями оптической системы (входным зрачком) вместо изображения светящейся точки, соответствующей бесконечно удаленному объекту, мы получаем набор дифракционных колец. Естественно, что это явле­ние ограничивает возможность различения двух близко расположенных точечных источников света. Действительно, в случае двух удаленных источников, например двух звезд, расположенных очень близко друг к другу на небесном своде, в плоскости наблюдения образуются две сис­темы концентрических колец. При определенных условиях они могут перекрываться, и различение источников становится невозможным. Не случайно поэтому в соответствии с «рекомендацией» формулы, приве­денной выше, стремятся строить астрономические телескопы с боль­шими размерами входного зрачка. Предел разрешения, при котором могут наблюдаться два близко расположенных источника света, опре­деляют следующим образом: для определенности в качестве предела разрешения принимают такое положение дифракционных изображений двух точечных источников света, при котором первое тёмное кольцо, создаваемое одним из источников, совпадает с центром светлого пятна, создаваемого другим источником.

Квантовая оптика. Физика микромира. Молекулярная физика.

Тепловое излучение - электромагнитное излучение с непрерывным спектром, испускаемое нагретыми телами за счёт их тепловой энергии.

Примером теплового излучения является свет от лампы накаливания.

Мощность теплового излучения объекта, удовлетворяющего критериям абсолютно чёрного тела, описывается законом Стефана - Больцмана.

Отношение излучательной и поглощательной способностей тел описывается законом излучения Кирхгофа.

Тепловое излучение является одним из трёх элементарных видов переноса тепловой энергии.

Равновесное излучение - тепловое излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с веществом.

Основными количественными характеристиками теплового излучения являются :
- энергетическая светимость - это количество энергии электромагнитного излучения во всем диапазоне длин волн теплового излучения, которое излучается телом во всех направлениях с единицы площади поверхности за единицу времени: R = E/(S·t), [Дж/(м 2 с)] = [Вт/м 2 ] Энергетическая светимость зависит от природы тела, температуры тела, состояния поверхности тела и длины волны излучения.
- спектральная плотность энергетической светимости - энергетическая светимость тела для данных длин волн (λ + dλ) при данной температуре (T + dT): R λ , T = f(λ, T).
Энергетическая светимость тела в пределах каких-то длин волн вычисляется интегрированием R λ , T = f(λ, T) для T = const:

коэффициент поглощения - отношение поглощенной телом энергии к падающей энергии. Так, если на тело падает излучение потока dФ пад, то одна его часть отражается от поверхности тела - dФ отр, другая часть проходит в тело и частично превращается в теплоту dФ погл, а третья часть после нескольких внутренних отражений - проходит через тело наружу dФ пр: α = dФ погл /dФ пад.

Закон Стефана - Больцмана - закон излучения абсолютно чёрного тела. Определяет зависимость мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры. Формулировка закона :

где - степень черноты (для всех веществ , для абсолютно черного тела ). При помощи закона Планка для излучения, постоянную можно определить как

где - постоянная Планка, - постоянная Больцмана, - скорость света.

Численное значение Дж·с −1 ·м −2 · К −4 .

Закон открыт независимо Й. Стефаном и Л. Больцманом в предположении пропорциональности плотности энергии излучения его давлению . В 1880 г. подтверждён Лео Гретцем.

Важно отметить, что закон говорит только об общей излучаемой энергии. Распределение энергии по спектру излучения описывается формулой Планка, в соответствии с которой в спектре имеется единственный максимум, положение которого определяется законом Вина.

Закон излучения Кирхгофа .

В современной формулировке з акон звучит следующим образом:

Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы.

Известно, что при падении электромагнитного излучения на некоторое тело часть его отражается, часть поглощается и часть может пропускаться. Доля поглощаемого излучения на данной частоте называется поглощательной способностью тела . С другой стороны, каждое нагретое тело излучает энергию по некоторому закону , именуемым излучательной способностью тела .

Величины и могут сильно меняться при переходе от одного тела к другому, однако согласно закону излучения Кирхгофа отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела и является универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры:

По определению, абсолютно чёрное тело поглощает всё падающее на него излучение, то есть для него . Поэтому функция совпадает с излучательной способностью абсолютно чёрного тела, описываемой законом Стефана - Больцмана, вследствие чего излучательная способность любого тела может быть найдена исходя лишь из его поглощательной способности.

Реальные тела имеют поглощательную способность меньшую единицы, а значит, и меньшую чем у абсолютно чёрного тела излучательную способность. Тела, поглощательная способность которых не зависит от частоты, называются серыми. Их спектримеет такой же вид, как и у абсолютно чёрного тела. В общем же случае поглощательная способность тел зависит от частоты и температуры, и их спектр может существенно отличаться от спектра абсолютно чёрного тела. Изучение излучательной способности разных поверхностей впервые было проведено шотландским ученым Лесли при помощи его же изобретения -куба Лесли.

Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом ) называется явление взаимодействия света с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. Для твердых и жидких тел различается внешний и внутренний фотоэффект . При внешнем фотоэффекте поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела. При внутреннем фотоэффекте электроны, вырванные из атомов, молекул и ионов, остаются внутри вещества, но изменяются энергии электронов. В газах фотоэффект состоит в явлении фотоионизации – вырывании электронов из атомов и молекул газа под действием света.

Качественный вид вольт-амперной характеристики фотоэлемента, то есть зависимости фототока от напряжения между катодом и анодом для случая неизменного светового потока, падающего на катод, представлена на рис. 1.13.

Рис. 1.13.

Положительное напряжение соответствует ускоряющему электрическому полю, в которое попадают вылетающие из катода электроны. Поэтому, в области положительных напряжений все испускаемые катодом электроны достигают анода, обуславливая фототок насыщения .

Небольшой спад фототока при малых положительных напряжениях, который наблюдается в опытах, связан с контактной разностью потенциалов между катодом и анодом. Ниже, при обсуждении закономерностей фотоэффекта мы будем пренебрегать влиянием контактной разности потенциалов.

При отрицательном напряжении испущенный катодом электрон попадает в тормозящее электрическое поле, преодолеть которое он может лишь имея определенный запас кинетической энергии. Электрон с малой кинетической энергией, вылетев из катода, не может преодолеть тормозящее поле и попасть на анод. Такой электрон возвращается на катод, не давая вклада в фототок. Поэтому, плавный спад фототока в области отрицательных напряжений указывает на то, что вылетающие из катода фотоэлектроны имеют разные значения кинетической энергии.

При некотором отрицательном напряжении , величину которого называют задерживающим напряжением (потенциалом), фототок становится равным нулю. Соответствующее тормозящее электрическое поле при этом задерживает все вылетающие из катода электроны, включая электроны с максимальной кинетической энергией .

Измерив задерживающее напряжение, можно определить эту максимальную энергию или максимальную скорость фотоэлектронов из соотношения

.

(1.54)

Экспериментально были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

1. Для монохроматического света определенной длины волны фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на катод.

2.Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от величины светового потока, а определяется лишь частотой излучения.

3. Для каждого вещества катода существует своя граничная частота такая, что излучение с частотой фотоэффекта не вызывает. Эту граничную частоту называют частотой красной границы фотоэффекта. По шкале длин волн ей соответствует длина волны красной границы , такая, что фотоэффект из данного металла вызывает излучение лишь с меньшей длиной волны .

(1.55) называютуравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Здесь - максимальная энергия фотоэлектронов.

Непосредственным следствием этого уравнения являются второй и третий законы фотоэффекта. Действительно, из (1.55) следует, что максимальная энергия фотоэлектронов зависит от частоты падающего на металл излучения. Кроме того, если , то фотоэффект не должен наблюдаться. Отсюда, для частоты и длины волны красной границы фотоэффекта получаем простые формулы

из которых следует, что эти характеристики полностью определяются значением работы выхода электрона из металла.

Фотон - элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле - света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Фотоны обозначаются буквой , поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически синонимичны. С точки зрения Стандартной модели фотон является калибровочным бозоном. Виртуальные фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, таким образом обеспечивая взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами. Фотон - самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.

Корпускулярно-волновой дуализм , Принцип неопределённости Гейзенберга

Фотону свойственен корпускулярно-волновой дуализм. С одной стороны, фотон демонстрирует свойства электромагнитной волны в явлениях дифракции и интерференции в том случае, если характерные размеры препятствий сравнимы с длиной волны фотона. Например, последовательность одиночных фотонов с частотой , проходящих через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, которую можно описать уравнениями Максвелла. Тем не менее, эксперименты показывают, что фотоны излучаются и поглощаются целиком объектами, которые имеют размеры, много меньшие длины волны фотона (например, атомами), или вообще в некотором приближении могут считаться точечными (так же как, например, электроны). Таким образом, фотоны в процессах излучения и поглощения ведут себя как точечно подобные частицы. В то же время, это описание не является достаточным; представление о фотоне как о точечной частице, чья траектория вероятностно задана электромагнитным полем, опровергается корреляционными экспериментами с запутанными состояниями фотонов.

Мысленный эксперимент Гейзенберга по определению местонахождения электрона(закрашен синим) с помощью гамма-лучевого микроскопа высокого разрешения.

Падающие гамма-лучи (показаны зелёным) рассеиваются на электроне и попадают в апертурный угол микроскопа θ. Рассеянные гамма-лучи показаны на рисунке красным цветом. Классическая оптика показывает, что положение электрона может быть определено только с точностью до определённого значения Δx , которое зависит от угла θ и от длины волны λ падающих лучей.

Ключевым элементом квантовой механики является принцип неопределённости Гейзенберга, который запрещает одновременное точное определение пространственной координаты частицы и её импульса по этой координате.

Важно отметить, что квантование света и зависимость энергии и импульса от частоты необходима для выполнения принципа неопределённости, применённого к заряженной массивной частице. Иллюстрацией этого может служить знаменитый мысленный эксперимент с идеальным микроскопом, определяющим координату электрона путём облучения его светом и регистрации рассеянного света (гамма-микроскоп Гейзенберга). Положение электрона может быть определено с точностью , равной разрешающей способности микроскопа. Исходя из представлений классической оптики:

где - апертурный угол микроскопа. Таким образом, неопределённость координаты можно сделать сколь угодно малой, уменьшая длину волны падающих лучей. Однако после рассеяния электрон приобретает некоторый дополнительный импульс, неопределённость которого равна . Если бы падающее излучение не было квантованным, эту неопределённость можно было бы сделать сколь угодно малой, уменьшая интенсивность излучения. Длину волны и интенсивность падающего света можно менять независимо друг от друга. В результате при отсутствии квантования света стало бы возможным одновременно определить с высокой точностью положение электрона в пространстве и его импульс, что противоречит принципу неопределённости.

Напротив, формула Эйнштейна для импульса фотона полностью удовлетворяет требованиям принципа неопределённости. С учётом того, что фотон может быть рассеян в любом направлении в пределах угла , неопределённость переданного электрону импульса равняется:

После умножения первого выражения на второе получается соотношение неопределённостей Гейзенберга: . Таким образом, весь мир квантован: если вещество подчиняется законам квантовой механики, то и поле должно им подчиняться, и наоборот.

Опыты Резерфорда привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро (атомное ядро, отсюда название модели ), диаметр которого не превышает 10 –14 –10 –15 м. Это ядро занимает только 10 –12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 10 15 г/см 3 . Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Рисунок 6.1.3.Рассеяние α-частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b)

В дальнейшем Резерфорд предложил планетарную модель атома . Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны (рис. 6.1.4). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.

Рис. 6.1.4.Планетарная модель атома Резерфорда.Показаны круговые орбиты четырех электронов

Атомное ядро - центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса(более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома. Атомное ядро состоит из нуклонов - положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом - это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом в натуральном ряду элементов в таблице Менделеева. Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом . Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов - называются изотонами . Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом () и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами . Как и любая квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами. Такие возбуждённые состояния ядер называются ядерными изомерами . Почти 90 % из 2500 известных атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц. Это свойство ядер называется радиоактивностью . Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γ-излучениями . Эти три вида радиоактивных излучений сильно отличаются друг от друга по способности ионизировать атомы вещества и, следовательно, по проникающей способности. Наименьшей проникающей способностью обладает α-излучение . В воздухе при нормальных условиях α-лучи проходят путь в несколько сантиметров. β-лучи гораздо меньше поглощаются веществом. Они способны пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи , способные проходить через слой свинца толщиной 5–10 см.

Деление представляет собой распад (расщепление) атомного ядра на две прибл. равные части (осколки), сопровождающийся выделением энергии и, в отд. случаях, испусканием одной или неск. частиц, напр, нейтронов. Нек-рые тяжелые ядра могут делиться самопроизвольно (спонтанно), более легкие - в случае соударения с др. ядрами, обладающими большой энергией. Кроме того, тяжелые ядра, напр, атомов урана, способны делиться под воздействием бомбардировки нейтронами, а поскольку при этом испускаются новые нейтроны, процесс может стать самоподдерживающимся, т.е. возникает цепная реакция. В ходе такой реакции деления происходит высвобождение большого кол-ва энергии. В ядерных реакторах протекают управляемые цепные реакции, а в атомной бомбе - неуправляемые. Синтезом называется слияние ядер двух легких атомов с образованием нового ядра, соответствующего более тяжелому атому. Если это новое ядро стабильно, то при синтезе выделяется энергия, поскольку связи в нем оказываются более прочными, чем в исходных ядрах. От хим. реакций ядерный синтез отличается участием в нем не только электронов атомов, но и их ядер. На единицу массы реагирующих в-в в реакции синтеза ядер выделяется прибл. в 10 раз больше энергии, чем в реакциях деления. Синтез ядер идет в центр, области Солнца и др. звезд, являясь источником их энергии. Неуправляемая реакция такого синтеза реализуется в водородных бомбах. В наст, время ведутся исследования по осуществлению управляемых реакций подобного синтеза в кач-ве источников энергии.

Элементарная частица - собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части.

Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, фотон, кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы - протон, нейтрон и т. д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно.

Фундаментальная частица - бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. В настоящее время термин применяется преимущественно для лептонов и кварков (по 6 частиц каждого рода, вместе с античастицами, составляют набор из 24 фундаментальных частиц) в совокупности с калибровочными бозонами(частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий).

Молекулярно-кинетическая теория истолковывает свойства тел, которые непосредственно наблюдаются на опыте (давление, температуру и т.п.), как суммарный результат действия молекул. При этом она пользуется статистическим методом, интересуясь не движением отдельных молекул, а лишь средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое её название – статистическая физика.

Термодинамические параметры - температура, плотность, давление, объем, удельное электрическое сопротивление и другие физические величины:
- однозначно определяющие термодинамическое состояние системы;
- не учитывающие молекулярное строение тел; и
- описывающие их макроскопическое строение.

На основании использования основных положений молекулярно-кинетической теории было получено основное уравнение МКТ идеального газа , которое выглядит так: , где р - давление идеального газа, m0 - масса молекулы, среднее значение концентрация молекул, квадрата скорости молекул.
Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа получим основное уравнение МКТ идеального газа в виде:

В теории идеального газа потенциальная энергия взаимодействия молекул считается равной нулю. Поэтому внутренняя энергия идеального газа определяется кинетической энергией движения всех его молекул. Средняя энергия движения одной молекулы равна . Так как в одном киломоле содержится молекул, то внутренняя энергия одного киломоля газа будет

Учитывая, что , получим

Для любой массы m газа , т.е. для любого числа киломолей внутренняя энергия

(10.12)

Из этого выражения следует, что внутренняя энергия является однозначной функцией состояния и, следовательно, при совершении системой любого процесса, в результате которого система возвращается в исходное состояние, полное изменение внутренней энергии равно нулю. Математически это записывается в виде тождества

Второе начало термодинамики утверждает, что все необратимые процессы (а такими являются практически все тепловые процессы, во всяком случае, все естественно протекающие процессы) идут так, что энтропия участвующих в них тел возрастает, стремясь к максимальному значению. Максимальное значение энтропии достигается тогда, когда система приходит в равновесное состояние.

Вместе с тем выше уже отмечалось, что переход к равновесному состоянию является значительно более вероятным по сравнению со всеми другими переходами. Поэтому и наблюдаются только те изменения состояния, при которых система переходит из менее вероятного в более вероятное состояние (термодинамическая вероятность возрастает).

Связь между термодинамической вероятностью состояния системы и ее энтропией была установлена в 1875 г. двумя знаменитыми учеными – Д. Гиббсом и Л. Больцманом. Эта связь выражается формулой Больцмана , которая имеет вид:

,

(4.56)

где , R – универсальная газовая постоянная, N A – число Авогадро.

Уравнение состояния идеального газа (иногда уравнение Клапейрона или уравнениеМенделеева - Клапейрона) - формула, устанавливающая зависимость междудавлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. Уравнение имеет вид:

Давление,

Молярный объём,

Универсальная газовая постоянная

Абсолютная температура,К.

Так как , где - количество вещества, а , где - масса, -молярная масса, уравнение состояния можно записать:

Видно, что это уравнение фактически является уравнением состояния идеального газа с двумя поправками. Поправка учитывает силы притяжения между молекулами (давление на стенку уменьшается, т.к. есть силы, втягивающие молекулы приграничного слоя внутрь), поправка - силы отталкивания (из общего объёма вычитаем объём, занимаемый молекулами).

Для молей газа Ван -дер-Ваальса уравнение состояния выглядит так:

Где - объём,

Изотерма линия на диаграмме состояния, изображающая процесс, происходящий при постоянной температуре (изотермический процесс). Уравнение Изотерма идеального газа pV = const, где р - давление, V - объём газа. Для реального газа уравнение Изотерма имеет более сложный характер и переходит в уравнение Изотерма идеального газа только при малых давлениях или высоких температурах.

На рис. 2.8 схематически изображены изотермы газа Ван-дер-Ваальса для различных температур.

На этих изотермах хорошо просматривается участок, где давление растёт с ростом объёма. Этот участок не имеет физического смысла. В области, где изотерма делает зигзагообразный изгиб, изобара пересекает её три раза, то есть, имеется три значения объёма при одинаковых значениях параметров и . При повышении температуры волнообразный участок уменьшается и превращается в точку (см. точка К на рис. 2.8). Эта точка называется критической, величина которых зависит от свойств газа.

Изотермы реального газа (схематично)
Синие - изотермы при температуре ниже критической. Зелёные участки на них - метастабильные состояния.
Участок левее точки F - нормальная жидкость.
Точка F - точка кипения.
Прямая FG - равновесие жидкой и газообразной фазы.
Участок FA - перегретая жидкость.
Участок F′A - растянутая жидкость (p<0).
Участок AC - аналитическое продолжение изотермы, физически невозможен.
Участок CG - переохлаждённый пар.
Точка G - точка росы.
Участок правее точки G - нормальный газ.
Площади фигуры FAB и GCB равны.
Красная - критическая изотерма.
K - критическая точка.
Голубые - сверхкритические изотермы

Поскольку весь процесс происходит при постоянной температуре T , кривую, что изображает зависимость давления р от объёмаV , называют изотермой . При объёме V 1 начинается конденсация газа, а при объёме V 2 она заканчивается. Если V > V 1 то вещество будет в газообразном состоянии, а при V < V 2 - в жидком.

Опыты показывают, что такой вид имеют изотермы и всех других газов, если их температура не очень высокая.

В этом процессе, когда газ превращается в жидкость при изменении его объёма от V 1 к V 2 , давление газа остаётся постоянным. Каждой точке прямолинейной части изотермы 1-2 соответствует равновесие между газообразным и жидким состояниями вещества. Это означает, что при определённых T и V количество жидкости и газа над ней остаётся неизменным. Равновесие имеет динамический характер: количество молекул, которые покидают жидкости, в среднем равняется количеству молекул, которые переходят из газа в жидкость за одно и то же время.

Также существует такое понятие как критическая температура , если газ находится при температуре выше критической (индивидуальна для каждого газа, например для углекислого газа примерно 304 К), то его уже невозможно превратить в жидкость, какое бы давление к нему не прилагалось. Данное явление возникает вследствие того, что при критической температуре силы поверхностного натяжения жидкости равны нулю. Если продолжать медленно сжимать газ при температуре большей критической, то после достижения им объёма, равного приблизительно четырем собственным объёмам молекул, составляющих газ, сжимаемость газа начинает резко падать.

Фундаментальные открытия в области физики конца XIX - начала ХХ вв. обнаружили, что физическая реальность едина и обладает как волновыми свойствами, так и корпускулярными. Исследуя тепловое излучение, М. Планк пришел к выводу, что в процессах излучения энергия отдается не в любых количествах и непрерывно, а лишь определенными порциями - квантами.

Квант - мельчайшая постоянная порция излучения.

Эйнштейн распространил гипотезу Планка о тепловом излучении на излучение вообще и обосновал новое учение о свете - фотонную теорию. Структура света является корпускулярной. Световая энергия концентрируется в определенных местах, и поэтому свет имеет прерывистую структуру - поток световых квантов, т.е. фотонов. Фотон - особая частица (корпускула). Фотон - квант энергии видимого и невидимого света, рентгеновского и гамма-излучений, обладающий одновременно свойствами частицы и волны, не имеющий массы покоя, имеющий скорость света, при определенных условиях порождает пару позитрон+электрон. Эта теория Эйнштейна объясняла явление фотоэлектрического эффекта - выбивание из вещества электронов под действием электромагнитных волн. Наличие фотоэффекта определяется частотой волны, а не ее интенсивностью. За создание фотонной теории А. Эйнштейн получил в 1922 году Нобелевскую премию. Эта теория была экспериментально подтверждена через 10 лет американским физиком Р.Э. Милликеном.

Парадокс: свет ведет себя и как волна, и как поток частиц. Волновые свойства проявляются при дифракции и интерференции, корпускулярные - при фотоэффекте.

Новая теория света привела Н. Бора к разработке теории атома. В ее основе 2 постулата:

1. В каждом атоме имеется несколько стационарных орбит электронов, движение по которым позволяет электрону существовать без излучения.

2. Когда электрон переходит из одного стационарного состояния в другое, атом излучает или поглощает порцию энергии.

Такая модель атома хорошо объясняла атом водорода, однако многоэлектронные атомы она не объясняла, т.к. теоретические результаты расходились с данными экспериментов. Эти расхождения впоследствии были объяснены волновыми свойствами электронов. Это означало, что электрон, будучи частицей, не твердый шарик и не точка, он имеет внутреннюю структуру, которая изменяется в зависимости от его состояния. Модель атома, изображающая его структуру в виде орбит, по которым движутся точечные электроны, на самом деле создана для наглядности, ее нельзя понимать буквально. (Это - аналогия отношений, а не предметов.) В действительности не существует таких орбит, электроны распределены в атоме не равномерно, а таким образом, что усредненная плотность заряда в каких- то точках больше, а в каких-то меньше. Орбитой электрона формально называется кривая, которая связывает точки максимальной плотности. Невозможно наглядно представить процессы, происходящие в атоме, в виде механических моделей. Классическая физика не может объяснить даже простейшие опыты по определению структуры атома.

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль в своей работе «Свет и материя» высказал идею о волновых свойствах всей материи. Австрийский физик Э. Шрёдингер и английский физик П. Дирак дали ее математическое описание. Эта идея позволила построить теорию, охватывающую корпускулярные и волновые свойства материи в их единстве. Кванты света при этом становятся особым строением микромира.

Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм привел к созданию квантовой механики. В ее основе лежат два принципа: принцип соотношения неопределенностей, сформулированный В. Гейзенбергом в 1927 г.; принцип дополнительности Н. Бора. Принцип Гейзенберга гласит: в квантовой механике нет таких состояний, в которых местоположение и количество движения имели бы вполне определенное значение, нельзя одновременно знать оба параметра - координату и скорость, то есть невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастицы.

Н. Бор сформулировал принцип дополнительности следующим образом: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего». Противоре-чия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов - это результат неконтролируемого взаимодействия микрочастиц с приборами: в одних приборах квантовые объекты ведут себя как волны, в других - как частицы. Из-за соотноше-ния неопределенностей корпускулярная и волновая модели описания кванто-вого объекта не противоречат друг другу, т.к. никогда не предстают одновре-менно. Таким образом, в зависимости от эксперимента объект показывает либо свою корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Дополняя друг друга, обе модели микромира позволяют получить его общую картину.

МАТЕРИИ В МИКРОМИРЕ

Согласно современным научным взглядам, все природные объекты представляют собой упорядоченные, струк­турированные, иерархически организованные системы. Применяя системный подход, естествознание не просто выде­ляет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соот­ношение. Выделяются три уровня строения материи.

Макромир - мир макрообъектов, размерность которых соот­носима с масштабами человеческого опыта ; пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.

Микромир - мир предельно малых, непосредственно не наблю­даемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бесконечно­сти до 10 -24 сек.

Мегамир - мир огромных космических масштабов и скоро­стей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и мил­лиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические зако­номерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаи­мосвязаны.

Микромир: концепции современной физики

Квантово-механическая концепция описания микромира. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксаль­ной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства. Первый шаг в этом направлении был сделан немецким фи­зиком М. Планком (1858-1947).

В процессе работы по исследованию теплового излучения «абсолютно черного» тела М. Планк пришел к ошеломляю­щему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых коли­чествах, а лишь в известных неделимых порциях - квантах . Величина этих мельчайших порций энергии определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h: Е = hy , ставшим впо­следствии знаменитым (где hу – квант энергии, у – частота).

Полученную формулу Планк доложил 19 декабря 1900 на заседании Берлинского физического общества. В истории физики этот день счита­ется днем рождения квантовой теории и всей атомной физики, этот день знаменует начало новой эры естествозна­ния.

Великий немецкий физик-теоретик А. Эйнштейн (1879-1955) перенес в 1905 г. идею кванто­вания энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете. Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, в правиль­ность которого вначале поверили немногие. С расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового из­лучения черного тела.

А. Эйнштейн же предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера, и пришел к выводу, что следует признать корпускуляр­ную структуру света. Квантовая теория света А. Эйнштей­на, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. И вместе с тем свето­вая энергия имеет прерыв­ную структуру. Свет может рассматриваться как поток световых квантов, или фотонов. Их энергия определяется элементарным квантом действия Планка и соответствующим числом колебаний. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии.

Стало возможным наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Явление фотоэффекта было обнаружено во второй половине 19 века, а в 1888-1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Григорьевич Столетов. Внешне эффект проявлялся в том, что при падении на отрицательно заряженную металлическую пластинку светового потока соединенный с пластинкой электроскоп показывает наличие мгновенного электрического тока. Однако ток протекает лишь по замкнутой цепи, а цепь «металлическая пластинка – электроскоп» незамкнута. А.Эйнштейн показал, что такое замыкание цепи происходит посредством потока электронов, выбиваемых фотонами с поверхности пластинки.

Экспери­менты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта оп­ределяется частотой падающей волны. Если предположить, что каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота, достаточно велика для преодоления сил связи элек­трона с веществом.

Рис. Схема фотоэффекта

За эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике. Его теория получила подтверждение в экспериментах американского физика Р. Э. Милликена (1868-1953). Откры­тое в 1923 г. американским физиком А. X. Комптоном (1892-1962) явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило кванто­вую теорию света.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его вол­новые свойства, а при фотоэффекте - корпускулярные . Основная характеристика его дискретности (присущая ему порция энергии) вычислялась через чисто волновую характе­ристику – частоту у (Е = hy). Таким образом, обнаружилось, что для описания поля необходим не только континуальный, но и корпускулярный подход.

Не осталось неизменным и представление о подходах к исследованию вещества: в 1924 г. французский физик Луи де Бройль (1892-1987) выдвинул идею о волновых свойствах материи, о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в теории света, но также и в теории вещества . Он утверждал, что волновые свойства , наряду с корпускулярными, присуши всем видам материи : электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Согласно де Бройлю, любому телу с массой т , движущемуся со скоростью v , соответствует волна

Фактически ана­логичная формула была известна раньше, но только примени­тельно к квантам света - фотонам .

В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер (1887-1961), нашел матема­тическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера . Английский физик П. Дирак (1902-1984) обобщил его. Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве.

Наиболее убедительным свидетельством правоты Де Бройля стало обнаружение в 1927 г. ди­фракции электронов американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером . В дальнейшем были выполнены опыты по об­наружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Еще более важным было открытие новых элементар­ных частиц, предсказанных на основе системы формул разви­той волновой механики.

Таким образом, на смену двум различным подходам к исследованию двух различных форм материи: корпускулярному и волновому – пришел единый подход – корпускулярно-волновой дуализм. Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим: любой материальный объект характери­зуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей , установленном немецким физиком В. Гейзенбергом (1901-76), и принципе дополнительности датского физика Н. Бора (1885-1962),.

Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заключается в том, что нельзя одинаково точно определить взаимодополнительные характеристики микрочастицы , например, координаты частицы и ее импульс (количество движения). Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И, наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы.

С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностей представляется абсурдом. Однако мы, лю­ди, живем в макромире и в принципе не можем построить на­глядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотно­шение неопределенностей есть выражение невозможности на­блюдать микромир, не нарушая его . При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы , например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места , напротив, используется волновое объяснение , в частности, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при на­блюдении отклонения лучей.

Фундаментальным принципом квантовой механики является также принцип допол­нительности , которому Н. Бор дал следующую формулировку: «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

Таким образом, корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете обоих аспектов можно получить общую кар­тину микромира. Имеется два класса при­боров: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам. М. Борн (1882-1970) заметил, что волны и частицы – это «проекции» физической реальности на экспериментальную си­туацию.

Атомистическая концепция строения материи. Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом , была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном. В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии.

Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем (1852 – 1908) было открыто явление радиоактивности. Изучение радиоактивности было продолжено французски­ми физиками супругами П. Кюри (1859-1906) и М. Склодовской-Кюри (1867-1934), открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию английским физиком Дж. Дж. Томсоном (1856 – 1940)электрона. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположе­ние о наличии и положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы.

Исходя из такой массы положительно заряженной частицы, английский физик У. Томсон (1824 – 1907, с 1892 лорд Кельвин) , предложил в 1902 г. первую модель атома: положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг». Однако эта модель не устояла перед опытной проверкой.

В 1908 г. Э. Марсден и X. Гейг ер, сотрудники английского физика Э. Резерфорда, провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие металлические пластинки и обнаружили, что почти все частицы проходят через пластинку, будто нет препятствия, и только 1/10000 из них испытывает сильное отклонение. Э. Резер­форд (1871-1937) пришел к выводу, что они ударяются о какое-то препятст­вие. которое представляет собой положи­тельно заряженное ядро атома, размер которого (10 -12 см) очень мал по сравнению с размерами атома (10 -8 см), но в нем почти полностью сосредоточена масса атома.

Модель атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г., на­поминала солнечную систему: в центре находится атомное яд­ро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время движущиеся электроны, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромаг­нитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли всю свою энергию и упали бы на ядро .

Следующее противоречие связано с тем, что спектр излуче­ния электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Олднако атомы излучают свет только определенных частот. Планетарная модель атома Резерфорда оказа­лась несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла.

В 1913 г.великий датский физик Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, ос­нованную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой, и основанных на принципе квантования:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных орбит электронов, двигаясь по которым, электрон может существовать, не излучая;

2) при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов : находя­щиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Объясняются и линейчатые спектры атомов : каждой линии спектра соответ­ствует переход электрона из одного состояния в другое.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание ато­ма водорода, состоящего из одного протона и одного электро­на, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее распространение теории на много­электронные атомы столкнулось с непреодолимы­ми трудностями. Длина волны движу­щегося электрона равна примерно 10 -8 см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Но движение частицы, принадле­жащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите, лишь, если длина волны частицы пренебрежимо мала по сравне­нию с размерами системы.

Следовательно, точно описать структуру атома на основа­нии представления об орбитах точечных электронов принципи­ально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других - меньше.

Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это по­следнее усилие описать структуру атома на основе классиче­ской физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макро­мире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений.

Элементарные частицы и кварковая модель атома. Дальнейшее развитие идей атомизма было связано с иссле­дованием элементарных частиц. Термин «элементарная частица» первоначально означал про­стейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Ныне установлено, что частицы имеют ту или иную структуру, тем не менее, ис­торически сложившееся название продолжает существовать. В настоящее время открыто бо­лее 350 микрочастиц.

Основными характеристиками элементарных частиц явля­ются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.

Массу покоя элементарных частиц определяют по отноше­нию к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, - фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны - легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны - средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы - тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

Электрический заряд. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Считается, что кварки - частицы с дробным электрическим зарядом.

По времени жизни частицы делятся на стабильные (фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон) и неста­бильные . Именно стабильные частицы иг­рают важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10 -10 - 10 -24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10 -23 - 10 -22 сек. называют резонансами, которые распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Поэтому зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.

Понятие «спина», не имеющего анало­гов в классической физике, обозначают собствен­ный момент количества движения микрочастицы.

«Квантовые числа» выражают дискретные состояния элементарных частиц, например, положение электрона на конкретной электронной орбите, магнитный момент и др.

Все элементарные частицы подразделяют на два класса - фермионы (названные в честь Э. Ферми ) и бозоны (названные в честь Ш. Бозе ). Фермио­ны составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие, т.е. являются квантами полей. В частности, к фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам - кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны). Эти частицы считаются истинно элементарными, т.е. далее неразложимыми. Остальные частицы классифициру­ются как условно элементарные, т.е. составные частицы, образо­ванные из кварков и соответствующих квантов полей.

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий. Различают четыре вида фундаментальных взаи­модействий в природе.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10 -13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего образуются мате­риальные системы с высокой энергией связи - атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устой­чивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заря­женным частицам. Носителем электромагнитного взаимодейст­вия является не имеющий заряда фотон - квант электромаг­нитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы - в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие являет­ся основным в химии и биологии .

Слабое взаимодействие возможно между различными части­цами. Оно простирается на расстояние порядка 10 -13 - 10 -22 см и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с современ­ным уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.

Гравитационное взаимодействие - самое слабое, не учиты­ваемое в теории элементарных частиц, поскольку на характер­ных для них расстояниях порядка 10 -13 см оно дает чрезвычай­но малые эффекты. Однако на ультрамалых расстояниях (порядка 10 -33 см) и при ультрабольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. Здесь начинают проявляться необычные свойства физического вакуума. Сверх­тяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. В космических масштабах гравитационное взаи­модействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.

Табл. Фундаментальные взаимодействия

Все четыре взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира. Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ящерной энергии теплоту и свет. Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни ато­мов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света. Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной. Без гравитационного взаимодействия Вселенная не могла бы эво­люционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Современная физика пришла к выводу, что все четыре фундаментальных взаимодействия можно получить из одного фундаментального взаи­модействия - суперсилы . Наиболее ярким достижением стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно .

При энергии в 100 ГэВ (100 млрд. электрон-вольт) объеди­няются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая тем­пература соответствует температуре Вселенной через 10 -10 с после Большого взрыва. При энергии 10 15 ГэВ к ним присое­диняется сильное взаимодействие, а при энергии 10 19 ГэВ про­исходит объединение всех четырех взаимодействий.

Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма . В настоящее время считают, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц - это кварки с экзотическими названиями «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Остальные шесть - лептоны : элек­трон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино).

Эти 12 частиц группируют в три поколения , каждое из ко­торых состоит из четырех членов.

В первом – «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино.

Во втором – «очарованный» и «странный» квар­ки, мюон и мюонное нейтрино.

В третьем – «истинный» и «прелестный» кварки и тау-частицы со своим нейтрино.

Все обычное вещество состоит из частиц первого поколения. Предполагается, что остальные поколения можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц.

На основе кварковой модели физики разработали современное решение проблемы строения атомов.

Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных глюонными полями протонов и нейтронов) и электронной оболочки . Протон имеет положительный электрический заряд, заряд нейтрона равен нулю. Протон из двух «верхних» кварков и одного «ниж­него», а нейтрон - из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Они напоминают облако с размытыми границами, состоя­щее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.

Остаются еще вопросы о происхождении кварков и лептонов, о том, являются ли они основными «кирпичиками» при­роды и насколько фундаментальны? Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии. Большое значение имеет ис­следование рождения элементарных частиц из вакуума, по­строение моделей первичного ядерного синтеза, породивших те или иные частицы в момент рождения Вселенной.

Вопросы для самоконтроля

1. В чем суть системного подхода к строению материи?

2. Раскройте взаимосвязь микро-, макро- и мегамиров.

3. Какие представления о веществе и поле как видах мате­рии были выработаны в рамках классической физики?

4. Что означает понятие «квант»? Расскажите об основных этапах развития представлений о квантах.

5. Что означает понятие «корпускулярно-волновой дуа­лизм»? Какое значение имеет принцип дополнительности Н. Бора в описании физической реальности микромира?

6. Какова структура атома с точки зрения современной фи­зики?

8. Дайте характе­ристику свойствам элементарных частиц.

9. Выделите основные структурные уровни организации ма­терии в микромире и раскройте их взаимосвязь.

10. Какие представления о пространстве и времени сущест­вовали в доньютоновский период?

11. Как изменились представления о пространстве и време­ни с созданием гелиоцентрической картины мира?

12. Как трактовал И. Ньютон время и пространство?

13. Какие представления о пространстве и времени стали определяющими в теории относительности А. Эйн­штейна?

14. Что такое пространственно-временной континуум?

15. Раскройте современные метрические и топологические свойства пространства и времени.

Обязательная :