УМК КСЕ СПО. Учебнометодический комплекс по дисциплине концепции современного естествознания для студентов всех специальностей
 Скачать 3.72 Mb.
|
|
В ФИЗИКЕ МИКРОМИРА. НА ПЕРЕДНЕМ ПЛАНЕ МИКРОМИРА 4.1. Противоречия в классической теории излучения и проявления концепции квантов. Корпускулярно-волновой дуализм В конце XVII в. почти одновременно возникли две, казалось, исключающие друг друга теории света: И. Ньютон представил корпускулярную теорию света: свет – поток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямолинейным траекториям, а Х. Гюйгенс сформулировал волновую теорию: свет – упругая волна, распространяющаяся в мировом эфире. Первые сформировавшиеся волновые представления о свете были отражены в принципе Гюйгенса – Френеля: каждая точка, до которой доходит световое возбуждение, становится центром вторичных волн и передает их во все стороны соседним точкам. Г. Герц в 1887 г. обнаружил фотоэффект – явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Так, металл пластины при облучении светом дуговой лампы теряет свой заряд. М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: излучение и поглощение света происходит не непрерывно, а дискретно, т.е. определенными порциями (фотонами или квантами), причем энергия (Е) каждого кванта пропорциональна частоте волны (v): Е = hv, где h– постоянная Планка, равная 6,6 • 10–34Дж • с. В 1905 г. Эйнштейн создал квантовую теорию света, в которой показал, что свет распространяется в виде потока световых квантов – фотонов, энергия которых описывается формулой Планка, а масса (т) формулой:        т = Е/с2, т = hv/c2= h/lс, где Е – энергия, т – масса, l– длина волны, h– постоянная Планка, с – скорость света. Таким образом, свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств – корпускулярных (квантовых) и волновых (электромагнитных). В результате возникло понятие корпускулярно-волнового дуализма (двойственности), согласно которому свет представляет собой единство дискретности и непрерывности. Л. де Бройль в 1924 г. выдвинул гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальное значение – волновые свойства должны проявляться не только у фотонов, но и у электрона, и других микрочастиц. Движение микрочастицы будет описываться как корпускулярными характеристиками – энергией, импульсом, так и волновыми – частотой и длиной волны. Формула де Бройля: λ= h/p, где λ– длина волны микрочастицы, например, электрона, h– постоянная Планка, р – импульс частицы. Микрочастицы проявляют двойственность свойств, т.е. корпускулярно-волновой дуализм, в зависимости от условий они способны проявлять себя либо в виде волны, либо в виде частицы. Макроскопические тела проявляют только корпускулярные свойства. 4.2. Особенности описания состояний в квантовой механике. Дискретные уровни энергии электронов в атомах и принцип Паули Элементарные частицы – первичные, неразложимые частицы, из которых предположительно состоит вся материя. Их насчитывается более 350.     Первыми были открыты электрон, протон и нейтрон, позднее – другие частицы, например, нейтрино, мезоны, мюоны. Элементарные частицы характеризуются рядом величин, прежде всего массой и электрическим зарядом, например:- масса нейтрона 1,675 • 10–27 кг, нет заряда; - масса протона 1,673 • 10–27 кг, заряд +1; - масса электрона 9,1 • 10–31 кг, заряд –1. Массы большинства элементарных частиц имеют порядок величины массы протона, но двух частиц с одинаковой массой не существует. Размеры протона, нейтрона и других адронов составляют порядка 10–13см, а электрона и мюона предполагаются меньше 10–16 см. Элементарные частицы характеризуются еще временем жизни, они делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц известно всего четыре – это протон, фотон, электрон и нейтрино.Большинство элементарных частиц нестабильны, время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10–24 с. Физик Дирак предсказал существование античастиц, т.е. частиц с противоположным знаком заряда, но с подобными исходным частицам свойствами. Первым из античастиц был открыт позитрон – античастица электрона. Они различаются только знаком заряда: е–и е+. Позднее были открыты и другие античастицы. Характерная особенность поведения частиц и античастиц – их аннигиляция при столкновении, т.е. переход в другие частицы с сохранением энергии, импульса и т.п., например взаимоуничтожение электрона и позитрона с выделением энергии при рождении двух фотонов: е–+ е+ ↔ 2hυ. В квантовой механике известны еще виртуальные частицы – кванты релятивистских волновых полей, участвующие в вакуумных флуктуациях (для них не выполняется соотношение специальной теории относительности между энергией, импульсом и массой). Виртуальные частицы ответственны за квантовый механизм взаимодействия частиц. Для описания состояния микрочастиц используются квантовые числа. Главное квантовое число (п) определяет значение энергии, которое может принимать частица, движущаяся в силовом поле (п = 1, 2, 3 и т.д.). С увеличением главного квантового числа возрастает энергия электрона и размер электронного облака. Состояние электрона, отвечающее определенному значению главного квантового числа, называется энергетическим уровнем электрона в атоме. Орбитальное квантовое число (l) характеризует геометрическую форму электронной орбитали (l= от 0 до n – 1).Буквенное обозначение s, p, d, f. Состояние электрона, характеризующееся различными значениями l, называется энергетическим подуровнем электрона в атоме. Электронное облако s-электронов имеет форму шара, p-электронов – форму гантели, d-электронов и f-электронов – более сложную форму. Магнитное квантовое число тlопределяет положение атомной орбитали относительно внешнего магнитного или электрического поля. тl= 0, ±1, ±2,... ± l. Число значений магнитного квантового числа равно 2l+1 значений – это число энергетических состояний (орбиталей), в которых могут находиться электроны данного подуровня. Спиновое квантовое число ms– квантовая величина, определяющая направление вращения (момент импульса) вокруг собственной оси (с анлг. spin – вращение). ms = ±1/2. Правило Хунда: устойчивому состоянию атома соответствует максимальное значение спина (т.е. число неспаренных электронов должно быть максимально). Принцип Паули (принцип запрета): в атоме не может быть двух или более электронов, обладающих одинаковой совокупностью четырех квантовых чисел. Спином обладают не только электроны, но и другие элементарные частицы кроме мезонов. В 1927 г. В. Гейзенберг анализируя закономерности изменения координаты и импульса электрона, пришел к заключению о том, что чем точнее определены координаты микрочастицы, тем неопределеннее становятся соответствующие составляющие импульса. Принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно одновременно определить значения координаты и количества движения (импульса) частицы. Принцип дополнительности: наиболее общие физические свойства какой-либо системы должны быть выражены с помощью дополняющих друг друга пар независимых переменных (правило парности), каждая из которых может быть лучше определена только за счет соответствующего уменьшения степени определенности другой. В связи с тем, что микрочастицы ведут себя как типичные корпускулы, и как волновые структуры, то согласно принципу дополнительности для более полного описания их поведения следует использовать законы и из волновой, и из квантовой теории. 4.3. Методы изучения микромира. Ускорители элементарных частиц. Стандартная модель элементарных частиц В. Рентген в 1895 г. при исследовании катодных лучей случайно обнаружил необычные, названные им Х-лучи, которые легко проходили через чехол рабочей трубки и вызывали свечение (люминесценцию) бумаги. Эти лучи, как оказалось, способны проходить через тело человека, слой металла, бумагу и другие предметы. Их впоследствии назвали рентгеновскими лучами. А. Беккерель в 1896 г. и, независимо от него, М. Складовская-Кюри и ее муж П. Кюри открыли явление естественной радиоактивности – самопроизвольный распад вещества. Радиоактивное вещество может быть источником трех видов излучения: - α-излучение (отклоняющееся в магнитном поле подобно потоку положительных частиц; ядра атома гелия); - β-излучение (отклоняющееся в магнитном поле аналогично отрицательно заряженным частицам; индеферентно потоку электронов); - γ-излучение (не реагирующее на магнитное поле; жесткое электромагнитное излучение с малой длиной волны менее 10–10м, очень опасное для человека). Следствием этих открытий был вывод – атом не является мельчайшей частицей вещества, он делим! Д. Томсон в 1897 г. открыл электрон и предложил первую модель атома. Атом он представил как положительно заряженную сферу, в которую вкраплены отрицательно заряженные электроны. Э. Резерфорд в 1911 г. создать первую планетарную модель атома, в которой атом уподобляется миниатюрной солнечной системе. В центре атома положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена преобладающая часть его массы, а вокруг ядра с большой скоростью вращаются отрицательно заряженные электроны. Положительный заряд ядра нейтрализуется суммарным отрицательным зарядом электронов так, что атом в целом остается электрически нейтральным. Размер атома 10–8см и размер ядра 10–13 см. Модель Резерфорда подрывала теорию классической физики, так согласно электродинамике        Максвелла, движущийся вокруг ядра электрон должен излучать энергию и поэтому быстро упасть на ядро. Практически же этого не происходит. Атом – устойчивое образование, и для его разрушения требуется огромная сила. Эти противоречия разрешил Н. Бор, изложил два положения своей квантовой теории строения атома, получивших название постулатов Бора, которые лежат в основе современной атомно-молекулярной физики. Первый постулат Бора: электрон может вращаться вокруг ядра только по определенным – стационарным орбитам. При движении по таким орбитам электрон не излучает и не поглощает энергию. Второй постулат Бора: электрон излучает энергию в виде кванта только тогда, когда переходит с одной стационарной орбиты на другую. Бор показывает, что в процессах излучения и поглощения энергии атомами выполняется закон сохранения энергии. Теория строения атома, созданная Резерфордом и Бором позволила объяснить периодичность изменения свойств атомов химических элементов, но не могла объяснить причину устойчивости атомов. I. Классификация элементарных частиц по значению спина
II. Классификация элементарных частиц по участию во взаимодействиях
Кроме того, выделяют еще группу частиц, которые не являются строительным материалом материи, но с их помощью осуществляется перенос взаимодействий. Считается, что все частицы обладают гравитационным взаимодействием. Полагают, что электрон является истинной элементарной частицей. Нейтрино – наиболее распространенная частица во Вселенной. Нейтрино существует в виде электронного, мюонного и тау-нейтрино. На долю мюонов приходится значительная часть космического излучения; это субатомная частица, как и электрон, имеет тот же заряд и спин, но имеет большую массу (в 206,7 раз) и является нестабильной. За две миллионные     доли секунды она распадается на электрон и два нейтрино. Третий заряженный лептон ведет себя подобно электрону и мюону, но масса ее превышает массу электрона в 3500 раз.Выявление общих свойств и различий огромное количество открытых адронов (более 300) было получено с помощью кварковой модели строения адронов, согласно которой адроны рассматриваются как частицы, имеющие сложную внутреннюю структуру. Фундаментальным структурным элементом адронов считаются кварки. Кварк – частица со спином 1/2и дробным электрическим зарядом. Кроме спина, кварки имеют еще две внутренние степени свободы, которые назвали «аромат» и «цвет». 4.4. Проблемы объединения фундаментальных взаимодействий Современная физика пытается раскрыть все содержание реального мира через проявления четырех видов взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого.    Гравитационное взаимодействие описывается фундаментальным законом всемирного тяготения. Все, что имеет массу, а масса присуща любой форме, любому виду материи, испытывает гравитационное притяжение. Оно свободно передается через любые тела, для него не существует преград. Радиус действия гравитационного взаимодействия не ограничен. Гравитационным силам принадлежит доминирующая роль при взаимодействии больших масс, например, космических тел, в этом случае они становятся грандиозными. Так, например, Земля и Луна притягиваются с силой, приблизительно равной 2 ∙ 1016 тонн! Вследствие того, что гравитационные силы являются дальнодействующими, гравитация связывает все тела Вселенной. Гравитационное взаимодействие может играть существенную роль не только в космосе, но и в микромире. На земле гравитационные силы слабы и пропорциональны массе тел. Так, сила притяжения двух людей среднего веса при расстоянии между ними 1 м не превышает 0,03 мг. Скорость распространения гравитационных волн предполагается равной скорости света в вакууме. Электромагнитное взаимодействие связано с наличием электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное – при их движении. В отличие от гравитационного взаимодействия, которое всегда проявляется как притяжение, электростатическое взаимодействие между заряженными телами, в зависимости от знака заряда, сводится либо к притяжению, либо к отталкиванию. Электромагнитное взаимодействие обладает универсальным характером и присуще всем телам. Силы электромагнитного происхождения удерживают электроны в окрестности атомного ядра и организуют атомы в молекулы. В астрономических масштабах электромагнитное взаимодействие пренебрежительно мало в связи с тем, что звезды электронейтральны. В масштабах макро- и микромира им принадлежит огромная роль. Радиус действия этих сил неограничен, но они значительно, в 100–1000 раз, слабее сильных взаимодействий. Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах ядра, то есть на расстоянии 10–13 см. Проявлением сильных взаимодействий выступают ядерные силы, объединяющие нуклоны в ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем больше энергия связи. Однако с возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут самопроизвольно распадаться. Такой процесс называют радиоактивным распадом. Сильное взаимодействие трактуется как цветовое взаимодействие между кварками, объединяющимися в адроны. Слабое взаимодействие существует только в микромире. Оно присуще всем адронам и лептонам, но не свойственно фотонам. Силы, которым соответствует слабое взаимодействие, ответственны за превращение и разложение микрочастиц, например, нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Радиус слабого взаимодействия очень мал, всего 10–15 см, поэтому оно ограничивается субатомными частицами. Слабые взаимодействия играют очень важную роль в природе. Они обеспечивают все ядерные процессы, происходящие на Земле и в космосе. Благодаря им происходят ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, обеспечивающие Вселенную энергией и веществом. Четыре вида фундаментальных взаимодействий обеспечиваются четырьмя различными видами частиц – переносчиками взаимодействия: | |||||||