Ультрафиолетовая катастрофа.
В конце 19 века в физике возникла трудность, которая получила название «ультрафиолетовой катастрофы». Экспериментальное исследование спектра теплового излучения абсолютно черного тела давало следующую зависимость интенсивности излучения (Е) и его частоты (ν).
С другой стороны, расчеты, проведенные в рамках классической электродинамики, давали совсем другую зависимость. По расчетам получалось, что в ультрафиолетовом конце спектра интенсивность излучения должна неограниченно возрастать, что явно противоречило опыту.
Отметим, что любое нагретое тело испускает излучение определенной длины волны в зависимости от своего химического состава. Это можно видеть по разным спектрам излучений, полученным от излучения разных химических элементов. Однако если нагреть тело до температуры 5000К, то оно будет излучать энергию очень большой частоты.
Открытие кванта энергии М.Планком.
Пытаясь решить проблему «ультрафиолетовой катастрофы», М. Планк (1858-1947) был вынужден допустить, что противоречие возникает из-за неправильного понимания классической физикой самого механизма излучения.
В 1900 году он выдвинул гипотезу о том, что излучение и поглощение энергии происходит не непрерывно, а дискретно - порциями (квантами). Планк назвал эти порции энергии фотонами. Энергия фотона (Е) равна: E = h x ν, где ν – частота излучения, а h - коэффициент пропорциональности или постоянной Планка. h = 6,6 х 10-34 Дж х сек.
На основе открытия Планка удалось решить не только проблему «ультрафиолетовой катастрофы», но также и вышеперечисленные проблемы.
Сразу стало понятно, что квантовая теория света дает объяснение и фотоэлектрическому эффекту. Итак, поток фотонов, падает на металлическую пластинку. Фотон ударяется об атом и выбивает из него электрон. Вырванный электрон будет в каждом случае иметь одинаковую энергию. Тогда понятно, что увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов. В этом случае из металлической пластинки было бы вырвано большее число электронов, но энергия каждого отдельного электрона не изменилась бы.
Энергия световых квантов различна для лучей разных цветов, волн разной частоты. Так, энергия фотонов красного света вдвое меньше энергии фотонов фиолетового света. Рентгеновские же лучи состоят из фотонов гораздо большей энергии, чем фотоны белого света. Если мы будем выбивать электроны волной большей частоты, то энергия выбиваемых электронов возрастет.
Модель атома н.Бора.
Н.Бор (1885-1962) создавал свою модель на основе открытия Планка, что позволило ему разрешить затруднения планетарной модели атома Резерфорда.
Согласно модели атома водорода Бора, в центре атома расположено массивное ядро, вокруг которого по стационарным орбитам вращаются электроны. Атом излучает энергию не постоянно, а порциями (квантами) и только в возбужденном состоянии. В этом случае мы наблюдаем переход электронов с внешней орбиты на внутреннюю. В случае же поглощения атомом энергии имеет место переход электронов с внутренней орбиты на внешнюю.
Вышеперечисленные открытия, да и многие другие нельзя было понять и объяснить с точки зрения классической механики. Нужна была новая теория, которая и была и получила создана в 1925-1927 годах название квантовой механики.
После того, как физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания, а сам состоит из более простых частиц, то начался поиск элементарной частицы.
Элементарной частицой называют такую частицу, которая меньше атомного ядра (начиная с протона, электрона, нейтрона). На сегодняшний день известно более 400 элементарных частиц.
Как мы уже знаем, первой открытой в 1897 году Дж.Томсоном элементарной частице был электрон. В 1919 году Э.Резерфорд открывает протон, положительно заряженную тяжелую частицу, входящую в состав атомного ядра. В 1932 году английский физик Дж. Чэдвик открывает нейтрон - тяжелую частицу не имеющую электрического заряда и тоже входящую в состав атомного ядра. В 1932 году П. Дираком была предсказана первая античастица – позитрон, по массе равная электрону, но обладающая противоположным (положительным) электрическим зарядом. Обнаружен позитрон был в том же 1932 году американским физиком К.Андерсоном в космических лучах.
В 1936 году был открыт мюон и его античастица также в космических лучах.
В 1955 году был зарегистрирован антипротон в опытах на ускорителе элементарных частиц.
В 1956 году был зарегистрирован антинейтрон.
На сегодняшний день обнаружены античастицы практически у всех известных частиц.
Частица и античастица должны иметь одинаковые массы, время жизни в вакууме, но отличаться противоположными значениями какого-либо признака (например, электрического или барионного заряда). Если все свойства частицы и античастицы совпадают, то такая частица называется истинно нейтральной, например, фотон, нейтральный пион и др.
С 50-ых годов ХХ века основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали сверхмощные ускорители – адронные коллайдеры. В России первый ускоритель элементарных частиц был создан в 1957 году в городе Дубне. С помощью ускорителей были открыты античастицы: позитрон, а, в последствие, антипротон и антинейтрон (античастица не имеющего электрического заряда, но имеющая барионный заряд, противоположный барионному заряду нейтрона).