4. Релятивистская квантовая физика. Физический вакуум.

Английский физик П. Дирак в 1931 г. предсказал существование для электрона античастицы, обладающей положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона. В 1932 г. американский физик К. Андерсон (1905-1991) обнаружил такую частицу в космических лучах и назвал ее позитроном. Так возникло представление о частицах и соответствующих им античастицах.

П. Дирак (1902-1984) предложил модель «электронно-позитронного вакуума», согласно которой в каждой точке пространства существуют в «виртуальном» («ненаблюдаемом») состоянии электроны и позитроны, которые могут появляться и исчезать лишь парами. Рождение пары может происходить как под действием энергии фотона, так и «виртуально», когда пара, просуществовав недолго, уничтожается – аннигилирует. А сам вакуум определен как физический, в данном случае фотонный, вакуум – низшее энергетическое состояние квантованного электромагнитного поля, характеризующееся отсутствием каких-либо реальных частиц. Энергия физического вакуума в среднем равна нулю, но в нем постоянно происходят флуктуации, приводящие к рождению виртуальных электронно-позитронных пар. Существование физического вакуума, в котором постоянно рождается и исчезает огромное количество виртуальных частиц и античастиц, считается экспериментально доказанным.

С современной точки зрения физический вакуум представляет собой совокупность квантовых полей, характеризующих все виды фундаментальных взаимодействий и находящихся в низших энергетических состояниях. Физический вакуум не является пустым: в нем постоянно рождаются и тут же гибнут различные виртуальные пары, каждая из которых состоит из элементарной частицы и соответствующей ей античастицы. Все материальные объекты в той или иной мере взаимодействуют с физическим вакуумом.

5. Атомы, молекулы и вещество с точки зрения квантовой теории.

Атомы, как известно, состоят из тяжелого положительно заряженного ядра и легких отрицательно заряженных электронов и фактически представляют собой квантовую систему. Положительный заряд ядра атома равен сумме отрицательных зарядов электронов, находящихся в электронной оболочке атома. Поэтому в нормальном состоянии атом электронейтрален.

Электроны на своих орбитах удерживаются силами электростатического притяжения между ними и ядром атома. Каждый из электронов обладает определенным запасом энергии: чем дальше электрон находится от ядра, тем большей энергией он обладает.

Электрон не может пребывать в одном и том же энергетическом состоянии (на одной и той же орбите), как и другие электроны. Поэтому в электронной оболочке электроны располагаются слоями. Каждый электронный уровень (слой, орбита) содержит определенное количество электронов: на первом уровне (первой орбите), ближайшем от ядра, могут находиться только 2 электрона, на втором – 8, на третьем – 18, на четвертом – 32 и т. д. (Это принцип Паули). Начиная со второго уровня (слоя, орбиты), электронные орбиты расчленяются на подуровни (подоболочки).

Атомное ядро, в котором сосредоточены весь его положительный заряд и практически вся масса атома (99,9%), было открыто в 1911 г. Э. Резерфордом, и им же была предложена планетарная модель атома, согласно которой в центре находится ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны (что напоминает Солнечную систему: в центре системы находится Солнце, а вокруг него по орбитам движутся планеты). Электроны не падают на ядро потому, что электрические силы притяжения между ядром и электронами уравновешиваются центробежными силами, обусловленными вращением электронов вокруг ядра.

Датский физик Нильс Бор в 1913 г. создал первую квантовую теорию атома (для атома водорода), связав в единое целое данные эмпирических исследований, ядерную модель атома Резерфорда и квантовый характер излучения и поглощения света. В основу своей теории Бор положил три постулата, из которых важны первые два.

Первый постулат (постулат стационарных состояний): в атоме электроны могут двигаться только по определенным, так называемым квантованным стационарным круговым орбитам, на которых они, несмотря на наличие у них ускорения, не излучают электромагнитных волн. Электрон на каждой стационарной орбите обладает определенной энергией Е.

Второй постулат (правило частот): атом излучает или поглощает квант электромагнитной энергии при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую: hv = E1 – E2, где E1 и E2 – энергия электрона соответственно до и после перехода.

При E1 > E2 происходит излучение кванта (переход атома из одного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, то есть переход электрона с любой дальней на любую ближнюю от ядра орбиту); при E1 < E2 – поглощение кванта (переход атома в состояние с большей энергией, то есть переход электрона на более удаленную от ядра арбиту).

В 1926 г. на смену теории Бора пришла квантовая механика со своим математическим аппаратом, описывающая на вероятностно-статистическом языке поведение электронов в атомах, молекулах и других объектах (авторы Э. Шредингер, В Гейзенберг и др.). Найти возможные значения энергии электронов и их пространственное распределение в атоме удается с помощью уравнения Шредингера.

Полное описание состояния электрона в атоме, помимо энергии E, связано с четырьмя характеристиками, которые называются квантовыми числами. К ним относятся: главное квантовое число n (определяет энергетические уровни-оболочки электрона), орбитальное квантовое число l (момент импульса электрона на орбите), магнитное квантовое число m, магнитное спиновое квантовое число m. Эти характеристики принимают дискретные значения, определяемые формулами.

Квантово-механическое обоснование Периодического закона Д.И. Менделеева.

Периодический закон Менделеева имел важное значение для подтверждения концепции атомизма (то есть реального существования атомов) и послужил основой для раскрытия физического смысла химического элемента.

В 1869 г. Д.И. Менделеев открыл периодический закон изменения химических и физических свойств элементов в зависимости от их атомных масс. Как известно, масса ядра атома равна сумме масс нуклонов (протонов и нейтронов). Д.И. Менделеев ввел понятие порядкового номера Z-элемента и, расположив химические элементы в порядке возрастания их номера, получил полную периодичность в изменении химических свойств элементов. Физический смысл порядкового номера Z-элемента в периодической системе был установлен в ядерной модели атома Резерфорда: Z совпадает с числом положительных элементарных зарядов в ядре (протонов) и, соответственно, с числом электронов в оболочках атомов.

Принцип Паули (см. выше) дает объяснение Периодической системы Д.И. Менделеева. Начнем с атома водорода, имеющего один электрон и один протон. Каждый последующий атом будем получать, увеличивая заряд ядра предыдущего атома на единицу (один протон) и добавляя один электрон, который мы будем помещать в доступное ему, согласно принципу Паули, состояние.

У атома водорода (Н) Z = 1, на оболочке 1 электрон, у атома гелия (Не) Z = 2, на оболочке 2 электрона (оба они располагаются на первой оболочке). На атоме гелия заканчивается заполнение первой оболочки (К-оболочки), что соответствует завершению I периода Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. По принципу Паули, на первой оболочке больше 2 электронов разместить нельзя.

У атома лития (Li) Z = 3, на оболочках 3 электрона: 2 – на первой оболочке (К-оболочке) и 1 – на второй (L-оболочке). Литием начинается II период таблицы.

У атома натрия (Na) Z = 11. У него первая и вторая оболочки, согласно принципу Паули, полностью заполнены (2 электрона на первой и 8 электронов на второй оболочках). Поэтому одиннадцатый электрон располагается на третьей оболочке (М-оболочке), занимая наинизшее состояние 3S. Натрием открывается III период Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Рассуждая подобным образом, можно построить всю таблицу.

Таким образом, периодичность в химических свойствах элементов объясняется повторяемостью в структуре внешних оболочек у атомов родственных элементов. Так, инертные газы имеют одинаковые внешние оболочки из 8 электронов.

Основные понятия ядерной физики.

Ядра всех атомов можно разделить на два больших класса: стабильные и радиоактивные. Последние самопроизвольно распадаются, превращаясь в ядра других элементов. Ядерные преобразования могут происходить и со стабильными ядрами при их взаимодействии друг с другом и с различными микрочастицами.

Любое ядро заряжено положительно, и величина заряда определяется количеством протонов в ядре Z (зарядовое число). Количество протонов и нейтронов в ядре определяет массовое число атома (А). Ядра с одинаковым зарядовым числом Z и разными массовыми числами А, называются изотопами. Например, уран в природе встречается в основном в виде двух изотопов 235 U и 238 U. Изотопы обладают одинаковыми химическими свойствами и разными физическими. Например, изотоп урана 235 U хорошо взаимодействует с нейтроном любых энергий и может разделиться на два более легких ядра. В то же время изотоп урана 238 U делится только при взаимодействии с нейтронами высоких энергий. Ядра с одинаковыми А (массовыми числами атомов) и разными Z (зарядовыми числами) называются изобарами.

Например, 235 U делится на два новых ядра: рубидий и цезий (один из вариантов деления урана). Реакция деления тяжелого ядра замечательна тем, что помимо новых более легких ядер появляются два новых свободных нейтрона, которые называют вторичными. Вторичные нейтроны в свою очередь могут вызвать деление других ядер урана. Образуется цепная реакция, в результате которой в размножающей среде может выделиться огромная энергия. Этот способ получения энергии широко используется в ядерных боеприпасах и управляемых ядерных энергетических установках на электростанциях и на транспортных объектах с атомной энергетикой.

Помимо указанного способа получения атомной (ядерной) энергии есть и другой – слияние двух легких ядер в более тяжелое ядро. Процесс объединения легких ядер может происходить лишь при сближении исходных ядер на расстояние, где уже действуют ядерные силы (сильное взаимодействие), то есть – 10 ־ м. Этого можно достигнуть при сверхвысоких температурах порядка 1 000 000 ºС. Такие процессы называют термоядерными реакциями.

Термоядерные реакции в природе идут на звездах и, конечно, на Солнце. В условиях Земли они происходят при взрывах водородных бомб (термоядерное оружие), запалом для которых служит обычная атомная бомба, создающая условия для формирования сверхвысоких температур. Управляемый термоядерный синтез пока имеет только научно-исследовательскую направленность. Промышленных установок нет, однако работы в этом направлении ведутся во всех развитых странах, в том числе и в России.

Радиоактивность.

Радиоактивностью называется самопроизвольное (спонтанное) преобразование одних ядер в другие. Спонтанный распад изотопов ядер в условиях природной среды называют естественной, а в условиях лаборатории в результате деятельности человека – искусственной радиоактивностью.

Из элементов, содержащихся в земной коре, радиоактивностью обладают практически все, имеющие порядковый номер больше 83.

О свете.

Законы распространения света.

Свет – это электромагнитные волны. Интерференция, дифракция и поляризация привели к появлению в 1846 г. электромагнитной теории света. В 1865 г. Максвелл обосновал совпадение скорости света и электромагнитных волн (300 000 км/с).

Интерференция – явление усиления или ослабления амплитуды результирующей волны в зависимости от соотношения между фазами складывающихя двух (или нескольких) волн с одинаковыми периодами. Это явление имеет место для любых волн. Если среда распространения волн однородна, результирующее колебание представляет собой геометрическую сумму колебаний. Так, например, мыльные пузыри объясняются интерференцией света. Явления интерференции используются для создания различных измерительных и контролирующих устройств.

Дифракция – это огибание волнами препятствий, отклонение волновых движений от законов геометрической оптики. Благодаря дифракции волны могут попадать в область геометрической тени, огибать препятствия, проникать через небольшое отверстие в экранах.

В 1690 г. Гюйгенс сформулировал принцип, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, является источником вторичных волн. Путем вторичных и происходит распространение основной волны. Френель дополнил этот принцип идеей об интерференции вторичных волн. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, каждая точка фронта волны является источником вторичных когерентных волн. Принцип Гюйгенса-Френеля – основной принцип волновой оптики и позволяет решать вопрос о дифракции света, играющей важную роль в прикладной оптике.

Явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества от частоты (или длины волны в вакууме) называют дисперсией света. В более широком аспекте – это разложение света в спектр, происходящее при преломлении, дифракции и интерференции света.

Следствием дисперсии является разложение света при прохождении его через призму (получение спектра). Впервые подробно исследовал дисперсию света Ньютон. Важен вывод Ньютона о том, что лучи разного цвета преломляются по-разному.

На явлении дисперсии основано действие призменных спектрографов, которые служат для получения и наблюдения спектров. Спектральный анализ дает возможность определить качественный и количественный состав вещества на основании получении его структуры.

Раздел физики, изучающий интенсивность света и его источник, называют фотометрией. Под фотометрией в узком смысле слова понимают световые измерения, т. е. оценку видимого излучения и его действие на глаз. Под фотометрией в широком смысле понимают измерение характеристик процессов испускания, распространения, поглощения и рассеяния излучения в диапазоне от ультрафиолетовых до инфракрасных лучей. Инфракрасное излучение является преимущественно тепловым излучением.

Исследования показали, что любое цветовое ощущение может быть создано из трех базовых цветов: красного, зеленого и голубого, потому что они взаимно независимы.

Излучение рассматривается как поток квазичастиц – фотонов с определенной энергией и импульсом. Важным является понятие частоты (длины) волны светового излучения. На основании этого понятия излучение делится на следующие виды: низкочастотное, радиоволны, инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Совокупность этих диапазонов называется шкалой электромагнитных волн.

В криминалистике находят применение следующие оптические явления:

• дифракция – отклонение светового луча от прямолинейного распространения, которое не вызвано отражением или изменением показателя преломления этой среды;

• интерференция – явление взаимодействия двух световых пучков, не сводящееся к их простому суммированию;

• дисперсия – явление зависимости скорости светового излучения в среде от ее показателя преломления.

Количественные характеристики светового излучения изучаются таким разделом оптики, как фотометрия.