Основные характеристики некоторых элементарных частиц

Частица	Символ	Масса покоя		Заряд
		абсолют-ная, кг	относи-тельная, а.е.м.	электричес-кий, Кл	относитель-ный
протон	р	1,67310-27	1,007276	1,60210-19	+1
нейтрон	n	1,67510-27	1,008665	0	0
электрон	e	9,10910-31	0,000549	1,60210-19	-1

Сер. 1960-х гг. коллектив учёных открыл сложную структуру нейтронов и протонов. Частицы, их образующие, были названы кварками. Кварк – в переводе «непонятный».

На данный момент предела делимости материи нет.

Считается, что все виды материи имеют дискретную (зернистую) структуру, в том числе поле и физический вакуум.

Дискретность полей доказана экспериментально, например, электромагнитное поле распространяется фотонами.

Даже пространство и время по квантовой теории имеют дискретную структуру (это пространственно-временная хаотически движущаяся «пена», состоящая из ячеек размером 10^-35 м и 10^-43 с).

Непрерывность материи и её дискретные свойства неразделимы.

Волновая концепция в естествознании

Волны звука, на воде, механические колебания, колебания струны, колебания в земной коре, электромагнитные волны.

Основные свойства волн:

1. Все волны обладают конечной скоростью. Скорость распространения волн зависит от среды, например:

• Скорость света в вакууме – 300000 км/с

• Скорость звука при 0°С, Р = 1 атм – 330 м/с

2. Все виды волн обладают импульсом.

3. Движение волн подчиняется принципу суперпозиции.

4. Все волны переносят энергию.

Любая колеблющаяся система, независимо от её физической природы, называется осциллятор.

• Существуют колебания с постоянной амплитудой – незатухающие.

• С точки зрения кинематики бывают периодические и непериодические колебания.

• По способу возбуждения бывают собственные и вынужденные.

• По направлению распространения – продольные и поперечные.

Продольные волны – сжатие и растяжение пружины, забивание гвоздя, распространение звука, кроме распространения в твердых телах. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания от 16 до 20000 Гц.

Поперечные волны – частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Например, колебание струны, в твердых телах даже звук распространяется поперечно (все волны в твердых телах поперечны), электромагнитные волны.

Электромагнитная концепция

Уравнения Максвелла. В 1873 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал первый трактат, в котором впервые систематизировал все фундаментальные уравнения по электричеству и магнетизму. Но он был чистым теоретиком, и никогда не участвовал в экспериментах. В своей работе он обобщил закон Кулона по электростатике, теорему Гаусса (Постоянное магнитное поле не возбуждает электрическое поле, так как магнитных зарядов не существует), закон электромагнитной индукции Фарадея (Переменное магнитное поле порождает электрическое поле), уравнение Лапласа (Проводник с током создает вокруг себя магнитное поле).

Выводы из теории Максвелла:

1. Источник электрического поля – это постоянные электрические заряды, переменные магнитные поля (изменяющиеся во времени).

2. Источником магнитного поля являются движущиеся электрические заряды и переменные электрические поля.

3. Переменное магнитное поле возбуждает электрическое, а переменное электрическое поле возбуждает магнитное.

Переменные электрические и магнитные поля – это проявление единого электромагнитного поля, которое нужно рассматривать как вид материи. Электромагнитное поле обладает импульсом, энергией, а значит, должно обладать и массой, вывод о чем был сделан Максвеллом, а доказано это было гораздо позже. Электромагнитное поле способно существовать в отсутствии электрических зарядов, и изменение его состояния носит волновой характер. То есть, электромагнитное поле – это электромагнитная волна, и для нее Максвелл вывел константу – скорость света в вакууме, скорость распространения электромагнитной волны в вакууме. Был сделан вывод, что свет – это электромагнитная волна. Позже, в 1887 году Герц доказал это экспериментально.

Исходя из уравнения Максвелла, электромагнитные волны могут распространяться в любой среде (в отличие от классической механики) – жидкой, твердой, кристаллической, газообразной, вакууме.

Свет – это электромагнитная плоская поперечная волна. Свет проявляет следующие волновые свойства: дифракция, интерференция, дисперсия (зависимость показателя преломления от частоты света), поляризация.

Максвелл предположил, что свет имеет массу (корпускулярные свойства света), так как есть импульс. Экспериментально это доказал в 1902 году русский учёных Лебедев, подтвердивший и обосновавший явление давления света. Он же обосновал космическое давление света (изменение направления хвостов комет под действием солнечного ветра).

Макс Планк доказал, что энергия кванта связана с частотой (цветом):

E = hn

где постоянная Планка h = 6,62∙10^-34 Дж∙с

Эйнштейн назвал квант света фотоном:

так как E = mc² и E= hn тогда mc²= hn ®

где m - масса фотона, движущегося со скоростью света; p = mc – импульс фотона.

Фотон – это и частица и волна, он обладает корпускулярно-волновым дуализмом, или корпускулярно-волновой двойственностью. Фотон проявляет одновременно два основных свойства материи. Позже было доказано, что это свойство присуще всем микрочастицам (на данный момент их открыто более 350).

Модель атома

Согласно ядерной модели Резерфорда (1911 г.), атом – электронейтральная частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра вокруг которого двигаются отрицательно заряженные электроны. Ядро атома состоит из двух типов частиц (нуклонов) – протонов и нейтронов.

Изучение радиоактивности подтвердило сложность состава атомов. Линейные размеры атома составляют ~ 10^-8 см, а ядер ~ 10^-13  10^-12 см. Основная масса атома сосредоточена в ядре и характеризуется массовым числом А, которое определяют по формуле

А = Z + N

где Z – число протонов, которое равно заряду ядра; N – число нейтронов.

Заряд ядра – главная характеристика атома, которая определяется чис-лом протонов, находящихся в ядре и совпадает с порядковым номером эле-мента в периодической системе Д.И. Менделеева. Из электронейтральности атома следует, что число вращающихся вокруг ядра электронов также равно порядковому номеру элемента. Атомы с одинаковыми значениями Z, но различными значениями А и N называются изотопами. Например, известны следующие изотопы кислорода: , , . Атомы, обладающие одинаковыми N, но различными Z и А, являются изотонами (например: , , ). Если же атомы имеют одинаковые значения А, но различаются числами Z и N, то их называют изобарами (например: , , ).

Относительная атомная масса элемента является средней величиной массовых чисел его природных изотопов с учетом их распространенности в природе.

Модель Резерфорда была крупным шагом в познании строения атома, однако в некоторых случаях она противоречила установленным фактам (н-р: не могла объяснить устойчивость атома (При вращении электрон излучает энергию и должен упасть на ядро. Вывод: атом является неустойчивым, а на самом деле в настоящее время атом является самой устойчивой из известных систем. В этом и есть первое и главное противоречие, если рассматривать атом с точки зрения классической механики), а также приводила к неправильным выводам о характере атомных спектров).

Существенный шаг в развитии ядерной модели сделал Нильс Бор (1913 г), предложивший теорию, объединяющую ядерную модель атома с кван-товой теорией света.

Основные положения (постулаты) теории Бора:

а) Электрон вращается вокруг ядра не по любым, а только по некоторым определенным круговым орбитам (т.н. стационарные или боровские орбиты);

б) Двигаясь по стационарной орбите, электрон не излучает электромагнитной энергии;

в) Излучение происходит при скачкообразном переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую (с поглощением или выделением кванта энергии).

hn = E₂ - E₁

E₁ – стационарное энергетическое состояние электрона

E₂ – энергия электрона в возбужденном состоянии.

Теория Бора не была лишена недостатков (например, не могла объяснить, где находится электрон в процессе перехода с одной орбиты на другую?) но она показала, что нельзя автоматически распространять законы природы, справедливые для больших тел (объекты макромира) на ничтожно малые объекты микромира - атомы, электроны и т.д. Теория Бора является промежуточным звеном между классической и квантовой механикой.

Поэтому возникла задача создания новой теории пригодной для описания свойств и поведения объектов микромира – квантовой (или волновой) механики (20-е гг. ХХ в).

Современная теория строения атома основана на законах квантовой механики, согласно которым движущимся микрообъектам (электронам) присуща двойственная природа: они являются частицами, но имеют волновой характер движения.

Из волновых свойств микрообъектов следует принцип неопределенности Гейзенберга (1926 г):

Микрочастица (н-р, электрон) так же как и волна, не имеет одно-временно точных значений координат положения в пространстве и импульса ее движения.

Из принципа Гейзенберга вытекает, что чем точнее определяется координата микрочастицы (электрона), тем неопределеннее становится информация о скорости ее движения, и наоборот (чем точнее определяется координата, тем менее точно можно определить импульс). Одновременное изменение энергии и среднее время жизни возбужденной частицы также нельзя измерить одновременно.

Критерии применимости законов микро-, макро- и мегамира

1. Макромир: Законы классической механики. Главный критерий: v<<c.

2. Мегамир: v ® c. Релятивистская механика.

3. Микромир: Квантовая механика – постоянная Планка.

Квантовые числа

Для полной характеристики состояния каждого электрона в атоме необходимо указать для него значения четырех квантовых чисел (параметров): главного n, орбитального l, магнитного m_l и спинового s.

I. Главное квантовое число n характеризует основной запас энергии электрона и размер электронного облака. Оно может принимать только положительные целочисленные значения от 1 до . Чем больше значение n, тем больше размер электронного облака. Совокупность электронных состояний, имеющих одинаковое значение n, называется электронным слоем (оболочкой) или энергетическим уровнем.

При n = 1 энергия электрона имеет минимальное значение Е₁ = -13,6 эВ. Такое состояние электрона называется основным или нормальным. С увеличением n энергия электрона возрастает, состояния с n = 2, 3, 4… называются возбужденными. Энергии, соответствующие им, связаны с Е₁ выражением:

II. Форма электронного облака, как и его энергия, также не может быть произвольной. Она определяется орбитальным (его называют также побоч-ным или азимутальным) квантовым числом l, которое может принимать все целочисленные значения от 0 до (n - 1). Каждому значению l соответствует своя форма электронного облака: при l = 0 – сферическая; l = 1 – гантелевид-ная; l = 2 – две пересекающиеся под прямым углом гантели.

Электроны одного энергетического уровня, имеющие одинаковые значения l, образуют энергетические подуровни, которые имеют следующие буквенные обозначения:

Орбитальное квантовое число	0	1	2	3	4
Обозначение подуровня	s	p	d	f	g

Число подуровней, на которые расщепляется энергетический уровень, равно номеру уровня, то есть значению n.

В соответствии с этими обозначениями говорят об s- подуровне, p- подуровне, d-подуровне, f-подуровне и т.д. Электроны, характеризующиеся значениями l равным 0, 1, 2, 3, называют, соответственно, s- электронами, p- электронами, d-электронами и f-электронами. Значения энергий в подуровнях каждого уровня несколько различаются: при данном значении главного квантового числа n наименьшей энергией обладают s- электроны, затем p-, d- и f- электроны.

Состояние электрона, соответствующее определенным значениям n и l, записывается в виде сочетания цифрового значения n и буквенного l (например, при n = 2 и l = 0 записывают 2s; при n = 3 и l = 1 записывают 3p).

III. Из уравнения Шредингера следует, что ориентация электронного облака в пространстве также не может быть произвольной: она определяется магнитным квантовым числом m_l, которое характеризует пространствен-ную ориентацию электронного облака. Принимает все целочисленные зна-чения от – l до + l, всего в каждом подуровне (2l + 1) значений. Число значений, принимаемых m_l, указывает число возможных положений электронного облака данного типа в пространстве, то есть число орбиталей в подуровне. Так, любой s-подуровень состоит из одной орбитали, p-подуровень – из 3, d-подуровень – из 5, а f-подуровень – из 7. Все орбитали одного подуровня обладают одинаковой энергией и называются вырожденными.

Состояние электрона в атоме, охарактеризованное значениями квантовых чисел n, l и m_l, т.е. определенными размерами, формой и ориентацией электронного облака в пространстве, называется атомной орбиталью (АО).

IV. Исследование атомных спектров привели к выводу, что помимо квантовых чисел n, l и m_l, электрон характеризуется еще одной квантованной характеристикой, не связанной с движением электрона вокруг ядра, а определяющей его способность вращаться вокруг своей оси. Спиновое квантовое число s характеризует собственный механический момент электрона, связанный с вращением его вокруг своей оси. Оно может принимать только два значения s = +1/2 и s = – 1/2 (по часовой и против часовой стрелки).

В соответствии с принципом (запретом) Паули в атоме не может быть двух и более электронов, у которых все четыре квантовых числа были бы одинаковы; т.е. по другому говоря, на одной АО может находиться не более двух электронов, отличающихся друг от друга значением s. Таким образом, максимальная электронная емкость любого s-подуровня равна 2е , p-под-уровня – 6 е, d-подуровня – 10 е, а f-подуровня – 14 е.

Периодическая система и электронное строение атомов элементов

Заряд атомного ядра является той основной величиной, от которой зависят свойства элемента и его положение в ПСЭ. Поэтому периодический закон Менделеева можно сформулировать следующим образом:

Свойства элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атомов элементов.

Химический элемент - это набор атомов с одинаковым зарядом ядра.

Как уже было сказано выше, наиболее устойчивое состояние электрона в атоме соответствует минимальному возможному значению его энергии. Поэтому в невозбужденном атоме водорода (заряд ядра Z = 1) единственный электрон находится в самом низком энергетическом состоянии, т.е. на 1s-подуровне. Электронную структуру атома водорода можно записать так: 1s¹. В атоме гелия (Z = 2) второй электрон также находится в состоянии 1s. Его электронная структура - 1s². У этого элемента заканчивается заполнение K - слоя и тем самым, завершается построение I периода системы элементов.

У элементов II периода начинает заполняться электронами второй энергетический уровень (L - слой, n = 2), так как размещение новых электро-нов на K – слое противоречило бы принципу Паули. L – слой делится на 2 подуровня: 2s и 2p. В соответствии с первым правилом Клечковского сначала будет заполняться 2s- подуровень (до 2е), а затем 2p-подуровень (до 6е). У атома Li (Z = 3) электронная структура запишется формулой: 1s²2s¹ (2p-подуровень пока остается пустым и поэтому не записывается). У атома Be (Z = 4) электронная структура запишется формулой: 1s²2s². Таким образом, как и в первом периоде, построение второго периода начинается с s- элементов, у которых впервые появляются s- электроны нового слоя. Элементы, в атомах которых происходит заполнение s-орбиталей, относятся к семейству s-элементов. Электронная схема атома B (Z = 5) имеет вид: 1s²2s²2p¹. При переходе к углероду С (Z = 6) число электронов на 2p-подуровне возрастает до двух (1s²2s²2p²), при этом они будут распределяться в соответствии с правилом Хунда (у каждого своя орбиталь, а спины направлены одинаково). Для азота N (Z = 7) - 1s²2s²2p³. Теперь, когда каждая из 2p-орбиталей занята одним электроном, начинается попарное размещение электронов на 2p-орбиталях. Поэтому атому кислорода О (Z = 8) соот-ветствует формула 1s²2s²2p⁴, атому фтора F (Z = 9) - 1s²2s²2p⁵. Наконец, у атома неона Ne (Z = 10) заканчивается заполнение 2p- подуровня, а тем самым заполнение второго энергетического уровня (L – слоя) и построение второго периода системы элементов - 1s²2s²2p⁶. Элементы, в атомах которых происходит заполнение p-подуровня, относятся к семейству p-элементо

Фундаментальные взаимодействия

Естествознание объясняет огромное разнообразие природных систем взаимодействием материальных объектов, то есть, воздействием их друг на друга. Взаимодействие – это основная причина, определяющая движение в природе, поэтому взаимодействие, как и движение, носит универсальный характер. Причинами взаимодействия учёные считают существование в природе массы и различных зарядов.

В классической механике Ньютона взаимодействие определяется силой, с которой одно тело действует на другое, и при этом, по концепции дальнодействия, считается, что все действия тел друг на друга передаются через пустое пространство на любое расстояние мгновенно, так как скорость света в классической механике принята за бесконечность.

В специальной теории относительности представления о мгновенном взаимодействии не соответствуют действительности. Никакое действие, никакая информация, никакие передвижения тел в пространстве не могут происходить со скоростью, превышающей скорость света (концепция близкодействия). Взаимодействия передаются посредством физических полей и с конечной скоростью.

Квантовая теорию дополнила концепцию близкодействия тем, что она показала, что при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами (переносчиками взаимодействия, или квантами соответствующего поля).

Основные характеристики взаимодействия – это энергия и импульс.

Существует четыре основных взаимодействия:

1. Гравитационное взаимодействие, или тяготение, проявляется в притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно действует на любых расстояниях между объектами, поэтому считается, что радиус гравитационного взаимодействия равен бесконечности, но оно слабее всех других взаимодействий. Оно подчиняется закону всемирного тяготения Ньютона.

Это взаимодействие является доминирующим в мегамире, так как звезды и галактики имеют очень большие массы. В современном понятии существует поле тяготения с гравитационными волнами, скорость распространения которых приблизительно равна скорости распространения света в вакууме. Переносчиками тяготения являются гравитоны, которые пока не открыты и не будут открыты, пока в нашем распоряжении не будет весов с точностью не менее 10^-11 г, так как все гравитационное взаимодействие связано с массами. Гравитоны малы по массе, а само гравитационное взаимодействие слабое.

2. Электромагнитное взаимодействие обусловлено существование в природе электрических зарядов. Из-за этого взаимодействия существуют атомы и молекулы (притяжение электронов и протонов, химические связи), силы трения, упругости, поверхностного натяжения жидкости и т.д. Они действуют на любом расстоянии, но они во много раз сильнее гравитационных сил. Переносчиками являются фотоны, имеющие нулевую массу покоя и приобретающие ее при движении со скоростью света. Они фиксируются приборами, как и электромагнитные волны, причем, различаются длиной волны и частотой.

3. Сильное взаимодействие обеспечивает существование нуклонов и вообще существование атомных ядер, поэтому расстояние, на котором они проявляются, очень мало – не более 10^-15 м. Переносчиком взаимодействия (склеивание кварков в нуклоны) являются глюоны, которые были открыты с появлением ускорителей. Это взаимодействие связано с ядерными силами. Сильные взаимодействия являются самыми сильными среди всех фундаментальных взаимодействий. Благодаря им, ядро атома чрезвычайно устойчиво.

4. Слабое взаимодействие проявляется в процесса распада нестабильных атомных ядер (в основном – в β-распадах). Переносчиками этого взаимодействия являются вионы, обнаруженные в 1983 году. Вионы имеют массу в 100 раз больше протона и нейтрона, а радиус действия этих сил составляет примерно 10^-18 м. Действуют они в центре атомного ядра. Благодаря этому взаимодействию возможны термоядерные реакции и образование атомных ядер в недрах звезд (звездный нуклеосинтез). Взаимопревращение нейтронов и протонов, переход между кварками в нуклонах.

Характеристики фундаментальных взаимодействий

Вид взаимодействия	Относительная энергия взаимодействия	Радиус действия	Переносчики взаимодействия
1. Сильное	1	10-15 м	Глюоны
2. Электромагнитное	10-2	∞	Фотоны
3. Слабое	10-5	10-18 м	Вионы
4. Гравитационное	10-39	∞	Гравитоны