Лекция 5
Элементарные частицы. Физические взаимодействия.
Концепция пространства и времени.
Мы остановились на квантовой теории – именно она объясняет законы поведения микрочастиц, т.е. элементарных частиц.
4. Квантовая теория.
Классическая физика конца 19 в., согласно которой энергетические процессы представлялись непрерывными, не могла объяснить множества новых экспериментальных данных (явлений радиоактивности, фотоэффекта и т.д.).
М. Планк предположил, что энергия излучается не постоянным потоком, а дискретными неделимыми порциями (квантами). Это утверждение касается только микромира т.к. величина этой порции энергии очень мала (h – постоянная Планка = 6,6·10-34 Дж·с).
Самому Планку эта идея не нравилась, т.к. приходилось допускать, что все процессы в микромире происходят прерывисто, поэтому он считал кванты просто удобным математическим описанием, а не физической реальностью.
Идеи Планка первоначально не были приняты физиками (он говорил: «Обычно научные истины побеждают не так, что их противников убеждают, и они признают правоту новой истины, а большей частью так, что противники эти постепенно вымирают, а подрастающее поколение усваивает истину сразу»).
А. Эйнштейн – перенес идею с теплового излучения на излучение вообще → свет – это поток квантов → свет имеет корпускулярную природу (как думал Ньютон!)
При помощи квантовой теории он объяснил явление фотоэффекта (1921 – Ноб. премия) – испускание электронов при воздействии электромагнитного излучения.
Эйнштейн рассматривал свет как поток частиц, которые обладают определенной энергией. Если энергия частиц света меньше той, которая необходима для выбивания электрона из металла, то они остаются на его поверхности. В противном случае электроны, поглотив фотоны света, получают дополнительную энергию и покидают металл.
Это доказывало корпускулярную природу света.
С другой стороны, интерференция и дифракция света – это доказательства его волновой природы.
Де Бройль предположил, что материи присущи и св-ва частицы (дискретность), и св-ва волны (непрерывность) → т.о. он показал корпускулярно-волновой дуализм свойств материи.
Шредингер – вывел уравнение, описывающее поведение волн материи.
Т.о. возникла Квантовая физика – раздел физики, описывающий законы поведения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул) и их систем.
Основные положения квантовой физики:
Материя представлена в двух взаимосвязанных формах:
Вещество – различные частицы и тела, которым присуща масса покоя.
Поле – не имеет массы покоя, заполняет пространство между частицами. Функция поля – передача возмущения от одной частицы к другой с конечной скоростью.
Структурные уровни вещества в микромире:
I. Молекулярный (молекулы состоят из атомов)
II. Атомный (атомы состоят из ядра и электронной оболочки)
III. Ядерный (ядро состоит из нуклонов – протонов и нейтронов)
IV. Нуклонный (нуклоны состоят из кварков)
V. Кварковый
Строение атома.
Атом (от греч. «неделимый») до конца 19 в. считался мельчайшей структурной единицей материи. После открытия элементарных частиц – создана планетарная модель атома (Резерфорд) на основе принципов классической механики.
Современная модель атома – квантово-механическая (Бор):
положительно заряженное ядро окружено электронными облаками;
атом в целом имеет нейтральный заряд, т.к. заряды протонов и нейтронов компенсируют друг друга, а их число в атоме одинаково;
при движении по орбите ē не излучает энергии, при переходе на другую орбиту излучает ее порциями (квантами).
Итак, квантовая физика изучает микромир. А какой он – микромир – мир элементарных частиц? По каким законам он существует? Давайте рассмотрим основные особенности микромира.
Особенности микромира:
Поведение элементарных частиц можно предсказать лишь с определенной вероятностью.
Например, в классической физике тело либо присутствует в заданной части пространства, либо отсутствует. Того же нельзя сказать про электрон. Электрон в атоме только с некоторой вероятностью находится в заданной части пространства; с вероятностью, не равной нулю, он находится и в другом участке пространства.
У элементарной частицы отсутствует траектория движения из одной точки в другую.
Например, в классической физике траекторию движения бильярдного шара можно определить однозначно, а перемещение электрона можно определить только в конечный момент. Определить, каким именно путем он двигался, невозможно: можно лишь предположить, что он двигался по всем возможным траекториям, часть из которых более вероятна, чем другая.
Результат наблюдения микромира зависит от типа измерительного прибора, что связано с корпускулярно-волновым дуализмом свойств материи.
В одном типе измерительных приборов (дифракционная решетка) микроявления представляются в виде непрерывного поля, распределенного в пространстве. В другом типе приборов (пузырьковая камера) эти же микроявления выступают как материальные точки.
Каким же образом один объект может совмещать в себе такие противоречивые свойства (свойства частицы и волны)? Ответ на этот вопрос дал Н.Бор, сформулировав свой принцип дополнительности.
Пр-п дополнительности:
Из-за того, что всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм, нельзя процессы в атоме представить в виде механических моделей по аналогии с макромиром, можно составить лишь сумму уравнений, описывающих эти процессы. Т.о. – для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимодополняющих набора понятий (понятия частицы и понятия волны). Только их совокупность дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных.
Элементарные частицы
Первоначально было установлено, что ядро состоит из протонов (+) и нейтронов (о).
Открытие радиоактивности показало, что в ядре возможны различные превращения частиц, например, β-распад нейтрона: n˚ → p+ + ē +νe (антинейтрино).
Позднее было предсказано, а вскоре и доказано существование античастиц (это частицы с такими же характеристиками, что и обычные, но с зарядом противоположного знака: для электрона ↔ позитрон, для протона ↔ антипрпотон и т.д.). При столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция (переход вещества в излучение) → образуется фотон (т.е. квант электромагнитного поля) и наоборот!
В видимой части Вселенной антивещество, состоящее из античастиц, не обнаружено. Хотя античастицы и возникают в космических лучах, их длительное существование в нашей Вселенной невозможно, т.к. при столкновении обычной частицы и античастицы происходит их взаимное уничтожение с образованием фотонов (аннигиляция).
Затем были теоретически предсказаны «еще более элементарные» частицы, чем p и n – а именно их составляющие – кварки. (электрон и фотон все еще сохраняют статус неделимых частиц.)
Кварк – элементарная частица, имеющая дробный электрич. заряд (+⅔; -⅓…) и характеризующаяся особыми св-вами («цвет», «аромат», «очарование» и т.д. Эти свойства ничего общего с настоящими цветами и запахами не имеют – просто физики, которые их так назвали, обладали своеобразным чувством юмора).
Кварки не встречаются в свободном состоянии, они не способны покинуть элементарные частицы. Кварковая теория создана в 1964 г.
Предположительно существуют 36 разновидностей кварков, которые в разных сочетаниях (по 2 или по 3) дают разные элементарные частицы.
Протоны и нейтроны не состоят из кварков, как дом из кирпичей; кварки постоянно взаимодействуют между собой. В рамках атомного ядра также нет постоянных протонов и нейтронов, они непрерывно переходят друг в друга. Подобно облакам электронов вокруг атома, само ядро представляет собой протонно-нейтронное облако, в котором в каждый момент находится вполне определенное количество протонов и нейтронов.