1.4. Кванты. Молекулы, атомы, ядра, поля-частицы.

Явления столь малого масштаба, что они не могут быть описаны в классических терминах (атомные и субатомные системы), изучает квантовая механика. Например, начальное представление о свете было как о непрерывной электромагнитной волне. Однако на субмикроскопическом уровне свет испускается и поглощается дискретными порциями или, как назвали вначале, квантами. Небольшие порции энергии, которые тепловая энергия испускает и поглощает, позже были названы фотонами. Фотоны не имеют электрического заряда или массы покоя и являются переносчиками электромагнитного поля.

Наименьшие частицы, на которые может быть разделено чистое вещество и которые сохраняют его структуру и химические свойства – молекулы. При делении на более мелкие части, на атомы, происходит разрыв химических связей, которые удерживают вместе атомы в молекуле. Молекула инертных газов представляет собой единичный атом; все другие вещества – это двухатомные или многоатомные молекулы. Атомы одинаковы в простых веществах, таких как водород ( Н₂ ) и различны в соединениях, таких как глюкоза (С₆Н₁₂О₆). В состав молекул различных веществ могут входить одинаковые атомы, но в различных соотношениях, как в окиси углерода (СО) и углекислом газе (СО₂). С помощью современных методов анализа и компьютеров можно определить и отобразить на экране размер и форму молекул, положение их ядер, электронных облаков и др.

Элементарные (субатомные) частицы представляют существующие независимо друг от друга порции вещества или энергии. Открытие электрона в 1897 и атомного ядра в1911 показало, что атом в действительности является составной частицей: в него входит облако электронов, окружающих очень маленькое, но тяжелое ядро. В начале 1930-х было обнаружено, что ядро состоит из еще более мелких частиц, названных протоном и нейтроном. В начале 1970-х было установлено, что эти частицы также состоят из нескольких типов еще более фундаментальных частиц, названных кварками. Совместно с несколькими типами лептонов кварки образуют фундаментальные «кирпичики» всего вещества. Третья группа элементарных частиц состоит из бозонов, которые переносят существующие во Вселенной силы. До настоящего времени обнаружено более 200 элементарных частиц, большинству из которых, по-видимому, соответствуют античастицы.

Фотоэффект

Фотоэффект – явление, в котором заряженные частицы высвобождаются из вещества, когда оно поглощает энергию излучения. Может быть представлено в виде испускания электронов поверхностью металлической пластины при падении на нее видимого света. Может происходить также и в том случае, когда излучение находится в диапазоне ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей или гамма-лучей. Излучающая поверхность может быть твердой, жидкой или газообразной, а испускаемые частицы могут быть как электронами, та и ионами. Фотоэффект был открыт Г. Герцем и объяснен А. Эйнштейном.

Излучение и поглощение света атомами и молекулами

При излучении энергия испускается из источника в виде потока атомных частиц или волн. Например, свет – форма электромагнитного излучения (дискретные порции энергии, называемые фотонами) или звук – форма акустического излучения. Обе формы – это волны с определенным набором частот и интенсивности. Существует также инфракрасное излучение (часть электромагнитного спектра от диапазона микроволн до красного конца видимого светового диапазона, радуга), тепловое излучение (излучение энергии с нагретой поверхности), ультрафиолетовое излучение (часть электромагнитного спектра, занимающая диапазон от фиолетового конца видимого спектра до области рентгеновских лучей).

Поглощение (абсорбция) – передача энергии от волны к среде, через которую волна распространяется. Энергия волны может быть отражена, пропущена или поглощена. Все вещества в той или иной мере поглощают энергию. Если поглощается только часть энергии, эту среду называют прозрачной по отношению к этому виду энергии. Если поглощается вся энергия, то среда называется непрозрачной, или темной. Например, резина поглощает инфракрасное и рентгеновское излучения, но непрозрачна для видимого света. Зеленое стекло прозрачно для зеленого цвета, но непрозрачно для синего и красного цветов (поглощает свет этих длин волн).

Лазеры. Волновые свойства атомов и молекул

Лазер – устройство, создающее интенсивный пучок света. Свет состоит из волн, имеющих постоянную разность фаз. Лазер нашел ценные применения в микрохирургии, технике связи, голографии, а также при сверлении отверстий в твердых материалах, ориентации при прокладке туннелей и дистанционных измерениях.

Атомная и термоядерная энергия

Атомная и термоядерная энергия – это внутренняя энергия атомного ядра, выделяющаяся при ядерных реакциях. Как известно, ядро состоит из протонов и нейтронов (общее название частиц – нуклонов). Они связаны притяжением друг к другу под действием ядерных сил и энергии взаимного отталкивания протонов под действием электростатических сил.

Ядерный синтез – это деление ядер на более мелкие осколки при взаимодействии с элементарными частицами, т.е. при бомбардировке веществ пучками ускоренных положительно заряженных частиц. Реакция ядерного синтеза является источником звездной энергии.

Ядерная цепная реакция – это реакция деления тяжелых ядер урана или плутония либо термоядерная реакция синтеза ядер гелия из более легких ядер.

Возможность протекания цепной реакции деления обусловлена тем, что в акте деления рождается более одного нейтрона. Каждый из них также может производить деление ядер. Следующее поколение нейтронов делит другие ядра и т.д. Предельные условия, когда в веществе может развиваться цепная реакция, называются критическими.

В качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в ядерных реакторах в ядерной физике и энергетике применяется тяжелая вода. Тяжелая вода – изотопная разновидность воды, в которой легкий атом водорода (Н₂О) замещен его тяжелым изотопом – дейтерием. Изотопы – это разновидности одного химического элемента, занимающие одно место в периодической системе элементов Менделеева, но отличающиеся массами атомов. Химические свойства атомов, т.е. принадлежность атома к тому или иному химическому элементу, зависит от числа электронов и их расположения в электронной оболочке атома.

Место химического элемента в периодической системе элементов определяет его порядковый номер, равный числу электронов в оболочке атома или то же самое, числу протонов, содержащихся в атомном ядре. Кроме протонов, в ядро входят нейтроны, масса каждого из них приблизительно равна массе протона. Количество нейтронов может несколько отличаться от числа протонов, но это отличие только в определенных пределах. От соотношения протонов и нейтронов в ядре зависит стабильность и нестабильность ядра.

Ядерный взрыв – быстрое высвобождение ядерной энергии может быть атомным и водородным. Действие первого типа (атомная бомба) основано на высвобождении ядерной энергии при делении тяжелых ядер урана или плутония. Действие ядерного взрыва второго типа (водородная бомба) – на термоядерной реакции синтеза ядер гелия из более легких ядер (дейтерия, трития), при которой выделяется примерно в четыре раза больше энергии, чем при распаде одинакового количества делящегося вещества.

Ядерные реакции – основной метод изучения структуры ядра и его свойств. Однако их роль велика и за пределами физики. Реакция деления тяжелых ядер и синтеза легчайших ядер лежит в основе ядерной энергетики.