Микромир. Фундаментальная материя.

Все многообразие известных человечеству объектов и свойственных им явлений обычно разделяется на 3 качественно различных области: микро-, макро - и мегамиры.

Микромир – это мир атомов и элементарных частиц. Атомы характеризуются величинами 10^-8 см. Специфика микромира отражена в разделах физики, основанных на квантовой механике.

Квантовая механика – физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне. Истоки квантовой физики - в исследованиях процессов излучения и поглощения тел.

В конце 19–20 в. центральной проблемой физики становится проблема строения атомов.

1. Дж. Томсоном (1897) получено экспериментальное доказательство делимости атомов и открытие электрона, определена величина заряда и масса электрона. Предложена 1 из первых моделей строения атома: атом как положительно заряженная сфера, с вкрапленными в нее, электронами (булочка с изюмом).

2. Э. Резерфордом (1911) в опытах по рассеянию -частиц (протонов) атомами различных элементов (при прохождении через тонкие металлические пластинки) установлено наличие в атоме положительно заряженного плотного ядра, диаметром 10^-12 см. Предложена планетарная модель атома (электроны вращаются по разным орбиталям вокруг ядра, подобно планетам Солнечной системы).

3. Н. Бором (1913), на основе ядерной модели Резерфорда и квантовой теории излучения Планка, разработана квантовая модель строения атома и объяснен принцип квантования света.

Постулаты Бора:

1. Атом может существовать в стационарном состоянии, не испуская и не поглощая электромагнитного излучения (электроны движутся по определенным устойчивым орбитам),

2. при переходе атома из одного стационарного состояния в другое, он излучает или поглощает порцию Е монохроматического света определенной частоты (излучение происходит при переходе электрона с удаленной орбиты на более близкую к ядру, при этом порождается квант света с Е, равной разности энергий тех уровней, между которыми осуществлялся переход).

Теория Бора позволила установить расположение электронов в атомах и зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов.

Атом – наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул простых и сложных веществ. Атом – электронейтрален, имеет сложное строение:

• атомное ядро (размер 10^-12 см) состоит из положительно заряженных протонов, равных по величине, заряду электрона, и не имеющих заряда нейтронов, вся масса атома сосредоточена в ядре, т.к. масса электронов гораздо меньше,

• массовое число (М) = число нуклонов в ядре (N + Z),

• электронная оболочка - из отрицательно заряженных электронов,

- число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру химического элемента в периодической системе и числу протонов в ядре,

- электроны расположены по слоям, энергетическим уровням, причем электроны каждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне,

- наибольшее число электронов на энергетическом уровне равно удвоенному квадрату номера слоя: N = 2 n*n, где n – номер слоя (число электронов в наружном слое всех элементов, кроме палладия, не более 8, а в предпоследнем - 18),

- электроны наружного слоя (валентные), как наиболее удаленные и менее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, образуя катионы и анионы, что обуславливает химическую активность атомов.

Заполнение электронами энергетических уровней в атоме происходит по принципу Паули: в атоме не может быть 2-х электронов в 2-х одинаковых стационарных состояниях, определяемых набором четырех квантовых чисел.

В начале 20 в. в науке складывается представление о противопоставлении 2-х видов материи - вещества и поля:

1. корпускулярная концепция, т.е. материя состоит из частиц – атомов (атомистический материализм древности, механистический атомизм Ньютона, в т.ч. свет – как поток корпускул, атомно-молекулярное строение вещества в учениях Ломоносова и др.),

2. континуальная концепция, т.е. материя – непрерывное электромагнитное поле (теории Фарадея, Максвелла, свет – как электромагнитная волна).

Однако дальнейшее развитие науки показало условность этих противопоставлений и возникло представление о корпускулярно-волновом дуализме – универсальное свойство природы, когда всем микрообъектам присущи одновременно и корпускулярные, и волновые характеристики (неразрывная связь частиц и полей):

1. элементарные частицы (электрон) в одних условиях могут вести себя как частицы (например, при движении в электромагнитном поле по классическим траекториям),

2. частицы - как волны (в явлениях интерференции и дифракции) поток частиц при встрече с препятствиями или отверстиями атомных размеров подчиняется волновым законам (де Бройль, Шрёдингер).

В 1900 г. М. Планк сформулировал гипотезу квантов энергии: излучение или поглощение энергии электромагнитных волн атомами вещества происходит не непрерывно, а определенными неделимыми порциями – квантами. Т.о., наряду с атомизмом вещества был признан атомизм энергии, т.е. дискретный характер волнового процесса. Однако корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя было объяснить с позиций классической физики, так возникла новая квантовая физика.

Итак, квантовая физика устанавливает ряд особенностей поведения микрочастиц:

1. корпускулярно-волновая природа элементарных частиц (нет разницы между полем и системой частиц, например, электрон, вращающийся вокруг ядра, можно представить как волну, длина которой зависит от ее скорости),

2. взаимопревращаемость элементарных частиц и переход вещества в излучение (например, аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, квант света)

3. местоположение и импульс частицы можно предсказать только с определенной вероятностью, например, орбита – область вероятного существования электронов, электронное облако (в отличие от классической физики, где положение объекта в пространстве и во времени определяется координатами, движение осуществляется по определенной траектории с определенной скоростью),

4. точное измерение возможно только при потоке частиц, но не для одной частицы (законы квантовой механики – это законы статистического, вероятностного характера, применимые к большим совокупностям, а не к индивидуальным объектам),

5. взаимодействие между физическим объектом и измерительным устройством (в различных измерительных приборах микроявления могут проявлять себя по-разному, что связано с корпускулярно-волновым дуализмом).