Зарипова Концепции

Б. Должна непрерывно меняться частота, так как приближаясь к ядру, электрон менял бы свою частоту. Однако, атомы излучают свет только определенных частот (линейчатый спектр).

4.Нильс Бор в 1913 году применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров.

Постулаты:

1.Электроны в атоме могут двигаться только по определенным стационарным орбитам, и при этом энергия не излучается (Боровская орбита).

2.Атом излучает или поглощает квант энергии при переходе электрона из одного энергетического состояния в другое (с одной орбиты на другую).

h =E2-E1

E1 – стационарное энергетическое состояние электрона E2 – энергия электрона в возбужденном состоянии.

Наименьшее энергетическое состояние электрона в атоме – на ближайшей к ядру орбите n=1. Данная формула объяснила линейчатые спектры атома: каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного состояния в другое.

Спектры электромагнитного излучения атома.

Радиоволны и радарное излучение в том случае, когда происходит изменение спина атома или ядра. Инфракрасное – за счет колебаний атомов в молекуле. Видимое, ультрафиолетовое – за счет квантовых переходов внешних электронов атома из возбужденного состояния в основное. Рентгеновское – за счет перехода электронов с внешних оболочек на внутренние. Гамма-излучение – связано с ядерными процессами и никак не связана с электронами.

Теория атома Н.Бора дала точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, однако, дальнейшее распространение этой теории на многоэлектронные атомы столкнулось с противоречиями. Теоретические расчеты не подтверждались экспериментальными данными. Вследствие волновой природы электронов, орбиты в действительности не существуют, плотность электронного заряда в определенных точках дает максимум. Кривая, связывающая точки максимальной плотности формально называется орбитой электрона.

Теория Бора является промежуточным звеном между классической и квантовой механикой. Выяснилось, что процессы в атоме принципиально нельзя представить в виде механических моделей на основе классической физики.

Современная концепция строения атома

31

Классификация элементарных частиц

Таким образом, в конце Х1Х века стало очевидно, что имеются «кирпичики мироздания», которые были названы элементарными частицами.

Под элементарными частицами можно понимать такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития науки нельзя представить как совокупность других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Элементарные частицы могут превращаться друг в друга. Для того чтобы объяснить свойства и поведение элементарных частиц, их приходится наделять, кроме массы, электрического заряда и спина, рядом дополнительных, характерных для них величин (квантовых чисел). Как отмечалось нами выше, известны также четыре вида взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью так называемой константы взаимодействия, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий. Все частицы делятся на два класса:

1)Фермионы, которые составляют вещество;

2)Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие. Фермионы подразделяются на лептоны и кварки.

Лептоны

Остальные фундаментальные частицы носят название кварков.

Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.

34

Заряды кварков дробные - от -1/3e до +2/3e (e - заряд электрона).

Кварки в сегодняшней Вселенной существуют только в связанных состояниях - только в составе адронов. Например

Протон – uud; нейтрон - udd.

Для любой элементарной частицы есть своя античастица.

Частица и ее античастица имеют в точности одинаковые массы, периоды полураспада и типы распада, а также квантовые числа спина, и в то же время - противоположные электромагнитные свойства. Например, для электрона и позитрона электрические заряды имеют разные знаки и векторы спина S и собственного магнитного момента p обладают разной взаимной ориентацией.

Как обнаружить элементарную частицу? Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки).

Рис. 3.5. Траектории элементарных частиц Взаимодействия между частицами.

Четыре вида физических взаимодействий: по интенсивности располагаются в следующей последовательности:

сильные. электромагнитные, слабые, гравитационные,

35

Слабое взаимодействие - меняет внутреннюю природу частиц, связано с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. Большинство частиц нестабильны благодаря слабому взаимодействию.

Сильные взаимодействия - обусловливают возникновение сил, связывающих нейтроны и протоны и образование материальной системы с высокой энергией связиатомные ядра, которые весьма устойчивы.

Электромагнитное взаимодействие – более дальнодействующее, чем сильное. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и ядра соединяются в атомы, атомы в молекулы. В определенным смысле, это взаимодействие является основным в химии и биологии.

Гравитационное взаимодействиесамое слабое по интенсивности, не учитывается в теории элементарных частиц. Гравитационное взаимодействие имеет решающее значение в космических масштабах и макромире.

Каким же образом осуществляются эти взаимодействия?

Механизм взаимодействий один: за счет обмена другими частицами - переносчиками взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие – переносчик - фотон Гравитационное взаимодействие – переносчики - кванты поля тяготения – гравитоны (пока не обнаружены).

И фотоны, и гравитоны не имеют массы (массы покоя) и всегда движутся со скоростью света.

Слабые взаимодействия – переносчики - векторные бозоны. Существенным отличием переносчиков слабого взаимодействия от фотона и гравитона является их массивность. Переносчики сильных взаимодействий - глюоны (от английского слова glueклей), с массой покоя равной нулю.

Характеристики фундаментальных взаимодействий

Все 4 взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира. Современная физика пришла к выводу, что все 4 фундаментальных взаимодействия можно получить из одного – суперсилы.

36

Глава 4. Концепции относительности пространства и времени

Два часа, проведенные в обществе любимой девушки, покажутся вам минутой. Напротив, если вам придется минуту посидеть на раскаленной докрасна печке, то эта минута покажется двумя часами. Вот это и есть относительность времени.

А. Эйнштейн

Пространство и время, основные понятия

Пространство - всеобщее свойство материальных тел обладать протяженностью, занимать место и особым образом располагаться среди других предметов мира. Общие свойства пространства: протяженность, связанность и непрерывность, трехмерность, единство метрических и топологических свойств.

Время - всеобщее свойство материальных процессов протекать друг за другом в определенной последовательности (ночь-утро; зима-весна и т.д.), обладать длительностью и развиваться по этапам, стадиям. Общие свойства времени: длительность, единство прерывного и непрерывного, необратимость, одномерность.

В современной науке физическим пространству и времени приписываются определенные характеристики. Общими и для пространства, и для времени являются свойства объективности и всеобщности. Пространство и время объективны, так как существуют независимо от сознания. Всеобщность означает, что эти формы присущи всем без исключения воплощениям материи на любом уровне ее существования.

У пространства и времени есть ряд специфических характеристик. Так, пространству приписываются протяженность, изотропность, однородность, трехмерность (в классической физике)..

Протяженность предполагает наличие у каждого материального объекта определенного местоположения.

Изотропность означает равномерность всех возможных направлений. Однородность пространства характеризует отсутствие в нем каких-либо выделенных точек, т.е. при переносе в пространстве свойства системы не меняются.

Физическому времени приписываются свойства длительности, необратимости, однородности и одномерности.

Длительность интерпретируется как продолжительность существования любого материального объекта или процесса. Одномерность означает, что положение объекта во времени описывается единственной величиной. Однородность времени, как и в случае с пространством, свидетельствует об отсутствии каких-либо выделенных фрагментов, т.е. утверждает инвариантность физических законов относительно выбора точки отсчета времени. Необратимость времени, его однонаправленность от прошлого к будущему, связана с необратимостью протекания некоторых фундаментальных процессов и характером законов в квантовой механике. Существует также причинная концепция обоснования необратимости времени, согласно которой если бы время было обратимо, то причинная связь оказалась бы невозможной.

Для измерения времени используются периодические процессы, длительно повторяющиеся с высокой степенью точности: вращение Земли вокруг своей оси, вокруг Солнца, электромагнитное излучение возбужденных атомов.

37

В строгом определении время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления: оно универсально. Говорить о времени безотносительно к изменениям в реальных системах с физической точки зрения бессмысленно.

Отсюда следует первое общее свойство пространства и времени - их относительность. Этим термином обозначается тот факт, что моменты времени и пространственные координаты любого события всегда отсчитываются от некоторого другого события, принимаемого за начало отсчета. Именно поэтому всегда требуется указывать, откуда ведется счет времени и расстояния.

Второе общее свойство пространства и времени - их взаимозависимость. Говорить о пространстве без материальных объектов и о времени без каких-либо процессов не имеет никакого смысла. Не существует пространственных и временных отношений по отдельности. Любой процесс в природе происходит в некоторой области пространства, а любой материальный объект как-то меняется со временем.

Время.

Ныне можно сформулировать две фундаментальные парадигмы естествознания - парадигму динамики (парадигму Ньютона) и парадигму эволюции (парадигму Дарвина).

Согласно парадигме динамики, господствующей в физике, свойства природы на макроуровне полностью определяются ее свойствами на микроуровне (редукционизм). В ней принимается, что большое как бы конструируется из малого, неся в себе его особенности. Свойства этих своеобразных "кирпичиков" мироздания заданы изначально.

Все поведение системы в данный момент времени определяются только начальными условиями и особенностями ее взаимодействия с окружением. В некотором смысле, можно сказать, что система не имеет какой-либо предыстории. При этом времяпараметр на микроуровне не имеет выделенного направления и поэтому все основные уравнения, моделирующие явления природы, оказываются симметричными по отношению к изменению знака времени. Иными словами, замена момента времени t на момент времени (-t) не приводит к появлению новых результатов. Напротив, согласно парадигме Дарвина, впервые сформулированной в биологии, живой организм проходит путь индивидуального развития и несет в себе "память" о предшествующем бытии данного биологического вида и биосферы в целом. В этой парадигме, наоборот, большое отражается в малом, т.е. микроуровень системы определяется ее макросостоянием, причем не только в данный момент времени, но и с учетом его истории. Качественное развитие системы, называемое эволюцией, однозначно связано с однонаправленностью времени-возраста. В последнее время идеи Дарвина подверглись обобщению и на неживую природу, так что сейчас уже можно говорить о становлении эволюционного естествознания.

Чтобы описать временные отношения, вводится эталонный процесс, называемый часами. В качестве часов можно использовать любой процесс, в котором периодически повторяется одно и то же состояние материального объекта. Примеры таких процессов хорошо известны из повседневной жизни: пульс у человека, движение Земли вокруг оси (сутки) и вокруг Солнца (год), колебания маятника. Время одномерно. Это значит, что ответ на вопрос "Когда произошло событие А?" требует измерения и указания лишь одного числа - момента времени события tА. В качестве объективной характеристики временных от-ношений принято выбирать промежуток времени t, равный разности

38

между двумя моментами времени, отвечающими началу и концу какого-либо процесса. В отличие от них промежуток времени t обладает тем свойством, что его значение уже не зависит от выбора начала отсчета времени.

Обратимся теперь к сравнительному анализу длительности различных природных процессов. Люди привыкли ощущать промежутки времени, встречающиеся в повседневной жизни. Кратчайший промежуток времени, который мы можем почувствовать, примерно равен одной десятой секунды. Это длительность щелчка пальцами. Человек прекрасно понимает, что такое сутки, т.е. 8,64·104 секунд, и год, равный примерно 3-10 секунд. Наконец, мы можем представить себе, что такое продолжительность жизни человека, т.е. примерно 100 лет. Вся человеческая цивилизация существует не более десяти тысяч (или 104) лет - если считать, что средняя продолжительность жизни составляет даже 50 лет, то это смена всего лишь 200 поколений! Более крупные промежутки времени связаны с существованием Земли, Солнца, звезд, и наконец, Вселенной. Так, длительность существования человеческого рода составляет около миллиона (106) лет, жизни на Земле - около 3,5 -4,0 миллиарда (109 лет). Солнечной системы - 5·109 лет. Наконец, возраст Вселенной составляет около 20·109 лет (6·1017 секунд). Это максимальный промежуток времени, о котором имеет представление наука. Что касается известных сегодня малых промежутков времени, то они таковы. Длительность жизни атомов в возбужденных состояниях составляет примерно 10-10 секунд. Такова же средняя продолжительность жизни большинства нестабильных элементарных частиц. Длительность жизни ядер в возбужденных состояниях составляет примерно 10-15 секунд. Наконец, минимальные промежутки времени, измеренные до сих пор в физике, относятся к процессам, происходящим внутри ядер. Их длительность около 10-23 секунд. Таким образом, отношение максимального к минимальному из известных промежутков времени составляет примерно 1040.

Обсуждавшиеся выше свойства относятся к модельному времени. Его называют "время-параметр" или "геометризированное" время, потому что его описание во многом напоминает описание свойств пространства.

Пространство.

Прежде всего отметим, что для определения положения какого-либо события в пространстве требуется произвести три измерения и указать три числа, называемые пространственными координатами, например, высоту над поверхностью Земли, широту и долготу. Эти три числа при определенных условиях можно выбрать независимыми. Так, положение события А в пространстве может быть задано тремя его прямоугольными координатами х, у, z.

Очевидно, что пространственные координаты одного и того же события относительны: они зависят от выбора начала отсчета пространственных координат и поэтому сами по себе не могут служить объективными характеристиками пространственных отношений.

Однако расстояние между двумя точками на этой оси, отвечающими положениям двух различных материальных объектов достаточно малого размера, уже не зависит от выбора начала отсчета. Иными словами, в данный момент времени расстояние вдоль оси Х инвариантно (неизменно) по отношению к выбору начала отсчета пространственньк координат, поэтому его можно выбирать в качестве объективной характеристики пространственных отношений вдоль оси Х.Обратимся теперь к сравнительному анализу

39

расстояний между различными материальными объектами. Мы имеем непосредственное представление только о размерах объектов и расстояниях между ними, с которыми встречается в повседневной жизни. Наименьшее расстояние, которое воспринимают наши глаза - это толщина человеческого волоса, примерно равная одной десятой, миллиметра т.е. 10-2 см. Рост человека - это примерно 2 м = 2·102 см. Расстояние до линии горизонта на уровне моря составляет 4 км = 4·105 см. Наконец, окружность экватора Земли приблизительно равна 40 тыс. км = 4·109 см.

Более крупные расстояния связаны с Солнечной системой. До Луны в среднем 4·105 км, что только в десять раз превышает размер земного экватора. Можно сказать, что Луна "находится рядом". В то же время среднее расстояние до Солнца составляет уже 1,5·108 км (или 1,5·1013 см), т.е. с "земной" точки зрения очень велико. Расстояние между звездами так велики, что их неудобно измерять в километрах. Для этого используется специальная единица измерения расстояний - световой год (расстояние примерно в 1013 км или 1018 см), которое проходит свет за один год, двигаясь со скоростью С =3·105 км/с.). Так, расстояние до ближайшей к нам звезды Альфа в созвездии Центавра составляет 4,5 световых года. В то же время расстояние до ближайшей галактики - туманности Андромеды - 2·106 световых лет. Наконец, радиус Вселенной равен примерно 20·109 световых лет.

Что касается известных сегодня мелких размеров или расстояний, то они таковы. Размер пылинки около 10-4 см, атома - 10-8 см. В свою очередь, размер ядра атома - 10-13 см. Наименьшее изученное сегодня расстояние, на котором происходят физические процессы внутри ядра, составляет 10-16 см. Таким образом, полная шкала расстоянии, освоенная физикой, охватывает более сорока порядков. Тем удивительнее, что она оказалась способной все это освоить. Как говорил великий ученый Блез Паскаль: "Не огромность мира звезд вызывает восхищение, а человек, который измерил его".

Взаимосвязь пространства и времени. Специальная теория относительности

Систем отсчета бесконечно много, но среди них можно выделить класс так называемых инерциальных. В инерциальных системах отсчета всякие свободно движущиеся объекты движутся равномерно и прямолинейно. Инерциальных систем отсчета можно выбрать сколь угодно, и все они будут относительно друг друга двигаться по инерции.

Нет критерия, благодаря которому мы могли бы предпочесть одну инерциальную систему отсчета другой, также инерциальной. Все инерциальные системы отсчета являются физически эквивалентными, и опыт это подтверждает.

Вклассической механике был известен принцип относительности Галилея: если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе координат, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой, т. е. в инерциальных системах координат. В другой формулировке он звучит так: никакими опытами, проведенными в инерциальной системе отсчета, нельзя доказать, покоится система отсчета или движется равномерно, прямолинейно. Все законы механики во всех инерциальных системах отсчета проявляются одинаково. В инерциальных системах отсчета пространство и время носят абсолютный характер, т. е. интервал времени и размеры тел не зависят от состояния движения системы отсчета.

Вначале XX в. выяснилось, что принцип относительности справедлив также в оптике и электродинамике, т. е. в других разделах физики. Принцип относительности

40