Античастицы. Физический вакуум. Квантовая теория поля

Квантовая механика описывает объекты микромира. В 1927 году их было известно три: электрон, протон и фотон (нейтрон – в 1932 г.). Было ясно, что двигаются они со скоростями, близкими к скорости света, и строгое описание их требует применения специальной теории относительности. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов и квантовой механики и теории относительности Эйнштейна и получил формулу для энергии электрона, которой удовлетворяли два решения: одно давало электрон с положительной энергией, другое – неизвестный электрон-двойник, но с отрицательной энергией. Частица была названа позитроном. При встрече позитрона с электроном они аннигилируют (исчезают).

Теория Дирака получила признание после того, как в 1932 году американский физик К. Андерсон обнаружил позитрон в составе космических лучей (в камере Вильсона, помещенной между полюсами электромагнита, позитрон оставлял такой же след, как и рождавшийся одновременно с ним электрон, только этот след был закручен в противоположную сторону).

Так возникло представление о частицах и соответствующих им античастицах, о мирах и антимирах. Была разработана квантовая электродинамика. Суть ее в том, что поле не рассматривается как непрерывная среда. Дирак применил к теории электромагнитного поля правила квантования, в результате чего получил дискретные значения поля.

Считалось, что электромагнитного поля нет, если нет квантов этого поля – фотонов. Следовательно, в этой области пространства должна быть пустота, т.к. специальная теория относительности победила представления об эфире. Сейчас можно сказать, что вакуум пуст только в среднем. В нем постоянно рождается и исчезает огромное количество виртуальных частиц и античастиц. Вакуум в квантовой теории поля определяется как наинизшее энергетическое состояние квантованного поля, энергия которого равна нулю только в среднем. Рождение и исчезновение частиц не нарушают закона сохранения энергии согласно принципу неопределенности Гейзенберга (ΔЕΔt ≥ h)

Кварки

Частиц, называемых элементарными, стало так много, что возникли сомнения в их элементарности. В 1964 году Гел-Манн и независимо от него швейцарская фирма Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой все элементарные частицы построены из трех частиц, названных кварками. Им приписывают дробные квантовые числа, в частности электрический заряд, равный , соответственно для каждого из 3-х кварков

Помимо электрического, кварки обладают цветным зарядом, обусловливающим способность их к сильным взаимодействиям. Принцип Паули не нарушается в протоне и нейтроне, состоящем из 3-х кварков, т.к. они имеют различные цветовые заряды. Назвали заряд цветовым, чтобы подчеркнуть, что смешение 3-х кварков делает протон или нейтрон бесцветным. В квантовой хромодинамике (КХД) различают 3 заряда – красный (R), синий ( B) и зеленый ( G ).

Предполагают, что существует шесть кварков:

Семейство - поколение	Кварки	Лептоны
I	uR, uB, uG u - кварк dR, dB, dG d - кварк	νе - электронное нейтрино
		е - электрон
II	cR, cB, cG c - кварк sR, sB, sG s - кварк	νμ - мюонное нейтрино
		μ - мюон
III	tR, tB, tG t – кварк bR, bB, bG b - кварк	ντ - τ – нейтрино
		τ - τ частица

Ряд экспериментальных данных указывает на реальное существование кварков. Характер рассеяния быстрых электронов протонами свидетельствует о наличии внутри протона 3-х точечных рассеивающих центров с зарядами и . Что согласуется с 3-х кварковой моделью протона. Антикварки считаются окрашенными в дополнительные цвета, дающие в сумме с цветом нулевой цвет.

Кварки могут существовать только внутри адронов и не наблюдаются в свободном состоянии. Появился термин конфайнмент. Причиной такого поведения является необычное поведение сил взаимодействия кварков друг с другом. При малых расстояниях эти силы крайне малы, с увеличением расстояний силы взаимодействия очень быстро растут, не позволяя кваркам вылетать из адрона.

Взаимодействие между кварками осуществляется путем обмена бозоном, называемым глюоном. Это нейтральная безмассовая частица. Главная характеристика ее – цветовой заряд, аналог электрического заряда.

ЛЕКЦИЯ 10

Предмет химии.

Концептуальные уровни в познании веществ

и химические системы

Химия – наука, изучающая состав, свойства и химические превращения веществ, явления, которые сопровождают эти превращения. Менделеев Д.И. в книге «Основы химии» назвал химию учением об элементах и их соединениях.

Химия зарождалась как наука еще в древности. В III-IV в.в. возникла алхимия (превращение неблагородных металлов в благородные). В эпоху Возрождения начали использовать химические исследования для практических целей (металлургия, стеклоделие, керамика и т.д.). Во второй половине XVIII века Р. Бойль сформулировал первое научное определение понятия химического элемента, ввел в химию экспериментальный метод, положил начало химическому анализу.

Превращение химии в подлинную науку завершилось во второй половине XVIII века, когда был сформулирован закон сохранения массы вещества при химических реакциях (М.В. Ломоносов, А.Л. Лавуазье). В начале XIХ века Дж. Дальтон ввел понятие «молекула». Менделеев в 1869 году открыл периодический закон.

Можно выделить следующие уровни в познании веществ:

1. Исследование различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. Химики, как и физики (в концепции атомизма) искали ту первоначальную основу или элемент, с помощью которых пытались объяснить свойства всех простых и сложных веществ.

2. Исследование структуры, т.е. способа взаимодействия элементов веществ. Эксперимент доказывал, что свойства веществ, полученных в химических реакциях, зависят не только от элементов, но и от взаимосвязи элементов.

3. Исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких как температура, давление, скорость протекания реакций и некоторые другие.

4. Четвертый уровень является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связан с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также применением катализаторов, ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне встречаемся с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой.