КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ ОПИСАНИЯ МИКРОМИРА

1. КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ ОПИСАНИЯ МИКРОМИРА

Понятие и принципы классической физики оказались неприемлемыми и к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи, которые называют микрообъектами (электроны, протоны, нейтроны и др.). Они образуют невидимый для нас микромир, поэтому свойства видимого нами микромира не похожи на свойства объектов макромира. Это привело к созданию новой науки – квантовой механики, изучающей законы движения и взаимодействия объектов микромира.

Оказалось, что на микроуровне одни и те же объекты обнаруживают как корпускулярные, так и волновые свойства (Макс Планк 1900 год – год рождения квантовой механики). Макс Планк изучал процесс излучения абсолютно черного тела, он пришел к выводу, что излучение энергии происходит не непрерывно – отдельными дискретными порциями - квантами.

Позднее эта гипотеза была обоснована Эйнштейном, который создал квантовую теорию света. В 1905 году он применил квантовые представления при объяснении фотоэффекта (нобелевская премия), понял, что свет имеет прерывистую структуру. Он назвал его фотоном.

Это означало признание корпускулярных свойств света.

Возникала парадоксальная ситуация: в одних опытах (фотоэффект) свет обнаруживал корпускулярные свойства, в других (дифракция, интерференция) – волновые свойства. Это означало, что свет имеет сложную природу, обладая одновременно корпускулярными и волновыми свойствами – корпускулярно-волновой дуализм (двойная природа света).

Дэвисон и Джермер экспериментально доказали, что частицы также обладают корпускулярно-волновую теорию.

В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул идею об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, предположив, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.

В 1927 году эту гипотезу экспериментально подтвердили Дэвисон и Джермер. После этого признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим.

Итак, всем микрообъектам присущи и корпускулярные и волновые свойства. Для них существует потенциальная возможность проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы. На основе этих представлений в 1927 году физик Бор сформулировал принцип дополнительности, согласно которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимодополняют друг друга. Поэтому полную информацию о свойствах микрообъекта можно получить только при учете и корпускулярной и волновой картин, они взаимно дополняют друг друга.

В 1927 году Гейзенберг выдвинул принцип неопределенности, согласно которому невозможно одновременно точно определить координаты, т.е. местоположение и ее импульс.

В классической физике предлагается, что всякая частица, движущаяся по определенной траектории, поэтому в любой момент времени можно точно фиксировать ее координаты и импульс, микрочастицы же из-за наличия у них волновых свойств, не движутся по определенной траектории, поэтому если мы получим точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной и наоборот. Таким образом, для микрочастиц не существует состояния, при котором ее координаты и импульс имели бы одновременно точное значение. С точки зрения квантовой механики предсказание поведения микрообъектов имеет вероятностный характер. Законы квантовой физики – статистические, законы классической физики – динамики.

2. АТОМИСТИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ СТРОЕНИЯ МАТЕРИИ

Атомистическая гипотеза строения материи выдвинута в античности Демокритом. В 18 веке доказана реальность существования атомов. Но вопрос о внутреннем строении атомов не возникал, т.к. они считались неделимыми.

Исследования строения атома началось с открытия в 1790 году Томпсоном электрона. Он предложил первую модель атома, согласно которой электроны плавают внутри положительно заряженной сферы. Но эта модель существовала недолго. В 1711 году Резерфорд обнаружил, что в атомах существуют ядра, и создал планетарную модель атома: в центре атома положительно заряженное ядро, вокруг него по разным орбитам вращаются электроны, как планеты вокруг Солнца. Но эта модель столкнулась с 2-мя основными трудностями. Из этого следовало, что движущийся с ускорением электрон должен изучать электромагнитные волны и впоследствии этого упасть на ядро, разрушив атом. Однако опыт показывает, что атомы – это устойчивые образования, из этого следует, что испускаемый атомами свет должен иметь непрерывный спектр, тогда как они линейчатые.

В 1917 году Нильс Бор предложил качественно новую квантовую модель атома.

Бор взял за основу планетарную резерфорда, он дополнил ее 2-мя постулатами, совершенно несовместимыми с классической физикой:

1.   В атоме существуют несколько стационарных орбит, двигаясь по которым электрон не излучает энергию (устойчивость атомов объяснил этот постулат)

2.   При переходе атома от одной стационарной орбиты на другую он испускает или поглощает квант энергии (непрерывность, линейчатость спектра атомов).

Модель Бора точно описывала атом водорода, но испытывала трудности при объяснении многоэлектронных атомов. Теория Бора была важна в квантовой механике, но она обладала внутренними противоречиями:

В ней используются законы классической физики, но одновременно вводятся квантовые постулаты, современная теория атома основана на квантовой механике, согласно которой не существует вполне определенных круговых орбит, как в теории Бора. В силу волновой природы электрон «размазан» в пространстве. Мы не можем предсказать траекторию, по которой будет двигаться электрон, а можем лишь вычислить вероятность обнаружения электрона в разных точках. Подобная ситуация отличалась от классической физики.

3. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Элементарные частицы (в буквальном значении этого термина) – это первичные неделимые частицы, из которых по предположению состоит вся материя.

В современной науке этот термин означает частицы, входящие в состав атома.

В конце 19-го начале 20-го веков были открыты составные элементы атомов: электрон, протон, нейтрон.

Далее в результате исследований космических лучей были обнаружены десятки новых элементарных частиц. Сегодня известно около 400 тыс. элементарных частиц. Большинство из них имеют античастицы (отличаются знаком заряда) и некоторыми другими свойствами.

При столкновении частицы и античастицы происходит взаимное уничтожение (аннигиляция) с появлением других частиц.

4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

1.   Наличие у них массы покоя. В соответствии с их массой частицы подразделяются на лептоны (легкие частицы), барионы (тяжелые частицы) и мезоны (средние частицы).

Имеются частицы, которые не имеют массы покоя, например, фотон.

2.   Заряд характеризует связь с электрическим полем. Частицы могут иметь положительный, отрицательный и нулевой заряд.

3.   Время жизни (стабильные: электрон, протон, фотон, нитрино). Все остальные нестабильны, врем жизни от 10‾¹⁰ с до 10‾²⁰ с.

4.   Спин – собственный момент количества движения частицы, который может иметь целые и полуцелые значения.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ:

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий.

1.   Сильное (самое сильное из всех). Обуславливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. Действует на очень маленьких расстояниях. Радиус действия ограничен размером ядра.

2.   Электромагнитное. Присуще только элементарным частицам, поэтому в зависимости от знака заряда может проявляться как притяжение, так и отталкивание. Приблизительно в 100 раз слабее сильного, но радиус действия практически неограничен. Благодаря нему возникают атомы, молекулы и микроскопические тела. Оно обусловливает также физические и химические свойства вещества.

3.   Слабое (слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного). Обладает очень малым радиусом действия, поэтому его влияние распространяется на субатомные частицы. Оно ответственно за распады частиц.

4.   Гравитационное – универсальное, присущее всем материальным объектам. Является самым слабым взаимодействием. Поэтому его роль в микромире ничтожна. В космических масштабах ему принадлежит определенная роль. Радиус действия бесконечен.

Главная проблема современной физики – объединение всех физических взаимодействий, поиск единой теории поля.

В 70-е годы 20 века Вайнберг и Салаам (нобелевская премия) сумели объединить электромагнитное и слабое взаимодействие, создав теорию электрослабых взаимодействий.

Сегодня разрабатывается теория модели для универсального объединения 3 взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное) – так называемое Великое объединение.

Физики допускают, что может быть создана единая теория всех 4 фундаментальных взаимодействий на основе одного фундаментального взаимодействия – суперсилы.