Микромир: концепции современной физики
Представление об атомах, как неделимых единицах вещества, возникшее еще в античные времена, просуществовало до конца XIX века. В это время были сделаны открытия, которые показали сложность строения атома и возможность превращения при определенных условиях одних атомов в другие.
Первые косвенные подтверждения о сложной структуре атомов были получены при изучении катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Изучение этих лучей привело к открытию в 1897 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном электрона - отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. В 1898 г. Д.Д. Томсон определил заряд электрона, а в 1903 г. предложил первую модель атома. Атом, по Д.Д. Томсону, это сгусток материи, обладающий положительным зарядом, в который вкраплено столько электронов, что в целом атом электрически нейтрален. В этой модели предполагалось, что под влиянием внешних воздействий электроны могли двигаться ускоренно. Положительно заряженных частиц внутри атома модель Д. Томсона не предполагала.
Так как атом в целом нейтрален, а электрон имеет отрицательный заряд, ученые выдвинули гипотезу о наличии в атоме положительно заряженных частиц.
Положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 году английским физиком Эрнестом Резерфордом при исследовании движения альфа частиц, выбрасываемых атомами радиоактивных элементов. Альфа-частицы - это положительно заряженные ионы гелия, двигающиеся со скоростью до 20000 км/с на расстояние в воздухе до 11 см. В результате Э. Резерфорд предложил в 1911 г. так называемую планетарную модель атома. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего они остаются на определенных расстояниях от ядра. Так как масса электрона ничтожно мала (около 10-31 кг), то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. На долю ядра и электронов, число которых сравнительно невелико, приходится лишь ничтожная часть всего пространства, занятого атомной системой. Размер ядра атома - около 10-2 см, а самого атома - около 10-8 см.
|
|
|
Изучение альфа-частиц положило начало ядерной теории атома. Важной задачей, стоящей перед теорией строения атома, было определение величины заряда ядра различных атомов. Вследствие того, что атом электрически нейтрален, по заряду атома можно было бы установить количество электронов атома. В решении этой задачи большую роль сыграло изучение спектров рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи отличаются от лучей видимого света меньшей длиной волны (10-3-10-8 м). Они возникают при ударе быстро летящих электронов о какое-либо твердое тело. В результате опытов удалось получить спектры рентгеновских лучей почти всех элементов (например, опыты немецкого физика Макса фон Лауэ (1879-1960 гг.), проведенные им в 1912 г. с кристаллами в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей). В 1913 г. английский ученый, основатель рентгеноспектроскопии Генри Мозли (1887-1915 гг.) вывел соотношение между длинами волн рентгеновских лучей и зарядом ядра атомов элементов (закон Мозли: "Корень квадратный от величины, обратной длине волны, прямо пропорционален заряду ядра"). Стало возможным устанавливать количество электронов в атомах элементов.
|
|
|
В результате развития ядерной теории Э. Резерфорда, учеными в дальнейшем были получены выводы, что структура линейчатых спектров элементов обусловлена колебаниями электронов внутри атома. А так как вращение электрона эквивалентно его колебаниям, оно должно вызвать испускание электромагнитных волн. Поэтому можно предположить, что вращающийся электрон излучает свет определенной длины волны, зависящей от частоты вращения электрона по орбите. Излучая же свет, электрон теряет часть своей энергии, вследствие чего нарушается равновесие между ним и ядром. Для восстановления равновесия электрон должен постепенно приближаться к ядру. При этом также постоянно будет изменяться частота вращения электрона и характер испускаемого им света. В конечном итоге исчерпав всю энергию, электрон должен упасть на ядро и атом прекратит существование. Кроме того, в ходе перемещения электрона к ядру спектр должен быть непрерывным (то есть в нем должны быть представлены все частоты в пределах некоторого интервала), а не линейчатым (то есть в излучении представлены только отдельные частоты). Теория Э. Резерфорда не позволяла объяснить закономерности в распределении линий спектра, да и само существование линейчатых спектров.
|
|
|
Попытка построить качественно новую, квантовую, теорию атома была сделана в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором (1885-1962 гг.). Он предложил, опираясь на результаты Э. Резерфорда, свою модель атома, основанную на двух постулатах (от лат. postulatum - требование): стационарных состояний и частот.
Постулат стационарных состояний состоял в том, что в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны без излучения электромагнитных волн.
|
|
|
Этот первый постулат Н. Бора находился в противоречии с классической теорией. Электрон атома в стационарном состоянии, в соответствии с классической теорией, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантовые значения момента импульса (mv).
Второй постулат Н. Бора (правило частот) состоял в том, что при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией hv = En - Em, равной разности энергий соответствующих стационарных состояний, где: En и Em - соответственно энергии стационарных состояний атома до (En ) и после (Em ) излучения / поглощения; h - постоянная Планка (квант действия), равная ок. 6,626x1034 Дж*с; v - угловая частота соответствующего электромагнитного излучения.
Фотон - это нейтральная элементарная частица (квант электромагнитного поля), являющаяся переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами.
В соответствии со вторым постулатом Н. Бора, переходу электрона со стационарной орбиты m на стационарную орбиту п соответствует переход атома из состояния с энергией Em в состояние с энергией En. Если En > Em (т.е. осуществляется переход электрона с орбиты более удаленной от ядра к менее удаленной), то происходит излучение фотона. Если En < Em (т.е. переход электрона на более удаленную орбиту от ядра, переход атома в состояние с большей энергией), то происходит поглощение электрона. Набор возможных дискретных частот квантовых переходов v = (En Em)/h и определяет линейчатый спектр ядра.
В 1913 г. немецкие физики Джеймс Франк (1882-1964 гг.) и Густав Герц (1887-1975 гг.) - племянник Генриха Герца, экспериментально подтвердили существование стационарных состояний и дискретность значений энергии атомов водорода. Их опыты экспериментально подтвердили оба постулата Н.Бора и сыграли решающую роль в развитии атомной физики.
Но, несмотря на то, что для атома водорода удалось построить количественную теорию спектра, для следующего в периодической системе Д.И. Менделеева атома гелия и других более сложных атомов, построить такую количественную теорию не удалось.
Объяснялось это тем, что теория Н. Бора оказалась внутренне противоречивой. Для нее, с одной стороны, как для атома водорода, используются законы механики И. Ньютона и закон Ш.О. Кулона, а с другой - вводятся квантовые постулаты, никак не связанные с механикой И. Ньютона и электродинамикой Д. Максвелла. Введение в физику квантовых представлений требовало пересмотра механики и электродинамики, что и было сделано во второй четверти XX века.
Квантовая (волновая) механика устанавливает способы описания и законы движения микрочастиц в заданных внешних полях. В отличие от классической, в квантовой механике все частицы выступают носителями и корпускулярных и волновых свойств. Этот так называемый корпускуляр-но-волновой дуализм материи потребовал нового подхода к описанию физических систем и их изменения со временем.
Из квантовой механики следует, что характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (например, координата и импульс) не могут одновременно принимать точные значения (принцип неопределенности).
Отличительной чертой квантовой теории является дискретность возможных значений для ряда физических величин: энергии электронов в атомах, момента количества движения и его проекции на произвольное направление и т.д. В классической механике все эти величины могут меняться лишь непрерывно.
Квантовая электродинамика в своей основе содержит подтвержденное на опыте представление о дискретности электромагнитного излучения. Таким образом, электромагнитному излучению присущи не только волновые (характеризуемые величинами: угловая частота и длина волны), но и дискретные, корпускулярные свойства. Взаимодействие электромагнитного излучения с заряженными частицами рассматривается в квантовой электродинамике как поглощение и испускание частицами фотонов.
Таким образом, постулаты Бора оказались совершенно правильными, но они с возникновением квантовой механики и электродинамики выступали уже не как постулаты, а как следствия этих теорий. Правило же квантования Н. Бора оказалось приближенным следствием, принимаемым далеко не всегда.
В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответить на любой вопрос, касающийся строения и свойств любых элементов.
В 1923 году французский физик Луи де Бройль (1892-1987 гг.), один из основателей квантовой механики, выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма: "Не только фотоны, но и электроны, и любые другие частицы материи, наряду с корпускулярными, обладают волновыми свойствами".
Эта гипотеза была подтверждена в 1927 г. американскими физиками К. Дэвиссоном (1881-1958 гг.) и Л. Джермером (1896-1971 гг.). Открытие волновых свойств микрочастиц способствовало появлению таких методов исследования структуры веществ, как электронография и нейтронография, а также возникновению новой отрасли науки - электронной оптики.
Следует отметить, что волновые свойства микрочастиц нельзя переносить на макрочастицы. Волновые свойства макроскопических тел экспериментально не обнаружены. Длины волн, соответствующие микрочастицам, находятся за пределами доступной наблюдению области. Поэтому считается, что макроскопические тела проявляют только корпускулярные свойства.
В объяснении двойственной корпускулярно-волновой природы микрочастиц определяющее место занимают принципы неопределенности, дополнительности и соответствия. Рассмотрим кратко сущность этих принципов.
Принцип неопределенности. Предложен в 1927 г. немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901-1976 гг.), одним из создателей квантовой механики: "Микрочастица (микрообъект) не может иметь одновременно координату и определенный импульс". Этот принцип является квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам. В классической механике всякая частица движется по определенной траектории, поэтому в любой момент времени можно точно зафиксировать ее координату и импульс. В квантовой механике нельзя утверждать о движении микрочастицы по определенной траектории, об одновременных точных значениях ее координаты и импульса.
Принцип дополнительности. Предложен в 1927 г. Нильсом Бором (1885-1962 гг.): "Получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым". Взаимно дополнительными физическими величинами, характеризующими микрообъект, можно, например, считать: координату элементарной частицы и ее скорость; направление момента импульса и его величину; кинетическую и потенциальную энергия и др. Согласно этому принципу, если, например, имеется точная информация о кинетической энергии элементарной частицы, о ее потенциальной энергии информация отсутствует. Фактически принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем, не связанные с наблюдателем.
Принцип соответствия. Выдвинут в 1923 г. Н. Бором: "Всякая новая более общая теория, являющаяся развитием классической, не отвергает ее полностью, а включает в себя классическую теорию, указывая границы ее применения, причем в определенных предельных случаях новая теория переходит в старую".
Пример: формулы кинематики и динамики релятивистской механики переходят при скоростях, много меньших скорости света, в формулы механики И. Ньютона.
Выше уже упоминалось, что дальнейшему развитию концепции атомизма способствовало открытие Д.Д. Томсоном в 1897 г. электрона и Э. Резерфордом в 1919 г. протона (правда, термин "протон" он предложил только в 1921 г.). В начале XX века открыт фотон. "Годом чудес" для современной физики стал 1932 год, когда английский физик, участник создания американской атомной бомбы Джеймс Чедвик (1891-1974 гг.) открыл нейтрон. В этом же году была создана нейтронно-протонная модель атомного ядра, а из атомной физики выделилось самостоятельное направление - ядерная физика, изучающая структуру и свойства атомных ядер. К ядерной физике тесно примыкает физика элементарных частиц, ядерная энергетика, физика и техника ускорителей заряженных частиц.
1) Дальнейшее проникновение в глубины микромира связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц.
Проблема поиска "первокирпичиков" окружающего мира занимала ученых и философов со времен античности. По-настоящему заняться ее решением оказалось возможным только в XX в., когда были разработаны для этого экспериментальная техника и математический аппарат. Развитие физики элементарных частиц позволило разработать протонно-нейтронную теорию строения ядра атома. Ядро, как и атом, оказалось сложной системой взаимодействующих элементарных частиц. Сегодня выделяют 4 уровня организации микромира:
- молекулярный;
- атомный;
- нуклонный;
- кварковый.
Термин "элементарная частица" первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина "элементарный" применительно к микрообьектам.
Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать.
Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.
Элементарные частицы - это первичные, неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. К настоящему времени известны более 350 элементарных частиц, большинство из которых нестабильны. Микроскопические размеры (10-13 – 10-16 см) и массы (порядок величины массы протона, равной 1,7x10-24 г) элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения. Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием "спин", или собственный момент количества движения микрочастицы, и понятием "квантовое число", выражающее состояние элементарной частицы. Элементарные частицы участвуют во всех видах фундаментальных взаимодействий: гравитационном, электромагнитном, слабом и сильном.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 299; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!