Микромир

Открытие сложного строения атома – один из важнейших этапов становления современной физики. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные системы, были сформированы новые представления о свойствах микрочастиц, которые описываются квантовой механикой.

При изучении раздела следует понять, что атом является мельчайшей, химически неделимой, но физически сложно устроенной частицей вещества. Открытие явления радиоактивности А. Беккерелем в 1896 г. и дальнейшее обнаружение Дж. Томсоном первой элементарной отрицательно заряженной частицы – электрона – продемонстрировали всему миру делимость атома.

Рассмотрите первые модели атома: модель «кекса» Дж. Томсона, «планетарную модель» Э. Резерфорда. Необходимо разобраться, каковы недостатки «планетарной» модели, предложенной в 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом. Затем необходимо выяснить, как первая квантовая модель строения атома (Н. Бор, 1913 г.) снимает противоречия, заключенные в планетарной модели атома, а также в чем состоят недостатки модели строения атома по Бору.

Современная теория строения атома основана на законах, описывающих движение микрочастиц. Необходимо осознать, что поскольку массы и размеры микрочастиц чрезвычайно малы по сравнению с массами и размерами макроскопических тел, свойства и закономерности движения отдельной микрочастицы качественно отличаются от свойств и закономерностей движения макроскопического тела, уже давно изученных классической механикой.

В 20-е годы XX века возник новый раздел физики, описывающий движение и взаимодействия микрочастиц – квантовая механика, которая основывается на представлении о квантовании энергии, волновом характере движения микрочастиц и вероятностном (статистическом) методе описания микрообъектов. Вспомните, что значит утверждение о том, что энергия квантуется; выясните, почему квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы.

Фундаментальным в квантовой механике является представление о корпускулярно-волновом дуализме свойств элементарных частиц. Важная особенность явлений микромира заключается в том, что элементарная частица(электрон, нейтрон, протон и др.) ведет себя подобно частице, когда движется во внешнем электрическом или магнитном поле, и подобно волне,когда на своем пути встречается с препятствиями атомных размеров. В последнем случае поведение потока частиц подчиняется волновым законам: наблюдаются явления дифракции, интерференции, отражения, преломления и т. д. В этом состоит суть принципа дополнительности: получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым (координату частицы и ее скорость).

С принципом дополнительности связано и так называемое соотношение неопределенностей, сформулированное в 1927 г. В. Гейзенбергом, в соответствии с которым в квантовой механике невозможно одновременно точно определить и скорость (или импульс p=mv) и положение микрочастицы (ее координаты). Иными словами, чем точнее определены координаты частицы, тем менее определенной становится величина ее скорости.

Более совершенная модель строения атома, так называемая квантово-механическая модель, была предложена в 1924 г. французским физиком Л. де Бройлем. Согласно ей материя обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Иными словами, атом представляет собой систему положительных и отрицательныхзарядов, причем носители этих зарядов (протоны и электроны) одновременно проявляют и свойства волны, и свойства частицы. Состояние электрона в атоме (как и любой другой элементарной частицы) нельзя представить как движение материальной частицы по какой-то орбите. Квантовая механика отказывается от уточнения положения электрона в пространстве, она заменяет классическое понятие точного нахождения частицы понятием статистической вероятностинахождения электрона в данной точке пространства. При этом состояние электронов любого атома (т.е. положение их относительно ядра и относительно друг друга) может быть однозначно охарактеризовано строго определенным набором специальных чисел, названных квантовыми.

После открытия электрона, протона, фотона, и нейтрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц, в том числе позитрон, мезоны, гипероны, нейтрино, антинейтрино и др. На данный момент открыто около 350 микрочастиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом характеристик. Изучите основные характеристики элементарных частиц, которые положены в основу их классификации:

Масса элементарной частицы – это масса частицы в состоянии покоя, которая определяется по отношению к массе электрона. Единственные частицы, имеющие нулевую массу покоя и движущиеся со скоростью света, называются фотоны. По массе все частицы делятся на легкие – лептоны (от греч. «лептос» – тонкий, легкий) и тяжелые – барионы.

Заряд элементарной частицы всегда кратен заряду электрона (-1), который рассматривается в качестве единицы. Существуют также частицы, не имеющие заряда (например, нейтрон, фотон).

Спин элементарной частицы – это собственный момент импульса частицы (вращения вокруг собственной оси). В зависимости от спина частицы делятся на две группы: с целым спином (0,1,2) – бозоны и фермионы – с полуцелым спином (1/2).

Время жизни элементарной частицы определяет ее стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные (резонансные) – 1-22 с и нестабильные -10^-8 – 10^-23с.

В 1964 г. Мюррей Гелл–Манн и независимо от него Дж. Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой все адроны построены из элементарных частиц с дробным электрическим зарядом – кварков.

Кварки – это гипотетические материальные объекты, их экспериментальное наблюдение пока невозможно, однако теоретические положения кварковой гипотезы оказались плодотворными, а теория в целом эвристичной. Кварковая теория позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.

Основные положения кварковой теории (1965 г: Б. Струминский, А. Тавхелидзе, М. Хан, Й. Намбу):

1. Адроны состоят из более мелких частиц – кварков.

2. Кварки – истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны.

3. Кварки обладают дробным зарядом.

4. Кварки различаются спином, ароматом (не тот буквальный «аромат как запах», а особая физическая характеристика) и цветом.

Логическим заключением при рассмотрении данной темы должно стать выяснение различий между классической и квантово-механической интерпретацией явлений и процессов в природе. Принципиально новыми в исследовании микромира в рамках квантовой механики стали следующие положения:

1. Каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами.

2. Вещество может переходить в излучение (связь между различными видами материи – веществом и полем).

3. Можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью.

4. Прибор, исследующий реальность, влияет на нее.

5. Точное измерение возможно только при потоке частиц, но не в случае одной частицы (статистический характер законов в микромире).