ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 01.01.2020
Просмотров: 2161
Скачиваний: 5
3. Частота света под действием поля тяготения смещается в сторону более низких значений. В результате этого эффекта линии солнечного спектра смещаются в сторону красного цвета, по сравнению со спектрами соответствующих земных источников. Действительно, красное смещение в спектрах небесных тел было обнаружено в 1923-1926 годах при изучении Солнца, а в 1925 г. при изучении спутника Сириуса.
2.4.2 Эволюция представлений о строении атома. Корпускулярно-волновой дуализм.
Атом – электрически нейтральная система, мельчайшая частица химического элемента.
В 1911 году английский физик Э.Резерфорд предложил планетарную модель атома. Эта модель представляла атом как положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны (см. приложение). Общий заряд атома равен нулю, поскольку заряды ядра и электронов равны между собой. В ядре атома сосредоточено 99,9 % массы атома. Ядро атома имеет размером 10-15 - 10-14 м, электроны находятся от ядра на расстоянии от 10 тыс. до 100 тыс. поперечников ядра, т.е. основную часть атома составляет пустое пространство.
Модель атома Резерфорда имеет сходство с строением Солнечной системы, поэтому она называется планетарной. Однако планетарная модель не может объяснить устойчивость атома, так как из-за ускоренного движения и притяжения к ядру электрон должен упасть на ядро. Датский физик Нильс Бор (1885-1962) в 1913 предложил новую теорию строения атома, в основу которой положил следующие постулаты:
-
Постулат стационарных состояний: электроны в атоме могут двигаться только по определенным (разрешенным или стационарным) орбитам, на которых они не излучают и не поглощают энергию. Электрон на каждой орбите обладает определенной энергией Еn. Чем дальше орбита удалена от ядра атома, тем большей энергией обладает электрон, который на ней находится. Этот постулат позволил ответить на вопрос: почему электроны не падают при движении на ядро атома.
-
Правило частот: при переходе с одной стационарной орбиты на другую электрон испускает или поглощает энергию. Поскольку энергии орбит электронов дискретны и постоянны, то и излучение или поглощение энергии происходит порциями (квантами). Второй постулат объяснил прерывность спектра излучения электрона.
Идея квантования физических величин лежит в основе корпускулярно-волнового дуализма частиц. Физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, называются квантованными. Сама идея квантования сформировалась на основе ряда открытий в конце 19-го – начале 20-го века.
Открытие электрона. В 1897 г. был открыт электрон. Его заряд оказался наименьшим в природе, элементарным. Заряд любого тела q равен целому числу элементарных зарядов, т.е. заряд дискретен (квантуется) и равен q=±ne, где е – заряд электрона.
Квантование энергии. В 1900 г. Макс Планк (1858-1947) предложил следующую гипотезу: электромагнитное излучение испускается отдельными порциями – квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения. Гипотеза Планка фактически стала началом новой физики – квантовой физики. Согласно этим представлениям энергия кванта e = h×n, где n - частота, а h – постоянная Планка, равная 6,626×10-34 Дж×с. Она является фундаментальной физической константой (см. приложение).
В 1905 г. А. Эйнштейн расширил границы применения гипотезы Планка предположив, что свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается тоже квантами (названными впоследствии фотонами). Таким образом, свет представляет собой поток световых частиц – фотонов. Как видно, это возвращает нас к корпускулярным воззрениям Ньютона, но на новом уровне. Гипотеза Энштейна позволила объяснить явление фотоэффекта – выбивание электронов из вещества под действием электромагнитных волн.
Таким образом, если в классической физике считалось, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые, сколь угодно близкие значения, то согласно квантовым представлениям, энергия может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии.
Теория Н.Бора, не смотря на очевидные достоинства, все же не могла описать многоэлектронные атомы. Это связано с волновой природой электронов, представлять которые в виде твердых частиц, движущихся по определенным орбитам, ошибочно. В действительности состояние электрона может меняться. Н.Бор предположил, что микрочастицы не являются ни волной, ни корпускулой. При одном типе измерительных приборов они ведут себя как непрерывное поле и проявляют свойства волны (имеют длину, частоту, им свойственны интерференция, дифракция), при другом – как дискретные материальные частицы (имеют массу, движутся со скоростью V). Выяснилось, что представление о точных орбитах движения электронов также ошибочно. Вследствие своей волновой природы электроны скорее «размазаны» по атому, причем неравномерно. В определенных точках плотность их заряда достигает максимума, Кривая, связывающая точки максимальной плотности заряда электрона и представляет его орбиту.
В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу о корпускулярно-волновом дуализме частиц. Она устанавливает единство дискретности и непрерывности материи. Так, например, электрон ведет себя как частица, когда движется в электромагнитном поле, и как волна, когда проходит сквозь кристалл. Эта гипотеза имеет универсальный характер, т.е. все микрочастицы могут вести себя и как волна, и как частица.
На основе представлений о квантово-волновом дуализме частиц были сформулированы принципы, которые в дальнейшем стали носить всеобщий характер.
Принцип дополнительности (1927). Корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми и не могут проявляться одновременно, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Таким образом, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих, но, в то же время, дополняющих друг друга (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях. Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в тоже время противоречат друг другу. При точном измерении одной из дополнительных величин другая претерпевает неконтролируемое изменение.
Принцип дополнительности, как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинное явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь, психика и др. Н.Бор, в частности, видел необходимость применения принципа дополнительности в биологии, что обусловлено чрезвычайно сложным строением и функциями живых организмов, которые обеспечивают им практически неисчерпаемые скрытые возможности.
Принцип соотношения неопределенности Гейзенберга (1927). В.Гейзенберг пришел к выводу о невозможности одновременного точного измерения координаты частицы и ее импульса. В классической механике всякая частица движется по определенной траектории и всегда имеет вполне определенные (точные) значения координаты, импульса, энергии. По-другому обстоит дело с микрочастицей. Микрочастица, обладая волновыми свойствами, не имеет точной траектории движения, а значит, не может иметь одновременно определенных (точных) значений координаты и импульса. Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной. Другими словами, мы можем говорить о значениях координаты и импульса микрочастицы только с некоторой степенью приближения.
Важно заметить, что эта неопределенность не связана с несовершенством наших приборов. Речь о том, что принципиально нельзя определить одновременно координату и импульс частицы точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей. Этого нельзя сделать точно, так же как нельзя превысить скорость света, достичь абсолютного нуля температур, поднять себя за волосы, вернуть вчерашний день.
Принцип соотношения неопределенности и принцип дополнительности указывает на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей. Законы квантовой физики – статистические, и они являются базой для релятивистской квантовой механики.
2.4.3 Классификация элементарных частиц
Элементарные частицы – структурные элементы микромира. Элементарные частицы – это частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома. В настоящее время уже известны сотни элементарных частиц (более 350).
После установления сложной структуры многих элементарных частиц потребовалось ввести новое понятие – фундаментальные частицы. Фундаментальные частицы - это микрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободных частиц.
По свойствам и характеру взаимодействия элементарные частицы принято делить на два класса:
-
фермионы – частицы, составляющие вещество,
-
бозоны - частицы, которые переносят взаимодействие.
Между частицами существует четыре типа взаимодействия, каждое из которых переносится своим типом бозонов.
Фотон, или квант света переносит электромагнитное взаимодействие.
Глюоны осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий, связывающих нуклоны.
Векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые виды распады частиц.
Гравитоны переносят гравитационное взаимодействие.
Характеристиками элементарных частиц являются:
-
масса покоя – это масса покоя частицы, которая определяется по отношению к массе покоя электрона.
Таблица 1. Классификация элементарных частиц по массе
|
Элементарные частицы |
||
|
Андроны (греч. – сильный, большой) |
Лептоны (легкие) |
|
|
Барионы (тяжелые) |
Мезоны (промежуточные) |
|
|
протоны нейтроны гипероны часть «очарованных» |
пи-мезоны к-мезоны |
электроны мюоны фотоны m=0 нейтрино тау-нейтрино электронные нейтрино мюонные нейтрино |
-
электрический заряд. Заряд элементарной частицы всегда кратен заряду электрона, который рассматривается в качестве единицы заряда. Заряд частицы может быть отрицательным (электрон), положительным (протон, позитрон), нулевым (нейтрон, нейтрино, фотон), целым или дробным (кварки).
-
спин - собственный момент импульса частицы. В зависимости от спина частицы делятся на две группы: с целым спином (0,1,2) – бозоны, с полуцелым спином (+1/2, -1/2) – фермионы.
-
время жизни. Время жизни элементарной частицы определяет ее стабильность: стабильные (фотон, нейтрино, протон, электрон); нестабильные - их большинство, время жизни 10-10 – 10-24 с, они распадаются в результате сильного и слабого взаимодействия; квазистабильные (резонансные) – время жизни 10-24 – 10-26 с, они распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия
-
специфические характеристики: квантовые числа, барионный заряд, лептонный заряд, гиперзаряд, странность и т.п.
В 1964 году была создана теория кварков. Кварки – это гипотетические материальные объекты, истинно элементарные, бесструктурные частицы. На сегодняшний день они являются фундаментальными частицами, своего рода «кирпичиками» микромира.
Кварки имеют дробный заряд, также различаются спином, ароматом и цветом. Аромат и цвет кварка не имеет никакого отношения к аромату и цвету, понимаемому буквально (аромат цветов, оптический цвет), это условные названия определенных физических характеристик. Считается, что существует шесть видов кварков, различающихся ароматом (верхний, нижний, странный, очарование, прелесть, истинность) и каждый кварк имеет один из трех возможных цветов (красный, зеленый, синий). Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом. Кварки объединяются тройками, образуя барионы, или парами, образуя мезоны. Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Сейчас теория кварков продолжает развиваться и уточняться
2.4.4 Типы фундаментальных взаимодействий
Способность к взаимодействию – важнейшее свойство материи. Именно взаимодействия обеспечивают объединение различных объектов мега- макро- и микромира в системы. В настоящее время все виды взаимодействий сводятся к четырем типам, которые называются фундаментальными: — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое (см. приложение).
Гравитационное взаимодействие. Источником гравитационного взаимодействия является масса тела, оно проявляется через взаимное притяжение тел согласно закону всемирного тяготения Ньютона.
Сила любого взаимодействия характеризуется его константой. Для гравитационного взаимодействия константа взаимодействия равна 10-38, поэтому гравитационное взаимодействие является самым слабым из фундаментальных взаимодействий
Гравитационное взаимодействие проявляется на любых расстояниях, однако оно наиболее значительно в мега-мире. В микромире из-за малых масс объектов гравитационные силы не существенны. Носителями гравитационного взаимодействия являются гравитоны.
Электромагнитное взаимодействие связано с существованием электрических и магнитных полей, оно возникает между заряженными частицами. Электромагнитные сила могут быть как силами притяжения (разноименно заряженные частицы), так и силами отталкивания (одноименно заряженные частицы). Константа взаимодействия равна 10-2, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны. Электромагнитное взаимодействие, как и гравитационное, проявляется в микро-, макро- и мегамире, т.е. на любых расстояниях.
Слабое взаимодействие проявляется в некоторых видах ядерных процессов. За счет слабого взаимодействия в процессе радиоактивного распада нейтроны ядра распадаются на три типа частиц: положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтрино.
Слабое взаимодействие значительно меньше электромагнитного, но сильнее гравитационного, его константа равна 10-14. Оно проявляется на очень малых расстояниях (10-22 см) и объясняет процессы радиоактивности (распад ядер атомов). За счет слабого взаимодействия светит Солнце, происходит эволюция звезд. Переносчики слабого взаимодействия – бозоны.