10044 (Механика микрочастиц)

23

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение________________________________________________________ 3

1. ФОРМИРОВАНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ И КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ. СПЕЦИФИКА ЕЁ ЗАКОНОВ И ПРИНЦИПОВ.______________ 5

2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ «ЭЛЕМЕНТАРНОСТЬ», «ПРОСТОЕ-СЛОЖНОЕ», «ДЕЛЕНИЕ».________________________________________ 10

3. МНОГООБРАЗИЕ И ЕДИНСТВО ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ. ПРОБЛЕМА ИХ КЛАССИФИКАЦИИ.______________________________ 11

Заключение______________________________________________________ 13

Литература______________________________________________________ 14

ВВЕДЕНИЕ:

Современная наука – феномен весьма сложный и неоднозначный. Ее уже невозможно охарактеризовать одним словом, как это было с предшествующими этапами развития науки (античная наука – натурфилософская, средневековая – схоластическая, классическая – метафизическая).

Современная наука – это широкая ассоциация математических, естественно-научных, гуманитарных и технических отраслей, дисциплинарных и междисциплинарных исследований, фундаментальных и прикладных, прочих знаний.

Стимулирующее воздействие на естествознание новых потребностей техники привело к тому, что в начале ХХ в. началась новейшая революция в естествознании, прежде всего, в физике, где был сделан целый ряд ошеломляющих открытий, разрушивших всю ньютоновскую космологию. Сюда относятся открытия радиоактивного распада Э. Резерфордом, светового давления П.Н. Лебедевым, создание теории относительности А. Эйнштейном, изобретение радио А.С. Поповым, введение идеи кванта М. Планком.

Физика как ведущая отрасль всего естествознания играет роль стимулятора по отношению к другим отраслям естествознания. Например: изобретение электронного микроскопа и введение метода меченых атомов вызвало переворот во всей биологии, физиологии, биохимии.

В середине века наряду с физикой лидируют науки, смежные с естествознанием, – космонавтика, кибернетика, а также – химия. Главной задачей химии становится получение веществ с заданными свойствами (материалы для электроники), синтез полимеров (каучук, пластмассы, искусственное волокно), получение синтетического топлива, легких сплавов и заменителей металла для авиации и космонавтики.

Квантовая механика – это теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне.

Ее создание и развитие охватывает период с 1900 г. (формирование Планком квантовой гипотезы) и до 20-х г. ХХ в.

Основная идея квантовой механики состоит в том, что в микромире определяющим является представление о вероятности событий. Все законы квантовой механики – статистические. Статистические законы можно применить только к большим совокупностям, а не к отдельным индивидуумам. На базе квантовой механики невозможно описать точное поведение отдельной частицы, можно лишь предсказать среднее поведение большого числа частиц. Отдельные события можно характеризовать лишь вероятностями их наступления.

В. Гейзенберг делает следующий вывод: «В экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов».

Основное уравнение квантовой механики – волновое уравнение Шрёдингера (1926). Оно не выводится, а постулируется. В квантовой механике оно играет такую же фундаментальную роль, как и уравнения Ньютона в классической механике. Его справедливость подтверждают следствия, вытекающие из него, которые согласуются с опытом (экспериментом). Это уравнение позволяет определить возможные состояния системы, а также изменение состояния во времени.

Состояние микрочастицы характеризуется волновой функцией (пси–функция).

Уравнение Шрёдингера имеет вид

d² / dx² + p² / h² = 0,

где x – координата; р – импульс;

h – постоянная Планка.

не имеет физического смысла, это лишь математическая функция.

Физический смысл имеет квадрат модуля волновой функции: | |² – это вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченном объеме:

,

где V – объем; W – вероятность нахождения частицы.

Т.к. при движении электрона в атоме существенны волновые свойства электрона, то квантовая механика вообще отказывается от классического представления об электронных орбитах. Каждому энергетическому состоянию соответствует своя волновая функция, квадрат модуля которой определяет вероятность обнаружения электронов в единице объема.

2. ФОРМИРОВАНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ И КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ.

СПЕЦИФИКА ЕЁ ЗАКОНОВ И ПРИНЦИПОВ.

Квантовая механика и квантовая физика в основном сфор­мировались в первые два десятилетия XX в. усилиями М. Планка, А. Эйнштейна, Н. Бора, Л. де Бройля, В, Гейзенберга, Э. Шрёдингера и других ученых. Динамическое, однознач­ное, с указанием точной траектории описание движения клас­сической механикой отрицается здесь вероятностно-статисти­ческой картиной взаимодействий. Непрерывность обмена энер­гией в макромире заменяется строгой порционностыо излуче­ний в мире элементарных частиц. В квантовой физике каче­ственно изменились представления о структуре, простоте и сложности микрочастиц, о роли приборов в их познании и т.д.

До конца XIX в. мельчайшей структурной единицей материи считались атомы химических элементов. Открытие Д.И. Мен­делеевым в 1869 г. периодического закона подтолкнуло ученых к выводу о существовании более мелких частиц, свойства ко­торых обусловливают свойства атомов, в том числе и периоди­ческий закон их взаимосвязи. В 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл электрон — первую элементарную части­цу. В 1932 г. после открытия нейтрона картина строения веще­ства казалась в общих чертах окончательно выясненной. Изве­стных к тому времени частиц (протона, нейтрона и электрона) полностью хватало для того, чтобы объяснить строение и свой­ства всех веществ. Протоны и нейтроны, взаимодействуя друг с другом посредством особых ядерных сил (радиус действия 10"¹³ см), образуют атомные ядра, внешнюю оболочку атомов составля­ют электроны, притягивающиеся к ядру дальнодействующими кулоновскими силами (одно из проявлений электромагнитного взаимодействия).

Открытие нового структурного уровня строения материи и квантовых законов движения электронов заложило основы фи­зики твердого тела. Были поняты строение металлов, диэлект­риков, полупроводников, их термодинамические, электричес­кие и магнитные свойства. Открылись пути целенаправленно­го поиска новых материалов с необходимыми свойствами, пути создания новых производств, новых технологий. Большие ус­пехи были достигнуты в результате применения квантовой ме­ханики к ядерным явлениям. Квантовая механика и ядерная физика объяснили, что источником колоссальной энергии звезд являются ядерные реакции синтеза, протекающие при звезд­ных температурах в десятки и сотни миллионов градусов.

Плодотворным оказалось применение квантовой механики к физическим полям. Была построена квантовая теория элект­ромагнитного поля — квантовая электродинамика, объяснив­шая много новых явлений. Свое место в ряду элементарных частиц занял фотон — частица электромагнитного поля, не имеющая массы покоя. Синтез квантовой механики и специ­альной теории относительности привел к предсказанию анти­частиц. Оказалось, что у каждой частицы должен быть как бы свой «двойник» — другая частица с той же массой, но с проти­воположным электрическим или каким-либо другим зарядом. Английский физик П.А. Дирак, основатель релятивистской квантовой теории поля, предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон—позитрон и обратно. Позитрон — античастица электрона — эксперимен­тально был открыт в 1934 г.

Замечательным подтверждением незыблемости закона со­хранения энергии и предсказательной силы теоретической мысли явилось открытие нейтрино. Экспериментально было установ­лено, что при радиоактивном р-распаде из атомного ядра ис­пускаются электроны (или позитроны), обладающие различ­ной энергией. Чтобы согласовать этот факт с законом сохране­ния энергии, швейцарский физик-теоретик В. Паули предпо­ложил, что одновременно с электроном (или позитроном) ядро испускает еще какую-то электрически нейтральную частицу, которая и уносит недостающую часть энергии. Она и была на­звана «нейтрино». Эта частица вылетает из ядра вместе с по­зитроном, а в случае испускания электрона из ядра вылетает «антинейтрино. В случае испускания электрона ((п) в протон (р): п-*р+ е + v, .В случае испускания по­зитрона (е⁺) и нейтрино (v) протон превращается в нейтрон: р -» п + е⁺ + v_t.

В классической физике вплоть до второй половины XIX в. под материей обычно понималось вещество. Электродинами­кой Максвелла положено основание физическому учению о поле как особой форме материи. Но вещество и поле рассматрива­лись отделенными друг от друга. Квантовая механика впервые позволила установить связь вещества и поля. Эксперименталь­ное открытие в 1927 г. диффракции электронов доказало, что микрочастицы вещества и поля имеют двуединую природу — одновременно и корпускулярную, дискретную, и волновую, непрерывную.

В квантовой механике корпускулярные и волновые поня­тия теряют свою «классическую» независимость. Движение мик­рообъектов лишь приближенно может трактоваться в одних слу­чаях как движение «классических» частиц, а в других случаях как распространение «классических» волн. Поэтому при опи­сании явлений атомного масштаба нельзя отвлекаться от тех физических условий, в которых они наблюдаются.

Квантовым величинам присущ характер относительности к средствам на­блюдения, что и делает их отличными от классических вели­чин, которые безотносительны к средствам наблюдения. По­нятие и термин «относительность к средствам наблюдения» ввел впервые наш соотечественник академик В.А. Фок.

Из основных положений квантовой механики вытекает «со­отношение неопределенностей», установленное В. Гейзенбергом.

Для объяснения соотношения неопределенностей Н. Бор выдвинул «принцип дополнительности», противопоставив его принципу причинности. При использовании прибора, позво­ляющего точно измерить координаты частиц, импульс может быть любым и, следовательно, причинная связь отсутствует. Применяя приборы другого класса, можно точно измерить им­пульс, а координаты становятся произвольными. В этом слу­чае процесс, по Н. Бору, совершается якобы вне пространства и времени, т.е. следует говорить либо о причинности, либо о пространстве и времени, но не о том и другом вместе.

В. Гейзенберг выдвинул принцип «неконтролируемого вза­имодействия» частицы с прибором. Неопределенность в зна­чении импульса и координаты, якобы, обусловлена тем, что взаимодействие частицы и прибора может быть познано лишь до некоторого предела, за которым принципиально невозмож­но познать объективные процессы микромира.

Борьбу против индетерминизма в квантовой физике, против отрицания объективных причинных, закономерных связей в мик­ромире вели П. Ланжевен, М.Лауэ, Л. де Бройль, М. Планк, А. Эйнштейн, советские физики С.И. Вавилов, В.А. Фок, Д.И. Блохинцев и другие. Они показывают, что соотношение неопределенностей свидетельствует лишь об ограниченной воз­можности применения понятий классической механики при описании «расплывшихся», одновременно дискретных и вол­новых объектов, какими являются электроны и другие микро­частицы.

Следует различать собственные положения кван­товой физики и естествознания вообще (в данном случае соот­ношение неопределенностей) и их философско-мировоззренческие трактовки, которые могут сильно отличаться друг от друга. И только в результате тщательного анализа можно уста­новить, какая из этих трактовок в наибольшей мере соответ­ствует самому естествознанию, самой объективной природе.

Классическое описание, основанное на законах Ньютона и электродинамике Максвелла, приближенно отражает закономер­ности реальных явлений, применимо при определенных огра­ничениях и являет частные случаи более общих законов Природы.

Современный подход к построению единой теории основы­вается на двух фундаментальных устоях:

• теории относительно­сти

• квантовой механики.

Внутренняя цветовая симметрия, проявляющаяся в законах сохранения, лежит в основе динами­ческой теории взаимодействия кварков, открытых в 1979 г.: по­левая форма материи возникает только при высоких энергиях взаимодействующих частиц (теория цветовых сил).

Но и эти фундаментальные теории не дают универсальных зако­нов. Поэтому в настоящее время формулируются только прин­ципы подхода к установлению всеобщих законов Природы.

Анализируя роль принципов инвариантности, Ю. Вигнер ис­пользовал теорию групп и выделил ряд этапов в познании При­роды:

— в хаосе замечается ряд фактических эмпирических зако­номерностей;

— при выделении свойств природных явлений и их анализе выводятся математические формулировки законов Природы;

— синтез законов выстраивает ряд принципов, позволяющих перейти к новым утверждениям, предсказывающим иные физи­ческие явления и процессы;

— анализируются сами принципы и границы (условия) их выполнения.

Для описания поведения микрочастиц в 20-е годы нашего столетия началась разработка квантовой теории. Впервые на такую необходимость указал В. Гейзенберг в 1927 г., когда сфор­мулировал принцип, ограничивший возможности классическо­го описания поведения микрочастиц.

Принцип неопределенностей (Гейзенберг)

В классической механике можно определить положение и импульс движущейся точки на ее траектории в любой последо­вательный момент времени, если известны силы, действующие на нее.

Микрочастица, обладая и волновыми свойствами, является как бы протяженным объектом и не может одновременно иметь определенную координату и импульс, то есть нельзя утверж­дать, что микрочастица занимает определенное положение, и обладает определенным импульсом. Это особенность поведе­ния микрочастицы. Иными словами, невозможно предсказать поведение каждого атома (как состоящего из этих частиц), а можно вычислить лишь среднее значение экспериментально наблюдаемых величин.

Этот принцип является фундаментальным, определяющим границы применимости классических представлений при опи­сании свойств микромира.

Принцип дополнительности (Бор)

Характеризует двойственность свойств Природы, противо­речивость которых только кажущаяся, а неопределенность ог­раничена лишь возможностями измерительных приборов или методов подхода (см. принцип Гейзенберга) фактически эти па­раметры лишь дополняют друг друга. Как-то: дуализм и нео­пределимость параметров элементарных частиц в физике; целостность и делимость живой природы в биологии; преем­ственность даже отвергнутых концепций в науке и т. д.

На сегодняшний день формирование квантовой и иных уни­версальных теорий не завершено, поэтому укажем лишь основ­ные, отправные ее принципы.

Принцип эквивалентности (Эйнштейна)

Поле сил инерции оказывает на все физические процессы такое же влияние, как и поле тяготения подобной структуры. Таким образом определяется равенство ускорения всех тел в одном и том же гравитационном поле, то есть эффекты тяго­тения и инерции до известной степени эквивалентности.

Принцип относительности (Эйнштейна)

Этот принцип справедлив и в оптике, и электродинамике, и других разделах физики и звучит так: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, равномер­но прямолинейно движущейся, или законы физики имеют оди­наковую форму во всех инерционных системах отсчета. Все системы отсчета были признаны равнозначными, и принцип относительности стал универсальным.

Принцип запрета (Паули)

В данном квантовом состоянии, может, находится только один электрон. Это логически вытекает из модели атома, пред­ложенной Бором: вокруг ядра электроны находятся на кольце­вых орбитах, а положение орбиты зависит от энергетического состояния электрона. На одном кольце может быть не более двух электронов с противо спинами, то есть с таким зарядовым чис­лом они взаимодействуют с окружающим магнитным полем.

Этот принцип позволил не только обосновать периодичес­кую систему элементов, но и объяснить насыщаемость элект­ронных оболочек, свойства пара- и диамагнетиков, квантовую химию и др.; построить современную теорию элементарных ча­стиц и квантовую теорию поля. А на базе квантовой механики затем создали целый ряд современных технологий.

Принцип соответствия