Открытие микромира. Принципы квантовой физики

1. Открытие микромира. Принципы квантовой физики

Фундаментальные открытия в области физики конца XIX – начала ХХ вв. обнаружили, что физическая реальность едина и обладает как волновыми свойствами, так и корпускулярными. Исследуя тепловое излучение, М. Планк пришел к выводу, что в процессах излучения энергия отдается не в любых количествах и непрерывно, а лишь определенными порциями – квантами.

Квант – мельчайшая постоянная порция излучения.

Эйнштейн распространил гипотезу Планка о тепловом излучении на излучение вообще и обосновал новое учение о свете – фотонную теорию. Структура света является корпускулярной. Световая энергия концентрируется в определенных местах, и поэтому свет имеет прерывистую структуру – поток световых квантов, т.е. фотонов. Фотон – особая частица (корпускула). Фотон – квант энергии видимого и невидимого света, рентгеновского и гамма-излучений, обладающий одновременно свойствами частицы и волны, не имеющий массы покоя, имеющий скорость света, при определенных условиях порождает пару позитрон+электрон. Эта теория Эйнштейна объясняла явление фотоэлектрического эффекта – выбивание из вещества электронов под действием электромагнитных волн. Наличие фотоэффекта определяется частотой волны, а не ее интенсивностью. За создание фотонной теории А. Эйнштейн получил в 1922 году Нобелевскую премию. Эта теория была экспериментально подтверждена через 10 лет американским физиком Р.Э. Милликеном.

Парадокс: свет ведет себя и как волна, и как поток частиц. Волновые свойства проявляются при дифракции и интерференции, корпускулярные – при фотоэффекте.

Новая теория света привела Н. Бора к разработке теории атома. В ее основе 2 постулата:

1. В каждом атоме имеется несколько стационарных орбит электронов, движение по которым позволяет электрону существовать без излучения.

2. Когда электрон переходит из одного стационарного состояния в другое, атом излучает или поглощает порцию энергии.

Такая модель атома хорошо объясняла атом водорода, однако многоэлектронные атомы она не объясняла, т.к. теоретические результаты расходились с данными экспериментов. Эти расхождения впоследствии были объяснены волновыми свойствами электронов. Это означало, что электрон, будучи частицей, не твердый шарик и не точка, он имеет внутреннюю структуру, которая изменяется в зависимости от его состояния. Модель атома, изображающая его структуру в виде орбит, по которым движутся точечные электроны, на самом деле создана для наглядности, ее нельзя понимать буквально. (Это – аналогия отношений, а не предметов.) В действительности не существует таких орбит, электроны распределены в атоме не равномерно, а таким образом, что усредненная плотность заряда в каких- то точках больше, а в каких-то меньше. Орбитой электрона формально называется кривая, которая связывает точки максимальной плотности. Невозможно наглядно представить процессы, происходящие в атоме, в виде механических моделей. Классическая физика не может объяснить даже простейшие опыты по определению структуры атома.

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль в своей работе «Свет и материя» высказал идею о волновых свойствах всей материи. Австрийский физик Э. Шрёдингер и английский физик П. Дирак дали ее математическое описание. Эта идея позволила построить теорию, охватывающую корпускулярные и волновые свойства материи в их единстве. Кванты света при этом становятся особым строением микромира.

Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм привел к созданию квантовой механики. В ее основе лежат два принципа: принцип соотношения неопределенностей, сформулированный В. Гейзенбергом в 1927 г.; принцип дополнительности Н. Бора. Принцип Гейзенберга гласит: в квантовой механике нет таких состояний, в которых местоположение и количество движения имели бы вполне определенное значение, нельзя одновременно знать оба параметра – координату и скорость, то есть невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастицы.

Н. Бор сформулировал принцип дополнительности следующим образом: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего». Противоре­чия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов – это результат неконтролируемого взаимодействия микрочастиц с приборами: в одних приборах квантовые объекты ведут себя как волны, в других – как частицы. Из-за соотноше­ния неопределенностей корпускулярная и волновая модели описания кванто­вого объекта не противоречат друг другу, т.к. никогда не предстают одновре­менно. Таким образом, в зависимости от эксперимента объект показывает либо свою корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Дополняя друг друга, обе модели микромира позволяют получить его общую картину.

2. Классификация элементарных частиц

Проникновение в микромир связано с открытием элементарных частиц: в конце Х1Х в. был открыт электрон, в начале ХХ в. – фотон, протон, позитрон и нейтрон. После второй мировой войны стали использовать ускорители, создаю­щие условия высоких энергий и огромных скоростей, и установили существова­ние более трехсот элементарных частиц. Исторически сложившийся термин «элемен­тарные» продолжает использоваться, хотя его условность давно осознали.

Характеристики элементарных частиц: масса, заряд, время жизни, спин и квантовые числа. Масса покоя элементарных частиц определяется по отношению к массе покоя электрона. Не имеет массы покоя только фотон. По массе покоя частицы делятся на лептоны (легкие частицы: электрон и нейтрино); мезоны (средние частицы: масса от одной до тысячи масс электрона); барионы (тяжелые частицы: масса свыше тысячи масс электрона, в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы). Частицы имеют положительный, отрицательный или нулевой заряд. Каждой частице соответствуют античастицы с противоположным зарядом (кроме фотона и двух мезонов). В 60-гг. ХХ в. появилась гипотеза о существовании частиц с дробным электрическим зарядом – кварков. По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. К стабильным относятся фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон, они играют важнейшую роль в структуре макромира. Все остальные частицы относятся к нестабильным, они существуют около 10^-10– 10^-24 сек., а потом распадаются. Резонансами называются частицы со временем жизни 10^-23 – 10^-22 сек. Эти частицы распадаются еще до того, как покинут атом или ядро. Спин (от англ. – волчок, вращение) – собственный момент количества движения частиц. Свобода и поведение частиц существенно зависит от того, целое или полуцелое значение имеет спин.

Исходя из значения спина, элементарные частицы делятся на две группы: с полуцелым спином – фермионы (электрон, протон, нейтрон; поля фермионов остаются квантованными и обеспечивают переход в частицы); с целочисленным спином – бозоны (фотон, спин =1; поля бозонов переходят в классические поля, например, электромагнитное поле – свет, радиоволны). Фермионы образуют атом вещества, бозоны образуют излучение.

Фермионы делятся на класс лептонов и класс кварков. Лептоны включают 6 частиц и 6 античастиц (электрон, мюон, тау-лептон, 3 вида нейтрино). Лептоны играют важную роль в структуре мира. Кварки – электрически заряженные частицы, обладают «ароматом» и «цветом». Это – квантовые числа, выражающие определенные состояния частицы. Поскольку электрические заряды кварков имеют дробные значения, их экспериментальные поиски оказались безуспешными. Возникло предположение, что существование в природе дробного заряда возможно при условии, что кварки образуют связанные объединения, в которых суммарный электрический заряд равен либо 0, либо 1.

Кварки группируются по 2, 3 частицы, образуя адроны. Адроны делятся на 3 группы: барионы (комбинации из 3-х кварков), сюда относятся протон и нейтрон – фундаментальная основа атомных ядер; мезоны (сочетание кварка и антикварка), третья группа содержит частицы, образованные сочетанием трех антикварков, сюда относятся антипротон и антинейтрон, т.е. то, что составляет основу антивещества. Адроны – лишь небольшая часть всех образующихся из кварков частиц. Большую часть их составляют резонансы (нестабильные частицы).