•   Сделать стартовой   •   Добавить в избранное   •   Сегодня
Лекции  
Введение  
Тема 1  
Тема 2  
Тема 3  
Тема 4  
Тема 5  
Тема 6  
Тема 7  
Тема 8  
Тема 9  
Тема 10  
Тема 11  
Тема 12  
Тема 13  
Тема 14  

Скачать  
Введение  
Тема 1  
Тема 2  
Тема 3  
Тема 4  
Тема 5  
Тема 6  
Тема 7  
Тема 8  
Тема 9  
Тема 10  
Тема 11  
Тема 12  
Тема 13  
Тема 14  
  Добро пожаловать на наш информационный ресурс!  

Тема 4

Мир элементарных частиц. Корпускулярно-волновой дуализм.

Люди давно задумались, из чего состоят все тела.
Демокрит ( 300 г. до н.э.) писал в книге "Малый диакосмос": "Начало Вселенной - атомы и пустота, все же остальное существует лишь во мнении. Миров бесчисленное множество, и они имеют начало и конец во времени. И ничто не возникает из небытия, не разрешается в небытие. И атомы бесчисленны по величине и по множеству, носятся же они во вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля. Дело в том, что последние суть соединения некоторых атомов. Атомы же не поддаются никакому воздействию и неизменяемы вследствие твердости".

Аристотель (384-322 гг. до н.э.)считал, что яблоко можно делить до бесконечности (а значит, нет предела бесконечно малым частицам).

Ньютон также рассуждал о частицах, из которых устроен Мир: "Мне кажется, что Бог вначале создал материю в виде сплошных, массивных, твердых, непроницаемых, движущихся частиц таких размеров и форм и с такими другими свойствами и в таких пропорциях к пространству, которые наилучшим образом служат той цели, для которой Он их создал, и что эти простейшие частицы, будучи твердыми, несравненно прочнее, чем любые другие тела, составленные из них; даже настолько прочны, что никогда не изнашиваются и не разбиваются на куски; никакие обычные силы не в состоянии разделить то, что Бог создал сам в первый день творенья!.."
Сегодня мы понимаем, что многие явления связаны с процессами, протекающими в атомах, иными словами, мы вторгаемся в явления микромира. Но в микромире законы обычной механики уже "не работают", нужно было разработать новый подход.

Частица или волна?


Как известно из школьного курса, свет - волна. Но…в 1900г. Планк постулировал, что лучистая энергия (энергия света) переносится отдельными порциями - "квантами", т.е. энергия кванта
E=hn

"Световая частица" - фотон.

Корпускулярно-волновой дуализм - лежащее в основе квантовой механики положение о том, что в поведении микрообъектов проявляются как корпускулярные, так и волновые черты. В классической (неквантовой) физике движение частиц и распространение волн - принципиально различные виду движения. Однако опыты по вырыванию светом электронов с поверхности металлов (фотоэффект), изучение рассеяния света на электронах (эффект Комптона) и ряд других экспериментов убедительно показали, что свет - объект, имеющий, согласно классической теории, волновую природу, - ведёт себя подобно потоку частиц. Таким образом, характерной особенностью микромира является своеобразная двойственность, дуализм корпускулярных и волновых свойств, который не может быть понят в рамках классической физики. Так, возникновение дифракционной картины при рассеянии частиц несовместимо с представлением о движении их по траекториям. С другой стороны, оказалось, что пучок электронов, падающих на кристалл, даёт дифракционную картину, которую нельзя понять иначе, как на основе волновых представлений.
. Давайте проведем мысленный эксперимент: рассмотрим пальбу одновременно из двух пулеметов по одной мишени (рис.2) - если пулеметчик А выпустит 10 пуль, и пулеметчик В – 10 пуль, то в мишень попадет 20 пуль.

Ясно, что не все пули попадут в «десятку», а часть из них окажется около десятки, и функцию распределения пуль в мишень можно представить в виде гладкой кривой - наибольшее число пуль в центре мишени, и чем дальше от центра, тем меньше пуль. Обозначим через Р1 – функцию распределения при стрельбе пулеметчика А, а Р2 - функцию распределения при стрельбе другого пулеметчика В. При одновременной стрельбе пулеметчиков А и В все равно будет гладкая кривая, равная «сумме» двух гладких кривых от отдельных пулеметов: Р=Р1+Р2. Однако в случае использования в качестве патронов маленьких электронов, ситуация изменяется кардинально.

Параллельный пучок моноэнергетических электронов падает на диафрагму с двумя щелями.
В силу того, что электроны обладают волновыми свойствами, на экране, расположенном за диафрагмой, возникает интерференционная картина, состоящая из чередующихся максимумов и минимумов (кривая А). Рассмотрим теперь случай, когда открыта только щель 1, а щель 2 закрыта. Тогда распределение электронов на экране определяется вкладом только от одной щели (кривая 1'). Аналогично, если открыта щель 2 , а щель 1 закрыта, получаем распределение, описываемое кривой 2'. Если бы каждый электрон проходил через вполне определенную щель (1 или 2), то распределение электронов на экране в случае, когда открыты обе щели, описывалось бы кривой В, которая является суммой кривых 1' и 2' и показана на рисунке пунктирной линией. Кардинальное отличие кривой В от наблюдаемой на эксперименте интерференционной картины позволяет сделать заключение, что электрон при движении через диафрагму как бы "видит" обе щели. Только участием обеих щелей в прохождении электрона через диафрагму может быть объяснена возникающая на экране интерференционная картина. Любая попытка определить, через какую щель прошел электрон, неизбежно приводит к нарушению интерференции. Таким образом, мы приходим к выводу, что указать, через какую щель прошел электрон, не нарушая интерференционную картину, невозможно. Отсюда следует, что электрону, как и любой другой микрочастице, нельзя приписать определенную траекторию движения.

Электрон - и частица (с определенной массой и зарядом), и волна?
Наличие у микрочастицы волновых свойств означает, как мы видим, отказ от одного из важнейших понятий классической механики - понятия траектории частицы. Согласно классическим представлениям частица, двигаясь по траектории, в каждый момент времени находится в определенной точке пространства и, следовательно, не может в этот же момент времени находиться в других точках. Согласно квантовым представлениям микрочастица в силу своих волновых может быть обнаружена в один и тот же момент времени в разных точках пространства. Таким образом, для описания движения микрочастиц понятие траектории оказывается, вообще говоря, неприменимым. Какие же свойства классических частиц сохраняются в области микромира?

Это масса, электрический заряд и энергия, которая при взаимодействии частицы с другими телами расходуется так, как если бы частица была сосредоточена в одной точке.

Луи де - Бройль (1892-1987) предложил постулат: корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам.
Для релятивисткой частицы:
Импульс p = mv = mc и энергия E = mc2
Учитывая E = hn и l = c/n, получим: mc2=hn

 или mc = hn/c.

Получаем формулу де-Бройля: l = h/p

Было сделано сильное допущение:


Формула де-Бройля справедлива для всех частиц с импульсом p.
Пример:

Для электрона: me = 9.1x10-28 г, v=108 см/с (близкой к скорости света), l = 10-8 см, т.е. электрон имеет длину волны порядка атомных размеров.

(Детский вопросик: Какую длину волны имеет микрочастица с массой 1/100 мг, движущаяся со скоростью 1000 км/час?).

Для микрообъектов нельзя говорить об одновременном определении координат и импульса: понятие "длина волны в точке" лишено физического смысла.

Гейзенберг в 1927г. сформулировал принцип неопределенности: частица не может иметь одновременно определенную координату х и определенный импульс р, а неопределенность координаты (Dх) и импульса (Dр) связаны соотношением неопределенностей (Гейзенберга):

(Dх)(Dр) >= h

 

Попробуйте сами обсудить проблему: частица находится в точке с определенной координатой х0 (т.е. Dх=0), поэтому ….


Принцип неопределенности говорит о том, что не следует пытаться вычислить точную траекторию электрона вокруг ядра. Можно лишь указать вероятность нахождения электрона в том или ином участке пространства около ядра в любой момент времени. Эта вероятность поддается вычислению с помощью математических методов.

В 1927г. Н.Бор сформулировал принцип дополнительности, согласно которому получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополняющих первые.
Например, исследуя движение электрона с помощью микроскопа (если бы такое было возможно), мы бы наблюдали отраженные от электрона волны света, энергия которых по величине сопоставима с энергией самих исследуемых частиц. Поэтому при выполнении измерений нами неизбежно вносились бы изменения в состояние электрона (местоположение, скорость, направление движения и т.д.). Значит, на основании наших измерений бессмысленно говорить о точном местоположении электрона в каждый момент времени.

Строение атома и элементарные частицы

К началу 30-х годов XX века было известно всего 4 типа элементарных частиц - протоны, нейтроны, электроны и фотоны. Ученым удалось объяснить природу химических элементов, их соединений, испускаемых ими излучений.

Ученые прелагали разные модели строения атома: электроны размазаны по положительно заряженной сфере (а); в атоме помимо электронов в центре есть маленькое ядро (б); атом, предложенный Нильсом Бором - планетарная модель (в) (но помните, это было предложено около ста лет назад!!!)


С помощью планетарной модели удалось объяснить спектры излучений атомов.

 

Сегодняшние представления - как устроен простейший атом водорода?
В 20-е годы прошлого века на смену модели Бора пришла волновая модель электронной оболочки атома, которую предложил австрийский физик Э. Шредингер.Он применил к электрону-волне математические уравнения, описывающие движение волны в трехмерном пространстве. Однако с помощью этих уравнений он предложил рассчитывать не траекторию движения электронов внутри атома, а вероятность найти электрон-волну в той или иной точке пространства вокруг ядра. Общее у волновой модели Шредингера и планетарной модели Бора в том, что электроны в атоме существуют на определенных уровнях, подуровнях и орбиталях. В остальном эти модели не похожи друг на друга. В волновой модели орбиталь - это пространство около ядра, в котором можно обнаружить заселивший ее электрон с вероятностью 95%. За пределами этого пространства вероятность встретить такой электрон меньше 5%. Полученные с помощью математического расчета такие "области вероятности" нахождения в электронном облаке s-, p- и d-электронов показаны на рисунке.


Примерно такую форму в волновой модели атома имеют "области вероятности" существования электронов: s-, p-, и d-орбитали. Ядро атома находится в точке пересечения координат.
Итак, в волновой модели тоже существуют орбитали разных видов: s-орбитали (сферической формы), p-орбитали (похожие на веретено или на объемные восьмерки), а также d-орбитали и f-орбитали еще более сложной формы. Все эти фигуры очерчивают область 95%-ной вероятности найти s-, p-, d- или f-электроны именно в том месте электронного облака, которое ограничено этими сложными фигурами. Области вероятности нахождения разных электронов могут пересекаться. К этому свойству волновой модели следует отнестись спокойно, поскольку она является не столько физической, сколько абстрактной математической моделью электронной оболочки. Однако такая модель обладает хорошей предсказательной силой в отношении химических свойств атомов и молекул.

Разобравшись с атомом, обратим свое внимание на ядро.
Ядро представляет собой центральную часть атома. В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома; по сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра чрезвычайно малы: 10-12-10-13 см.

Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме. Ядерные частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром.

Силы взаимодействия - ядерные, связывают вместе протоны и нейтроны, называемые нуклонами.


Вспомним самый простой атом водорода, который состоит из электрона и ядра (один протон).
Намного более сложный атом: уран - из 92 электронов, вращающихся вокруг ядра из 92 протонов и 143 нейтронов.

Посмотреть распад атомов (видео)

Рассмотрим бета-распад.

Добавление пятой частицы - нейтрино - позволило объяснить природу бета-распада. Оба вектора импульсов должны быть коллинеарны, т.е. направлены вдоль одной прямой. Однако в действительности было обнаружено, что при бета-распаде импульс электрона и импульс ядра отдачи в общем случае неколлинеарны. При бета-распаде было обнаружено, что не сохраняется и момент импульса, и даже нарушается закон сохранения энергии. Но что же делать в случае бета-распада? Паули предположил, что должна существовать неизвестная дотоле частица, которую мы теперь называем нейтрино.
Нейтрино должно было обладать невероятными свойствами - оно не должно иметь ни заряда, ни массы, почти не взаимодействовать с веществом, но при всем том иметь импульс, момент импульса, энергию и двигаться со скоростью света!
Эту частицу нашли через 23 года после ее открытия на "кончике пера"! Нейтрино есть в космических лучах, но из каждых 1012 нейтрино, падающих на Землю, в среднем все, кроме одного (!), проходят сквозь Землю, не испытав взаимодействия.

"Стабильные" частицы:
Автомобиль - проходит 100000 км, т.е. расстояние, в 107 раз превышающее его длину.
Элементарные частицы (за 10-7 с) проходят несколько десятков сантиметров, что в 1015 раз превышает их размеры.

Частицы и античастицы

Электрон и позитрон
При образовании пары позитрон-электрон электромагнитная энергия превращается в массу. При прохождении через вещество позитрон может столкнуться с электроном: при этом произойдет аннигиляция (уничтожение) обеих частиц, и масса-энергия пары появится в виде двух фотонов с полной энергией:
2mec2 (помните, Е=mс2!).
У нейтрино также есть античастица - антинейтрино. Как же так, у частицы нет заряда, а античастица есть?
    Для любой элементарной частицы есть своя античастица.
Частица и ее античастица имеют в точности одинаковые массы, периоды полураспада и типы распада, а также квантовые числа спина, и в то же время - противоположные электромагнитные свойства. Например, для электрона и позитрона электрические заряды имеют разные знаки и векторы спина S и собственного магнитного момента p обладают разной взаимной ориентацией.

    Как обнаружить элементарную частицу?
Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки), оставленные частицами. Фотографии таких треков показаны на рисунках ниже.

    Все частицы делятся на два класса:
  1. Фермионы, которые составляют вещество;
  2. Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие.
    Фермионы подразделяются на лептоны и кварки.
  3. Остальные фундаментальные частицы носят название кварков. Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.

    Заряды кварков дробные - от -1/3e до +2/3e (e - заряд электрона).
    Кварки в сегодняшней Вселенной существуют только в связанных состояниях - только в составе адронов. Например, протон - uud, нейтрон - udd.

     

    Взаимодействия между частицами
    Четыре вида физических взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, слабые,  сильные.
    Слабое и сильное взаимодействия - ядерные.



    Слабое взаимодействие - меняет внутреннюю природу частиц.
    Сильные взаимодействия - обусловливают различные ядерные реакции, а также возникновение сил, связывающих нейтроны и протоны в ядрах.

    Каким же образом осуществляются эти взаимодействия? Механизм взаимодействий один: за счет обмена другими частицами - переносчиками взаимодействия.
    Электромагнитное взаимодействие: переносчик - фотон.
    Гравитационное взаимодействие: переносчики - кванты поля тяготения - гравитоны.
    И фотоны, и гравитоны не имеют массы (массы покоя) и всегда движутся со скоростью света.
    Слабые взаимодействия: переносчики - векторные бозоны.
    Существенным отличием переносчиков слабого взаимодействия от фотона и гравитона является их массивность.
    Переносчики сильных взаимодействий: глюоны (от английского слова glue - клей), с массой покоя равной нулю.

      ВзаимодействиеРадиус действияКонст. взаимдств.
      ГравитационноеБесконечно большой6.10-39
      ЭлектромагнитноеБесконечно большой1/137
      СлабоеНе превышает 10-16 см10-14
      СильноеНе превышает 10-13 см1

    "Большой адронный коллайдер" - крупнейший международный научный проект конца ХХ - начала ХХI в. LHC - ускоритель частиц, в подземном кольцевом туннеле которого длиной 27 км на глубине около 100 м можно сталкивать протоны с небывалой до сих пор энергией - 14 ТэВ (это примерно в миллион раз больше, чем энергия, выделяющаяся в элементарном акте термоядерного синтеза).

    Ученые надеются, что экспериментальные исследования на БАК позволят подойти к решению базовых, фундаментальных проблем образования Вселенной. Среди этих вопросов следующие: Как образовалась Вселенная? Какие законы в ней «работают»? Что такое вещество? Как оно появилось? Какие силы действуют между элементарными частицами?

    Спасибо, что осилили новую тему.

    Мне кажется, это было не сложнее, чем создать такую фигуру:

      Наверх

Дополнительные материалы  

Тема 4

collaider

kvmehanika

orbitals

supersila

Аномалоны - миф или реальность (С.Д.Богданов)

Антиводород впервые пойман в ловушку

Бозон Хиггса (Мартинус Дж. Вельтман)

Всем миром - к тайнам микромира

Итальянцы претендуют на настоящий холодный ядерный синтез

Кварк-глюонная плазма - новое состояние вещества (В.А.Салеев

монополь

Открытие самой тяжелой элементарной частицы (Б.А.Арбузов)

Пределы непостоянства констант

Структура материи (Л.И.Сарычева)

субатомные частицы из пяти кварков

Судьба термоядерного синтеза

элем_част

Японский парусник сфотографировал себя со стороны

 


 


kaplya@softhome.net