Elementárne častice a ich vlastnosti ako fyzika mikrosveta. Fyzika mikrosveta a megasveta. Atómová fyzika Objav modernej fyziky týkajúci sa štruktúry mikrokozmu

Kvantová optika. Fyzika mikrosveta. Molekulárna fyzika.

Tepelné žiarenie- elektromagnetické žiarenie so spojitým spektrom, vyžarované zohriatymi telesami v dôsledku ich tepelnej energie.

Príklad Tepelné žiarenie je svetlo zo žiarovky.

Sila tepelného žiarenia objektu, ktorý spĺňa kritériá absolútneho čierneho telesa, je opísaná Stefan-Boltzmannov zákon.

Je popísaný vzťah medzi emisnými a absorpčnými schopnosťami telies Kirchhoffov zákon o žiarení.

Tepelné žiarenie je jedným z troch základných typov prenosu tepelnej energie.

Rovnovážne žiarenie je tepelné žiarenie, ktoré je v termodynamickej rovnováhe s hmotou.

Hlavné kvantitatívne charakteristiky tepelného žiarenia sú:
- energetická svietivosť je množstvo energie elektromagnetického žiarenia v celom rozsahu vlnových dĺžok tepelného žiarenia, ktoré je vyžarované telesom vo všetkých smeroch z jednotky povrchu za jednotku času: R = E/(S t), [J/(m 2 s)] = [W /m 2 ] Svietivosť energie závisí od povahy telesa, teploty telesa, stavu povrchu telesa a vlnovej dĺžky žiarenia.
- spektrálna hustota svietivosti - energetická svietivosť telesa pre dané vlnové dĺžky (λ + dλ) pri danej teplote (T + dT): R λ, T = f(λ, T).
Energetická svietivosť telesa v rámci určitých vlnových dĺžok sa vypočíta integráciou R λ, T = f(λ, T) pre T = konštanta:

absorpčný koeficient- pomer energie absorbovanej telom k energii dopadajúcej. Ak teda žiarenie z toku dФ inc dopadá na teleso, potom sa jeho jedna časť odráža od povrchu telesa - dФ neg, druhá časť prechádza do tela a čiastočne sa mení na teplo dФ abs a tretia časť , po niekoľkých vnútorných odrazoch prechádza cez teleso smerom von dФ inc : α = dФ abs./dФ dole.

Stefan-Boltzmannov zákon- zákon žiarenia čierneho telesa. Určuje závislosť sily žiarenia absolútne čierneho telesa od jeho teploty. Vyhlásenie zákona:

kde je stupeň čiernosti (pre všetky látky, pre absolútne čierne teleso). Pomocou Planckovho zákona pre žiarenie možno definovať konštantu ako

kde je Planckova konštanta, je Boltzmannova konštanta a je rýchlosť svetla.

Číselná hodnota J s −1 m −2 K −4.

Zákon objavili nezávisle J. Stefan a L. Boltzmann za predpokladu, že hustota energie žiarenia je úmerná jeho tlaku. Potvrdil Leo Graetz v roku 1880.

Je dôležité si uvedomiť, že zákon hovorí len o celkovej vyžarovanej energii. Rozloženie energie v spektre žiarenia popisuje Planckov vzorec, podľa ktorého v spektre existuje jediné maximum, ktorého polohu určuje Wienov zákon.

Kirchhoffov zákon o žiarení.

V modernom znenie 3 Zákon znie takto:

Pomer emisivity ľubovoľného telesa k jeho absorpčnej schopnosti je pre všetky telesá pri danej teplote pre danú frekvenciu rovnaký a nezávisí od ich tvaru a chemickej povahy.

Je známe, že keď elektromagnetické žiarenie dopadne na určité teleso, časť sa odrazí, časť pohltí a časť sa môže preniesť. Podiel žiarenia absorbovaného pri danej frekvencii sa nazýva absorpčná kapacita telo. Na druhej strane každé zohriate teleso vyžaruje energiu podľa nejakého zákona tzv emisivita tela.

Hodnoty a môžu sa značne líšiť pri pohybe z jedného telesa na druhé, avšak podľa Kirchhoffovho zákona o žiarení pomer emisných a absorpčných schopností nezávisí od povahy tela a je univerzálnou funkciou frekvencie ( vlnová dĺžka) a teplota:

Podľa definície absolútne čierne teleso absorbuje všetko žiarenie, ktoré naň dopadá, teda pre neho. Preto sa funkcia zhoduje s emisivitou absolútne čierneho telesa, opísanou Stefanovým-Boltzmannovým zákonom, v dôsledku čoho emisivitu akéhokoľvek telesa možno nájsť len na základe jeho absorpčnej kapacity.

Skutočné telesá majú absorpčnú kapacitu menšiu ako jednota, a teda aj emisivitu menšiu ako absolútne čierne teleso. Telesá, ktorých absorpčná kapacita nezávisí od frekvencie, sa nazývajú sivé. Ich spektrá majú rovnaký vzhľad ako spektrá absolútne čierneho telesa. Vo všeobecnosti absorpčná kapacita telies závisí od frekvencie a teploty a ich spektrum sa môže výrazne líšiť od spektra absolútne čierneho telesa. Štúdiu emisivity rôznych povrchov ako prvý uskutočnil škótsky vedec Leslie pomocou vlastného vynálezu - Leslieho kocky.

Fotoelektrický efekt (fotoelektrický efekt) je fenomén interakcie svetla s hmotou, v dôsledku čoho sa energia fotónov prenáša na elektróny látky. Pre pevné a kvapalné telá sa líšia vonkajší a vnútorný fotoefekt. S vonkajším Pri fotoelektrickom jave je absorpcia fotónov sprevádzaná emisiou elektrónov mimo tela. S vnútorným Pri fotoelektrickom jave zostávajú elektróny odtrhnuté od atómov, molekúl a iónov vo vnútri látky, ale menia sa energie elektrónov. V plynoch Fotoelektrický jav pozostáva z fenoménu fotoionizácie - odstraňovania elektrónov z atómov a molekúl plynu vplyvom svetla.

Kvalitatívny pohľad na charakteristiku prúdového napätia fotočlánok, teda závislosť fotoprúdu od napätia medzi katódou a anódou pre prípad konštantného svetelného toku dopadajúceho na katódu, je znázornená na obr. 1.13.

Ryža. 1.13.

Kladné napätie zodpovedá zrýchľovaciemu elektrickému poľu, do ktorého dopadajú elektróny unikajúce z katódy. Preto v oblasti kladných napätí všetky elektróny emitované katódou dosiahnu anódu, čo spôsobuje saturačný fotoprúd.

Mierny pokles fotoprúdu pri malej kladnej hodnote napätie, ktoré sa pozoruje pri experimentoch, je spojené s rozdielom kontaktného potenciálu medzi katódou a anódou. Nižšie, pri diskusii o zákonoch fotoelektrického javu, zanedbáme vplyv rozdielu kontaktného potenciálu.

Pri zápornom napätí Elektrón vyžarovaný katódou sa dostáva do brzdného elektrického poľa, ktoré dokáže prekonať len vtedy, ak má určitú zásobu kinetickej energie. Elektrón s nízkou kinetickou energiou, ktorý vyletel z katódy, nemôže prekonať brzdné pole a dostať sa k anóde. Takýto elektrón sa vracia na katódu bez toho, aby prispel k fotoprúdu. Preto plynulý pokles fotoprúdu v oblasti záporných napätí naznačuje, že fotoelektróny unikajúce z katódy majú rôzne hodnoty kinetickej energie.

Pri nejakom zápornom napätí, ktorého hodnota sa nazýva spomaľovacie napätie (potenciál), sa fotoprúd rovná nule. Zodpovedajúce spomaľujúce elektrické pole oneskoruje všetky elektróny unikajúce z katódy, vrátane elektrónov s maximálnou kinetickou energiou.

Meraním retardačného napätia možno zo vzťahu určiť túto maximálnu energiu alebo maximálnu rýchlosť fotoelektrónov

Nasledujúce boli stanovené experimentálne Základné princípy fotoelektrického javu:

1. Pre monochromatické svetlo určitej vlnovej dĺžky je saturačný fotoprúd úmerný svetelnému toku dopadajúcemu na katódu.

2.Maximálna kinetická energia fotoelektrónov nezávisí od veľkosti svetelného toku, ale je určená iba frekvenciou žiarenia.

3. Každá katódová látka má svoju vlastnú medznú frekvenciu, takže žiarenie s frekvenciou fotoelektrického javu nespôsobuje fotoelektrický efekt. Táto medzná frekvencia sa nazýva červená medzná frekvencia fotoelektrického javu. Na stupnici vlnových dĺžok zodpovedá vlnovej dĺžke červenej hranice tak, že fotoelektrický efekt z daného kovu spôsobuje žiarenie len s kratšou vlnovou dĺžkou.

(1,55) sa volá Einsteinova rovnica pre vonkajší fotoelektrický jav. Tu je maximálna energia fotoelektrónov.

Priamym dôsledkom tejto rovnice je druhý a tretí zákon fotoelektrického javu. Z (1.55) totiž vyplýva, že maximálna energia fotoelektrónov závisí od frekvencie žiarenia dopadajúceho na kov. Okrem toho, ak , potom by sa nemal pozorovať fotoelektrický efekt. Odtiaľto pre frekvenciu a vlnovú dĺžku červenej hranice fotoelektrického javu získame jednoduché vzorce

z čoho vyplýva, že tieto charakteristiky sú úplne určené hodnotou funkcie práce elektrónov z kovu.

Fotón- elementárna častica, kvantum elektromagnetického žiarenia (v užšom zmysle - svetlo). Je to bezhmotná častica, ktorá môže existovať iba pohybom rýchlosťou svetla. Elektrický náboj fotónu je nulový. Fotón môže byť iba v dvoch spinových stavoch s projekciou spinu do smeru pohybu (helicita) ±1. Táto vlastnosť v klasickej elektrodynamike zodpovedá kruhovej pravej a ľavej polarizácii elektromagnetickej vlny. Fotón ako kvantová častica sa vyznačuje vlnovo-časticovou dualitou, súčasne vykazuje vlastnosti častice a vlny. Fotóny sú označené písmenom , a preto sa často nazývajú gama lúče (najmä fotóny s vysokou energiou); tieto pojmy sú prakticky synonymá. Z hľadiska štandardného modelu je fotón kalibračným bozónom. Virtuálne fotóny sú nosičmi elektromagnetickej sily, čím zabezpečujú interakciu napríklad medzi dvoma elektrickými nábojmi. Fotón je najrozšírenejšia častica vo vesmíre. Na jeden nukleón pripadá najmenej 20 miliárd fotónov.

Dualita vlny a častíc, Heisenbergov princíp neistoty

Fotón je charakterizovaný vlnovo-časticovou dualitou. Na jednej strane fotón demonštruje vlastnosti elektromagnetickej vlny v javoch difrakcie a interferencie, ak sú charakteristické rozmery prekážok porovnateľné s vlnovou dĺžkou fotónu. Napríklad sekvencia jednotlivých fotónov s frekvenciou prechádzajúcou cez dvojitú štrbinu vytvára interferenčný obrazec na obrazovke, ktorý možno opísať pomocou Maxwellových rovníc. Experimenty však ukazujú, že fotóny sú emitované a úplne absorbované objektmi, ktoré majú rozmery oveľa menšie ako vlnová dĺžka fotónu (napríklad atómy), alebo vo všeobecnosti, do určitej aproximácie, môžu byť považované za bodové (rovnako ako napríklad elektróny). . Fotóny sa teda v procesoch emisie a absorpcie správajú ako bodové častice. Tento opis zároveň nie je dostatočný; predstava fotónu ako bodovej častice, ktorej dráha je pravdepodobnostne špecifikovaná elektromagnetickým poľom, je vyvrátená korelačnými experimentmi so zapletenými stavmi fotónov.

Heisenbergov myšlienkový experiment na určenie polohy elektrónu (vyfarbeného modrou farbou) pomocou gama mikroskopu s vysokým rozlíšením.

Dopadajúce gama lúče (znázornené zelenou farbou) sú rozptýlené elektrónom a vstupujú do apertúrneho uhla mikroskopu θ. Rozptýlené gama lúče sú na obrázku znázornené červenou farbou. Klasická optika ukazuje, že polohu elektrónu možno určiť len do určitej hodnoty Δ X, ktorý závisí od uhla θ a vlnovej dĺžky λ dopadajúcich lúčov.

Kľúčovým prvkom kvantovej mechaniky je Heisenbergov princíp neurčitosti, ktorý zakazuje súčasné presné určenie priestorovej súradnice častice a jej hybnosti pozdĺž tejto súradnice.

Je dôležité poznamenať, že kvantovanie svetla a závislosť energie a hybnosti od frekvencie je potrebná na splnenie princípu neurčitosti aplikovaného na nabitú masívnu časticu. Dá sa to ilustrovať na známom myšlienkovom experimente s ideálnym mikroskopom, ktorý určuje súradnicu elektrónu jeho ožiarením svetlom a zaznamenávaním rozptýleného svetla (Heisenbergov gama mikroskop). Polohu elektrónu je možné určiť s presnosťou rovnajúcou sa rozlišovacej schopnosti mikroskopu. Na základe konceptov klasickej optiky:

kde je uhol otvoru mikroskopu. Neistota súradníc môže byť teda taká malá, ako je požadované, znížením vlnovej dĺžky dopadajúcich lúčov. Po rozptyle však elektrón získa určitú dodatočnú hybnosť, ktorej neistota sa rovná . Ak by dopadajúce žiarenie nebolo kvantované, táto neistota by sa dala ľubovoľne znížiť znížením intenzity žiarenia. Vlnová dĺžka a intenzita dopadajúceho svetla sa môžu meniť nezávisle od seba. V dôsledku toho by pri absencii kvantovania svetla bolo možné súčasne s vysokou presnosťou určiť polohu elektrónu v priestore a jeho hybnosť, čo je v rozpore s princípom neurčitosti.

Naopak, Einsteinov vzorec pre hybnosť fotónu plne spĺňa požiadavky princípu neurčitosti. Ak vezmeme do úvahy skutočnosť, že fotón môže byť rozptýlený v akomkoľvek smere v rámci uhla , neistota hybnosti prenesenej na elektrón sa rovná:

Po vynásobení prvého výrazu druhým dostaneme Heisenbergov vzťah neurčitosti: . Celý svet je teda kvantovaný: ak sa hmota podriaďuje zákonom kvantovej mechaniky, potom sa im musí podriadiť pole a naopak.

Rutherfordove experimenty viedli k záveru, že v strede atómu je husté, kladne nabité jadro. (atómové jadro, odtiaľ názov modelu), ktorého priemer nepresahuje 10–14–10–15 m. Toto jadro zaberá len 10–12 dielov celkového objemu atómu, ale obsahuje všetky kladný náboj a najmenej 99,95 % jeho hmotnosti. Látka tvoriaca jadro atómu by mala mať priradenú kolosálnu hustotu rádovo ρ ≈ 1015 g/cm3. Náboj jadra sa musí rovnať celkovému náboju všetkých elektrónov, ktoré tvoria atóm. Následne bolo možné zistiť, že ak sa náboj elektrónu berie ako jeden, potom sa náboj jadra presne rovná číslu daného prvku v periodickej tabuľke.

Obrázok 6.1.3: Rozptyl častice α v atóme Thomsona (a) a v atóme Rutherforda (b)

Následne Rutherford navrhol planetárny model atómu . Podľa tohto modelu je v strede atómu kladne nabité jadro, v ktorom je sústredená takmer celá hmotnosť atómu. Atóm ako celok je neutrálny. Elektróny rotujú okolo jadra, podobne ako planéty, vplyvom Coulombových síl z jadra (obr. 6.1.4). Elektróny nemôžu byť v pokoji, pretože by dopadli na jadro.

Ryža. 6.1.4. Rutherfordov planetárny model atómu. Sú znázornené kruhové dráhy štyroch elektrónov

Atómové jadro- centrálna časť atómu, v ktorej je sústredená väčšina jeho hmoty (viac ako 99,9 %). Jadro je nabité kladne, náboj jadra je určený chemickým prvkom, ku ktorému atóm patrí. Rozmery jadier rôznych atómov sú niekoľko femtometrov, čo je viac ako 10 tisíc krát menšie ako veľkosť samotného atómu. Atómové jadro pozostáva nukleónov - kladne nabitých protónov a neutrálnych neutrónov, ktoré sú navzájom spojené silnou interakciou. Počet protónov v jadre sa nazýva jeho číslo poplatku- toto číslo sa rovná poradovému číslu prvku, ktorému atóm patrí v prirodzenom rade prvkov periodickej tabuľky. Počet protónov v jadre určuje štruktúru elektrónového obalu neutrálneho atómu a tým aj chemické vlastnosti príslušného prvku. Počet neutrónov v jadre sa nazýva jeho izotopové číslo. Jadrá s rovnakým počtom protónov a rôznym počtom neutrónov sa nazývajú izotopy. Nazývajú sa jadrá s rovnakým počtom neutrónov, ale rôznym počtom protónov izotóny. Celkový počet nukleónov v jadre sa nazýva jeho hromadné číslo() a je približne rovná priemernej atómovej hmotnosti uvedenej v periodickej tabuľke. Zvyčajne sa nazývajú nuklidy s rovnakým hmotnostným číslom, ale odlišným zložením protón-neutrón izobary. Ako každý kvantový systém, aj jadrá môžu byť v metastabilnom excitovanom stave a v niektorých prípadoch sa životnosť takéhoto stavu počíta na roky. Takéto excitované stavy jadier sa nazývajú jadrové izoméry. Takmer 90 % z 2 500 známych atómových jadier je nestabilných. Nestabilné jadro sa spontánne premieňa na iné jadrá, pričom emitujú častice. Táto vlastnosť jadier je tzv rádioaktivita. Zistilo sa, že rádioaktívne jadrá môžu emitovať častice troch typov: kladne a záporne nabité a neutrálne. Tieto tri druhy žiarenia boli tzv α-, β- a γ-žiarenia. Tieto tri typy rádioaktívneho žiarenia sa navzájom veľmi líšia svojou schopnosťou ionizovať atómy hmoty, a teda aj schopnosťou prenikať. Má najnižšiu penetračnú schopnosť α žiarenie. Vo vzduchu za normálnych podmienok prechádzajú α-lúče vzdialenosť niekoľkých centimetrov . β-lúče oveľa menej absorbovaná látkou. Sú schopné prejsť cez vrstvu hliníka hrubú niekoľko milimetrov. Majú najväčšiu penetračnú schopnosť γ-lúče, schopný prejsť cez vrstvu olova s ​​hrúbkou 5–10 cm.

divízie predstavuje rozpad (rozdelenie) atómového jadra na dve cca. rovnaké časti (fragmenty), sprevádzané uvoľňovaním energie a, v oddelení. prípadov, vypustením jedného alebo viacerých. častice, napríklad neutróny. Niektoré ťažké jadrá sa môžu štiepiť spontánne, zatiaľ čo ľahšie sa môžu štiepiť v prípade zrážky s inými jadrami, ktoré majú vysokú energiu. Navyše, ťažké jadrá, ako sú atómy uránu, sú schopné štiepenia, keď sú bombardované neutrónmi, a keďže sú emitované nové neutróny, proces sa môže stať sebestačným, t.j. vzniká reťazová reakcia. Pri takejto štiepnej reakcii sa uvoľní veľké množstvo energie. Riadené reťazové reakcie prebiehajú v jadrových reaktoroch, zatiaľ čo nekontrolované reťazové reakcie prebiehajú v atómovej bombe. Syntéza je fúzia jadier dvoch ľahkých atómov za vzniku nového jadra zodpovedajúceho ťažšiemu atómu. Ak je toto nové jadro stabilné, potom sa počas fúzie uvoľňuje energia, pretože väzby v ňom sú silnejšie ako v pôvodných jadrách. Z chem. Reakcie jadrovej fúzie sa vyznačujú účasťou nielen elektrónov atómov, ale aj ich jadier. Na jednotku hmotnosti reagujúcich látok pri jadrovej fúznej reakcii pripadá cca. 10-krát viac energie ako štiepne reakcie. K syntéze jadier dochádza v strede, oblasti Slnka a iných hviezd, ktoré sú zdrojom ich energie. Nekontrolovaná reakcia takejto syntézy sa realizuje vo vodíkových bombách. V súčasnosti sa uskutočňuje výskum implementácie riadených reakcií takejto syntézy ako zdrojov energie.

Elementárna častica- súhrnný pojem označujúci mikroobjekty v subjadrovom meradle, ktoré nemožno rozdeliť na jednotlivé časti.

Treba mať na pamäti, že niektoré elementárne častice (elektrón, fotón, kvarky atď.) sa v súčasnosti považujú za bezštruktúrne a považujú sa za primárne fundamentálne častice. Ostatné elementárne častice (takzvané kompozitné častice - protón, neutrón atď.) majú zložitú vnútornú štruktúru, ale podľa moderných koncepcií ich nie je možné rozdeliť na časti.

Základná častica- bezštruktúrna elementárna častica, ktorá doteraz nebola označovaná ako zložená. V súčasnosti sa tento výraz používa predovšetkým pre leptóny a kvarky (6 častíc každého druhu spolu s antičasticami tvorí súbor 24 základných častíc) v spojení s kalibračnými bozónmi (častice nesúce základné interakcie).

Molekulárna kinetická teória interpretuje vlastnosti telies, ktoré sú priamo experimentálne pozorované (tlak, teplota a pod.) ako celkový výsledok pôsobenia molekúl. Pri tom využíva štatistickú metódu, pričom sa nezaujíma o pohyb jednotlivých molekúl, ale iba o priemerné hodnoty, ktoré charakterizujú pohyb obrovskej zbierky častíc. Odtiaľ pochádza jeho ďalšie meno - štatistická fyzika.

Termodynamické parametre- teplota, hustota, tlak, objem, elektrický odpor a iné fyzikálne veličiny:
- jednoznačné určenie termodynamického stavu sústavy;
- neberú do úvahy molekulárnu štruktúru tiel; A
- opis ich makroskopickej stavby.

Na základe využitia základných princípov molekulárnej kinetickej teórie bola získaná základná rovnica MKT ideálneho plynu, ktorý vyzerá takto: , kde p je tlak ideálneho plynu, m0 je hmotnosť molekuly, priemerná hodnota koncentrácie molekúl, druhá mocnina rýchlosti molekúl.
Označením priemernej hodnoty kinetickej energie translačného pohybu molekúl ideálneho plynu získame základná rovnica MKT ideálny plyn vo forme:

V teórii ideálneho plynu sa potenciálna energia interakcie medzi molekulami považuje za rovnú nule. Preto Vnútorná energia ideálneho plynu je daná kinetická energia pohybu všetkých jeho molekúl. Priemerná energia pohybu jednej molekuly je . Keďže jeden kilomol obsahuje molekuly, bude vnútorná energia jedného kilomolu plynu

Vzhľadom na to, dostávame

Pre akúkoľvek hmotnosť plynu m, t.j. pre ľubovoľný počet kilomólov vnútornej energie

Z tohto výrazu vyplýva, že vnútorná energia je jednoznačnou funkciou stavu a preto, keď systém vykoná akýkoľvek proces, v dôsledku ktorého sa systém vráti do pôvodného stavu, celková zmena vnútornej energie sa rovná nule. Matematicky je to napísané ako identita

Druhý zákon termodynamiky uvádza, že všetky nezvratné procesy (a to sú takmer všetky tepelné procesy, v každom prípade všetky prirodzene prebiehajúce procesy) prebiehajú takto, že entropia zúčastnených v nich sa telesá zvyšujú, smerujú k maximálnej hodnote. Maximálna hodnota entropie sa dosiahne, keď systém dosiahne rovnovážny stav.

Zároveň už bolo uvedené vyššie, že prechod do rovnovážneho stavu je oveľa pravdepodobnejší v porovnaní so všetkými ostatnými prechodmi. Preto sa pozorujú len tie zmeny stavu, pri ktorých systém prechádza z menej pravdepodobného stavu do pravdepodobnejšieho (zvyšuje sa termodynamická pravdepodobnosť).

Vzťah medzi termodynamickou pravdepodobnosťou stavu systému a jeho entropiou založili v roku 1875 dvaja slávni vedci – D. Gibbs a L. Boltzmann. Toto spojenie je vyjadrené Boltzmannov vzorec, ktorý vyzerá takto:

Kde , R- univerzálna plynová konštanta, N A- Avogadroovo číslo.

Stavová rovnica ideálneho plynu(niekedy Clapeyronova rovnica alebo Mendelejevova-Clapeyronova rovnica) je vzorec, ktorý stanovuje vzťah medzi tlakom, molárnym objemom a absolútnou teplotou ideálneho plynu. Rovnica vyzerá takto:

tlak,

Molárny objem,

Univerzálna plynová konštanta

Absolútna teplota, K.

Pretože , kde je látkové množstvo a , kde je hmotnosť, je molárna hmotnosť, stavovú rovnicu možno napísať:

Je vidieť, že táto rovnica je vlastne stavová rovnica ideálneho plynu s dvomi korekciami. Korekcia berie do úvahy príťažlivé sily medzi molekulami (tlak na stenu klesá, pretože existujú sily, ktoré ťahajú molekuly hraničnej vrstvy dovnútra), korekcia berie do úvahy odpudivé sily (odčítame objem zaberaný molekulami z celkového objemu).

Pre mólov Van plynu Der Waalsova stavová rovnica vyzerá takto:

Kde je hlasitosť,

izotermačiara na fázovom diagrame znázorňujúca proces, ktorý prebieha pri konštantnej teplote (izotermický proces). Rovnica izoterma ideálny plyn pV = konštanta, kde p je tlak, V je objem plynu. Pre skutočný plyn, rovnica izoterma má zložitejší charakter a ide do rovnice izoterma ideálny plyn len pri nízkych tlakoch alebo vysokých teplotách.

Na obr. 2.8 schematicky sú znázornené izotermy plynu van der Waals pre rôzne teploty.

Tieto izotermy jasne ukazujú oblasť, kde tlak rastie so zvyšujúcim sa objemom. Táto oblasť nemá žiadny fyzický význam. V oblasti, kde izoterma robí cikcak ohyb, ju izoterma pretína trikrát, to znamená, že existujú tri hodnoty objemu pre rovnaké hodnoty parametrov a . Pri zvyšovaní teploty sa vlnovitý úsek zmenšuje a mení sa na bod (pozri bod K na obr. 2.8). Tento bod sa nazýva kritický, ktorého hodnota závisí od vlastností plynu.

Izotermy skutočného plynu (schematicky)
Modrá - izotermy pri teplotách pod kritickou hodnotou. Zelené plochy na nich sú metastabilné stavy.
Oblasť naľavo od bodu F je normálna kvapalina.
Bod F je bod varu.
Priama FG - rovnováha kvapalnej a plynnej fázy.
Sekcia FA - prehriata kvapalina.
Časť F′A – natiahnutá kvapalina (str<0).
Sekcia AC je analytickým pokračovaním izotermy a je fyzikálne nemožná.
Sekcia CG - podchladená para.
Bod G je rosný bod.
Oblasť napravo od bodu G je normálny plyn.
Plochy obrázku FAB a GCB sú rovnaké.
Červená je kritická izoterma.
K je kritický bod.
Modrá - nadkritické izotermy

Pretože celý proces prebieha pri konštantnej teplote T, krivka, ktorá znázorňuje závislosť tlaku p od objemu V, nazývaná izoterma. Pri objeme V 1 začína kondenzácia plynu a pri objeme V 2 končí. Ak V > V 1, látka bude v plynnom stave a ak V< V 2 - в жидком.

Experimenty to ukazujú Túto formu majú aj izotermy všetkých ostatných plynov, ak ich teplota nie je príliš vysoká.

V tomto procese, keď sa plyn zmení na kvapalinu, keď sa jeho objem zmení z V 1 na V 2, tlak plynu zostáva konštantný. Každý bod lineárnej časti izotermy 1-2 zodpovedá rovnováhe medzi plynným a kvapalným stavom látky. To znamená, že určite T A V množstvo kvapaliny a plynu nad ním zostáva nezmenené. Rovnováha je dynamická: počet molekúl, ktoré opúšťajú kvapaliny, sa v priemere rovná počtu molekúl, ktoré súčasne prechádzajú z plynu do kvapaliny.

Existuje aj taká vec ako kritická teplota, ak má plyn teplotu nad kritickou teplotou (individuálna pre každý plyn, napríklad pre oxid uhličitý približne 304 K), potom sa už nemôže premeniť na kvapalinu, bez ohľadu na to, aký tlak naň pôsobí. Tento jav nastáva v dôsledku skutočnosti, že pri kritickej teplote sú sily povrchového napätia kvapaliny nulové. Ak pokračujete v pomalom stláčaní plynu pri teplote nad kritickou teplotou, potom po dosiahnutí objemu rovnajúceho sa približne štyrom vlastným objemom molekúl, ktoré tvoria plyn, začne stlačiteľnosť plynu prudko klesať.

Stručné zhrnutie modernej fyziky mikrosveta :

1 . Mikrosvet pozostáva z dvoch typov častíc, ktoré sa líšia predovšetkým veľkosťou: od častíc ultra mikrosveta ( Napríklad , fotón ) a častice mikrosveta ( Napríklad , elektrón ). Ultra mikrosvet je o tri rády menší ako častice mikrosveta . Zvyčajne 10 až mínus osemnásta mocnina .

2. Máme teda tri smery pohybu častíc ( ryža .1 ) A , resp , tri miesta pre polia : gravitačné pole , elektrické a magnetické pole . Na tomto základe môžeme hovoriť o jednotnej povahe všetkých troch oblastí a to , že všetky tri polia sú v mikrokozme od seba neoddeliteľné . ( V prírode existujú látky , samostatné vytváranie magnetických polí alebo elektrických polí ). V dôsledku tohto tvrdenia, ak je vodič pre elektrický prúd zavedený do magnetického poľa , potom nemôže byť ovplyvnený elektrickým poľom , ktorý je vždy ortogonálny k magnetickému poľu .

3. Venujme tomu pozornosť , že každá častica mikrosveta má ešte tri stupne voľnosti , ktoré slúžia na rotačný pohyb . Pozri obr. 1 . Hovorí fyzik Hopkins , že priestor sa môže premeniť na čas a naopak . Ako chápať toto vyhlásenie ? Poznáme zákon zachovania energie , ktorý číta : súčet kinetickej a potenciálnej energie telesa je konštantný . Pohyb častice v priestore mikrokozmu je oscilačný . Oscilačný pohyb je výsledkom sčítania dvoch pohybov : translačný a rotačný . Kinematická energia je energia translačného pohybu , a potenciál je uložená energia telesa nehybného v priestore rôznymi spôsobmi . Translačný pohyb sa uskutočňuje v priestore , a rotačné v čase a tieto pohyby majú matematické okrajové podmienky , o ktorom nám povedal fyzik Hopkins .

4. Verím , že všetky častice ultra mikrokozmu sa od seba líšia iba frekvenciou vibrácií . Napríklad , ultrafialové a infra svetlo : ten istý fotón , ale s rôznymi frekvenciami . Verím , že frekvencia je formou akumulácie energie , T .e. frekvencia určuje množstvo kinetickej a potenciálnej energie častice . Keďže Einsteinov vzorec berie do úvahy iba kinetickú energiu pohybujúcej sa častice , potom tento vzorec potrebuje úpravu . Očividne , Podľa hmotnosti častice musíme pochopiť špecifickú hmotnosť , T . e . objemová hmotnosť vytvorená frekvenciou vibrácií : hmotnosť častice sa musí vydeliť súčinom amplitúdy vibrácií a oblasti vlnovej dĺžky alebo matematickým očakávaním tejto vlny.

5. Každá elementárna častica mikrokozmu obsahuje svoj špecifický typ ultra mikročastíc s vlastnou frekvenciou. Napríklad , elektróny obsahujú fotóny rovnakej frekvencie ( pod novým názvom: “ biónov ”), ale frekvencia emitovaného fotónu je prispôsobená podmienkam špecifickej dráhy elektrónu . Obrázok 4 poskytuje dôkaz tejto hypotézy. : všetky elektromagnetické vlny musia mať rovnakú dĺžku a amplitúdu na konkrétnej dráhe . Ale prechod z obežnej dráhy na inú obežnú dráhu je sprevádzaný zmenou frekvenčných parametrov : T . e . amplitúdy a vlnovej dĺžky . Každá dráha má svoju vlastnú potenciálnu energetickú hladinu ep gii , ako dôsledok zákona zachovania energie . Dôvod p e gulárny únik kvarkovej energie z elementárnej častice mikrosveta môže spôsobiť rezonančné javy .

Blok elektrónov na obežnej dráhe má krútiaci moment , ktorý je súčinom hmotnosti elektrónu a polomeru obežnej dráhy , čo vedie k rotácii samotných dráh . Každá dráha elektrónov v atóme je vo svojej podstate elektrický uzavretý obvod, a preto okolo seba vytvára elektromagnetické pole.. Preto je rýchlosť elektrónov na obežnej dráhe rovnaká , ako v elektrickom obvode . Toto pole bráni elektrónom priblížiť sa k protónom jadra . Smer magnetických siločiar možno určiť pomocou gimletovho pravidla .

7 . Fyzická literatúra to naznačuje , že elektrón má spin 2. Skutočne , Keď sa fotón uvoľní, otočí sa o 90 stupňov , T . e . o 1 / 2 sa chrbát vráti do pôvodnej polohy , čo dáva 1 viac / 2 späť . Potom zmení okraj zákruty a opäť 1 / 2 a 1 / 2 , T . e . celková rotácia je 2 .

7. Náš vesmír - fyzicky uzavretý priestor . Je obmedzený fyzikálnymi konštantami : Napríklad , rýchlosť svetla je 300 000 km za sekundu alebo teplotný limit je 273 , 16 stupňov Celzia . Preto dodržiava zákon o zachovaní energie, a preto existuje už miliardy rokov . Ako možno túto skutočnosť vysvetliť? , že pohyb planét na obežných dráhach sa nezastavil ? Za predpokladu , že planéty sa po impulze Výbuchu pohybujú zotrvačnosťou , potom by sa táto energia za miliardy rokov do určitej miery stratila v dôsledku stretnutia s meteoritmi a slnečným vetrom. Poznámka , že častice ultra mikrosveta pri pohybe vykonávajú oscilačné pohyby okolo svojej trajektórie pohybu, T . e . ich pohyb je oscilačný proces určitej frekvencie . Oscilačný proces v prírode je prechod potenciálnej energie na kinetickú energiu a späť. Z toho vyplýva, že , že pohyb akéhokoľvek telesa v uzavretom priestore musí využívať rezervu potenciálnej energie prostredníctvom mechanizmu frekvencie.

Nevieme, prečo existujú teploty , limity vákua a obmedzená rýchlosť svetla . Možno je tam kryoplazma , niečo ako čierna diera , zmluvný ene p giyu do určitej miery , po ktorom nastáva Veľký tresk .

8. Experimentálne sa vedcom nepodarilo dosiahnuť rýchlosť svetla ani teplotu nula Kelvinov. . K týmto hraniciam ich priblížili len asymptoticky malým množstvom . Tieto experimenty si vyžadovali obrovské výdavky na energiu . Tak sa stanovilo, že , že v oblasti malých množstiev vznikajú obrovské náklady na energiu . Z klasickej fyziky poznáme silový vzorec F keď masy interagujú : m 1 M 2 Kde r je vzdialenosť medzi hmotami :

F = m 1 *M 2 /r^ 2 . Hmotnosť protónu alebo elektrónu je asi 0 , 91 * 10 na výkon mínus 31 kg ( hmotnosť je rádovo menšia ), hustota 6 , 1 * 10 až 17. výkon kg / m ^ 3 . Vzdialenosť medzi časticami v slabej interakcii ( 2 * 10 až mínus 1 5 stupňa ) m a so silnou interakciou ( 10 na mínus 18. mocnina ) známy . Pri výpočte sily príťažlivosti týchto častíc je však potrebné vziať do úvahy skutočnosť , že každá mikročastica je mikrooscilačný obvod . Pozri o vysvetlenie pointy 10. Aplikácia vzorca klasickej fyziky na výpočty interakcie častíc mikrosveta nám to ukazuje , že neexistujú hranice medzi klasickou fyzikou a kvantovou či relativistickou .

9. Nabité predmety , Napríklad , elektróny spôsobiť nielen elektrostatické pole, ale aj elektrický prúd. V týchto dvoch javoch je podstatný rozdiel. Pre vznik elektrostatického poľa sú potrebné stacionárne náboje, nejako fixované v priestore a pre vznik elektrického prúdu je naopak potrebná prítomnosť voľných, nefixovaných nabitých častíc, ktoré v elektrostatickom poli stacionárnych nábojov prísť do stavu usporiadaný pohyb pozdĺž siločiar . Napríklad , elektrický výboj statická elektrina , sústredené v búrkovom oblaku - blesk . Tento pohyb je elektriny .

10. Existuje však ďalší dôvod pre výskyt elektrického prúdu . Každá častica ultra a mikroelektrónového typu má svoju vlastnú vibračnú frekvenciu a , teda , je mikrooscilačný obvod , na ktorý sa vzťahuje vzorec Josepha Thomsona :

f = 1/2 P je druhá odmocnina z L*C, Kde L = 2*EL/I štvorec a

C = 2* Ec/U štvorec , kde E 1 c a e 1 l je energia elektrického poľa a magnetického toku . Vzorec ukazuje konštantný vzťah medzi L( v Henry , ) A C ( vo faradoch , ktoré sa prepočítavajú na centimetre ).

( jednotka indukčnosti v systém GHS; 1 cm = 1,10 -9 gn ( Henry ), cm , cm ... kapacita, Centimetre - jednotka kapacity v systém GHS = 1,10 -12 f ( farads ), cm . )

Ak sú rozmery týchto veličín v centimetroch , potom menovateľom tohto vzorca je obvod . Preto , elektrické pole okolo elektrónu je séria koaxiálnych kruhov . So zväčšujúcim sa polomerom kruhu by sa mala rýchlosť pohybu ultra mikročastice od tohto obdobia zvyšovať , to znamená frekvenciu vibrácií elektrónov -f konštantný . Dôsledok tohto vzrastá spotreba kinetickej energie pre vzdialenejšie častice a znižuje sa ich schopnosť indukovať elektrický prúd vo vodiči.

Ale venujme pozornosť obr.3 , kde je to zobrazené , že vektory E 1 s a E 1 l oddelené v priestore a vzájomne ortogonálne . Túto okolnosť treba brať do úvahy pri indukcii elektrického prúdu vo vodiči . Ak na veličiny E aplikujeme zákon zachovania energie 1 l a E 1 s , potom E 1 l je kinetická energia pohybujúceho sa prúdu elektrónov -ja, A E 1 c je potenciálna energia elektrického poľa ako funkcia jeho sily U. Energia E1 L A E1c reaktívny . V prípade častíc mikrosveta sú ich vektory kolmé na súradnicovú os OS , ale sú v rôznych rovinách ortogonálnych súradníc . (C pozrite sa na ryžu . 2 ). Oba vektory sú oddelené v priestore . Preto nedochádza k ich vzájomnej anihilácii a frekvencia mikročastíc sa časom nezníži .

V elektrických obvodoch sa reaktancia zvyčajne označuje X , a celkový odpor v obvodoch striedavého prúdu Z, aktívny odpor - R a súčet všetkých odporov sa nazýva impedancia . Z = R+jX

Veľkosť impedancie je pomer amplitúd napätia a prúdu, zatiaľ čo fáza je rozdiel medzi fázami napätia a prúdu.

Ak X >0 reaktancia sa považuje za indukčnú

Ak X =0 impedancia sa považuje za čisto odporovú (aktívnu)

EÚ či X <0 говорят, что реактивное сопротивлние является ёмкостным .

V skutočnom oscilačnom obvode , použité , Napríklad , v rádiotechnike , reaktívnu indukčnú energiu môžeme kompenzovať kapacitnou reaktívnou energiou, pretože pri kapacitnej reaktancii vedie vektor prúdu napätie a pri indukčnej reaktancii vektor prúdu zaostáva za napätím o 90 stupňov a sú v rovnakej rovine, ale nie v rovnakom čase. Keďže jednou z vlastností indukčnosti je schopnosť udržiavať prúd, ktorý ňou preteká konštantný, potom, keď preteká záťažový prúd, fázový posun medzi prúdom a napätím (prúd „zaostáva“ za napätím o fázový uhol). Rôzne znaky prúdu a napätia počas obdobia fázového posunu vedú v dôsledku toho k zníženiu energie elektromagnetických polí indukčností, ktoré sa dopĺňajú zo siete. Pre väčšinu priemyselných spotrebiteľov to znamená nasledovné: pozdĺž sietí medzi zdrojom elektriny a spotrebiteľom prúdi okrem aktívnej energie, ktorá vykonáva užitočnú prácu, aj jalová energia, ktorá nevykonáva užitočnú prácu.

Z vyššie uvedeného vyplýva, že , čo d Pre existenciu elektrického prúdu je potrebné privádzať energiu zvonku do vodiča vo forme elektromagnetické poliach.

Dodatočné vysvetlenie . Kapacita R sa zvyšuje s počtom závitov elektromagnetu .

R = 1/(2 π * C * f), Kde f- frekvencia , A C- kapacita .

Indukčnosť L=N 2 * μ *A/l,

Kde L- indukčnosť , N- počet závitov drôteného vodiča, µ - koeficient magnetickej permeability jadra , A- objem jadra , l - priemerná dĺžka jadra .

f = 1/(2 π * √ (L * C))

Preto R = 1/(4n 2 *C*N*√( μ*A/l)).

Aby sme pochopili vlastnosti fotónu, urobme jednoduchý experiment. Položme dve gule rovnakej hmotnosti z rovnakej výšky na oceľový tanier. Jedna guľa je vyrobená z plastelíny a druhá je guľa- oceľ. Je ľahké si všimnúť, že veľkosť odrazu od dosky je pre nich iná a je väčšia pre oceľovú guľu. Veľkosť odrazu je určená elastickou deformáciou materiálov guľôčok. Teraz nasmerujeme lúč svetla na sporáka t.j. tok fotónov. Z optiky je známe, že uhol dopadu lúča sa presne rovná uhlu odrazu. Keď sa dve telesá zrazia, vymieňajú si energiu v pomere k ich hmotnosti. V prípade fotónového lúča tento mení len pohybový vektor. Nevyplýva z toho, že je tu nezvyčajne vysoká hodnota elastickej deformácie fotónu, teda superelasticita? Fenomén superplasticity niektorých zliatin je nám predsa známy.

11. Aká je úloha elastickej deformácie v mikrokozme? Vieme, že stlačená pružina má potenciálnu energiu, ktorej veľkosť je väčšia, tým vyššia je elastická deformácia pružiny. Vieme, že počas oscilačného procesu sa potenciálna energia premieňa na kinetickú energiu a naopak. Je tiež známe, že všetky častice mikrosveta prechádzajú oscilačným pohybom, to znamená, že majú vlastnú frekvenciu kmitov, ktorá vytvára okolo častice elektromagnetické pole. Každá častica mikrokozmu je teda mikrooscilačný obvod ako rádiový oscilačný obvod. Preto musí elektromagnetické pole vytvárať krútiaci moment v častici:M = r i *F i , ja - kde je určitý bod pôsobenia tohto momentu.Všimnite si, že frekvencia mikročastice sa s časom nemení. Preto sa veľkosť krútiaceho momentu a veľkosť elektrického prúdu, ktorý ho spôsobuje, s časom nemení. A to je možné len v prípade supravodivosti!

Tento krútiaci moment otáča časticu postupne okolo osí X a Y, čím sa vytvára elastická torzná deformácia. Tieto superelastické deformácie vrátia časticu do pôvodného stavu. Týmto spôsobom sa vytvára oscilačný pohyb častice s prechodom potenciálnej energie vlastnej elastickej torznej deformácie na kinetickú energiu pohybu častice v priestore pozdĺž osi.Z .

Mechanizmus takéhoto prechodu si možno predstaviť ako krútenie tuby s pastou. V skutočnosti zmena objemu vedie k vytláčaniu pasty z otvoru rúrky, umiestneného kolmo na rovinu krútenia rúrky. Tento vnútorný impulz spôsobí, že sa častica pohybuje pozdĺž osiZ. Vznikne vysokoúčinný nanomotor. Niečo podobné možno pozorovať v takzvanom pracom kolese. Ak os takéhoto kolesa nie je pevná, tak namiesto rotujúceho kolesa dostaneme translačný valivý pohyb. Na realizáciu tohto motora je potrebné vytvoriť materiál s neobvykle vysokými hodnotami elastickej torznej deformácie. Potom sa otvorí cesta k cestovaniu rýchlosťou svetla.

12. Takéto extrémne vysoké vlastnosti mikročastíc vznikajú v materiáloch pri teplotách blízkych nule Kelvinov. Nesťahuje sa hmota pravidelne do akejsi čiernej diery, ktorá predstavuje kryoplazmu pri Kelvinovej teplote? Nie je táto hmota vďaka svojim nadprirodzeným vlastnostiam akumulátorom potenciálnej energie, ktorá sa po dosiahnutí kritickej úrovne premení na kinetickú energiu výbuchom?

KVANTOVÁ FYZIKA

Kvantová fyzika − odbor fyziky, ktorý študuje javy charakteristické pre mikrosvet, t.j. objekty s rozmermi 10 -10 m a menej. Špecifickosť javov vyskytujúcich sa v mikrokozme spočíva predovšetkým v nemožnosti priamo, t.j. prostredníctvom zmyslov (hlavne zraku) získavať informácie o prebiehajúcich procesoch. Na popis javov mikrosveta sú potrebné zásadne nové prístupy a metódy, založené na experimentálne meraných veličinách.
Zrodu kvantovej fyziky predchádzala dramatická situácia, ktorá sa vo fyzike vyvinula na samom konci 19. storočia. Klasická fyzika nedokázala dostatočne opísať spektrum rovnovážneho žiarenia. V tom čase bolo tepelné žiarenie považované za súbor rovinných vĺn a jeho teoretický popis bol v dobrej zhode s experimentom. Avšak pri vysokých frekvenciách by sa predpokladaná hustota energie žiarenia mala zvyšovať do nekonečna. Táto situácia sa nazývala „ultrafialová katastrofa“.

Nečakané východisko zo situácie navrhol nemecký fyzik Max Planck (Max Karl Ernst Ludwig Planck). Jeho myšlienka bola, že žiarenie sa vyskytuje v samostatných kvantách a energia elektromagnetickej vlny nemôže byť ľubovoľná, ako sa verilo v klasickej fyzike, ale musí nadobudnúť určité hodnoty úmerné určitej veľmi malej hodnote h (rovnajúcej sa 6,63 10 -34 J s), ktorý bol potom pomenovaný Planckova konštanta. Potom už nemožno celkovú hustotu energie považovať za spojitú hodnotu, ale pozostáva z mnohých energetických častí (kván), ktorých súčet nemôže byť taký veľký, ako predpovedali klasické hypotézy. Problém hustoty žiarenia a „ultrafialová katastrofa“ bol úspešne vyriešený. Za objav kvanta energie v roku 1918 dostal Max Planck Nobelovu cenu.
Zavedenie kvanta umožnilo vyriešiť množstvo ďalších problémov, ktorým vtedy veda čelila. Pomocou Planckovej myšlienky kvanta energie odvodil Albert Einstein v roku 1905 rovnicu fotoelektrického efektu E = hν + W, kde E je kinetická energia elektrónov, ν je frekvencia elektromagnetického žiarenia, h je Planckova konštanta a W je pracovná funkcia elektrónov pre danú látku. Najdôležitejším úspechom v tomto prípade bolo zavedenie energie elektromagnetického žiarenia ako funkcie frekvencie (alebo vlnovej dĺžky) žiarenia, čo viedlo k následnému vytvoreniu stupnice elektromagnetických vĺn.
Myšlienka kvanta viedla k záveru o diskrétnej povahe javov vyskytujúcich sa v mikrokozme, ktorý bol neskôr použitý pri štúdiu energetických hladín atómov a atómových jadier.

Závislosť vlnovej dĺžky rôznych typov častíc od ich energie
(jadrové jednotky − MeV = 1,6·10 -13 J, fm =10 -15 m)

Ďalším dôležitým dôsledkom diskrétnosti javov mikrosveta bol objav Louisa de Broglieho (1929) o univerzálnosti vlnovo-časticovej duality, t.j. skutočnosť, že objekty mikrosveta majú vlnovú aj korpuskulárnu povahu. To umožnilo nielen vysvetliť množstvo javov spojených s interakciou častíc s hmotou (napríklad difrakciu častíc), ale aj ďalej rozvíjať metódy využitia žiarenia na ovplyvňovanie častíc, čo viedlo k vytvoreniu hlavného moderného nástroj na štúdium hmoty - urýchľovače.
V druhej polovici 20. rokov 20. storočia vznikol teoretický aparát na popis kvantových javov - kvantová mechanika. Na jeho vzniku sa najvýraznejšie podieľali Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Niels Bohr, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Max Born a ďalší.
Kvantová mechanika je samostatná, dobre rozvinutá časť modernej fyziky. Na jeho hlbokú asimiláciu je potrebná dobrá matematická príprava, ktorá ďaleko presahuje rámec fyzikálneho kurzu na mnohých univerzitách. Vysvetlenia základných pojmov kvantovej mechaniky však nie sú také ťažké. Medzi tieto základné pojmy patrí predovšetkým fyzikálny význam kvantovania, princíp neurčitosti a vlnová funkcia.
Fyzikálny význam diskrétnosti stavov v mikrokozme je predovšetkým spojený s fyzikálnym významom Planckovej konštanty. Rozhoduje malosť jeho veľkosti rozsah interakcií v mikrokozme. Pri prechode do makrosveta a klasických konceptov sa veličiny ako Planckova konštanta stávajú zanedbateľne malé a vo väčšine prípadov ich považujeme za nulové. V tomto prípade nastáva takzvaný prechod na limit, t.j. princípy klasickej fyziky možno považovať za extrémnu verziu kvantovej fyziky, keď hmotnosti, veľkosti a iné parametre makro objektov, obrovské v mierke mikrosveta, znižujú na nulu tie interakcie, ktoré sú v mikrosvete významné. Preto môžeme povedať, že Planckova konštanta je spojovacím článkom medzi javmi mikro a makro sveta.
Zvlášť dobre je to vidieť na príklade diskrétnosti stavov v mikrokozme. Napríklad rozdiel medzi energetickými stavmi atómu môže byť desatiny elektronvoltu (energetická jednotka mikrokozmu rovná 1,6·10 -19 J). Stačí si pripomenúť, že na uvarenie jedného pohára vody sú potrebné desiatky kilojoulov a je jasné, že z hľadiska klasickej fyziky je takáto diskrétnosť absolútne nepostrehnuteľná! Preto môžeme hovoriť o kontinuite procesov, ktoré nás obklopujú, napriek dlhotrvajúcej a neustále potvrdenej diskrétnosti tých javov, ktoré sa vyskytujú v atómoch a atómových jadrách.
Z rovnakého dôvodu taký základný princíp fyziky mikrosveta ako princíp neurčitosti, ktorú v roku 1927 navrhol W. Heisenberg
Obrázok nižšie vysvetľuje potrebu zavedenia princípu neurčitosti v mikrosvete a absenciu tejto potreby v makrosvete

Miera vplyvu vonkajšieho zdroja (svetla) na makroobjekt (socha) je totiž neúmerná jeho parametrom (napríklad hmotnosť premenená na ekvivalentnú energiu) Nemá zmysel diskutovať o tom, ako môže dopadajúci svetelný fotón ovplyvniť , napríklad súradnice sochy v priestore.
Iná vec je, keď sa mikroobjekt stane predmetom vplyvu. Energia elektrónu v atóme je desiatky (zriedkavo viac) elektrónvoltov a stupeň dopadu je celkom úmerný tejto energii. Teda pri pokuse merať presne akéhokoľvek parametra mikroobjektu (energia, hybnosť, súradnica), budeme sa stretávať s tým, že samotný proces merania zmení namerané parametre, a to veľmi silno. Potom si treba priznať, že žiadnymi meraniami v mikrokozme nikdy nebudeme môcť robiť presné merania − Vždy dôjde k chybe v určení základných parametrov systému. Princíp neurčitosti má matematické vyjadrenie vo forme vzťahy neistoty, napríklad ΔpΔx ≈ ћ, kde Δp je neistota pri určovaní hybnosti a Δx je neistota pri určovaní súradníc systému. Všimnite si, že Planckova konštanta vpravo označuje hranice použiteľnosti princípu neistoty, pretože v makrokozme ju môžeme bezpečne nahradiť nulou a vykonávať presné merania akýchkoľvek veličín. Princíp neurčitosti vedie k záveru, že nie je možné presne nastaviť akýkoľvek parameter systému, napríklad nemá zmysel hovoriť o presnom umiestnení častice v priestore. V tejto súvislosti je potrebné poznamenať, že rozšírené znázornenie atómu ako súboru elektrónov rotujúcich na daných dráhach okolo jadra je jednoducho poctou ľudskému vnímaniu okolitého sveta, potrebe mať v sebe nejaké vizuálne obrazy. pred sebou samým. V skutočnosti neexistujú jasné trajektórie - dráhy v atóme.
Možno si však položiť otázku – čo je potom hlavnou charakteristikou systémov v mikrosvete, ak nie sú definované také parametre ako energia, hybnosť, interakcia (či existencia) čas, súradnica? Takáto univerzálna veličina je vlnová funkcia kvantový systém.
Vlnová funkcia ψ, ktorú zaviedol Max Born na určenie charakteristík kvantového systému, má pomerne zložitý fyzikálny význam. Ďalšia veličina, ktorá je jasnejšia, je druhý mocninový modul vlnovej funkcie |ψ| 2. Táto hodnota určuje napr. pravdepodobnosťže kvantový systém je v danom časovom bode. Vo fyzike mikrosveta je vo všeobecnosti základný pravdepodobnostný princíp. Akýkoľvek prebiehajúci proces je charakterizovaný predovšetkým pravdepodobnosťou jeho výskytu s určitými znakmi.
Vlnová funkcia je pre rôzne systémy odlišná. Na správny popis systému sú okrem znalosti vlnovej funkcie potrebné aj informácie o ďalších parametroch, napríklad charakteristika poľa, v ktorom sa systém nachádza a s ktorým interaguje. Štúdium takýchto systémov je práve jednou z úloh kvantovej mechaniky. Kvantová fyzika v skutočnosti tvorí jazyk, ktorým popisujeme naše experimenty a výsledky v skúmaní mikrosveta, všeobecnejšie ako klasická teória. Zároveň je dôležité pochopiť, že kvantová fyzika klasickú fyziku neruší, ale obsahuje ju ako jej limitný prípad. Pri prechode od mikroobjektov k bežným makroskopickým objektom sa jeho zákony stávajú klasickými a kvantová fyzika tak stanovuje hranice použiteľnosti klasickej fyziky. Prechod od klasickej fyziky ku kvantovej fyzike je prechodom k hlbšej úrovni uvažovania o hmote.
Procesy vyskytujúce sa v mikrokozme sa týkajú javov, ktoré sú takmer úplne za hranicami zmyslového vnímania. Preto koncepty, ktoré kvantová teória používa, a javy, ktoré zvažuje, sú často nejasné , súčasťou klasickej fyziky. S rozvojom kvantovej teórie boli takéto zdanlivo zrejmé a známe predstavy o časticiach a vlnách, diskrétne a spojité, štatistické (pravdepodobnostné) a dynamické popisy revidované. Kvantová fyzika sa stala najdôležitejším krokom pri budovaní moderného fyzikálneho obrazu sveta. Umožnil predpovedať a vysvetliť obrovské množstvo rôznych javov – od procesov prebiehajúcich v atómoch a atómových jadrách až po makroskopické javy v pevných látkach; bez nej je nemožné, ako sa teraz zdá, pochopiť pôvod vesmíru. Rozsah kvantovej fyziky je široký – od elementárnych častíc až po kozmické objekty. Bez kvantovej fyziky je nemysliteľná nielen prírodná veda, ale ani moderné technológie.

ATÓMOVÁ FYZIKA

V roku 1885 J. J. Thomson objavil elektrón, prvý objekt v mikrokozme. Začiatok bol položený pre vznik nového odvetvia vedy – atómovej fyziky. Už začiatkom 20. storočia existovalo niekoľko modelov štruktúry atómu, z ktorých najznámejšie patrili samotnému J. J. Thomsonovi. Na základe tohto modelu bol atóm kladný náboj lokalizovaný v malom objeme, v ktorom boli podobne ako hrozienka v košíčku elektróny. Tento model vysvetlil množstvo pozorovaných účinkov, ale nedokázal vysvetliť iné, najmä vzhľad čiarových atómových spektier. V roku 1911 sa Thomsonov krajan Ernest Rutherford pokúsil odpovedať na otázku o štruktúre atómu.
Návrh experimentu bol jednoduchý – zdroj, rádioaktívna látka emitujúca jadrá hélia, bol umiestnený v olovenom bloku. Nabité častice prešli cez tenkú zlatú fóliu a boli rozptýlené interakciou s atómami zlata. Rozptýlené častice potom dopadli na sito potiahnuté látkou, v ktorej spôsobili scintilácie (vzplanutia). Myšlienka bola, že ak by bol Thomsonov model atómu správny, k interakcii by došlo približne rovnako vo všetkých uhloch pozdĺž dráhy častíc. V skutočnosti väčšina častíc dopadá na sito a slabo interaguje s fóliovým materiálom. Ale malá časť (asi 8 častíc z tisíc) zažila silný rozptyl SPÄŤ, ako keby sa zrazila s nejakým druhom náboja sústredeného v strede atómu. Po mnohých experimentoch Rutherford dospel k záveru, že Thomsonov model je nesprávny. Navrhol model, neskôr nazývaný planetárny. V strede, v malom objeme, je sústredený všetok kladný náboj (jadro), okolo neho sú umiestnené elektróny.

Rutherfordov model bol dobrý, no stále nezodpovedal na množstvo otázok. Ako napríklad vzniká atómové žiarenie (luminiscencia)? Za akých okolností vyžarujú atómy rôzne svetelné fotóny? Od čoho to závisí? Súvisí emisia atómov so správaním elektrónov v nich? Odpovede na tieto otázky dal o dva roky neskôr vynikajúci dánsky fyzik Niels Henrik David Bohr.

Obraz N. Bohra na dánskej 500 korunovej bankovke.

Bohr vyvinul planetárny model, ktorý naznačuje, že každý elektrón v atóme má určitý pevný energetický stav (ktorý sa dá veľmi zhruba opísať ako elektrón na nejakej obežnej dráhe) Kým je atóm v stave s najnižšou energiou, nemôže vyžarovať. Pri prijímaní energie zvonku môžu elektróny zmeniť svoj energetický stav (presunúť sa na inú obežnú dráhu) alebo dokonca opustiť atóm (ionizácia). Pri návrate na svoje miesto (alebo na svoju obežnú dráhu) sa prebytočná energia uvoľňuje vo forme charakteristického žiarenia (fotón s akoukoľvek energiou). Atóm „podľa Bohra“ odpovedal na všetky otázky, ktoré vznikli po vytvorení prvých atómových modelov. Experimentálne štúdium atómov úspešne potvrdilo Bohrov model a mimochodom aj kvantové predpovede o diskrétnosti energií v atóme. V roku 1922 dostal Niels Bohr Nobelovu cenu za prácu o štruktúre atómov a ich žiarení.
Už v 20. rokoch minulého storočia bol atóm dobre preštudovaný. K úspechu prispela aj skutočnosť, že spojenie medzi zložkami atómu - jadrom a elektrónmi - sa uskutočnilo vďaka známemu Coulombovmu potenciálu. Koncom 20. rokov vznikla kvantová teória popisujúca množstvo atómov a vzorce ich správania.
Atómy sú elektricky neutrálne kvantové systémy s charakteristickými rozmermi rádovo 10 -10 m. Každý atóm obsahuje jadro, v ktorom je sústredený kladný náboj atómu a je sústredená takmer celá (viac ako 99,9 %) hmotnosť atómu. Záporný náboj je rozdelený medzi elektróny, ich počet sa rovná počtu kladne nabitých jadrových častíc (protónov) v jadre. Keď sa na atóm aplikuje určitá energia, nazývaná ionizačná energia, jeden z elektrónov atóm opustí. Zvyšná kladne nabitá časť je tzv ión a týmto procesom je ionizácia. Opačný proces sa nazýva rekombinácia a je sprevádzaný emisiou fotónu s energiou zodpovedajúcou rozdielu energií atómu pred a po rekombinácii.

Ionizácia je proces, ktorý neustále prebieha okolo nás. Zdrojmi ionizácie sú kozmické žiarenie, rôzne prístroje a zariadenia a rádioaktívne zdroje.
Na základe vyššie opísaných vlastností atómov funguje veľké množstvo technických zariadení. Príkladom, s ktorým sa stretávame každý deň, sú žiarivky. Je to žiara plynu, ktorá je výsledkom rekombinácie iónov, ktorá spôsobuje emisiu svetla v týchto zariadeniach.
V 50. rokoch minulého storočia boli v dôsledku štúdia vlastností stimulovanej emisie fotónov z množstva atómov vyvinuté zosilňovače optického žiarenia - lasery. (zo skratky Zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia − zosilnenie svetla stimulovanou emisiou). Laser nie je optické zariadenie ako Archimedove legendárne zrkadlové štíty, ale kvantové zariadenie, ktoré využíva štruktúru atómových úrovní na optické zosilnenie žiarenia. Hlavnou výhodou lasera je vysoká monochromatickosť (t.j. všetky emitované fotóny majú takmer rovnakú vlnovú dĺžku) žiarenia, ktoré generuje. Práve z tohto dôvodu sú lasery v súčasnosti široko používané v priemyselnej a spotrebnej elektronike a technike, medicíne a iných oblastiach.

FYZIKA ATÓMOVÉHO JADRA

V roku 1911 Ernest Rutherford navrhol svoj model atómu, v strede ktorého sa nachádzal objekt s rozmermi približne 10 -15 − 10 -14 m, ktorý obsahoval takmer celú hmotnosť atómu. Tento objekt bol pomenovaný atómové jadro. Nie je však prekvapujúce, že štúdium atómového jadra začalo oveľa skôr, už koncom 19. storočia. Pravda, v tom čase sa vlastnosti atómových jadier pripisovali atómom, ktorých štruktúra bola presne neznáma.

IN 1896 Antoine Becquerel pri štúdiu žiarenia atómov niektorých ťažkých kovov dospel k záveru, že nimi emitované častice majú na rozdiel od svetla tendenciu prenikať do hustých látok. Po 3 rokoch pokračujúcich experimentov s rádioaktívnymi látkami Ernest Rutherford umiestnil uránovú rudu do magnetického poľa a zistil, že primárny lúč sa rozdelil na 3 časti, jeden typ častíc sa odchýlil smerom k severnému pólu magnetu, druhý - smerom k juhu, a tretí prešiel bez zmien . Rutherford, ktorý ešte nepozná povahu týchto žiarení, ich pomenoval podľa prvých troch písmen gréckej abecedy – α, β a γ. Okrem Becquerela a Rutherforda podobné štúdie uskutočnili aj manželia Curie Pierre a Marie (Sklodowska-Curie). Marie Curie výrazne prispela k štúdiu rádioaktivity v atómových jadrách, ako prvá získala kovové rádium a patrila medzi vedcov, ktorí vytvorili experimentálnu jadrovú fyziku. Je jedinou vedkyňou, ktorá získala dve Nobelove ceny (za chémiu a fyziku).
Skutočný pokrok vo vývoji fyziky atómového jadra však nastal po vytvorení kvantovej mechaniky. Veď po roku 1911–13. Rutherford a Bohr objavili štruktúru atómu, vyvstala otázka - aká je štruktúra atómového jadra? Rutherford sa na to pokúsil odpovedať, dirigoval v rokoch 1918-21. experimenty na štúdium ľahkých atómových jadier. Bol to on, kto prvýkrát v roku 1919 vykonal jadrovej reakcie a otvorili sa protón

14 N + 4 He → 17 O + str

Dusík, interagujúci s jadrami hélia (α-častice), sa premenil na kyslík a vodík. V skutočnosti Rutherford ako prvý dosiahol to, o čom stredovekí alchymisti snívali – premenu jednej látky na druhú.

Emisia protónu z jadra potvrdila myšlienku prítomnosti protónov v jadre. Zároveň sa ukázalo, že hmotnosti jadier sú oveľa väčšie, ako keby pozostávali z požadovaného počtu protónov. Potom vznikla myšlienka o protón-elektrónovom modeli jadra, elektróny v jadre kompenzovali náboj niektorých protónov, ktoré tam boli, ako sa hovorí, „na váhu“.
Úspechy kvantovej mechaniky veľmi skoro viedli k tomu, že možnosť existencie elektrónov v jadrách bola spochybnená - v súlade s princípom neurčitosti mal mať elektrón umiestnený v jadre príliš veľa energie a nemohol sa tam udržať. . V roku 1931 Heisenberg, Ivanenko a Majorana nezávisle od seba navrhli myšlienku „neutrálneho protónu“ - ťažkej častice bez náboja umiestnenej v atómovom jadre. Konečné objasnenie prišlo v roku 1932, keď James Chadwick objavil neutrón– neutrálna častica s hmotnosťou približne rovnou hmotnosti protónu. Teda moderné protón-neutrónový model atómové jadro.
Hlavným nedostatkom v našich znalostiach o atómovom jadre je nedostatok presnej formy jadrový potenciál, ktorý viaže nukleóny. Vyriešenie problému vytvorenia kompletnej teórie jadra je v jadrovej fyzike najdôležitejšie. Zároveň vieme veľa o štruktúre atómového jadra.
Atómové jadro je objekt s rozmermi rádovo 10 -15 m, pozostávajúci z dvoch typov častíc - protónov a neutrónov. Ich hmotnosť je približne 1,7 · 10 -27 kg a neutrón je o 0,14 % ťažší ako protón. Kvôli podobnosti vlastností (okrem prítomnosti náboja) sa obe častice často nazývajú slovom „ nukleón».
V súčasnosti je známych približne 3 400 atómových jadier. 330 z nich je stabilných, zvyšok sa môže v pomerne krátkom čase spontánne premeniť na iné jadrá (rádioaktívne). Nazývajú sa jadrá, ktoré majú rovnaký počet protónov, ale rôzny počet neutrónov izotopy rovnaký prvok. Napríklad vodík má tri izotopy – samotný vodík, deutérium a rádioaktívne trícium. Ale cín má viac ako 30 izotopov, väčšina z nich je rádioaktívna.
Atómové jadro je kvantový systém, ktorý dodržiava zákony kvantovej fyziky. Atómové jadro má diskrétnu energetickú štruktúru. Je pravda, že nemá „planetárnu“ štruktúru ako atóm, ale existujú aj rôzne energetické polohy nukleónov, nazývané energetické hladiny. Pri príjme časti energie sa nukleóny v jadre presunú do vyššieho energetického stavu a pri návrate späť vyžarujú energiu vo forme fotónov s krátkou vlnovou dĺžkou. Takéto jadrové fotóny sa zvyčajne nazývajú γ -kvanta. Po dosiahnutí energie tzv separačná energia nukleónov, jadro môže vysunúť nukleón, čím sa zmení jeho zloženie a vlastnosti. Počet nukleónov rôznych typov v jadre a ich energetický stav určujú vlastnosti atómových jadier a zásadnejšie charakteristiky. Napríklad množstvo prvkov vo vesmíre sa vysvetľuje práve kvantovými charakteristikami atómových jadier.
Keď sa nukleóny spoja do jadier, pozoruje sa zaujímavý efekt - hmotnosť výsledného jadra sa ukáže byť o niečo (asi o 1%) menšia ako hmotnosť jeho základných nukleónov. Rozdiel medzi hmotnosťou nukleónov a hmotnosťou jadra prispieva k väzbe nukleónov v jadre a preto sa nazýva väzbovú energiu

E св = ZМ p с 2 + (A-Z)М n с2 − М i с 2,

kde Z je jadrový náboj, A je hromadné číslo(počet nukleónov v jadre)

Väzbová energia je mimoriadne dôležitá veličina, ktorá určuje aj mnohé vlastnosti jadier. Nemenej dôležitá veličina je špecifická väzbová energia, t.j. pomer väzbovej energie k počtu nukleónov

Závislosť špecifickej väzbovej energie od počtu nukleónov

Možno poznamenať, že táto závislosť má jasné maximum v oblasti jadra 56 Fe (preto sa nazýva aj „železné maximum“). Táto okolnosť má bez preháňania obrovský praktický význam.

Koncom 30. rokov minulého storočia, počas štúdia ťažkých jadier, sa vytvoril model postupného znižovania špecifickej väzbovej energie. V dôsledku toho, keď sa táto hodnota znižuje, jadro sa stáva nestabilnejším a „uvoľnenejším“. Navyše pri určitom náraze môže začať vyhadzovať nukleóny alebo sa dokonca rozpadnúť. V roku 1939 nemeckí fyzici Otto Hahn a Fritz Strassman, ktorí ožarovali uránové soli tepelnými neutrónmi, objavili medzi reakčnými produktmi bárium. To znamenalo, že pri veľmi malom vplyve (energia tepelných neutrónov zodpovedá energii molekúl plynu pri izbovej teplote) je jeden z izotopov uránu schopný štiepenia. Hlavné však nebolo toto, ale skutočnosť, že ako vyplýva z vyššie uvedeného diagramu, výsledné fragmentové jadrá budú mať oveľa vyššiu špecifickú väzbovú energiu, t.j. budú pevnejšie spojené. Preto pri štiepení vznikne rozdiel v energii a tento rozdiel sa uvoľní. Nasledujúce desaťročie a pol prinieslo tento objav do praktického využitia. Prvý bol spustený v roku 1942 nukleárny reaktor(USA), prvý bol vyhodený do vzduchu v roku 1945 atómová bomba(USA), v roku 1954 - bola spustená prvá jadrová elektráreň (ZSSR).

Ako sa v praxi získava energia zo štiepenia? Predstavme si, že máme dostatočné množstvo vzorky látky, ktorá sa štiepi pri malom náraze (tepelné neutróny). Po prvom dejstve štiepenia sa okrem fragmentových jadier uvoľní aj niekoľko neutrónov s oveľa vyššou energiou ako tepelné neutróny. Rozdelia jadrá, s ktorými sa po ceste stretnú, v dôsledku tohto procesu sa v každom novom rozštiepenom jadre vytvoria nové neutróny, ktoré zase rozdelia nové jadrá atď. Proces bude mať lavínový charakter a z tohto dôvodu je tzv reťazová reakcia divízie.
Podobný proces sa realizuje v jadrovej náloži a vedie ku kolosálnemu uvoľneniu energie v krátkom čase (niekoľko milisekúnd). Výbuch niekoľkokilogramovej nálože, napríklad 239 Pu, je podobný výbuchu niekoľkých stoviek kiloton (!) klasickej trhaviny.
Existuje však spôsob, ako tento proces časom predĺžiť. Ak sa pozriete na diagram reťazovej reakcie, môžete vidieť, že dôležitým faktorom je počet neutrónov deliacich jadrá. Preto umiestnením látky schopnej zachytávať neutróny (absorbér) do štiepneho materiálu je možné tento proces spomaliť natoľko, aby bolo možné odobrať uvoľnenú energiu, prinútiť ju napríklad zohriať vodu do varu a využiť pary na otáčanie turbíny elektrárne (JE). Moderné jadrové elektrárne využívajú ako absorbér uhlík (grafit).
Ak sa teraz pozriete na oblasť jadier ležiacich naľavo od „železného maxima“, všimnete si, že ich špecifická väzbová energia je v priemere ešte nižšia ako u jadier v maxime. Pre ľahké jadrá je teda možný proces inverzný k štiepeniu – fúzii. V tomto prípade, rovnako ako v prípade štiepenia, dôjde k uvoľneniu energie. Syntetické reakcie zahŕňajú napríklad fúziu jadier deutéria za vzniku hélia.

2 H + 2 H → 3 He + n

Termonukleárna reakcia

Problém, ako je ľahko vidieť, je, že vo všetkých prípadoch musíme riešiť spájanie podobne nabitých objektov, tzv. Coulombova bariéra, na prekonanie ktorej treba ešte vynaložiť energiu. To sa dá najľahšie dosiahnuť zahriatím syntetizovaných látok na veľmi vysoké (milióny stupňov) teploty. V pozemských podmienkach je to možné len pri jadrovom výbuchu. Umiestnením jadrového náboja do obalu z ľahkých prvkov je teda možné dosiahnuť nekontrolovanú fúznu reakciu alebo (v dôsledku výsledných vysokých teplôt), termonukleárna reakcia. Prvýkrát sa takáto reakcia (výbuch termonukleárnej bomby) uskutočnila v roku 1953 (ZSSR).
V prírode sa termonukleárne reakcie vyskytujú vo hviezdach, kde existujú všetky podmienky na „prelomenie“ Coulombovej bariéry. Navyše najsilnejšie gravitačné stlačenie podporuje aj fúznu reakciu so vznikom ťažších prvkov, až po železo.
Problém implementácie riadenej termonukleárnej fúzie zostáva nevyriešený a jeden z najpálčivejších pre fyziku atómového jadra, pretože umožňuje využívať lacné palivo v takmer neobmedzenom množstve bez škodlivých dopadov na životné prostredie.
Ako už bolo uvedené, zloženie atómového jadra do značnej miery určuje jeho vlastnosti. Jednou z najvýznamnejších jadrových charakteristík, ktorá ovplyvňuje správanie jadier, je pomer medzi neutrónmi a protónmi v atómových jadrách. Najlepšie je to vidieť na tzv N-Z diagram.

N-Z diagram atómových jadier.

V grafe môžete vidieť niekoľko viditeľných oblastí. Jednou z nich je stredná časť, úzky pásik jadier označený čiernou farbou. Toto je takzvané „údolie stability“, oblasť stabilných jadier, ktoré nepodliehajú rozkladu. Keď sa počet neutrónov zvyšuje (napravo od údolia stability), nachádzajú sa jadrá označené modrou farbou. Keď je nadbytok neutrónov, energia jadra sa zvyšuje a je možné „vrátiť sa“ do údolia stability premenou jedného z neutrónov na protón.

n → p + e - + e.

Tento proces sa nazýva β-mínus rozpad. Neutrón sa mení na protón, elektrón a elektronické. Neutrón môže zažiť tento rozpad mimo jadier. V dôsledku takéhoto rozpadu jadro zvyšuje svoj náboj a pohybuje sa smerom k oblasti stability.
Červená oblasť je oblasť jadier s nadbytkom protónov. Implementujú opačný proces:

p → n + e + + ν e

volal β-plus rozpad. Protón sa mení na neutrón, pozitrón a elektrónové neutríno (posledné dve častice sú „antipódy“ elektrónu a antineutrína). Treba poznamenať, že keďže hmotnosť protónu je menšia ako hmotnosť neutrónu, k takémuto rozpadu dochádza iba v jadrách, vo voľnom stave je protón stabilný.
Žltá oblasť v diagrame je oblasť ťažkých nestabilných jadier. Vyznačujú sa iným typom rozpadu - emisiou α-častíc (4 He jadier) resp. α rozpad, Tento typ rozpadu vedie k zníženiu náboja aj hmotnostného čísla a „presunu“ jadra do oblasti ľahších jadier. Niekedy to vedie k reťazcu rozpadov. Napríklad,

226 Ra → 222 Rn + 4 He; 222 Rn → 208 Po + 4 He; 208 Po → 204 Pb + 4 He,

kde posledný je už stabilným jadrom.
V mnohých prípadoch má jadro, ktoré je výsledkom rozpadu, prebytok energie a uvoľňuje sa z neho vyžarovaním γ-kvanta, ku ktorému dochádza γ prechod v jadre (niekedy nie celkom správne nazývané γ-rozpad).
Všetky jadrové rozpady sa vyznačujú svojimi vlastnými charakteristikami spojenými s pravdepodobnosťou rozpadu, typom emitovaných častíc a ich energiami. Existujú však všeobecné zákony rozkladu, ktoré boli stanovené počas práce Becquerela a Curieho. Hlavným je zákon rádioaktívneho rozpadu.

N(t) = N°e-λt,

kde N je počet rádioaktívnych jadier vo vzorke v danom okamihu, N 0 je počet rádioaktívnych jadier v určitom počiatočnom čase a λ je takzvaná rozpadová konštanta, charakterizujúca pravdepodobnosť rozpadu. Rozpadová konštanta nie je pre praktické použitie príliš vhodná, preto sa často používa iná hodnota, T 1/2 - polovičný život, charakterizujúce čas, počas ktorého sa počet aktívnych jadier zníži 2 krát. Konštanta rozpadu a polčas rozpadu sú vo vzťahu

Rôzne jadrá rádioaktívnych zdrojov môžu mať polčas rozpadu v rozmedzí od milisekúnd až po miliardy rokov. Okrem toho je dôležitou charakteristikou aktivita zdroja (alebo jeho hmoty), ktorá charakterizuje intenzitu rozpadu v danom čase. Okolo nás sú neustále prítomné rôzne druhy rádioaktívnych jadier a v ľudskom tele sú neustále prítomné dva rádioaktívne izotopy 40 K a 14 C.

ČASTICOVÁ FYZIKA

Časticová fyzika je možno jedným z najdynamickejších odvetví fyziky. Prinajmenšom je ťažké pomenovať inú oblasť prírodných vied, v ktorej by boli predstavy o svete okolo nás pred 40 – 50 rokmi také odlišné od tých, ktoré máme teraz. Je to spôsobené predovšetkým zmenami v predstavách o základných časticiach a interakciách, ku ktorým došlo počas tohto obdobia v priebehu experimentálnych a teoretických štúdií hmoty. Aké sú teraz základné princípy časticovej fyziky?
Základné častice− súbor častíc, ktoré sú v súčasnosti elementárnymi zložkami hmoty. V 20. rokoch minulého storočia existovali iba dve takéto častice (a častice všeobecne) – protón a elektrón. Už v 50. rokoch sa celkový počet známych častíc blížil dvom desiatkam a mnohé z nich boli považované za bezštruktúrne. Teraz je celkový počet častíc v stovkách, ale len niekoľko z nich je skutočne základných. Všetky základné častice možno rozdeliť do niekoľkých veľkých skupín.
Kvarky. Podľa moderných predstáv je to hlavná zložka hmoty, podľa hmotnosti tvoria viac ako 95 % všetkej viditeľnej hmoty. Kvarky sú rozdelené do 6 druhov (príchutí), z ktorých každá má svoje vlastnosti a odlišnosti od ostatných. Toto u(hore), d(dole), s(čudné), c(čaro), b(dole) a t(hore). Kvarky majú zlomkový náboj rovná 1/3 alebo 2/3 náboja elektrónu (protónu). Každý z kvarkov má svoj vlastný antičastica- antikvark, ktorý má rovnakú hmotnosť ako kvark, ale v mnohých iných charakteristikách je opačný (má napríklad opačný elektrický náboj). Okrem toho majú kvarky špeciálnu vlastnosť - farba, ktorý všetkým ostatným časticiam chýba (hovorí sa, že sú bezfarebné). Kvarky majú tri farby - červená, Modrá A zelená.
Samozrejme, nemali by ste si myslieť, že farba kvarkov je efekt viditeľný okom. Farba sa vzťahuje na špeciálnu charakteristiku vyjadrenú v správaní kvarkov počas rôznych interakcií medzi nimi. Názov je v tomto prípade podmienený, rovnako ako by sa táto charakteristika dala nazvať napríklad chuť, alebo by sa dal použiť akýkoľvek iný výraz.
Je ľahké vypočítať, že celkový počet kvarkov (vrátane antikvarkov a farieb) je 36. Všetky známe štruktúrne ťažké častice sú tvorené z týchto 36 častíc. Forma kombinácie troch kvarkov baryóny a súbor párov kvark-antikvark, mezóny. Medzi baryóny patrí aj známy protón a neutrón. Baryóny a mezóny sú kombinované pod všeobecným pojmom hadróny. Zo všetkých hadrónov je stabilný iba protón, všetky ostatné hadróny sa rozpadajú a menia sa na iné častice.
Leptóny. Ide o ďalšiu skupinu častíc, ktorých hlavným rozdielom od hadrónov je nedostatočná štruktúra, t.j. Leptóny sa neskladajú z iných častíc, ale sú elementárne. Leptóny sa delia na nabité − elektrón, mión A taon a neutrálne - elektronické, mionic A tajný neutrína. Ak vezmeme do úvahy antičastice, celkový počet leptónov je 12. Leptóny netvoria žiadne kombinácie, s výnimkou elektrónov, ktoré tvoria atómy. Elektrón je jediný stabilne nabitý leptón. Stabilita všetkých typov neutrín je teraz otázna.
Interakčné nosiče. Celkový počet interakcií je 4. Toto silný(pôsobí medzi kvarkami a hadrónmi), elektromagnetické, slabý(pôsobí medzi takmer všetkými časticami, ale najmä zreteľne sa prejavuje v interakcii leptónov) a gravitačné. Každá interakcia je prenášaná poľom, ktoré je reprezentované ako prúd nosných častíc. Nositeľom silnej interakcie je gluón, elektromagnetické − gama kvantum, slabé - tri typy intermediárne bozóny(W - , W + a Z) a gravitačné - gravitón(posledná častica je však predpovedaná len z teoretických úvah). Všetky nosiče majú svoje vlastné vlastnosti a každý sa zúčastňuje svojich vlastných interakcií.
Pokiaľ ide o zvyšné častice, silnej interakcie sa zúčastňujú iba hadróny a gluóny; v elektromagnetických – nabité častice a gama kvantá; v slabých - všetko okrem nosičov iných interakcií; v gravitačnom - častice s hm. Vznik množstva častíc je spojený s ďalším špeciálnym poľom, ktoré sa nazýva Higgsovo pole a častice, ktoré ho nesú, sú Higgsove bozóny.

Až do začiatku 60. rokov minulého storočia boli všetky vtedy známe častice považované za bezštruktúrne. Vďaka pokroku vo vývoji hlavných experimentálnych nástrojov – urýchľovačov častíc však už koncom 50. rokov vznikli predpoklady o štruktúre nukleónov. Americký fyzik Robert Hofstadter pri uskutočňovaní experimentov na elektrónovom urýchľovači zistil, že rozptýlením elektrónov na neutróny je možné vidieť, že elektróny interagujú s „vnútrom“ neutrónu, ako keby mal nejaký skrytý náboj, ktorý je vo vnútri komplexne distribuovaný. . Hofstadter naznačil, že to môže byť spôsobené prítomnosťou určitých nosičov elektrického náboja vo vnútri nenabitého neutrónu. O niekoľko rokov neskôr sa podobné experimenty uskutočnili aj v iných laboratóriách.

Na základe údajov z týchto experimentov a štúdia systematiky častíc objavených v tom čase ďalší americký fyzik Murray Gell-Mann v roku 1963 vyslovil hypotézu, že protón a neutrón sú postavené z menších častíc, ktoré nazval kvarky. Spočiatku Gell-Mann zaviedol iba dva kvarky − u A d, avšak potom bol väčší počet otvorených častíc s rôznymi vlastnosťami nútený vykonať úpravy modelu, pričom sa ich počet zvýšil najskôr na 3 a 4 a potom na 6. Kvarková hypotéza sa pri svojom vývoji stretla s mnohými problémami. Po prvé, bolo psychologicky náročné vnímať existenciu častíc s nábojom menším ako je náboj elektrónu. Po druhé, častice objavené koncom 60. rokov boli v kvarkovom modeli interpretované tak, že to mohlo byť v rozpore so základným princípy kvantovej mechaniky. Na vyriešenie tohto problému bola zavedená špeciálna charakteristika (kvantové číslo) kvarkov – farba. Po tretie, problém s kvarkovým modelom bol, že všetky pokusy odhaliť kvarky vo voľnom stave neviedli k úspechu. To spôsobilo odmietnutie modelu medzi mnohými vedcami, pretože až experimentálne potvrdenie hypotézy ho prenáša z kategórie hypotéz do kategórie fyzikálnych právd. V roku 1969 tak M. Gell-Mann dostal Nobelovu cenu, ale v znení ceny „Za prínos a objavy v klasifikácii elementárnych častíc a ich interakcií“ nebolo slovo „kvark“.
Až po experimentoch v DESY (Nemecko), Fermilabe (USA) a Európskom centre pre jadrový výskum (CERN) koncom 80. rokov bolo možné pozorovať efekty, ktoré poukazovali na prítomnosť častíc s frakčným nábojom. Prvá Nobelova cena, v ktorej formulácii bolo prítomné slovo „kvark“, bola udelená y, y a y v roku 1990. Približne v rovnakom čase bolo podané vysvetlenie problému pozorovania kvarkov vo voľnom stave. Špecifickosť vzájomnej interakcie kvarkov tento postup zásadne znemožňuje (tzv uväznenie), je možné len nepriame pozorovanie kvarkových efektov.
V súčasnosti existuje dobre rozvinutý samostatný odbor teoretickej fyziky, ktorý študuje gluóny a kvarky − kvantová chromodynamika. Táto časť sumarizuje pokrok kvantovej teórie pri jej aplikácii na špecifický „farebný priestor“ kvarkov a gluónov.
Hadróny - častice vytvorené z kvarkov - v súčasnosti zahŕňajú viac ako 400 častíc (a antičastíc). Všetky, okrem protónu a neutrónu (ktoré sú v jadrách stabilné), majú životnosť nie dlhšiu ako jednu mikrosekundu a rozpadajú sa na iné častice (v konečnom dôsledku stabilné). Množstvo častíc má hmotnosť niekoľkonásobne väčšiu ako hmotnosť nukleónov. Medzi hadrónmi sú elektricky neutrálne častice a nabité častice, vrátane tých s nábojom +2 a -2 (v jednotkách elektrónového náboja). Rozmanitosť ťažkých častíc umožňuje študovať vzorce ich interakcie s rôznymi poľami a v konečnom dôsledku získať správne pochopenie vzorcov konštrukcie nášho sveta.
Leptóny sa nemôžu pochváliť takou rozmanitosťou ako hadróny. Ich celkový počet (vrátane antičastíc) je iba 12. Najľahšie nabitý leptón, elektrón, bol objavený v roku 1895, jeho antičastica (pozitrón) v roku 1934, ťažší mión v roku 1962 a posledný, taón s hmotnosťou viac ako 3000-krát väčšou ako hmotnosť elektrónu, v roku 1975. Najzaujímavejšie sú však dnes nenabité leptóny – neutrína.

Koncom 20. rokov minulého storočia sa intenzívne skúmali rôzne typy rádioaktívnych rozpadov. Pri skúmaní β-rozpadu sa vedci stretli s paradoxnou situáciou – elektróny mali zakaždým inú energiu, hoci pri rozpade, ktorý vyústil do vzniku dvoch častíc

všetka energia rozpadu musí byť proporcionálne rozdelená medzi elektrón a atómové jadro, t.j. elektróny musia mať pevnú energiu. Došlo to až do bodu, že aj Niels Bohr bol pripravený priznať, že β-rozpad porušuje zákon zachovania energie! Riešenie našiel vynikajúci nemecký fyzik Wolfgang Pauli. Navrhol, aby sa spolu s elektrónom objavila ďalšia nenabitá častica (malý neutrón), ktorá pri rozpade bez registrácie vyletí, pričom zakaždým odnesie inú časť energie. Myšlienka navrhnutá Paulim brilantne vyriešila situáciu, zákon zachovania energie zostal neotrasiteľný a objavenie sa novej častice vysvetlilo situáciu „stratou energie“. Neutríno (názov, ktorý navrhol Enrico Fermi) však zostalo pomerne dlho „papierovou časticou“.

Pokrok v experimentálnom štúdiu neutrín je spojený predovšetkým s menom vynikajúceho fyzika (rodného Taliana, ktorý sa v roku 1950 presťahoval do ZSSR) Bruna Pontecorva. V roku 1944 Pontecorvo, ktorý viedol teoretickú štúdiu o možných vlastnostiach neutrín, navrhol účinnú metódu na detekciu tejto častice. Zdrojom by podľa Pontecorva mohol byť proces, pri ktorom sa rádioaktívne jadrá intenzívne rozkladajú. O niečo neskôr Pontecorvo navrhol použiť jadrový reaktor ako umelý zdroj neutrín. Už začiatkom 50. rokov sa začalo pracovať na registrácii neutrín (vtedy sa predpokladalo, že neutrína antičasticu nemajú). Prvým experimentom na detekciu (anti)neutrín bol experiment Fredericka Reinesa a Clyda L. Cowana, Jr., ktorým sa v roku 1957 podarilo zaregistrovať reaktorové antineutrína. Ďalšou etapou štúdia tejto častice bola registrácia slnečných neutrín, ktorú vykonal Raymond Davis Jr. v roku 1967 v bani Homestake (USA). Už vtedy sa ukázalo, že k interakcii neutrín s hmotou dochádza tak zriedkavo, že jej efektívna registrácia si vyžaduje veľké objemy záznamového materiálu a dlhý čas merania. Jeden z najúspešnejších experimentov s neutrínami v zariadení Kamiokande (Japonsko) počas niekoľkých rokov práce s obrovskou nádržou s kapacitou niekoľko desiatok tisíc ton vody priniesol výsledok v podobe niekoľkých neutrín za rok! Okrem času si vykonávanie takýchto experimentov vyžaduje aj veľké finančné náklady. Vo výstižnom vyjadrení B. Pontecorva: „Fyzika elementárnych častíc je drahá veda...“.
Aký je dôvod moderného záujmu o neutrína? Najvyššia penetračná schopnosť týchto častíc umožňuje získať informácie o objektoch, ktoré sú inak pre štúdium neprístupné. Rozsah aplikácií je tu obrovský – od informácií o procesoch vo vzdialených galaxiách a kopách galaxií až po neutrínovú geolokáciu Zeme. V súčasnosti sa spúšťajú veľké projekty na registráciu astrofyzikálnych neutrín – veľkoobjemové neutrínové teleskopy, kde sa ako záznamová látka používa morská voda alebo ľad. Plánuje sa výstavba dvoch ďalekohľadov s objemom 1 km 3 na severnej (stredomorskej) a južnej (antarktická) pologuli.

Neutrínový teleskop ANTARES

Nevyriešený zostáva aj problém hmotnosti neutrín. Prekvapivo je to snáď jediná častica, o ktorej sa nedá povedať, či má alebo nemá hmotnosť! V posledných rokoch sa veľké nádeje pri riešení tohto problému vkladajú do pozorovania takzvaných neutrínových oscilácií, spontánnych prechodov neutrín jedného typu na druhý.
Napriek prítomnosti rôznych metód moderného výskumu zostáva hlavným nástrojom od 40. rokov minulého storočia urýchľovače nabitých častíc. Akýkoľvek urýchľovač je v doslovnom zmysle slova mikroskop, ktorý umožňuje nahliadnuť hlboko do hmoty. Na pozorovanie objektu v mikrokozme je totiž potrebné použiť žiarenie s vlnovou dĺžkou úmernou jeho veľkosti. A keďže na základe vlnových vlastností častíc môžeme získať

kde λ je vlnová dĺžka, ћ je Planckova konštanta, c je rýchlosť svetla a E je energia, potom pre väčšie „zväčšenie“ nášho „mikroskopu“ je potrebné zvýšiť energiu častíc. V súčasnosti existujú rôzne typy urýchľovačov, najmä urýchľovacie protóny a elektróny. Princíp činnosti napríklad štandardného lineárneho urýchľovača je mimoriadne jednoduchý a spočíva v tom, že pri prechode elektrónu (alebo protónu) cez rozdiel potenciálov získava energiu.

Preto sa jednotka energie používaná v jadrovej a časticovej fyzike nazýva „elektrónvolt“, je to energia, ktorú elektrón získa pri prechode cez rozdiel potenciálov 1 volt. Samozrejme, v moderných urýchľovačoch sa zrýchlenie vykonáva pomocou striedavého elektromagnetického poľa, ktoré „hojdá“ častice v rôznych oblastiach. Maximálna energia elektrónov dosiahnutá v elektrónových urýchľovačoch je dnes 100 GeV (10 11 eV) a v protónových urýchľovačoch je to 3,5 TeV (3,5 10 12 eV). Posledná hodnota zodpovedá energii protónov dosiahnutej na najväčšom modernom protónovom urýchľovači − Veľký hadrónový urýchľovač(LHC) v CERN.

Schematické znázornenie komplexu urýchľovačov v CERN na geografickej mape.

Tento najväčší komplex urýchľovačov je supravodivý prstenec dlhý viac ako 27 kilometrov, ktorý umožňuje „roztáčanie“ protónov na energie 7 TeV. S takouto energiou zrážaných protónov (a zrážka, samozrejme, ešte zvyšuje energetický výdaj), je možné pozorovať všetky druhy reakcií s tvorbou rôznych častíc, vrátane tých s veľkými hmotnosťami. Väčšina experimentov plánovaných na urýchľovači súvisí s testovacími predpoveďami Štandardný model− súbor teoretických predpokladov popisujúcich štruktúru hmoty. Potvrdenie alebo vyvrátenie týchto hypotéz poskytne vede príležitosť posunúť sa vpred a vyriešiť problémy, ktorým dnes ľudstvo čelí.

Samotestovacie otázky

1. Aký je zásadný rozdiel medzi metódami štúdia mikrosveta a makrosveta?
2. Aký je fyzikálny význam Planckovej konštanty?
3. Je možné súčasne presne zmerať súradnicu a hybnosť častice v mikrokozme?
4. Uveďte príklad diskrétnej energie v kvantovom systéme.
5. Aká je hlavná charakteristika kvantového systému?
6. Pomenujte experiment, ktorý položil základ pre moderné chápanie atómovej štruktúry.
7. Aká je približná veľkosť atómu?
8. Aký je dôvod, prečo atómy emitujú fotóny?
9. Čo je ionizácia?
10. Aká je približná veľkosť atómového jadra?
11. Aké častice tvoria atómové jadro?
12. Čo je jadrová väzbová energia?
13. Prečo dochádza k štiepeniu ťažkých jadier?
14. Prečo sa reakcie jadrovej fúzie nazývajú termonukleárne?
15. Čo je to rozpad alfa?
16. Vymenujte tri skupiny základných častíc.
17. Uveďte typy kvarkov.
18. Koľko kvarkov sa skladá z protónu a neutrónu?
19. Čo je to neutrino?
20. Uveďte typy základných interakcií.

Stručná história štúdia elementárnych častíc

Prvá elementárna častica, ktorú vedci objavili, bol elektrón. Elektrón je elementárna častica, ktorá nesie záporný náboj. Objavil ho v roku 1897 J. J. Thomson. Neskôr, v roku 1919, E. Rutherford zistil, že medzi časticami vyradenými z atómových jadier sú protóny. Potom boli objavené neutróny a neutrína.

V roku 1932 K. Anderson pri štúdiu kozmického žiarenia objavil pozitrón, mióny a K-mezóny.

Od začiatku 50. rokov sa urýchľovače stali hlavným nástrojom na štúdium elementárnych častíc, čo umožnilo objaviť veľké množstvo nových častíc. Výskum ukázal, že svet elementárnych častíc je veľmi zložitý a ich vlastnosti sú neočakávané a nepredvídateľné.

Elementárne častice vo fyzike mikrosveta

Definícia 1

V užšom zmysle sú elementárne častice častice, ktoré sa neskladajú z iných častíc. Ale v modernej fyzike sa používa širšie chápanie tohto pojmu. Elementárne častice sú teda najmenšie častice hmoty, ktoré nie sú atómami a atómovými jadrami. Výnimkou z tohto pravidla je protón. Preto sa elementárne častice nazývajú subjadrové častice. Prevažnú časť týchto častíc tvoria kompozitné systémy.

Elementárne častice sa zúčastňujú všetkých základných typov interakcií – silnej, gravitačnej, slabej, elektromagnetickej. Gravitačná interakcia v dôsledku malých hmotností elementárnych častíc sa často neberie do úvahy. Všetky v súčasnosti existujúce elementárne častice sú rozdelené do troch veľkých skupín:

• bozóny. Sú to elementárne častice, ktoré nesú elektroslabé interakcie. Patrí medzi ne kvantum elektromagnetického žiarenia, fotón, ktorý má pokojovú hmotnosť rovnú nule, čo určuje, že rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn vo vákuu je maximálnou rýchlosťou šírenia fyzikálneho vplyvu. Rýchlosť svetla je jednou zo základných fyzikálnych konštánt, jej hodnota je 299 792 458 m/s.
• leptóny. Tieto elementárne častice sa zúčastňujú elektromagnetických a slabých interakcií. V súčasnosti existuje 6 leptónov: elektrón, mión, miónové neutríno, elektrónové neutríno, ťažký τ-leptón a zodpovedajúce neutríno. Všetky leptóny majú spin ½. Každý leptón zodpovedá antičastici, ktorá má rovnakú hmotnosť, rovnaký spin a iné vlastnosti, ale líši sa znamienkom elektrického náboja. Existujú pozitrón, ktorý je antičasticou elektrónu, mión, ktorý je kladne nabitý, a tri antineutrína, ktoré majú leptónový náboj.
• hadróny. Tieto elementárne častice sa zúčastňujú silných, slabých a elektromagnetických interakcií. Hadróny sú ťažké častice, ktorých hmotnosť je 200 000-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu. Ide o najväčšiu skupinu elementárnych častíc. Hadróny sa zase delia na baryóny - elementárne častice so spinom ½ a mezóny s celočíselným spinom. Okrem toho dochádza k takzvaným rezonanciám. Toto je názov pre krátkodobé vzrušené stavy hadrónov.

Vlastnosti elementárnych častíc

Každá elementárna častica má súbor diskrétnych hodnôt a kvantových čísel. Spoločné charakteristiky absolútne všetkých elementárnych častíc sú nasledovné:

• hmotnosť
• život
• nabíjačka

Poznámka 1

Podľa ich životnosti sú elementárne častice stabilné, kvázi stabilné a nestabilné.

Stabilné elementárne častice sú: elektrón, ktorého životnosť je 51021 rokov, protón - viac ako 1031 rokov, fotón, neutríno.

Kvazistabilné sú častice, ktoré sa rozpadajú v dôsledku elektromagnetických a slabých interakcií, životnosť kvázistabilných elementárnych častíc je viac ako 10-20 s.

Nestabilné elementárne častice (rezonancie) sa počas silných interakcií rozpadajú a ich životnosť je $10^(-22) – 10^(-24)$ s.

Kvantové čísla elementárnych častíc sú leptónové a baryónové náboje. Tieto čísla sú prísne konštantné hodnoty pre všetky typy základných interakcií. Pre leptónové neutrína a ich antičastice majú leptónové náboje opačné znamienka. Pre baryóny je baryónový náboj 1, pre ich zodpovedajúce antičastice je baryónový náboj -1.

Charakteristické pre hadróny je prítomnosť špeciálnych kvantových čísel: „zvláštnosť“, „krása“, „šarm“. Bežné hadróny sú neutrón, protón a π-mezón.

V rámci rôznych skupín hadrónov existujú rodiny častíc, ktoré majú podobné hmotnosti a podobné vlastnosti vzhľadom na silnú interakciu, ale líšia sa elektrickým nábojom. Príkladom toho je protón a neutrón.

Schopnosť elementárnych častíc podstupovať vzájomné premeny, ku ktorým dochádza v dôsledku elektromagnetických a iných základných interakcií, je ich najdôležitejšou vlastnosťou. Tento typ vzájomnej premeny je zrodenie páru, teda vznik častice a antičastice zároveň. Vo všeobecnom prípade sa vytvorí pár elementárnych častíc s opačným baryónovým a leptonickým nábojom.

Je možná tvorba pozitrónovo-elektrónových párov a miónových párov. Ďalším typom vzájomnej premeny elementárnych častíc je anihilácia páru v dôsledku zrážky častíc za vzniku konečného počtu fotónov. Spravidla dochádza k tvorbe dvoch fotónov s celkovým spinom kolidujúcich častíc rovným nule a troch fotónov s celkovým spinom rovným 1. Tento príklad je prejavom zákona zachovania parity náboja.

Za určitých podmienok je možný vznik viazaného systému pozitrónia e-e+ a miónia µ+e-. Touto podmienkou môže byť nízka rýchlosť zrážaných častíc. Takéto nestabilné systémy sa nazývajú atómy podobné vodíku. Životnosť atómov podobných vodíku závisí od špecifických vlastností látky. Táto vlastnosť umožňuje ich využitie v jadrovej chémii na podrobné štúdium kondenzovaných látok a na štúdium kinetiky rýchlych chemických reakcií.

Fyzické telá okolo nás, dokonca aj tie isté, sú v konečnom dôsledku rozlíšiteľné. Často hovoríme: „sú podobné ako dve kvapky vody“, hoci sme si istí, že dve kvapky vody, bez ohľadu na to, aké podobné môžu byť, sa dajú rozlíšiť. Ale vo vzťahu k elektrónom slovo „podobnosť“ nie je vhodné. Tu hovoríme o úplnej identite.

Každá loptička z kopy úplne rovnakých má predsa niečo do seba – aspoň miesto, ktoré gulička zaberá medzi ostatnými. Iné je to s elektrónmi. V systéme niekoľkých elektrónov nie je možné vyčleniť iba jeden: správanie každého z nich sa nelíši od ostatných. Niečo podobné sa deje aj v našom svete. Napríklad dve vlny s rovnakou dĺžkou, amplitúdou a fázou sú také identické, že po ich superponovaní je úplne zbytočné pýtať sa, kde je jedna a kde druhá. Alebo si predstavte víchrice, ktoré sa rútia jeden k druhému. Po ich zrážke môžu vzniknúť nové víry a nie je možné určiť, ktorý z „novorodených“ vírov vznikol z prvého a ktorý z druhého.

Ukazuje sa, že charakter elektrónu viac nepripomína fyzické telo, ale proces. Napríklad vlnové pohyby. Avšak z viacerých dôvodov, o ktorých budeme diskutovať nižšie, nie je možné predstaviť si elektrón iba ako vlnu.

Hlavy a chvosty

Čo je to vlastne elektrón? Pred zodpovedaním tejto otázky si najprv spomeňme na fascinujúcu hru „hlavy a chvosty“. Faktom je, že pojem pravdepodobnosti, ktorý je pre nás v budúcnosti veľmi dôležitý, vyplýva z analýzy hazardných hier.

Hoďte si mincou desať, dvadsať, stokrát. Opakujte sériu sto hodov mnohokrát. Všimnete si, že počet hláv a chvostov bude takmer úplne rovnaký vo všetkých (alebo takmer vo všetkých) sériách. To znamená, že máme do činenia s určitým vzorcom. Keď to poznáte, môžete odhadnúť pravdepodobnosť toho, čo sa môže alebo nemusí stať. Povedzme výhru v lotérii.

Ale čo to všetko má spoločné s mikrokozmom? Najpriamejšie. Predmetom štúdia mechaniky je pravdepodobnosť rôznych udalostí, napríklad pravdepodobnosť výskytu zábleskov na jednom alebo druhom mieste na obrazovke.

Keďže ide o pravdepodobnosť, kde a kedy sa môže niečo stať, je potrebné poznať ich rozloženie v priestore a čase. Kvantová mechanika študuje takéto distribúcie (fyzici ich nazývajú vlnové funkcie).

čo je choroba?

Možno budete mať pochybnosti: ako môžu byť nefyzické telesá predmetom fyzikálneho výskumu? Pamätajte však, že objektom napríklad sociológie alebo ekonómie je spoločnosť alebo určité sociálne vzťahy, ktoré nemožno nazvať objektmi. A predmetom takej vedy, akou je medicína, je choroba. Nie mikróby alebo ľudia, ale choroba, to znamená porušenie normálnych funkcií ľudského tela. Toto tiež nie je objekt. Pokiaľ ide o klasickú mechaniku, jej objekty - hmotné body - nemožno považovať za skutočné objekty, pretože nemajú celý súbor vlastností, ktoré sú vlastné fyzickým telám (napríklad farba, chuť, vôňa). Toto je len idealizácia fyzického tela, objektu. Je pravda, že tu nie je ťažké vidieť súlad medzi tým, čo študuje veda, a tým, čo je vo svete okolo nás: mechanika študuje hmotné body, ktoré zodpovedajú fyzickým telám vo vonkajšom svete.

Čo však zodpovedá objektom mikrosveta: atómom, atómovým jadrám, ako aj elektrónom a iným elementárnym časticiam? Ukazuje sa, že nejde o fyzické telá, nie o hrudky hmoty nejako roztrúsené v priestore, ale o isté pravdepodobnostné súvislosti medzi javmi. Mikrosvet nie je nový svet s objektmi úžasnými svojimi vlastnosťami, ale svet nových, dovtedy nepoznaných súvislostí medzi fyzikálnymi javmi.

Nie písmeno, ale význam

Opäť legitímna otázka: existujú spojenia medzi javmi mimo fyzických tiel? Samozrejme, že nie. Prepojenia medzi javmi sa objavujú a existujú iba v samotných javoch a nemôžu existovať ako niečo oddelené. Môžete ich však študovať bez toho, aby ste sa rozptyľovali od javov. Presne toto úspešne robí kvantová mechanika. Javy, ktoré študuje, sa vyskytujú s najbežnejšími telesami - obrazovkami, počítadlami. Tieto telesá sa však v teórii nevyskytujú. Prepojenia medzi javmi, ktoré študuje kvantová mechanika, sú také zložité, že sa musíme uchýliť k abstraktným pojmom (ako je vlnová funkcia, rozdelenie pravdepodobnosti atď.)

Sú takéto abstrakcie legitímne? Je možné hovoriť o objektívnej existencii súvislostí medzi javmi a považovať ich za nezávislé od javov? Áno, robíme to veľmi často. Pamätajme, že o obsahu knihy sa môžeme baviť bez toho, aby sme sa vôbec zaujímali o vlastnosti tlačiarenskej farby a papiera, na ktorý je vytlačená. Ide len o to, že v tomto prípade nie je dôležité, ako sú písmená vytlačené, a nie tvar týchto písmen, ale spojenie medzi nimi.

Čo sa deje v mikrokozme?

Ako už bolo spomenuté, elementárne častice sa viac podobajú nie objektom, ale fyzikálnym procesom a javom. To je jeden z dôvodov jedinečnosti mikrosveta. Každý predmet má určitý stupeň trvalosti; možno ho, aj keď len na obmedzený čas, považovať za nezmenený. Procesy a javy sú úplne iná záležitosť. Napríklad vlny sa k sebe neustále pridávajú (interferujú) a menia svoj tvar; pri akejkoľvek interakcii s cudzími telesami alebo inými vlnami ich vzhľad nezostáva nezmenený. Niečo podobné sa deje s mikroobjektmi.

Urobme myšlienkový experiment

Nechajte dva elektróny dopadať na cieľ. Po zrážke s ním sa odrážajú rôznymi smermi. Ak zmeriate tlak, ktorý cieľ zažil, potom môžete pomocou zákona zachovania hybnosti určiť množstvo elektrónov po odraze. Počkáme, kým sa elektróny rozptýlia na dostatočne veľkú vzdialenosť a zmeráme hybnosť jedného z nich. Keďže je známy súčet hybností, určuje sa aj hybnosť druhého elektrónu. Teraz si všimnite - je to veľmi dôležité! - že stav, v ktorom má hybnosť elektrónu určitú hodnotu, a stav bez určitej hodnoty impulzu, sú z hľadiska kvantovej mechaniky odlišné stavy. Ukazuje sa, že pri pôsobení na jeden elektrón (a pri meraní hybnosti nie je možné nepôsobiť na časticu) sa súčasne mení stav iného elektrónu?

Telepatia v elektrónoch?

Toto nemôže byť pravda! Skutočne: elektróny sú predsa ďaleko od seba a neinteragujú; Ako pôsobenie na jeden z nich zmení stav druhého? Ako si nemyslieť, že tu máme do činenia s prenosom vplyvu z jedného tela na druhé takmer nadprirodzeným spôsobom, teda niečo ako telepatia v elektrónoch.

Možno však pochybovať, že stav druhého elektrónu sa skutočne zmenil, zatiaľ čo nachádzame hybnosť prvého.

Koniec koncov, oba elektróny mali určitú špecifickú hybnosť ešte predtým, ako sme začali merať. V dôsledku toho sme sa dozvedeli iba hybnosť druhého elektrónu, ale nijako nezmenili jeho stav.

Na prvý pohľad sú tieto argumenty celkom logické. Bohužiaľ, kvantová mechanika je založená na špeciálnej logike. Ako sama tvrdí, pred experimentom merania hybnosti prvého elektrónu oba elektróny vôbec nemali konkrétnu hybnosť.

Aby sme zistili, čo sa deje, položme si zdanlivo absurdnú otázku: existoval každý z elektrónov oddelene? Inými slovami, existoval systém dvoch elektrónov, ale pozostával z jednotlivých elektrónov?

Táto otázka vôbec nie je taká nezmyselná, ako sa na prvý pohľad zdá. Jednotlivý elektrón v kvantovej mechanike je opísaný samostatným rozdelením pravdepodobnosti. V tomto prípade môžeme povedať, že elektrón má takú a takú pravdepodobnosť, že bude na danom mieste a inú pravdepodobnosť, že bude na nejakom inom mieste. To isté možno povedať o hybnosti, energii a iných parametroch častice.

Pravdepodobnosti charakterizujúce elektrón sa v priebehu času menia, bez ohľadu na to, čo sa stane s inými elektrónmi (pokiaľ s nimi neinteraguje). Iba v tomto prípade môžeme povedať, že existuje jednotlivý elektrón, a nie ich systém ako jeden celok, ktorý sa nerozpadne. Ale s elektrónmi v našom experimente (čitateľ ma bude musieť brať na slovo) je situácia iná.

Elektróny sa objavujú a miznú

V rozdelení pravdepodobnosti, ktoré popisuje systémy po odraze našich elektrónov od cieľa, nie je možné identifikovať nezávislé časti, ktoré by zodpovedali jednotlivým elektrónom. Po nastavení experimentu na meranie hybnosti však nastáva úplne iná situácia. Na základe výsledkov získaných údajov možno zostaviť nové rozdelenie pravdepodobnosti, ktoré sa rozdelí na dve nezávislé časti, takže každú možno považovať za samostatný elektrón.

To eliminuje paradox „elektronickej telepatie“. Stav druhého elektrónu sa v dôsledku merania vykonaného na prvom elektróne vôbec nemení: tieto elektróny napokon pred experimentom jednoducho neexistovali. Hovoriť o objavení sa a zmiznutí elektrónov znie absurdne, ak elektróny považujeme za fyzické telá, ale je to celkom v súlade s myšlienkou ich rozdelenia pravdepodobnosti, ktoré nemajú stabilitu fyzických tiel a menia sa od skúsenosti k skúsenosti.

Ako sedieť elektrón

A predsa nie je také ľahké odmietnuť považovať elektrón za obyčajné teleso. V skutočnosti fyzici merajú polohu elektrónu, jeho hybnosť a energiu. Tieto veličiny charakterizujú aj stav bežných fyzických tiel. A ak áno, potom to znamená, že v určitom zmysle je stále možné charakterizovať elektrón rovnakými vlastnosťami ako fyzické telo, napríklad polohou v priestore?

Bohužiaľ nie. Pretože ako to urobiť? Polohu elektrónu v priestore je možné určiť napríklad pomocou scintilačnej clony. Je potiahnutý špeciálnou látkou, ktorá pri dopade elektrónu na obrazovku vytvára záblesk. Výskyt záblesku sa interpretuje ako správa, že elektrón je v tom momente prítomný. Na rozdiel od bežných fyzických telies však elektrón z pohľadu fyzika nemá určitú polohu pred ani po záblesku. Okrem toho, pokiaľ neexistuje clona, ​​nie je možné hovoriť o polohe elektrónu v určitom bode priestoru: z kvantovej mechaniky vyplýva, že pri absencii clony je elektrón opísaný vlnovou funkciou “ rozmazané“ na veľkej ploche. Vzhľad obrazovky náhle zmení stav elektrónu; Výsledkom je, že vlnová funkcia sa okamžite stiahne do jedného bodu, v ktorom dôjde k vzplanutiu.

Figaro sem, Figaro tam...

Táto kontrakcia sa nazýva „redukcia vlnových paketov“. Až v dôsledku redukcie prechádza elektrón do nového stavu, v ktorom na okamih nadobudne určitú polohu v priestore. V nasledujúcom momente sa vlnový balík opäť rozšíri a elektrón opäť nemá presne určenú polohu.

To isté (s rozdielmi, ktoré sú pre nás teraz nepodstatné) možno povedať o iných parametroch (napríklad hybnosť, energia, moment hybnosti). Všetky klasické parametre teda necharakterizujú samotný elektrón, ale len proces jeho interakcie s meracím zariadením. Objavujú sa v elektróne až v momente merania v dôsledku zmenšenia vlnového balíka. Samotný elektrón (a teda aj jeho správanie) charakterizujú iba pravdepodobnostné vlastnosti zapísané vo vlnovej funkcii. Pri experimente s dopadom elektrónu na obrazovku bola teda pravdepodobnosť záblesku vo všetkých bodoch v určitej oblasti priestoru nenulová; túto pravdepodobnosť bolo možné vypočítať vopred a nezávisela od toho, či tam bola obrazovka. alebo nie.

Rýchlejšie ako svetlo

Úžasným procesom je zmenšenie vlnového paketu. Kvôli tomu nemožno elektrón a iné častice mikrosveta reprezentovať ako vlnový pohyb v žiadnom fyzickom poli. Faktom je, že toto zníženie (napríklad vo vyššie uvedenom príklade - kontrakcia vlnovej funkcie do jedného bodu na obrazovke) nastane okamžite. Redukcia vlnového balíka teda nemôže byť fyzikálnym procesom N vyskytujúcim sa v akomkoľvek poli. Okamžité akcie na diaľku sú v rozpore so základnými predpokladmi, ktoré sú základom teórie poľa. Je napríklad známe, že akýkoľvek prenos energie (a informácií) v elektromagnetickom poli prebieha rýchlosťou svetla. Podľa teórie relativity je rýchlosť svetla maximálna rýchlosť prenosu fyzikálnych efektov (a správ) v našom svete.

Zmenšenie vlnového paketu však nemá vo svojom jadre nič záhadné. Určite sa s tým už každý z vás stretol v bežnom živote. Povedzme, že ste si kúpili žreb do lotérie. Na tomto tikete máte istú šancu vyhrať, povedzme. Veľmi malá pravdepodobnosť, že sa to stane, sa okamžite zmení buď na nulu, alebo na jednotku, keď niekoľko otočení ťahacieho valca rozhodne o probléme tak či onak.

Všimnite si, že vo všeobecnosti je to jasné ešte predtým, ako poznáte výsledky kreslenia. Dochádza k okamžitému zníženiu rozdelenia pravdepodobnosti, ku ktorému dochádza v momente kreslenia a nie je spojené s prenosom akejkoľvek akcie v priestore.

60% živých a 40% mŕtvych

Kvantová mechanika striktne rozlišuje medzi faktami, ktoré sa už vyskytli, a faktami, ktoré sú predpovedané teóriou. Sú dokonca opísané rôznymi spôsobmi: prvý - z hľadiska klasickej fyziky a druhý sa používa kvantovo-mechanický popis, teda jazyk rozdelenia pravdepodobnosti. Táto okolnosť vedie k zaujímavým nedorozumeniam.

Predstavte si, že do vesmíru je vyslaná napríklad raketa s nejakým zvieraťom na palube. Raketa má elektronické zariadenie, ktoré sa v určitom momente automaticky zapne a uvoľní jeden elektrón. Tento elektrón odrazený od cieľa zasiahne obrazovku a ak zasiahne pravú, povedzme polovicu, spustí sa výbušné zariadenie, ktoré zničí mačku, ale ak zasiahne ľavú polovicu obrazovky, nič sa nestane a mačka sa vracia na Zem živá a nezranená. Čo sa vlastne stalo, sa dá zistiť až po návrate rakety a je možné otvoriť nádobu s mačkou. Pozrime sa, čo môže povedať kvantová mechanika o osude mačky pred otvorením obsahu nádoby.

Jeho záver by bol asi takýto: stav mačky by bol superpozíciou živých a mŕtvych stavov, pričom mačka by bola povedzme na 60 percent živá a na 40 percent mŕtva.

Kde je naša chyba?

Na prvý pohľad takáto predpoveď vyzerá úplne smiešne. Naozaj, o akej superpozícii živých a mŕtvych môžeme hovoriť? Ako môžeš žiť na 60 percent a môžeš byť mŕtvy na 40 percent? Predpoveď sa po otvorení nádoby bude zdať ešte zvláštnejšia. Tam samozrejme nájdu buď živú mačku, alebo jej pozostatky, a nie nejaký medzivýsledok.

Na základe podobných úvah prichádza maďarský fyzik a filozof L. Janosi k záveru, že kvantová mechanika nepopisuje správne, čo sa v skutočnosti deje.

Nie veštiť, ale počítať

Janosi ale neberie do úvahy jednu dôležitú okolnosť. Kvantová mechanika nepredstiera, že presne opisuje, čo sa deje; hovorí len o tom, aké závery vyplývajú zo skutočností, ktoré sú už s určitosťou známe. V pomyselnom mačacom experimente vieme len to, že v určitom momente sa zapne určité elektronické zariadenie. Na základe toho nie je možné urobiť presný záver o tom, aké udalosti budú nasledovať; možno len predpovedať pravdepodobnosti možných výsledkov. Toto robí kvantová mechanika. V našom prípade majú jej predpovede nasledujúci význam: mačka má šancu 60 zo 100, že zostane nažive.

To je všetko, čo možno povedať vopred bez otvorenia vráteného kontajnera. Ešte raz, úlohou kvantovej mechaniky nie je predpovedať postupnosť udalostí, ktoré sa skutočne vyskytnú, ale jednoducho zistiť, ako sa v priebehu času menia pravdepodobnosti týchto udalostí.

Nie je to ľahké – pretože je to nezvyčajné

Mikrokozmos ukrýva množstvo úžasných vecí. On sám je nezvyčajný, jeho zákony sú nezvyčajné. To je presne to, čo vysvetľuje zložitosť kvantovej mechaniky - veľa z toho je ťažké pochopiť pomocou konvenčných konceptov. Nedá sa nič robiť: čím hlbšie človek prírode rozumie, tým zložitejšie zákonitosti objavuje. A potom musíte zahodiť svoje obvyklé nápady. Je to zložité. Ale inak to nejde.