7. Микро мир. Проявление волновых и корпускулярных свойств микрочастиц. Дуализм в микромире
Невидимый нам микромир состоит из мельчайших частиц материи — электронов, протонов, нейтронов, атомов и т.д. Свойства объектов этого мира совершенно не похожи на свойства привычного макромира. Свойства микрочастиц невозможно описать с позиций классической физики, поэтому возникла принципиально новая физика — квантовая механика.
Изучение свойств света показал, что он обладает сложной природой, сочетающей в себе волновые и корпускулярные свойства. Такие явления как дифракция и интерференция объясняются волновыми свойствами, а фотоэффект — корпускулярными. В результате возник так называемый корпускулярно-волновой дуализм, распространенный на мельчайшие частицы вещества — электроны, протоны, нейтроны и т.д. Движущийся по орбите электрон можно рассматривать с одной стороны как корпускулу (с определенной массой, энергией, зарядом) и с другой стороны — как некую волну, длина которой укладывается на длине орбиты целое число раз. При изучении явления фотоэффекта было установлено, что с поверхности электронами выбиваются порции света, свет излучается и поглощается квантами света, названными фотонами. Энергия фотона с одной стороны определяется формулой Е=hy (y - частота, h - постоянная Планка). С другой стороны энергия может быть выражена через массу m и скорость света c — Е=mс2. Т.е. фотон также как и электрон имеет и волновые свойства и корпускулярные, но не имеет заряда. Масса покоя фотона равна нулю, т.е. он не существует в состоянии покоя.
Можно предположить, что всякому телу с массой m, движущемуся со скоростью u соответствует длина волны l= h/mu. Но для тел со значительной массой длина волны ничтожно мала и ее невозможно зафиксировать.
Таким образом деление материи на две формы — вещество и поле довольно условно. Частицы вещества обнаруживают признаки волны и корпускулы, и электромагнитное излучение обнаруживает те же свойства. Это явление получило название дуализма волны и корпускулы. Экспериментально дуализм подтверждается, например, дифракцией электронов на кристалле никеля, т.е. частица проявляет волновые св-ва.
8. Особенности описания законов микромира. Волновая функция. Принцип суперпозиций, неопределенности и дополнительности
Особенностью микромира, состоящего из мельчайших частиц (электронов, протонов, нейтронов, атомов, и т.д.) является то, что им присущи как волновые так и корпускулярные свойства, те проявление дуализма. Вследствие этого невозможно применение понятий и принципов классической физики. Попытки описать и объяснить объекты микромира привели к появлению квантовой механики, т.к. классическая физика не в силах была объяснить дуализм волны и частицы. Кроме того особенностью микромира является то, что при экспериментах неизбежно макроприборы и инструменты исследователей влияют на микрообъекты. Подобное воздействие не учитывается в классической физике.
Принципиальное отличие описания законов микромира заключается в вероятностном характере этих описаний. Это означает, что нельзя точно предсказать место нахождения, например, электрона. Можно оценить лишь его шансы попадания в определенную точку. Поэтому применяются методы и понятия теории вероятности. В квантовой механике любое состояние описывается с помощью «волновой функции» (Y), но в отличие от классической физики эта функция определяет параметры будущего состояния не достоверно, а с определенной степенью вероятности. Например, говорят о вероятностном распределении значений, а не о конкретных значениях. Значение волновой функции становиться ясным из утверждения: вероятность нахождения электрона в определенном месте равно квадрату модуля волновой функции. В основе квантовой механики лежит принцип неопределенности.
Суть принципа неопределенности заключается в следующем: если мы стремимся определить одну из сопряженных величин, например, координату x, то значение другой величины, нельзя определить с такой же точностью. Принцип неопределенности выражается формулой Dx Dp =h, где произведение приращения координаты и приращение импульса равно постоянной Планка. Или словами: невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастицы. Произведение их неточностей не должно превышать постоянную Планка.
В силу кажущейся противоречивости корпускулярных и волновых свойств датский физик Нильс Бор выдвинул принцип дополнительности для квантово-механического описания микрообъектов, согласно которому корпускулярная картина такого описания должна быть дополнена волновым альтернативным описанием. Опираясь на этот принцип возможно понять и объяснить многие явления, например дифракцию электрона на никелевом кристалле.
Принцип суперпозиций заключается в следующем: в каждой точке результат от действия нескольких источников (например, волн) в любой момент равен сумме результатов действий каждого источника в отдельности.
9. Виды взаимодействий. Вещество и поле. Виртуальные частицы
Атомистическая концепция опирается на представление о дискретном строении материи, т.е. материя состоит из мельчайших частиц, которые на определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими частицами считались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки.
Между элементарными частицами существуют взаимодействия. По интенсивности это взаимодействие подразделяется на сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
1. Сильное взаимодействие наиболее интенсивно и обуславливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах.
2. Электромагнитное взаимодействие менее интенсивное и определяет связь между электронами и ядрами в атоме, и между атомами в молекуле.
3. Слабое взаимодействие наименее интенсивно, оно вызывает медленно протекающие процессы с элементарными частицами, например, распад квазичастиц.
4. Гравитационное взаимодействие происходит на чрезвычайно коротких расстояниях и определяется малыми массами частиц, что дает малый эффект, который возрастает с увеличением массы.
В квантовой механике каждой частице вещества соответствует волна, т.е. каждой частице можно сопоставить свое поле. А если этих частиц много, например, электронов с одинаковыми энергиями и импульсами, то и волны одинаковы. И это значит, что эта среда является полем. Это поле можно описать математически с помощью функции координат и времени. Например фотон описывается электрическим полем Е(x, y, z, t) и магнитным полем H(x, y, z, t). Фотон — это квант электромагнитного поля, а электрон и позитрон — электрон-позитронного поля. Эти поля переменные, но существуют и постоянные (статические) электрические и магнитные поля, например магнитное поле Земли. Но все это разные формы проявления электромагнитного поля. Кроме того в природе существует гравитационное поле, создаваемое материальными телами. Гравитационное поле пропорционально массе. Гравитационные волны пока не обнаружены.
Элементарные частицы (кроме фотонов) могут подразделяться по типам взаимодействия: на адроны, для которых характерно сильное взаимодействие и лептоны, для которых характерно слабое и электромагнитное взаимодействие. По массе частицы делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени жизни они делятся на стабильные (электрон, фотон, протон и нейтрино), квазистабильные и нестабильные частицы.
По теории относительности энергия может переходить в массу, такие переходы называются виртуальными. Таким виртуальным переходам сопутствует рождение виртуальных частиц на короткое время. Эти процессы происходят в физическом вакууме — состоянии с наименьшей энергией и отсутствием вещества. Если приложить достаточно энергии, из вакуума можно рождать частицы, т.к. энергия может переходить в поле, а поле — в частицы. Поскольку Е=mс2, то частица с массой m рождается на время h/mс2. Для протона это составляет около 10-34 с. Воздействие виртуальных частиц не велико, но чем меньше исследуемые частицы, тем значительней воздействие на них виртуальных частиц.
10. Связанные системы микрообъектов. Ядро, атом, молекула
Характер связанной системы микрообъекта, как и любой системы, зависит не только от состава и строения ее элементов, но и от их взаимодействия. Именно такое взаимодействие определяет связанность и целостность системы. С уровнем достигнутых знаний менялось и представления о структуре вещества. В качестве первичной системы микрообъектов сначала рассматривались молекулы как наименьшие единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершенствовались и уточнялись. Существовало мнение, что структура молекулы возникает благодаря взаимодействию разноименно заряженных атомов или групп атомов. Но это было не совершенное суждение. В дальнейшем исследователи установили, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так в результате получается целостность или связанная система. Позднее структуру молекул стали связывать с понятием валентности элемента. Дальнейшим шагом в этом направлении было изучение того, какую роль в образовании молекул из атомов играет степень напряженности и энергии с которой они связываются друг с другом. Из всего этого необходимо уяснить главное: структура с точки зрения системного подхода представляет собой упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают новые целостные ее свойства. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия атомов определяет новые целостные свойства молекулы.