Формирование квантовой механики. элементарные частицы

К началу XX столетия появились экспериментальные результаты, которые трудно было объяснить в рамках классических представлений. В этой связи был предложен совершенно новый подход - квантовый, основанный на дискретной концепции.

Физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, называются квантованными.

Квантовая механика (волновая механика) - физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем.

Существенным отличием квантовой механики от классической, является ее принципиально вероятностный характер.

Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения в пространстве (координат) и импульса (количества движения m.v). Такое описание не применимо для микрочастиц.

Квантовые представления впервые ввел в физику немецкий физик М Планк в 1900 г.

Он предположил, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными дискретными порциями энергии - квантами.

В 1905 году А. Эйнштейном была выдвинута гипотеза о том, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами.

Квант света называется фотоном. Этот термин ввел американский физико-химик Льюис в 1929 году. Фотон - частица, не имеющая массы покоя. Фотон всегда находится в движении со скоростью, равной скорости света.

Эффект Комптона. В 1922 году американский физик Комптон открыл эффект, в котором впервые во всей полноте проявились корпускулярные свойства электромагнитного излучения (в частности, света). Экспериментально было показано, что рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц.

В 1913 году Н. Бор применил идею квантов к планетарной модели атома.

Гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма выдвинул Луи де Бройль. Элементарные частицы - это и корпускулы (частицы) и волны одновременно, а точнее — диалектическое единство свойств тех и других. Движение микрочастиц в пространстве и времени нельзя отождествлять с механическим движением макрообъекта. Движение микрочастиц подчиняется законам квантовой механики.

Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории связано с работой Гейзенберга 1927 года, в которой был сформулирован принцип неопределенностей, утверждающий, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные точные значения.

До открытия элементарных частиц и их взаимодействий наука разграничивала два вида материи - вещество и поле. Еще в конце XIX-начале XX века поле определяли как непрерывную материальную среду, а вещество - как прерывное, состоящее из дискретных частиц.

Однако развитие квантовой физики выявило относительность разграничительных линий между веществом и полем.

В современной физике поля и частицы выступают как две неразрывно связанные стороны микромира, как выражение единства корпускулярных (дискретных) и волновых (континуальных, непрерывных) свойств микрообъектов. Представления о поле выступают также как основа для объяснения процессов взаимодействия, воплощая принцип близкодействия.

Элементарные частицы, в точном значении этого термина, - это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами.

Первая элементарная частица - электрон был открыт Дж,Дж. Томсоном в 1897 г.

После электрона было предположено существование фотона (1900 г)– кванта света.

Далее, в 1911г., был открыт протон – положительно заряженная тяжелая элементарная частица с массой покоя – в 1840 раз больше массы е.

Затем следует открытие целого ряда других частиц: нейтрона, мезонов, гиперонов и т.д.

В 1928 г. Дирак предсказал существование частицы, имеющей ту же массу, что и электрон, но с противоположным зарядом. Эту частицу назвали позитроном. И она действительно была обнаружена в 1932 году в составе космических лучей американским физиком Андерсоном.

Современной физике известно более 400 элементарных частиц, в основном нестабильных, и их число продолжает расти.

Существуютчетыре вида основных фундаментальных физических взаимодействий:

1. гравитационное - характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы.
2. электромагнитное - ответственно за связь электронов и ядер в атомах и связь атомов в молекулах.
3. сильное - скрепляет нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре и кварки внутри нуклонов.,
4. слабое -управляет процессами радиоактивного распада частиц.

По типам взаимодействия элементарные частицы делят на

1. Адроны (тяжелые частицы - протоны, нейтроны, мезоны и др.) участвуют во всех взаимодействиях.
2. Лептоны (от греч. leptos - легкий; например, электрон, нейтрино и др.) не участвуют в сильных взаимодействиях, а только в электромагнитных, слабых и гравитационных.

При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга (включая рождение многих дополнительных частиц), не запрещаемые законами сохранения.

Фундаментальные взаимодействия, преобладающие между объектами:

- микромира - (сильное, слабое и электромагнитное)

- макромира - (электромагнитное)

- мегамира - (гравитационное)

Современная физика пока еще не создала единой теории элементарных частиц, на пути к ней сделаны лишь первые, но существенные шаги.

Великое объединение – это название используется для теоретических моделей, исходящих из представлений о единой природе сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий

1. открытие в ХVII в. законов механики позволило создать всю машинную технологию цивилизации;
2. открытие в ХIХ в. электромагнитного поля, привело к развитию электротехники, радиотехники, а затем и радиоэлектроники;
3. создание в ХХ в теории атомного ядра, привело к использованию ядерной энергии;

В рамках данной картины мира все События и Перемены были взаимосвязаны и взаимообусловлены механическим движением.

Возникновение электромагнитной картины мира характеризует качественно новый этап эволюции науки.

Сравнение данной картины мира с механистической выявляет некоторые важные особенности.

Например,

Подобная взаимодополнительность картин не является случайностью. Она носит строго эволюционный порядок.

Квантово-полевая картина мира явилась результатом дальнейшего развития электромагнитной картины мира.

Эта картина мира отражает уже единство двух предыдущих картин мира в единстве на основе принципа дополнительности. В зависимости от постановки эксперимента микрообъект показывает либо свою корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Эти две природы микрообъекта взаимно исключают друг друга, и в то же время должны быть рассмотрены как дополняющие друг друга.