Элементарные частицы и связи в веществах

Получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрочастицу, неизбежно связано с потерей информации о других величинах, дополнительных к первым. Это утверждение, впервые сформулированное датским физиком Н. Бором, называется принципом дополнительности. Бор объяснял этот принцип влиянием измерительного прибора, который всегда является макро­скопическим прибором, на состояние микрообъекта. Однако с пози­ций современной квантовой теории состояния, в которых взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определенные значения, принципиально невозможны. Принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем, не связанные с существованием наблюдателя, а роль измерительного прибора заключается в «приготовлении» некоторого состояния системы.

Любая новая теория, претендующая на более глубокое описание физической реальности и на более широкую область применения, чем старая, должна включать предыдущую как предельный случай. Так релятивистская механика (специальная теория относительности) в пределе малых скоростей переходит в ньютоновскую.

В квантовой механике принцип соответствия требует совпадения ее физических следствий в предельном случае с результатами классической теории. В принципе соответствия проявляется тот факт, что квантовые эффекты существенны лишь при рассмотрении микрообъектов, когда величины действия сравнимы с постоянной Планка.

Физика элементарных частиц базируется на понятии о фундаментальных взаимодействиях – гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом.

Электромагнитное взаимодействие обусловлено обменом фотонами, которые изучены лучше остальных бозонов. Источник фотонов – электрический заряд. Гравитационное взаимодействие связано с пока гипотетическими частицами – гравитонами. Нейтральный (Z0) и заряженные (W+, W~) бозоны являются переносчиками слабого взаимодей­ствия между электронами, протонами, нейтронами и нейтрино.

Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны. Они как бы склеивают кварки в адронах. Источники глюонов – так называемые цветовые заряды. Они не имеют никакого отношения к обычным цветам и названы так для удобства описания. Каждый из шести «ароматов» кварков существует в трех цветовых разновидностях: желтой, синей или красной (ж, с, к соответственно). Антикварки тоже несут «цветовые» антизаряды. Важно подчеркнуть, что три заряда и три антизаряда совершенно не зависят от «ароматов» кварков. Таким образом, в настоящее время полное число кварков и антикварков (с учетом трех «цветов» и шести «ароматов») достигло 36. Кроме того, имеется еще девять глюонов. Глюоны, как и кварки, не наблюдаются в свободном состоянии.

Квантовая механика позволила решить очень важный вопрос о расположении электронов в атоме и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов по периодическому закону Д. И. Менделеева.

В соответствии с принципом Паули все электроны в атоме отлича­ются друг от друга хотя бы одним квантовым числом. В атоме нет двух электронов, у которых все квантовые числа одинаковы, в соответствии с указанными допущениями построены упрощенные схемы строения атомов для первых трех периодов таблицы Д. И. Менделеева. Несмотря на условность и простоту этих схем, они достаточны для объяснения важнейших свойств элементов и их соединений. Однако природа сил, обусловливающих связь между атомами в молекулах, долгое время оставалась неизвестной. Только с развитием учения о строении атома появились теории, объясняющие причину различной валентности элементов и механизм образования химических соединений на основе электронных представлений. Все эти теории основываются на суще­ствовании связи между химическими и электрическими явлениями.

Большая часть животного и растительного мира образована соединениями углерода (С) с водородом (Н) и некоторыми другими элемен­тами, прежде всего азотом (N), кислородом (О), фосфором (Р) и серой (S). Эти соединения первоначально называли органическими в отличие от ионных (неорганических), так как по своему химическому составу все животные и растения почти на 98% состоят из указанных шести химических элементов.

Из совокупности разных молекул состоит все неживое и живое вещество природы – макротела. Количественные изменения при переходе от микрообъектов (атомов, молекул) к макротелам большой совокупности микросистем приводят к существенным качественным изменениям в их поведении, и следовательно, в описании этих объектов.

Вещество может находиться в четырех агрегатных состояниях: твердые тела, жидкости, газы, плазма. Все явления и процессы в макромире связаны с процессами сохранения и преобразования одних форм движения в другие на основе двух законов – закона сохранения и превращения энергии и закона возрастания энтропии.

Дата добавления: 2014-01-03