Эволюция представлений о строении атомов

Классификация элементарных частиц

Структурные уровни организации материи

В науке выделяются три уровня строения материи.

Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^{-16 см, а время жизни} — от бесконечно­сти до 10^-24 с.

Макромир — мир макрообъектов, размерность которых соот­носима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоро­стей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и мил­лиардами лет.

Хотя на этих уровнях действуют свои специфические зако­номерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаи­мосвязаны.

Cогласно современным научным взглядам на природу, все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. В естественных науках выделяются два больших класса мате­риальных систем: системы неживой природы и системы живой природы.

В неживой природе в качестве структурных уровней организа­ции материи выделяют элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, физический вакуум, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы — галактики, сис­темы галактик — метагалактику.

В живой природе к структурным уровням организации мате­рии относят системы доклеточного уровня — нуклеиновые кисло­ты и белки; клетки как особый уровень биологической организа­ции, представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных единиц живого вещества; многоклеточные организмы; надорганизменные структуры, включающие виды, популяции и биоценозы и, наконец, биосферу как всю массу живого вещества.

Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых, непосредственно воспринимаемых человеком ма­териальных объектов, переходят далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы че­ловеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повсед­невного опыта.

Исторически первыми экспериментально обнаруженными элементарными частицами были электрон, протон, а затем нейтрон. Однако вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее. Было установлено, что для каждой частицы имеется своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком зарядов; для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (пример - фотон). Далее, с развитием экспериментальной ядерной физики, к перечисленным частицам прибавилось еще свыше 300 частиц.

Элементарные частицы характеризуются своей массой, электрическим зарядом, собственным моментом количества движения - спином. Исходя из значения спина, все элементарные частицы можно разделить на две группы. Частицы с полуцелым спином называются фермионами (в честь известного физика Э.Ферми). Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона - частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния (то есть вся совокупность характеризующих частиц параметров) не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Частицы с целочисленным спином называются бозонами (в честь другого крупного физика – Ш.Бозе). На них запрет Паули не распространяется, и они могут находится вместе в любом количестве.

Поля фермионов всегда остаются квантованными, и в классическом пределе они переходят в частицы. Например, электрон, являющийся фермионом (его спин равен 1/2), в классическом пределе выступает как истинная частица, хотя и обладает волновыми свойствами. То же относится к протону, нейтрону и всем другим частицам-фермионам. Поля же бозонов в пределе переходят в классические поля. Так, один из представителей бозонных частиц - фотон (его спин равен 1) - в пределе становится классическим электромагнитным полем (свет, радиоволны). Существование фермионов и бозонов создает важнейшую предпосылку для проявлений привычного нашего макромира, состоящего из атомного вещества (фермионы) и излучений (бозоны).

Зная, что все элементарные частицы являются либо бозонами, либо фермионами, можно попытаться ответить на вопрос об элементарных «кирпичиках» материи. Поиск самых простых частиц вещества привел исследователей к пониманию того, что абсолютной элементарности не существует, что частица любого уровня сложна в своей сущности и в своих проявлениях, она неотделима от других физических реальностей, в числе которых особая роль принадлежит физическому вакууму. Условно же принято считать элементарными те частицы, у которых сегодня не обнаружена внутренняя структура.

Известны три класса таких частиц: лептоны, кварки и бозоны. Лептоны и кварки относятся к фермионам. Класс лептонов состоит из шести частиц и шести античастиц (электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино). Каждому заряженному лептону отвечает нейтральная частица - нейтрино (электронное, мюонное или тау). Лептоны играют важную роль в структуре мира. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные - в слабом и электромагнитном.

Класс кварков, как и класс лептонов, содержит шесть частиц и столько же античастиц. Физики назвали каждый тип кварков ароматом. Этот термин, ассоциирующейся с обонянием, на самом деле обозначает квантовое число, приписываемое частицам данного типа. Ароматы обозначаются первыми буквами английских слов, принятых в качестве их названия: up, down, strange, charmed, beauty, truth. Кварки - электрически заряженные частицы. Но их заряды имеют дробные значения по отношению к заряду электрона, условно принимаемого за 1, и равны ±1/3 или ±2/3. Экспериментальные поиски дробного заряда оказались безуспешными, хотя точность измерений была доведена до исключительно высоких значений. Очевидно, существование в природе дробного электрического заряда возможно при условии, что такие заряды вместе со своими частицами-носителями образуют связанные объединения, в которых суммарный электрический заряд равен либо 0, либо ± 1.

Также не удалось обнаружить ни один кварк в свободном состоянии, хотя эксперименты на ускорителях дают убедительные косвенные доказательства их реального существования в связанном состоянии. Кварки и антикварки группируются либо по две, либо по три частицы, образуя составные частицы, названные адронами. Кварки существуют только в таких составных частицах, вне их в современных условиях они существовать не могут, и это - принципиальное свойство вещества на данном микроуровне.

Составленные из кварков адроны подразделяются на три группы. Первая - барионы - образуется комбинациями из трех кварков. Эта группа включает протон и нейтрон - фундаментальную основу атомных ядер. Вторую группу образуют частицы, получаемые путём сочетания кварка и антикварка. Они называются мезонами. Ещё одна группа содержит частицы, образуемые сочетаниями трёх антикварков. В неё попадают антипротон, то есть то, что составляет основу антивещества. Выше перечисленные частицы-адроны составляют лишь небольшую часть образующихся из кварков частиц. Большую часть их составляют так называемые резонансы - неустойчивые коротко живущие частицы, быстро распадающиеся на стабильные частицы. Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях.

В описанной стройной схеме обнаруживается принципиальный дефект. Кварки будучи фермионами, должны подчиняться запрету Паули и не могут соединяться вмести, если их состояния одинаковы. А в барионных и антибарионных частицах кварки одного аромата часто оказываются вместе. Например, протон образуется комбинацией кварков, записываемой так: uud, нейтрон - udd. Казалось бы, нарушается запрет Паули. Для устранения этого противоречия ввели предположение, что кварки одного аромата не идентичны, что они различаются характером взаимодействия друг с другом и поэтому для их описания ввели ещё одно квантовое число - цвет.

Взаимодействие цветовых зарядов осуществляют глюоны. Глюоны, обладая цветовым зарядом, взаимодействуют друг с другом. По-видимому, в этом лежит причина принципиально нового явления, называемого конфайнментом или невылетанием кварков. Дело в том, что, несмотря на достаточно большие энергии частиц, ускоренных в современных ускорителях, кварки наблюдать в свободном состоянии не удается. Они, по-видимому, существуют в природе только в виде пар кварк-антикварк (), троек (qqq) или более сложных образований. При объединении кварков и антикварков в адроны должны выполняться два условия: суммарный электрический заряд кварков в адроне должен быть целочисленным; кварки соединяющиеся в адрон, должны полностью компенсировать свои цветовые заряды и удовлетворять признаку бесцветности.

Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах веществ возникло еще в античные времена (Демокрит, Эпикур, Лукреций). В средние века учение об атомах, будучи материалистическим, не получило признания. К концу XVIII в. атомистическая теория приобретает все большую популярность. К этому времени работами французского хими­ка А. Лавуазье, великого русского ученого М.В. Ломоносова и английского химика и физика Д. Дальтона была доказана реальность существования атомов. До конца XIX века господствовало убеждение, что атомы – предел делимости материи. В конце XIX века появился ряд доказательств о сложной структуре атомов.

В 1897 году Дж.Томпсон открыл электроны и предложил первую модель атома, представив атом как положительно заряженный сгусток материи, в который вкраплено столько электронов, что превращает его в электрически нейтральное образование (рис. 2). Положительно заряженных частиц внутри атома модель Томсона не предполагала. После открытия испускания положительно заря­женных альфа-частиц радиоактивными веществами его модель была признана неверной.

Рис. 2. Модель атома Дж.Томпсона.

В 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом при исследовании движе­ния альфа-частиц в газах и других веществах была обнаружена положитель­но заряженная часть атома. При прохождении пучка параллельных лучей сквозь слои газа или тонкую металлическую пластинку происходит рассеяние альфа-частиц, т.е. отклоне­ние их от первоначального пути. Углы отклонения невелики, но всегда име­ется небольшое число частиц (примерно одна из нескольких тысяч), которые отклоняются очень сильно. Некоторые частицы отбрасываются назад, как если бы на пути встретилась непроницаемая преграда. Исходя из этих опытов, Резерфорд предложил следующую схему строения атома.

В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг кото­рого по разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вра­щении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего они остаются на определенных расстояниях от ядра. Поскольку масса электрона ничтожна мала, то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. На долю ядра и электронов, число которых срав­нительно невелико, приходится лишь ничтожная часть всего пространства, занятого атомной системой.

Предложенная Резерфордом планетарная модель атома (рис. 3), легко объясняет явления отклонения альфа-частиц. Действительно, размеры ядра и электронов чрезвычайно малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбита­ми наиболее удаленных от ядра электронов, поэтому большинство альфа-частиц пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случа­ях, когда альфа-частица очень близко подходит к ядру, электрическое оттал­кивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути (рис. 4). Таким об­разом, изучение рассеяния альфа-частиц положило начало ядерной теории атома.

Рис. 3. Планетарная модель атома.

Планетарная модель атома не объясняла устойчивости атомов. Движение по окружности даже с постоянной скоростью обладает уско­рением. Такое ускоренное движение заряда эквивалентно переменному току, который создает в пространстве переменное электромагнитное поле. На со­здание этого поля расходуется энергия. Энергия поля может создаваться за счет энергии кулоновского взаимодействия электрона с ядром. В результате электрон должен двигаться по спирали и упасть на ядро. Однако опыт пока­зывает, что атомы — очень устойчивые образования. Отсюда следует вывод, что результаты классической электродинамики, основанной на уравнениях Максвелла, неприменимы к внутриатомным процессам. Необходимо найти новые закономерности.

Рис. 4. Рассеяние альфа-частиц в опыте Резерфорда.

Первая попытка построить качественно новую — квантовую — теорию атома была предпринята в 1913 г. Н.Бором. Он поставил цель связать в единое целое эмпирические закономерности линейчатых спектров и ядерную модель атома Резерфорда. В основу своей теории атома Бор положил следую­щие постулаты.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в ко­торых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответст­вуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн. Этот постулат находится в противоречии с классической теорией. В ста­ционарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантовые значения момента импульса.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией hν=E_n-E_m, равной разности энергий соответствующих стационарных состояний.

При Е_n > Е_m происходит излучение фотона (переход атома из состояния с большей энергией в состояние с мень­шей энергией, т.е. переход электрона с более удаленной от ядра орбиты на более близлежащую), при Е_n< Е_m — его поглощение (переход атома в состо­яние с большей энергией, т.е. переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот квантовых переходов и определяет линейчатый спектр атома (рис. 5).

Рис. 5. Линейчатый спектр атома водорода.

Теория Бора блестяще объяснила экспериментально наблюдаемый ли­нейчатый спектр водорода. Относитель­но атома гелия и более сложных атомов теория Бора позволила делать лишь качественные (хотя и очень важные) заключения.

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие факты подтверждают волновую концепцию света? Корпускулярную?

2. Для каких материальных объектов характерен корпускулярно-волновой дуализм?

3. Сформулируйте соотношение неопределенностей. Каково его значение в исследовании объектов микромира?

4. Сформулируйте принцип тождественности. Применим ли он в классической механике?

5. В чем заключается отличие динамических законов от статистических?

6. Чем объясняется эффект конфайнмента кварков?

7. Расположите основные физические взаимодействия по величине относительной интенсивности от меньшего к большему.

Глава 4. Физические концепции описания мегамира

Дата добавления: 2014-01-20