Сегодня известно пять сил физического взаимодействия

В ПРИРОДЕ

Основные понятия: эволюция представлений о строении вещества,

квантовая механика и квантовая теория, классификация частиц,

физические величины постоянной Планка, теория кварков,

современная модель строения атома, антивещество

Гравитация (лат. gravitas — тяжесть), электромагнитные силы, сильные, слабые и глюонные (англ. qlue — клей). Первые две изучались в классической науке. Силы сильного взаимодействия обеспечивают целостность и устойчивость ядра атома. Силы слабого взаимодействия действуют при распадах и столкновениях частиц, которые могут возникать и в ядре атома, но существенной роли в придании энергетической устойчивости ядра атома эти частицы не играют. Силы слабого взаимодействия управляют процессом радиоактивного распада частиц.

В конце прошлого века была доказана электромагнитная природа этих сил. К глюонным силам относят физические силы, которые придают целостность и устойчивость частицам, участвующим в сильном взаимодействии в ядре атома (протоны, нейтроны и некоторые другие). С каждой из этих сил связано определенное физическое поле (гравитационное и т. д.). Кроме этого, считается, что в каждом из этих полей взаимодействие передается соответствующими частицами. Таким образом, существуют частицы, из которых состоит вещество Вселенной, и частицы, которые переносят взаимодействие физических сил в соответствующих им физических полях. Наряду с веществом и физическим полем

в современной физике используется такое физическое состояние, как вакуум (лат. vacuum — пустота). Еще XVII в. был известен термин «пустота Торричелли» (Торричелли — ученик Галилея, изобретатель ртутного барометра), который использовался для обозначения состояния отсутствия вещества и действия сил физического взаимодействия, т. е. пустоты в абсолютном смысле. В технике

«вакуум» — это уровень разряжения газа, когда длина пробега частицы газа превышает линейный размер сосуда, в котором частица находится.

На современном уровне различают истинный и ложный вакуум. Истинный вакуум — это физическое состояние, при котором среднее значение энергии всех составлявших его физических полей равно нулю. Но в нем рождаются виртуальные (лат. virtuale — воз-

можный) частицы с коротким временем жизни. Ложный вакуум — это неустойчивое физическое состояние, как полагают, в эволюции Вселенной с огромной энергией и предшествующее возникновению атомов и составляющих

их частиц современной физической реальности. В ложном вакууме отсутствуют, как полагают, частицы. Согласно закону сохранения энергии в ложном вакууме положительная энергия равна отрицательной энергии. Положительная энергия является внутренней энергией ложного вакуума, его энергетической сутью, его темной, а не светящейся физической природой. Эта энергия препятствует образованию физических частиц вещества и физических полей. Вторая энергия является энергией, которая ведет к образованию частиц светящейся части Вселенной.

Ниже приведена краткая история развития представлений о строении вещества, которое завершилось созданием квантовой механики (КМ) — первой физической теории о строении атома и законах движения объектов в микромире и положившей начало развитию современных представлений о физическом мире. Созданию КМ предшествовал ряд важных открытий: открытие катодных и рентгеновских лучей, открытие электрона и естественной радиоактивности.

Краткая история изучения первичных элементов вещества, начиная с XVII в. В

1661 г. Р. Бойль — член Лондонского Королевского общества, в книге

«Скептический химик» изложил с атомистической точки зрения начала химии: простые тела у него состоят из атомов одного сорта, сложные тела — из атомов других сортов. К простым телам он относил воду, а остальные — к сложным. Р. Бойль был уверен, что атомы могут делиться на части и что когда-нибудь

человечество найдет «тайный агент» расщепления атомов и тогда реализуется

давняя мечта алхимиков о производстве золота, поскольку из расщепленных частей атомов можно будет создавать атомы золота.

Большой вклад в развитие теории вещества внес российский ученый М. В. Ломоносов (1711— 1765), его работа «Элементы математической химии» (1741) развивает атомистические начала химии. Большая заслуга в развитии атомистической химии принадлежит французскому химику А. Лавуазье (1734—

1794), автору курса по химии «Начальный учебник химии» (1789) и основателю термохимии. Он был гильотинирован по решению революцион-

ного трибунала. В истории сохранилась фраза судьи: «Республика не нуждается в ученых».

К началу XIX в. химия стала использовать количественные методы и приобрела уже значительный опыт проведения химического анализа различных веществ. В 1808 г. манчестерский учитель химии Д.Дальтон (1766—1864) опубликовал первый том своего исследования «Новая система химической философии». В этом исследовании вновь высказывается идея атомистической химии, которая, по существу, ничем не отличалась от идей Бойля — Ломоносова

— Лавуазье. Новым у Дальтона было открытие законов для газов, введение понятия атомной массы, определение относительных масс атомов и введение обозначений. Атомы простых химических элементов Д. Дальтон обозначал следующим образом: водород — 8, кислород — О, фосфор — 0 и т. д.

Определение относительной массы атомов Д. Дальтон делал следующим образом: 1 фунт (0,409 кг) воды состоит из 1/8 фунта воды и 7/8 фунта кислорода. Поскольку вес молекул воды одинаков, то в каждой массе молекулы воды l/8 часть массы атома водорода и 7/8 массы кислорода. Далее, если массу атома водорода принять за 1 (единицу), то масса атома кислорода будет равна 7 (семи). Д. Дальтон не разделял мнения Р. Бойля о возможности расщепления атома. Например, золото он считал простым химическим элементом, состоящим из атомов золота, которые можно извлечь из чего-то, но не создать. Химические реакции у Д. Дальтона — это разъединение и соединение атомов, а атомы того же сорта имеют одну и ту же массу.

В 1816 г. английский врач У. Праут в журнале «Философские анналы» высказал идею, что атом водорода является основным атомом, из которого состоят все другие атомы: атом кислорода — из 7 атомов водорода, атом азота —

из 5 атомов водорода и т. д. Праут поддерживал гипотезу Р. Бойля о «тайном агенте» расщепления атомов. Гипотеза У. Праута является первой научной гипотезой о сложном строении атома. Статья У. Праута поставила вопрос о точности измерения атомной массы тел, поскольку измерения Д. Дальтона вызывали сомнения.

Шведский химик И. Я. Берцелиус (1779—1848) взялся за это дело с большой скрупулезностью. Ему удалось повысить точность измерений Д. Дальтона и открыть ряд ранее неизвестных химических элементов. Он проанализировал более 2000 химических соединений. Он же предложил новую символику в обозначении хи-

мических элементов и формул: Fe — первые буквы названия железа — ferum,

Н2O — вода, NH3 — аммиак. В 1860 г. итальянец Станислав Канниццаро (1826—

1910) усовершенствовал методику расчетов Берцелиуса и тем самым

способствовал созданию современной химии.

Хотя идея У. Праута не получила должного признания, но проблема классификации химических элементов приобрела ко второй половине XIX в. актуальное значение (интересовало количество химических элементов в природе

и наличие между ними физических и химических связей). Еще в 1786 г. немецкий химик Н. Г. Марне в книге «О числе химических элементов» высказал идею о физико-химической связи между химическими элементами.

В 1863 г. англичанин Дж. Ньюлендс предложил расположить химические

элементы в порядке возрастания их атомных весов, но его идея расположения по

строкам из семи элементов должным образом не была понята. Наконец два автора пришли к новой классификации химических элементов: Ю. Л. Мейер (профессор университета в Бреслау) и Д. И. Менделеев (1834—1907) (профессор Санкт- Петербургского университета). Периодический закон, открытый Д. И. Менделеевым в 1869 г., был справедливо назван выдающимся российским химиком академиком Н. Д. Зелинским (1861 — 1953) «открытием взаимной

связи всех атомов в мироздании».

В своем законе Д. И. Менделеев использовал понятие атомной массы: масса вещества есть именно такое свойство его, от которого должны находиться в зависимости все остальные свойства. Поэтому ближе и естественнее всего считать зависимость между свойствами и сходствами элементов, с одной стороны, и атомными их весами (массами) — с другой.

В периодическом законе Д. И. Менделеева свойства простых тел и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости (или, выражаясь, как писал Д. И. Менделеев, алгебраическим языком, образуют периодическую функцию) от величины атомных весов элементов. Идея классификации Менделеева определенным образом перекликается с идеей Ньютона (у Ньютона масса является решающим фактором в тяготении, у Менделеева — во взаимодействии химических элементов). Точность химических измерений, установление закона зависимости химических и физических свойств соединений

и химических элементов от атомных масс, появление гипотезы о строении вещества итальянского физика и химика А. Авогадро (1776—1856) и открытие бро-

уновского движения в 1827 г. способствовали исследованию проблемы

строения атома. Закон Авогадро, названный по имени его открывателя, был сформулирован в 1811 г. для идеальных газов: в разных объемах идеальных газов при одинаковых величинах температуры и давления содержится одинаковое число молекул.

Впервые эмпирическое доказательство существования атома привел французский физик Жан Перрен в 1908 г. Он вычислил, что в одном грамме водорода содержится 6 • 1023 атомов. Этот эксперимент убедил многих ученых в том, что атомы не являются лишь удачной гипотезой, а существуют на самом деле.

Открытие катодных и рентгеновских лучей. Еще в XVIII в. Б. Франклин высказал предположение о том, что «атомы электричества» меньше атомов тел, в которые они могут проникать. Далее, из исследований М. Фарадея о прохождении электричества через жидкости следовало, что «атомы электричества» имеют дробный заряд и что кроме обычных нейтральных электрических атомов существуют «странные атомы», ионы (в переводе с греческого — идущий). Это атомы имеют избыток или недостаток одного или нескольких электронов. Изучение прохождения электричества через газы привело к открытию катодных лучей. Катодная трубка — это стеклянная, запаянная с двух концов трубка, в которую впаяны две металлические пластинки, соединенные с полюсами источника постоянного тока (катод — с отрицательным полюсом, анод — с положительным полюсом). В 1859 г. немецкий физик Плюккер (1801 — 1868) обнаружил, что при прохождении электрического тока в сильно разряженном пространстве трубки (откачен воздух) с поверхности катода выходят лучи, которые заставляют светиться те части стенок трубки, на которые они падают.

Английский физик У. Крукс (1832—1919) дал следующее объяснение этому явлению: эти частицы отрицательно заряжены и движутся с огромной скоростью,

и они входят в состав атомов, из которых состоят химические элементы. Из его гипотезы выходило, что атом есть составное физическое образование. Многие считали тогда эту гипотезу ложной. Катодные лучи оказались интересным объектом. Исследование их привело к открытию электрона и рентгеновских

лучей. Помещение катодных лучей в магнитном поле вело к искривлению их

пути. Направление, в котором шло искривление их пути, говорило, что они заряжены отрицательно. Другим же явлением, связанным с катодными лучами, было свечение лучей зеленого света, которые исходили из тех мест

стеклянной трубки, на которые катодные лучи падали. Если на пути этого

«зеленого свечения» поставить препятствие, то они давали изображение этого препятствия на бумаге, покрытой чувствительной световой эмульсией.

В 1895 г. немецкий физик В. Рентген (1845—1923) чисто случайно открыл это явление, назвав их лучами X.

Открытие электрона. Термин «электрон» был предложен ирландским физиком Д. Стонеем в 1891 г.

В буквальном переводе с греческого языка на русский электрон означает янтарный. Развивая идеи М. Фарадея, Дж. Стоней предложил рассматривать катодные лучи как поток электронов (отрицательно заряженных частиц с одинаковой порцией заряда). Открытие электрона связано с именем английского физика Дж. Дж. Томсона. Для открытия электрона он использовал зависимость ускорения частицы от ее заряда и массы (а = е/т, где а — ускорение, е — заряд частицы, т — масса частицы). Величина ускорения частиц катодных лучей, помещенных в электрическое или магнитное поле, зависит от отношения е/т в электрическом поле, а в магнитном поле еще от их скорости. Комбинируя воздействия на катодные лучи электрического и магнитного полей, Томсон получил два уравнения, решение которых убеждало, что катодные лучи — это поток частиц одинакового заряда и одинаковой массы, движущейся с достаточно высокой скоростью, зависящей от разности потенциалов между катодом и анодом трубки. В дальнейшем Томсон измерил соотношение е/т применительно к частицам, выходящим из металла при освещении его ультрафиолетовым светом. Оказалось, что эти частицы также являются электронами. В начале ХХ в. американский физик Р. Милликен измерил электрический заряд электрона. Заряд электрона равен — 1, масса покоя - 9,109534 • 10-31 кг.

Дж. Дж. Томсону принадлежит первая эвристическая модель атома, которая получила название «изюминки в тесте»: атом — это сфера с плотной однородной положительной электронизацией, в которую встроены отрицательные электроны. Модель не отвечала наблюдаемым фактам: атомы устойчивы, электрически нейтральны, заряд электронов отрицательный, а общая сфера атома, по Томсону, является положительной. Следовательно, возникает вопрос: каким образом атом как система может существовать? В 1904 г. Дж. Дж. Томсон предположил, что электроны вращаются в атоме, но, каков механизм этого вращения в атоме, оставалось

непонятным. В дальнейшем Дж. Дж. Томсон не занимался этой проблемой.

Этой проблемой увлекся молодой физик 3. Резерфорд (1871—1937). Он поступил

в докторантуру Дж. Дж. Томсона в 1895 г. за год до открытия случайным образом французскими физиком А. Беккерелем радиоактивности. Э. Резерфорд сразу же заинтересовался этим необычным для классической физики явлением.

Открытие радиоактивности. В 1898 г. Мария Склодовская-Кюри (1867—

1934) и ее муж Пьер Кюри (1859—1906) обнаружили, что уран в результате излучения превращается таинственным образом в другие химические элементы (полоний и радий). Радий по-латыни означает испускающий лучи, полоний назван

в память о родине Марии Склодовской-Кюри — Польше. Термин

«радиоактивность» был введен в научный язык Марией Склодовской-Кюри в

1899 г. В магнитном поле эти лучи расщеплялись на два излучения. В 1903 г. Э.

Резерфорд дал им название: α- и β-излучение.

Пьера и Марию Кюри особо заинтересовал радий, который в миллион раз оказался активнее, чем уран. Воздействие излучения, исходящего из радия, на раковые клетки показало замедление их роста, поэтому выделение радия в чистом виде привлекло внимание не только физиков, но и медиков и биологов. В 1912 г.

во Франции был создан институт Радия, который стал развивать одно из

направлений в науке — радиобиологию. Э. Резерфорд и его сотрудник Фредерик Содди (1877—1956) тщательно изучили процесс излучения радия и пришли к неожиданным выводам.

Радиоактивность связана с превращением одних химических элементов в другие естественным путем. В атоме сосредоточена огромная энергия. Радиоактивность не зависит от состояния окружающей среды. Радий (Ra) за

счет внутреннего энергетического ресурса превращался в газ радон (Rn). Это превращение сопровождалось α-излучением. В науке появилась новая химическая формула, выражающая этот процесс, которой не было раньше: Ra - Rn + He (α). Раньше считалось, чтобы получить новое вещество, необходимо внешнее воздействие: соединение, разложение, нагревание и т. д. В то же время излучение радия было постоянным, практически без потери его массы и независимо от состояния окружающей среды.

Э. Резерфорд предположил, что если облучать вещество таким тонким инструментом, как поток α-частиц, ядрами гелия (размер ядра атома равен приблизительно 10-13 см), то можно выяснить

строение атома любого вещества. Он проделал эксперимент, который

позволили ему высказать фразу: «Я знаю, как устроен атом». Металлическая пластинка из бериллия облучалась потоком α-частиц. Приблизительно одна из

3000 α-частиц отскакивала при этом от металлической пластинки, как бы сталкиваясь с положительно заряженной частью атома, поскольку α-частицы имеют положительный заряд.

Тонкие вычисления при объяснении этого эксперимента позволили Э. Резерфорду предложить «планетарную модель атома»: в центре атома расположена положительно заряженная область -ядро, вокруг которого вращаются электроны, как по орбитам вокруг Солнца вращаются планеты. Однако было не ясно, как электрон удерживается в атоме. Н. Бор (1885—1961), который работал в лаборатории Э. Резерфорда в начале прошлого века, был первым из тех, кто предложил объяснение этого явления. Для этой цели он использовал ряд известных к тому времени идей: гипотезу М. Планка, фотонную теорию света А. Эйнштейна и результаты спектрального анализа атома водорода.

Дата добавления: 2014-11-29