Порядок и беспорядок в природе, детерминированный хаос. 2 страница

Все остальные элементарные частицы крайне нестабильны и образуются во вторичных космических лучах или получаются в лаборатории.Основной способ их генерации – столкновения быстрых стабильных частиц, в процессе которых часть начальной кинетической энергии превращается в энергию покоя образующихся частиц (как правило, не совпадающих со сталкивающимися).

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса m, время жизни t, спин J и электрический заряд Q.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными в пределах точности современных измерений являются электрон (t > 5 • 10²¹ лет), протон (t > 5 • 10 ³¹ лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, их времена жизни t > 5 • 10^-20 с. Пример квазистабильной частицы – нейтрон.

Он распадается из-за слабого взаимодействия, среднее время жизни – 15,3 мин: . Резонансами называют элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия; их характерные времена жизни t~ 10^-22- 10^-24 с.

Электрические заряды элементарных частиц являются целыми кратными величины е ≈1,6-10^-19 Кл, называемой элементарным электрическим зарядом (зарядом электрона). У известных элементарных частиц Q= 0, ±1, ±2. Спин элементарных частиц является целым или полуцелым кратным постоянной Планка ħ.

Частицы с полуцелым спином называются фермионами. К фермионам относятся лептоны (например, электрон и нейтрино) и барионы, состоящие из кварков (например, протон и нейтрон). Системы фермионов описываются квантовой статистикой Ферми-Дирака. Фермионы подчиняются принципу запрета Паули и в данном квантовом состоянии системы фермионов не может, находится более одной частицы. Фермионы образуют материальные структры.

Частицы с целым или нулевым спином называются бозонами. К бозонам относятся частицы с нулевой массой покоя (фотон, гравитон), а также мезоны, состоящие из кварков (например π –мезоны). Системы таких частиц описываются статистикой Бозе-Эйнштейна. Бозоны не подчиняются принципу запрета Паули и для них не накладывается ограничения на число частиц, которые могут находиться в некотором квантовом состоянии. Они образуют поле взаимодействия (согласно квантовой теории поля) между фермионами.

Так, например, материальные структуры образованы электронами и нуклонами (протонами и нейтронами, образующими ядра атомов), а электромагнитное поле взаимодействия между ними образуют фотоны (точнее сказать виртуальные фотоны) (рис. 2).

фотон гравитон

мезоны (π⁰ π⁺ π^–)

барионы (n p)

лептоны (e^– e⁺ )

БОЗОНЫ

ФЕРМИОНЫ

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

АДРОНЫ

Рис.2.Классификация элементарных частиц

Мезоны и барионы состоят из кварков, и поэтому имеют общее название – адроны.Все известные адроны состоят либо из пары кварк-антикварк (мезоны), либо из трех кварков (барионы). Кварки и антикварки удерживаются внутри адронов глюонным полем. Кварки различаются по «аромату» и «цвету». Каждый кварк может находиться в одном из трех цветовых состояний: «красном», «синем» и «желтом». Что касается «ароматов», то их известно 5 и предполагается наличие шестого. Каждому кварку соответствует его антикварк.. Кварки можно наблюдать только внутри адронов.

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.

Существование кварков и глюонов приводит к появлению нового, состояния вещества, которое носит название кварк-глюонной плазмы.

Это плазма, состоящая не из электронов и ионов, как обычная плазма, а из кварков и глюонов, слабо взаимодействующих друг с другом или не взаимодействующих вообще.

Одной из главных задач микрофизики, о решении которой мечтал еще А. Эйнштейн, является создание единой теории поля, которая объединила бы все известные фундаментальные взаимодействия. Создание такой теории означало бы фундаментальный прорыв во всех областях науки.

К настоящему времени создана и признана теория, которая объединяет два фундаментальных взаимодействия – слабое и электромагнитное. Она называется единой теорией слабого и электромагнитного (электрослабого) взаимодействия и утверждает, что существуют особые частицы – переносчики взаимодействия между электронами, протонами, нейтронами, нейтрино. Эти частицы, названные бозонами W ⁺, W ^– и Z⁰, были теоретически предсказаны в 70-х гг. прошлого века и экспериментально обнаружены в 1983 г.

Теория сильного взаимодействия именуется квантовой хромодинамикой. Данная теория, описывающая взаимодействие кварков и глюонов, построена по образу квантовой электродинамики, которая, в свою очередь, описывает электромагнитные взаимодействия, обусловленные обменом фотонами. В отличие от электрически нейтральных фотонов, глюоны являются носителями «цветовых» зарядов. Это приводит к тому, что при попытке развести их в пространстве энергия взаимодействия возрастает. В результате глюоны и кварки не существуют в свободном состоянии: они «самозапираются» внутри адронов.

Современную теорию элементарных частиц, состоящую из теорий электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики, принято называть стандартной моделью. Эта сложная, но уже почти законченная феноменологическая теория – главный теоретический инструмент, с помощью которого решаются задачи микрофизики

«Великое объединение» – так называют теоретические модели, исходящие из представлений о единой природе сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий. Оно призвано объединить все существующие частицы: фермионы, бозоны и скалярные частицы. В рамках теории «Великого объединения» хорошо объясняются многие очень важные явления, в частности такие, как наблюдаемая глюонная асимметрия Вселенной, малая ненулевая масса покоя нейтрино, квантование электрического заряда и существование решений типа магнитных монополей Дирака. По последним данным, среднее время жизни протона составляет более 1,6 ∙ 10³³ лет. Доказательство нестабильности протона явилось бы открытием фундаментальной важности. Однако пока этот распад не зафиксирован. Ученые надеются, что дальнейшее развитие моделей «Великого объединения» приведет к объединению всех взаимодействий, включая и гравитационное (суперобъединение). Но это – дело будущего.

В микрофизике известна и играет важную роль некая фундаментальная длина, называемая планковской, или гравитационной, длиной – l_g = 1,6^–33 см. Считается, что длины меньше планковской в природе не существует. Совместно с планковским временем t_g ~ 1,6 ∙ 10^–43с они составляют пространственно-временные кванты, которые призваны лечь в основу будущей квантовой теории гравитации. По мнению академика В.Л. Гинзбурга, физический смысл длины l_g заключается в том, что при меньших масштабах уже нельзя пользоваться классической релятивистской теорией гравитации и, в частности, общей теорией относительности (ОТО), построение которой было завершено Эйнштейном в 1915 г.

В настоящее время наименьший «прицельный параметр», достигнутый на современных ускорителях, составляет l_f ~ 10 ^–17 см. Таким образом, можно заключить, что вплоть до расстояний l_f ~ 10 ^–17 см и времен l_f /c ~ 10^–27 с существующие пространственно-временные координаты справедливы. Значение l_f отличается от значения l_g на целых 16 порядков, поэтому вопрос о фундаментальной длине еще остается актуальным для науки.

Макромир. Теория строения атома дала химии ключ к познанию сущности химических реакций и механизма образований химических соединений – более сложного молекулярного уровня организации вещественной материи по сравнению с элементной атомной формой.

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, соответствии с указанными допущениями построены упрощенные схемы строения атомов для первых трех периодов таблицы Менделеева. Несмотря на условность и простоту этих схем, они достаточны для объяснения важнейших свойств элементов и ия соединений.

Физические основы химических связей в молекулах вещества. 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.

Ионная связь. Такого типа связь существует между противоположно заряженными ионами и образуется в результате простого электростатического притяжения ионов друг к другу.

Так, например, положительный ион Na⁺ образуется при отщеплении от атома натрия одного электрона. Так как в наружном слое атома натрия находится только один электрон, то естественно предположить, что именно этот электрон, как наиболее удаленный от ядра, и отщепляется от атома натрия при превращении его в ион. Подобным же образом ионы магния Mg²⁺ и алюминия А1³⁺ получаются в результате отщепления от атомов магния и алюминия соответственно двух и трех внешних электронов.

Процесс образования химического соединения ионного типа из атомов можно представить следующим образом. Сначала атомы превращаются в разноименно заряженные ионы вследствие перехода электронов от одного атома к другому, а затем уже ионы взаимно притягиваются, образуя соединение с ионной связью. Атомы натрия отдают свои «лишние» электроны, атомам хлора, превращаясь в положительные ионы с электронной конфигурацией инертного газа неона. В то же время атомы хлора, присоединившие к своему наружному слою по одному электрону, становятся отрицательными ионами со структурой атомов аргона. После этого сила электрического притяжения между разноименными зарядами связывает образовавшиеся ионы друг с другом, в результате чего получается соль – хлористый натрий (рис. 3).

+

+

+

+

=

+

Na

Na⁺

Cl

Cl^–

Рис.3. Схема образования хлористого натрия

Таким образом, электровалентность элементов в ионных соединениях характеризуется числом электрических зарядов их ионов.Величина ее определяется числом электронов, отданных атомом при образовании положительного иона или присоединившихся к нему при образовании отрицательного иона. В первом случае электровалентность считается положительной, во втором – отрицательной.

Ковалентная связь. Предположение об электростатическом притяжении между противоположно заряженными ионами, как о причине возникновения химической связи, неприменимо к молекулам простых веществ (водорода Н₂, кислорода О₂ и др.), а также к молекулам веществ, образованных близкими по химическим свойствам элементами. Выдвинута теория их образования, получившая название теории ковалентных связей.

Химическая связь, обусловленная наличием электронных пар, называется ковалентной, или атомной, связью, в отличие от электровалентной, или ионной, связи, основанной на электростатическом притяжении между разноименно заряженными ионами. Примером молекул с ковалентной связью может служить вода (Н₂,О). Одним из элементов, образующих ковалентные связи, является углерод. Углерод участвует в молекулярных структурах почти всегда с четырьмя ковалентными связями.

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 соединениями, 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 поведении, 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.

Мегамир. Объектами мегамира являются тела космического масштаба – кометы, метеориты, астероиды (малые планеты), планеты, планетные пстемы, Солнечная система, звезды (нейтронные, белые и желтые карлики, красные гиганты), звездные системы, черные дыры, квази-звезды (квазары), Галактика (Млечный Путь), Метагалактика, системы галактик. Огромные расстояния между космическими объектами вызывают необходимость ввода новых величин для измерения расстояний.

1.Астрономическая единица – среднее расстояние от Земли до солнца: 1 а.е. = 1,5 ∙ 10 ^{11 м = 1,5 ∙ 108 км.}

2.Световой год – расстояние, которое проходит свет за один год: 1 световой год = 9,46 ∙ 10¹⁵ м = 9,46 ∙ 10¹² км.

3.Парсек – расстояние, которое в 3,26 раз больше светового года: 1 парсек = 3,1 ∙ 10¹⁶ м = 3,1 ∙ 10¹³ км.

Состояние, принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности.

Газы характеризуются их изотермическим, адиабатическим, изобарическим, изохорическим сотоянием; жидкости состоянием ламинарного или турбулентного движения; а состояние твердого тела – наличием или отсутствием кристаллической решетки; плазмы – наличием плазменных частот и.т.д. Состояние определяется параметрами состояния, сохраняющих свои значения при неизменных внешних условиях. Эту величину ввел в науку И. Ньютон. Различают устойчивое (стационарное) и неустойчивое состояние. Переход системы из одного состояния в другое означает процесс.

Принцип неопределенности. Используемые в квантовой механике волновые функции для описания микрочастиц дают возможность установить вероятность нахождения микрочастиц в том или ином месте пространства в соответствии с принципом неопределенности. Такое положение связано с двойственностью частиц микромира. С одной стороны, если считать микроструктуру частицей, то она должна быть локализована в пространстве, а если ее считать волной, то она формально занимает все пространство.

Вероятностный характер волновых функций приводит к парадоксальному выводу: если мы какую-то группу параметров микрочастиц можем знать более или менее точно (с небольшой погрешностью), то существует однозначно связанная с ней другая группа параметров, одновременные сведения о которых принципиально получить нельзя. Такими взаимно противоположными, дополнительными, или канонически сопряженными, переменными в микромире являются координаты и скорость (или импульс), энергия, и время, направление и величина момента количества движения, кинетическая и потенциальная энергии напряженность электрического поля в данной точке и число фотонов и др. В 1927 г. один из создателей квантовой механики В. Гейзенберг установил фундаментальное положение квантовой теории – принцип неопределенности.

Количественно соотношение неопределенности формулируется следующим образом. Если ∆х – неопределенность значения координаты х – центра инерции системы, а ∆р –неопределенность импульса р, то произведение этих неопределенностей должно быть по порядку величины не меньше постоянной Планка h, т.е. ∆х∆р >h. Ввиду малости h по сравнению с макроскопическими величинами той же размерности действия соотношение неопределенности существенно только для явлений атомных масштабов и не проявляется в опытах с макроскопическими телами.

Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению таких динамических переменных. При этом неопределенность в измерениях связана не с несовершенством экспериментальной техники, а с объективными свойствами микрообъектов. Таким образом, соотношение неопределенностей является квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам.

Принцип дополнительности. Для описания микрообъектов Н. Бор сформулировал принципиальное положение квантовой механики – принцип дополнительности, который наиболее четко изложил в следующей форме:

Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных.

По современным представлениям, квантовый объект – это одновременно и частица, и волна, которые являются классическими понятиями. Для возможно полного представления о микрообъекте мы должны использовать два разных типа приборов: один – для излучения волновых свойств, другой – для корпускулярных. Эту свойства несовместимы в отношении их одновременного проявления, но оба они в равной мере характеризуют микрообъект, а поэтому не противоречат, а дополняют друг друга. Эта идея и положена Бором в основу важнейшего методологического принципа современной науки – принципа дополнительности.

Принцип суперпозиции. В физике при изучении линейных систем широко используется принцип суперпозиции: общий результат воздействия на систему многих факторов равен сумме результатов воздействия каждого отдельного фактора.

Плодотворным оказалось применение принципа суперпозиции при изучении микромира. Здесь он стал одним из фундаментальных принципов (наряду с соотношением неопределенностей), составляющих основу математического аппарата квантовой механики. Состояния микросистем описываются волновыми функциями. Из принципа суперпозиции, например, следует, что если квантово-механическая система может находиться в некоторых конкретных состояниях, описываемых волновыми функциями, то физически допустимым будет состояние, изображаемое другой волновой функцией, т.е. суперпозицией исходных волновых функций. Принцип суперпозиции в описании микромира отражает волновую природу микрочастиц.

Дата добавления: 2014-12-16