Концепции современного естествознания Лекция 4 Мир элементарных частиц

Концепции современного естествознания Лекция 4 Мир элементарных частиц

Демокрит ( 300 г. до н. э. ) писал в книге в «Малый диакосмос» : «Начало Вселенной - атомы и пустота, все же остальное существует лишь во мнении. И ничто не возникает из небытия, не разрешается в небытие. И атомы бесчисленны по величине и по множеству, носятся же они во вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля. Дело в том, что последние суть соединения некоторых атомов» .

Аристотель (384 -322 гг. до н. э. )

Ньютон писал: «Мне кажется, что Бог вначале создал материю в виде сплошных, массивных, твердых, непроницаемых, движущихся частиц таких размеров и форм и с такими другими свойствами и в таких пропорциях к пространству, которые наилучшим образом служат той цели, для которой Он их создал, и что эти простейшие частицы, будучи твердыми, несравненно прочнее, чем любые другие тела, составленные из них; даже настолько прочны, что никогда не изнашиваются и не разбиваются на куски; никакие обычные силы не в состоянии разделить то, что Бог создал сам в первый день творенья!. . »

1027 1 м МЕГАМИР 10– 15 макромир микромир

Корпускулярно-волновой дуализм лежащее в основе квантовой механики положение о том, что в поведении микрообъектов проявляются как корпускулярные, так и волновые черты. свет — объект, имеющий волновую природу, — ведёт себя подобно потоку частиц

интерференция волн на поверхности воды

Интерференционные полосы мыльной плёнки

Дифракция света

1900 г. Планк постулировал, что лучистая энергия (энергия света) переносится отдельными порциями - «квантами» , т. е. энергия кванта E=h есть «световая частица» - фотон

Результаты опыта по дифракции электронов на двух щелях (Йенсен, 1961 г. ).

Интерференционная картина, полученная при прохождении пучка электронов малой энергии через две щели

Электрон – и частица (с определенной массой и зарядом), и волна?

Частица классические представления частица, двигаясь по траектории, в каждый момент времени находится в определенной точке пространства квантовые представления микрочастица в силу своих волновых может быть обнаружена в один и тот же момент времени в разных точках пространства Следовательно, для описания движения микрочастиц понятие траектории оказывается, неприменимым.

Луи де - Бройль (1892 -1987) высказал суждение: корпускулярно-волновой дуализм присущ всем частицам. Для частицы: p=mv=mc и E=mc 2 Учитывая E=h и =c/v, получим: mc 2=h или mc= h /c или =h/p

При v << c Для Длина волны Электрон (1/100 скорости света)

При v << c Бегущий человек Длина волны

Гейзенберг (1927 г. ) принцип неопределенности: частица не может иметь одновременно определенную координату х и определенный импульс р Н. Бор (1927 г. ) – принцип дополнительности

Нильс Бор Принцип дополнительности

Оказывается, что если прибор предназначен для измерения волны, то электрон в эксперименте ведет себя как волна, а если экспериментальная установка предназначена для изучения свойств частицы, то электрон в таком приборе будет уже частицей

История открытия 1897 – е, электрон, Томпсон 1919 – р, протон, Резерфорд 1932 – n, нейтрон, Джеймс Чедвик 1936 – μ, мюон – первая частица, не встречающаяся в атомах, Карл Андерсон На сегодня известно более 400

Если бы протоны и нейтроны были Ø 10 см, то электрон – 0, 1 мм, а атом – 10 км

Полное число протонов называется атомным номером Z атома Ядерные частицы (протоны и нейтроны) называются нуклонами

He - + N N + 2 Номер элемента 4 Масса элемента Число протонов и нейтронов Число электронов = числу протонов

электрон и позитрон Нейтрино антинейтрино

Элементарные частицы Фермионы Лептоны Бозоны Кварки

– Каждый кварк имеет один из трех цветов красный синий зеленый – Антикварки имеют анти-цвета анти-красный анти-синий анти-зеленый

Фундаментальные частицы 3 семейства (поколения) В каждом поколении – Два кварка Электрон (или его аналог) Нейтрино (или его аналог) u d – 1

Частицы из 3 кварков – протон, нейтрон Стабильны только бесцветные комбинации Синий + зеленый + красный = белый Нейтрон Протон u u d u 1 барион = 3 кварка d d qqq

3 поколения кварков I II u up – верхний III c charm – очарованный d down – нижний s strange – странный t truth (top) истинный b beauty (bottom) прелестный

Вопросы, на которые пока нет от Почему ровно три цвета? Почему ровно три поколения кварков? Случайно ли совпадение числа цветов и числа поколений? Случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире? Из чего состоят кварки?

электромагнитные гравитационные сильные слабые

Новые взаимодействия, открытые в 20 в. Слабое Если бы его не было, то очень много частиц были бы стабильны В 104 раз слабее эл-магнитного Радиус – в тысячу раз меньше чем у сильного

Новые взаимодействия, открытые в 20 в. Что удерживает протоны в ядре? Сильное В 100 раз сильнее эл-магнитного Но с очень малым радиусом действия – диаметр ядра

Теории фундаментальных взаимодействий Классические Электромагнитное Слабое Сильное Гравитация Максвелл нет Ньютон Квантовые КЭД Электрослабого взаимодействия Квантовая хромодинамика ОТО Великое Объединение Стандартная модель Теория всего? = струны?

МОДЕЛИ СТРОЕНИЯ АТОМА

Открытие радиоактивности 1896 1898 Антуан Беккерель уран Пьер и Мария Кюри

Радиоактивный распад – это распад ядер атомов с превращением их в другие элементы -частицы – ядра гелия 2 p + 2 n -частицы – электроны -лучи – коротковолновое электромагнитное излучение <10– 10 м

Модель атома Томсона 1903 «Пудинг с изюмом» 10– 10 м =1Å

1911 Модель атома Резерфорда По модели Томсона (+) заряд на весь атом По модели Резерфорда (+) заряд в центре

Проблема с атомом Резерфорда Электроны движутся с ускорением должны излучать энергию когда она кончится, упадут на ядро

Модель атома Бора 1913 квантовый принцип разрешенных орбит Нильс Бор 1885 – 1962 Институт теоретической физики Бора при Копенгагенском университете

Постулаты Бора 1. В атоме существуют стационарные состояния, не меняющиеся без внешних воздействий. В них атом не излучает энергию. Энергии стационарных состояний образуют дискретный спектр Е 1, Е 2, Е 3 … Противоречие с классической механикой. Е может быть любой

Постулаты Бора 1. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое им испускается или поглощается один квант энергии. Энергия этого кванта равна разности энергий стационарных состояний: Противоречие с электродинамикой. Частота волны должна определяться характером движения заряда

Планетарная модель атома Бора

Недостатки теории Бора По понедельникам, средам и пятницам она применяла классические законы, а по вторникам и четвергам – квантовые Г. Брэгг

Недостатки теории Бора По понедельникам, средам и пятницам она применяла классические законы, а по вторникам и четвергам – квантовые Г. Брэгг Квантовый принцип не получил физического объяснения – он «просто работал и все» Теория была «полуклассической» и «полуквантовой» Переходный этап от классики к квантовой механике

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ