КВАНТОВАЯ ФИЗИКА Квантовая физика раздел физики описывающий

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА Квантовая физика – раздел физики, описывающий законы поведения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул) и их систем.

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ Классическая физика конца 19 в. , согласно которой энергетические процессы представлялись непрерывными, не могла объяснить множества новых экспериментальных данных (явлений радиоактивности, фотоэффекта и т. д. ). М. Планк предположил, что энергия излучается не постоянным потоком, а дискретными неделимыми порциями (квантами). Это утверждение касается только микромира т. к. величина этой порции энергии очень мала Полуклассическая модель атома водорода, (h – постоянная Планка = 6, 6· 10 -34 Дж·с). выдвинутая Бором в 1913 году на основании планетарной модели атома Резерфорда и собственных постулатов

А. Эйнштейн – перенес идею с теплового излучения на излучение вообще → СВЕТ – это поток квантов Эйнштейн рассматривал свет как поток частиц, которые обладают определенной энергией. Если энергия частиц света меньше той, которая необходима для выбивания электрона из металла, то они остаются на его поверхности. В противном случае электроны, поглотив фотоны света, получают дополнительную энергию и покидают металл. Это доказывало корпускулярную природу света.

МЕХАНИСТИЧЕСКАЯ И. Ньютон Свет – поток мельчайших частиц, которые излучают светящиеся тела. Эти частицы движутся в соответствии с законами механики и при попадании в глаз вызывают ощущение света - корпускулярная теория света ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ Максвелл Передача энергии происходит с конечной скоростью, равной скорости света → следовательно свет – это электромагнитные волны. КВАНТОВО-ПОЛЕВАЯ А. Эйнштейн СВЕТ – это поток квантов ПРИРОДА СВЕТА В РАЗЛИЧНЫХ ПАРАДИГМАХ

Интерференция и дифракция света – это доказательства его волновой природы Де Бройль предположил, что материи присущи и свойства частицы (дискретность), и св-ва волны (непрерывность) → т. о. он показал корпускулярноволновой дуализм свойств материи. Эрвин Шредингер – вывел уравнение, описывающее поведение волн материи.

КОТ ШРЕДИНГЕРА Парадокс кота Шредингера связан с квантовой механикой и был впервые предложен физиком Эрвином Шредингером. Эксперимент состоит в том, что кот, заперт внутри коробки вместе с радиоактивным элементом и пузырьком смертельного яда. Шанс того, что радиоактивный элемент распадется в течение часа, составляет 50/50. Если это произойдет, молот, прикрепленный к счетчику Гейгера, разобьет пузырек, выпустит яд и убьет кота. Так как существуют равные шансы того, что это случится, или не случится, то до того, как коробку откроют, кот может быть одновременно и жив и мертв. Суть состоит в том, что, так как никто не наблюдает за тем, что происходит, кот может существовать в разных состояниях. Это похоже на известную загадку, которая звучит так: "Если дерево упало в лесу, и никто этого не слышит, издает ли оно звук? " Кот Шредингера показывает необычную природу квантовой механики, согласно которой некоторые частицы настолько малы, что мы не можем их измерить, не изменив их. До того, как мы их измерим, они существуют в суперпозиции – то есть в любом состоянии одновременно.

Материя представлена в двух взаимосвязанных формах: Вещество – различные частицы и тела, которым присуща масса покоя. Поле – не имеет массы покоя, заполняет пространство между частицами. Функция поля – передача возмущения от одной частицы к другой с конечной скоростью. Структурные уровни вещества в микромире: I. Молекулярный (молекулы состоят из атомов) II. Атомный (атомы состоят из ядра и электронной оболочки) III. Ядерный (ядро состоит из нуклонов – протонов и нейтронов) IV. Нуклонный (нуклоны состоят из кварков) V. Кварковый

Модель атома Томпсона (пудинг) МОДЕЛИ АТОМА Томсон Модель атома Резерфорда (планетарная). Резерфорд Современная модель атома – квантово-механическая (Нильс Бор):

Современная модель атома – квантово-механическая (Нильс Бор): Положительно заряженное ядро окружено электронными облаками; Атом в целом имеет нейтральный заряд, т. к. заряды протонов и электронов компенсируют друга, а их число в атоме одинаково; При движении по стационарной орбите ē не излучает энергии, при переходе на другую орбиту излучает ее порциями (квантами).

ОСОБЕННОСТИ МИКРОМИРА: Поведение элементарных частиц можно предсказать лишь с определенной вероятностью. Например, в классической физике тело либо присутствует в заданной части пространства, либо отсутствует. Того же нельзя сказать про электрон. Электрон в атоме только с некоторой вероятностью находится в заданной части пространства; с вероятностью, не равной нулю, он находится и в другом участке пространства.

У ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ЧАСТИЦЫ ОТСУТСТВУЕТ ТРАЕКТОРИЯ ДВИЖЕНИЯ ИЗ ОДНОЙ ТОЧКИ В ДРУГУЮ Например, в классической физике траекторию движения бильярдного шара можно определить однозначно, а перемещение электрона можно определить только в конечный момент. Определить, каким именно путем он двигался, невозможно: можно лишь предположить, что он двигался по всем возможным траекториям, часть из которых более вероятна, чем другая.

Результат наблюдения микромира зависит от типа измерительного прибора, что связано с корпускулярноволновым дуализмом свойств материи. В одном типе измерительных приборов (дифракционная решетка) микроявления представляются в виде непрерывного поля, распределенного в пространстве. В другом типе приборов (пузырьковая камера) эти же микроявления выступают как материальные точки.

Пузырьковая камера Вильсона для регистрации

Каким же образом один объект может совмещать в себе такие противоречивые свойства (свойства частицы и волны)? Ответ на этот вопрос дал Н. Бор, сформулировав свой принцип дополнительности. Из-за того, что всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм, нельзя процессы в атоме представить в виде механических моделей по аналогии с макромиром, можно составить лишь сумму уравнений, описывающих эти процессы. Т. о. – для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимодополняющих набора понятий (понятия частицы и понятия волны). Только их совокупность дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ Первоначально было установлено, что ядро состоит из протонов (+) и нейтронов (о). Открытие радиоактивности показало, что в ядре возможны различные превращения частиц, например, β-распад нейтрона: n˚ → p+ + ē +νe (антинейтрино). Позднее было предсказано, а вскоре и доказано существование античастиц (это частицы с такими же характеристиками, что и обычные, но с зарядом противоположного знака: для электрона ↔ позитрон, для протона ↔ антипротон и т. д. ). При столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция (переход вещества в излучение) → образуется фотон (т. е. квант электромагнитного поля) и наоборот! В видимой части Вселенной антивещество, состоящее из античастиц, не обнаружено. Хотя античастицы и возникают в космических лучах, их длительное существование в нашей Вселенной невозможно, т. к. при столкновении обычной частицы и античастицы происходит их взаимное уничтожение с образованием фотонов (аннигиляция).

Аннигиляция

КВАРКОВАЯ ТЕОРИЯ СОЗДАНА В 1964 Г. Затем были теоретически предсказаны «еще более элементарные» частицы, чем p и n – а именно их составляющие – кварки. (электрон и фотон все еще сохраняют статус неделимых частиц. ) Кварк – элементарная частица, имеющая дробный электрич. заряд (+⅔; -⅓…) и характеризующаяся особыми св-вами ( «цвет» , «аромат» , «очарование» и т. д. Эти свойства ничего общего с настоящими цветами и запахами не имеют – просто физики, которые их так назвали, обладали своеобразным чувством юмора). Кварки не встречаются в свободном состоянии, они не способны покинуть элементарные частицы.

36 РАЗНОВИДНОСТЕЙ КВАРКОВ Предположительно существуют 36 разновидностей кварков, которые в разных сочетаниях (по 2 или по 3) дают разные элементарные частицы. Протоны и нейтроны не состоят из кварков, как дом из кирпичей; кварки постоянно взаимодействуют между собой. В рамках атомного ядра также нет постоянных протонов и нейтронов, они непрерывно переходят друг в друга. Подобно облакам электронов вокруг атома, само ядро представляет собой протонно-нейтронное облако, в котором в каждый момент находится вполне определенное количество протонов и нейтронов.

В настоящее время открыто ~400 ЭЧ. Их исследования ведутся на ускорителях высоких энергий. Существует несколько классификаций ЭЧ. Мы рассмотрим одну из них – в её основе лежит свойство ЭЧ – спин (S). Частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические параметры (заряд, масса, «аромат» и т. п. ) не одинаковы – этот закон носит название Запрета Паули. Классификация элементарных частиц

Спин – это собственный момент количества движения частицы. Он имеет всегда положительный знак (+), а его значение может быть целое (0, 1, 2…) или полуцелое (1/2, 3/2 …).

ВЕЩЕСТВО ПОЛЕ

ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ: Если частица-переносчик имеет массу, то взаимодействие осуществляется только на близком расстоянии. Это может быть: 1. Сильное взаимодействие (если Rдействия < 10 -13 см) – связывает кварки в нуклонах; протоны и нейтроны в ядрах атомов. Переносчик: глюон ( «клей» ). 2. Слабое взаимодействие (если Rдействия ~ 10 -15 – 10 -22 см) – обеспечивает превращение или распад частиц - лептонов или кварков (поэтому многие частицы – короткоживущие). Переносчик – векторный бозон.

Если частица-переносчик взаимодействия не имеет массы, физическое взаимодействие может осуществляться на большом расстоянии. 3. Электромагнитное взаимодействие – взаимодействие электрически заряженных частиц (+ и -); оно в 1000 раз слабее сильного. Переносчик – фотон. 4 Гравитационное взаимодействие – оно универсально – действует на любые частицы пропорционально их массе → в микромире роли не играет. Переносчик – гравитон (несмотря на многочисленные попытки, обнаружить его пока не удается).

Подо льдом Антарктиды обнаружены нейтрино, прилетевшие из космоса

БОЗОН ХИ ГГСА — элементарная частица (бозон), квант поля Хиггса, с необходимостью возникающий в Стандартной модели физики элементарных частиц вследствие хиггсовского механизмаспонтанного нарушения электрослабой симметрии. В рамках этой модели отвечает за инертную массу элементарных частиц. По построению хиггсовский бозон является скалярной частицей, то есть обладает нулевым спином. ё Постулирован британским физиком Питером Хиггсом в его фундаментальных статьях, вышедших в 1964 году[2][3]. Предсказанный первоначально в теории, после нескольких десятков лет поисков, 4 июля 2012 года, в результате исследований на БАК, был обнаружен кандидат на его роль — новая частица с массой около 125— 126 Гэ. В/c²[4]. Имелись веские основания считать, что эта частица является бозоном Хиггса[5][6][7]. В марте 2013 года появились сообщения от отдельных исследователей ЦЕРНа, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.

Большо й адро нный колла йдер, сокращённо БАК (англ. Large Hadron Collider, сокращённо LHC) — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений. Коллайдер построен в ЦЕРНе (Европейский совет ядерных исследований), находящемся около Женевы, на границе Швейцарии и Франции. БАК является самой крупной экспериментальной установкой в мире. В строительстве и исследованиях участвовали и участвуют более 10 тысяч учёных и инженеров из более чем 100 стран

Заветная мечта всех физиков – выявить универсальность всех фундаментальных сил, т. е. объединить все физические взаимодействия. Есть попытки создать теорию «Большого объединения» - т. е. теорию, объединяющую сильное, слабое и электромагнитное взаимодействие (теория суперструн). Значение квантовой теории: Стала базой для ядерной физики: без развития квантовой физики было бы невозможно создать ядерные реакторы, осуществить термоядерные реакции (водородная бомба), построить лазеры и полупроводниковые приборы. Благодаря квантовой механике удается понять не только процессы, протекающие в микромире, но и природу астрофизических объектов (белых карликов, нейтронных звезд, термоядерных процессов внутри звезд и др. ). Квантовая механика – теоретическая основа современной химии (квантово-механическая модель атома позволяет объяснить и предсказать все химические процессы).

КВАНТОВО-ПОЛЕВАЯ КАРТИНА МИРА • СФОРМИРОВАЛАСЬ НА ОСНОВЕ: В рамках квантово-полевой • гипотезы Планка (1858 -1947 гг. ), парадигмы сложились • квантовой теории атома Н. Бора (1885 -1962 квантово-полевые гг. ), представления о материи • волновой механики Э. Шредингера (18871961 гг. ), • квантовой механики В. Гейзенберга • МАТЕРИЯ обладает корпускулярными и волновыми свойствами, т. е. каждый элемент (1901 -1976 гг. ). материи имеет свойства волны и частицы • ДВИЖЕНИЕ рассматривается как ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ И частный случай физического ПРИЧИННОСТЬ относительны и взаимодействия (сильного, слабого, зависимы. При описании объектов электромагнитного, гравитационного). используется два класса понятий: Переносчиками взаимодействия являются фундаментальные частицы: пространственно-временные и энергетическоимпульсные. Первые дают фотоны, глюоны и промежуточные бозоны. кинематическую картину движения, • Взаимодействия описываются на вторые - динамическую (причинную). основе принципа близкодействия - Спецификой квантово-полевых взаимодействия, передаются соответствующими полями от точки к представлений о закономерности и точке, скорость передачи причинности является то, что они взаимодействия всегда конечна и не выступают в вероятностной форме, в может превышать скорости света в виде статистических законов. вакууме (300 000 км/с).

МОДЕЛЬ РЕАЛЬНОСТИ В КВАНТОВО-ПОЛЕВОЙ КАРТИНЕ МИРА Изменились представления о человеке. Человек – это наблюдатель от которого зависит получаемая картина мира. Наш мир таков, каков он есть сейчас, только благодаря существованию человека. Появление человека – закономерный результат эволюции Вселенной.