Современные представления о структуре вещества Мировоззренческо-методологические установки классической

Современные представления о структуре вещества Мировоззренческо-методологические установки классической науки 1. Вещество и поле – противоположности. Вещество дискретно, поле континуально. Вещество представляет собой неделимые атомы (корпускулы), поле – колебания (волны) 2. Любой физический процесс есть следствие строго определенных причин. Связь причины и следствия однозначна. => Мир строго однозначно причинно взаимосвязан. (Лапласов детерминизм) 3. Физические явления объективны, они не зависят от наблюдателя. Прибор как средство познания не влияет на объект и его действием всегда можно пренебречь. 4. Природа одинакова на всех уровнях. Мега-, микро-, и макромиры одинаковы по своим законам. 5. Объект физического описания безотносителен к языку, на котором он описывается

Современные представления о структуре вещества Открытия конца XIX начала XX в. 1. М. Планк вводит понятие «квант действия» (постоянная Планка h), нарушая представления о непрерывности волны. 2. А. Эйнштейн предполагает наличие фотона (кванта света) для объяснения природы фотоэффекта. 3. Открытие А. Беккерелем радиоактивности урана (1896). Термин «радиоактивность» ввели супруги Кюри в 1898. 4. 1876 открытие «катодных лучей» , названных в 1891 электронами (термин ввел Дж. Стони) 5. Исследования в области теории тепла утвердили необходимость использования статистических методов. В результате этих открытий утверждения классической физики перестали соответствовать опыту и должны были быть заменены. Возникла потребность в новой ЕНКМ

Современные представления о структуре вещества Принципы квантовой механики 1. Корпускулярно-волновой дуализм. (Л. Де Бройль 1924) «С каждой частицей массой m связан волновой процесс с частотой ν, так что: произведение массы на квадрат скорости света равно произведению частоты на постоянную Планка (mс2= h ν) 2. Принцип дополнительности (Н. Бор) Волновые и корпускулярные характеристики объектов есть проекции подлинных свойств микромира на макроприбор. 3. Принцип неопределенности (В. Гейзенберг): Относительно микрообъектов может быть установлена либо его скорость перемещения, либо его местоположение, но ни то и другое одновременно (Δp Δq≥h) 4. Принцип соответствия: никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области

Современные представления о структуре вещества 1. Модели атома 1897 -1898 модель Томсона (лорда Кельвина) – в сгусток положительного электричества вкраплены электроны так, что атом нейтрален ( «как изюм в тесто» ) 2. Дж. Томсон быстрое вращательное движение электронов, причем, если их больше 8, то они располагаются кольцами. 3. Хантаро Нагаока – атом состоит из массивной ядерной частицы и большого количества частиц одинаковой массы, расположенных на круговой орбите 4. Эрнест Резерфорд ( «планетарная модель» ) – атом состоит из положительного ядра (протонов) и отрицательных электронов. Ядро много меньше полного размера атома, но масса атома сосредоточена в ядре.

Современные представления о структуре вещества Противоречия классической модели Резерфорда 1. Вращающийся вокруг ядра электрон должен испускать электромагнитное излучение, расходуя на него энергию. = > Электрон должен потерять энергию, упасть на ядро и нейтрализовать его. (проблема устойчивости атома) 2. Вращающийся вокруг ядра электрон должен испускать электромагнитное излучение, расходуя на него энергию. Поскольку, согласно классическим представлениям, энергия меняется непрерывно, электромагнитные волны из электрона атома должны давать непрерывный спектр «наподобие радуги» . (проблема линейчатой структуры атомного спектра) На деле же спектр атома прерывистый – совокупность разноцветных полос!

Современные представления о структуре вещества Квантовая модель атома Н. Бора (постулаты Бора) 1. Постулат стационарных состояний – электроны в атоме находятся в стационарных состояниях и не излучают электромагнитной энергии 2. Постулат частот – излучение или поглощение электромагнитной энергии в атоме происходит квантами при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое стационарное состояние. Частота излученного/поглощенного кванта равна разности энергий стационарных состояний и пропорциональна постоянной Планка (h) Постулаты Бора разорвали с классической электродинамикой и открыли возможность дальнейшей разработки квантовой механики

Современные представления о структуре вещества Проблемы атомного ядра в классической науке В начале XX века были известны 4 элементарных частицы - электрон (назв. Стони) - альфа частица (Резерфорд) - протон (Резерфорд) - нейтрон( 1932 г. Чедвик) До 1934 г. электрон + протон составляли атом. После 1934 г в атомное ядро был включен нейтрон. Структура атомного ядра стала выглядеть как протон + нейтрон, а атома - (протон+нейтрон) + электрон. Эта структура оказалась противоречивой 1. Ядро должно распасться под действием кулоновских сил (одноименные заряды отталкиваются с силой пропорциональной величине зарядов и обратно пропорциональной расстоянию между ними) 2. В свободном состоянии нейтрон распадается за время 16 м. , но в атоме он устойчив.

Современные представления о структуре вещества Фундаментальные взаимодействия Чтобы объяснить устойчивость атомного ядра была предложена новая сила природы – сильное взаимодействие Сильное взаимодействие влиятельно на расстоянии атомного ядра(10 -13 см) Сильное взаимодействие на этом расстоянии сильнее электромагнитного отталкивания в 1000 раз. Сильное взаимодействие проявляет себя как притяжение частиц, составляющих атомное ядро: протонов и нейтронов. Сильное взаимодействие – это ядерная сила, ее использование связано с расщеплением тяжелых ядер и синтезом легких ядер атомов. Сильное взаимодействие осуществляется за счет обмена элементарной короткоживущей частицей – «Пи-мезоном» (π ± π0), время жизни мезона 10 -23 с – это и есть характерное время сильного взаимодействия

Современные представления о структуре вещества Фундаментальные взаимодействия Для объяснения распадения нейтрона по аналогии с сильным была введена еще одна сила - слабое взаимодействие Слабое взаимодействие – проявляет себя как распад некоторых частиц (в частности нейтрона) Слабое взаимодействие действует на расстояниях, характерных для элементарных частиц 10 -16 см Слабое взаимодействие слабее сильного в 1014 (на одинаковом расстоянии) Слабое взаимодействие представляет собой обмен специфической элементарной частицей – слабым векторным бозоном ( W±, W 0) Слабое взаимодействие медленнее сильного

Современные представления о структуре вещества Фундаментальные взаимодействия В современной ЕНКМ – четыре (и только!) силы природы. это взаимодействия Сильное Слабое Электромагнитное Гравитационное Эти четыре силы создают всю природу Все физические свойства и процессы мира могут быть сведены к этим взаимодействиям. Понять мир с точки зрения современной физики – это увидеть в данном процессе механизм проявления того или иного из этой четверки взаимодействий

Современные представления о структуре вещества Фундаментальные взаимодействия Сильное Притяжение внутриядерных и других сильновзаимодействующих частиц Короткодействующее (за пределами 10 -13 практически неощутимо) микромир «Пи-мезон» (π ± π0), в современны х теориях – «глюон» Слабое Распад и превращения нейтрона и других слабовзаимодействующих частиц Короткодействующее (за пределами 10 -16 практически не ощутимо) микромир W± и W 0 бозоны Электром агнитное Притяжение разноименных и отталкивание одноименных электрических зарядов Дальнодействующее (убывает по квадрату расстояния) Мега-, микро и макромиры Электрическ и нейтральны й фотон γ Дальнодействующее (убывает по квадрату расстояния) мегамир Гипотетичес кая частица «гравитон» Гравитаци Взаимное притяжение онное любых частиц вещества

Современные представления о структуре вещества Субатомная структура вещества Элементарные частицы (в настоящее время их известно около 400) – характеризуются участием в том или ином фундаментальном взаимодействии, наличием того или иного заряда (в квантовой механике под зарядом понимается мера интенсивности испускания квантов того или иного поля), массой (если она есть) и спином. С точки зрения функции все частицы делятся на: - Образующие вещество (фермионы) – имеют спин, кратный ½ подчиняются квантовой статистике Энрико Ферми - Образующие поле (бозоны) кванты полей имеют спин кратный 1 и подчиняются квантовой статистике Шантьедраната Бозе Каждой частице соответствует своя античастица (античастицы имеют те же характеристики, но отличаются противоположным зарядом) Встреча частицы и античастицы приводит к высокоэнергетичному взаимодействию – аннигиляции (переходу вещества в излучение)

Современные представления о структуре вещества Субатомная структура вещества По участию во взаимодействиях различаются: Адроны – сильновзаимодействующие частицы Современной теорией адронов является теория кварков, а теорией сильного взаимодействия – кварковая хромодинамика адроны барионы мезоны Лептоны – слабовзаимодействующие частицы Современной теорией лептонов является квантовая электродинамика Количество адронов велико, поскольку для них характерно так называемое резонансное состояние. Резонансы можно считать короткоживущими самостоятельными частицами. Количество лептонов 12 (включая антилептноны)

Современные представления о структуре вещества Основы теории кварков Гелл-Манн и Цвейг создали первый вариант теории кварков. Кварки – элементарные составные адронов, имеющие дробный электрический заряд (-1/3 или +2/3). Кварки связываются 8 глюонами (от англ. Glu – клей). Большая часть энергии глюонного поля тратится на связь кварков, а его остаток – сильное взаимодействие. В современном варианте теории 6 кварков и 6 антикварков. Сочетания кварков в адронах непроизвольны. Условно заряды кварков названы цветами – основными и дополнительными. Адрон состоит из 3 кварков, имеющих разные цвета, сумма которых дает белый. Глюон состоит из цвета и антицвета. Мезоны также состоят из кварков, имеющих цвет и антицвет.

Объединительные теории Теория электрослабого взаимодействия авторы - Стивен Вайнберг и Абдус Салам Идея – распадение электромагнитных и слабых взаимодействий можно рассматривать как нарушение симметрий. 4 симметрии соответствуют носителям электромагнитного и слабого взаимодействия, пятая – частице Хиггса. При энергии порядка 100 Гэв. возможно восстановление симметрий. В этих условиях два взаимодействия сливаются, образуя одно- электрослабое.

Объединительные теории Теории великого объединения Авторы – Говард Джорджи и Шелдон Гледшоу Идея – при энергиях порядка 1014 исчезают различия между кварками и лептонами => сильное и электрослабое взаимодействия можно рассматривать как одно фундаментальное взаимодействие. Теории великого объединения не имеют опытного подтверждения, поэтому остаются гипотезами, определяющими путь физической мысли в XX-XXI столетии.

Объединительные теории Теория суперструн Авторы – Джон Шварц и Майкл Грин Идея – все предшествующие теории рассматривали элементарные частицы как точечные одномерные объекты. Теория суперструн исходит из дву- и более мерности элементарных объектов. Теория суперструн носит абстрактный геометрических характер в ней используется представление о замкнутых измерениях пространствавремени. Резонансные колебания элементарных объектов (струн) представляют собой элементарные частицы. Теория суперструн объединяет все 4 фундаментальных взаимодействия. Несмотря на изящество идеи остается гипотезой

Законы сохранения Наиболее фундаментальные законы современной физики Законы сохранения Мега, макро и микромира энергии, импульса момента импульса микромира барионного заряда, лептонного заряда странности четности и др.

Законы сохранения Фундаментальные симметрии Симметрия – инвариантность структуры объекта относительно его преобразований. Например: законы классической механики инвариантны относительно преобразований Галилея; законы СТО – относительно преобразований Лоренца. Симметрии теории поля Внешние связаны со свойствами пространствавремени Внутренние связаны со свойствами элементарных частиц

Законы сохранения Фундаментальные симметрии Симметрия относительно пространственного сдвига (Р) Симметрия относительно обращения времени (Т) Симметрия относительно заряда (зарядового сопряжения) (С) СРТ симметрия – объединенная внешняя симметрия, утверждающая что: 1. Если заменить частицу на античастицу 2. Заменить координату (r на – r) 3. Заменить время (t на – t) 4. Уравнения теории поля не изменятся. 5. В 80 -х годах были обнаружены нарушения СРТ симметрии в слабом взаимодействии. Это открытие объяснило существование мира!

Законы сохранения Фундаментальные симметрии Каждый из законов сохранения представляет собой симметрию уравнений теории поля. Это свойство дает возможность отождествлять различные частицы. Например, протон неотличим от нейтрона, если пренебречь симметриями электромагнитного и слабого полей. Калибровочные симметрии – симметрии относительно масштаба или значения некоторой величины. Калибровочные симметрии глобальные локальные

Законы сохранения Фундаментальные симметрии Калибровочные симметрии показывают необходимость энергетических полей – фундаментальных взаимодействий. Сами фундаментальные взаимодействия можно рассматривать как вид калибровочных симметрий природы. Простейшей калибровочной симметрией обладает электромагнитное поле (взаимодействие)

Законы сохранения Спонтанное нарушение симметрии Физическая система, обладающая некоторой симметрией в процессе эволюции может ее потерять. Основная причина потери симметрии – энергетическая невыгодность симметричного состояния, по сравнению с несимметричным. Спонтанное нарушение калибровочных симметрий привело к распадению сильного и слабого взаимодействий. Поиск условий восстановления нарушенных калибровочных симметрий – ключевая идея объединительных теорий.

Законы сохранения

Законы сохранения

Законы сохранения

Законы сохранения