Физика микромира

Структурные уровни материи в физике

(вставить картинку)

Структурные уровни веществ в микромире

Молекулярный уровень - уровень молекулярного строения веществ. Молекула – единая квантово – механическая система объединяющая атомы

Атомный уровень - уровень атомного строения веществ.

Атом – структурный элемент микромира, состоящий из ядра и электронной оболочки.

Нуклонный уровень - уровень ядра и частиц его составляющих.

Нуклон – общее название протона и нейтрона, являющихся сотавными частыми атомных ядер.

Кварковый уровень - уровень элементарных частиц – кварков и лептонов

Структура атома

Размеры атомов порядка 10 -10 м.

Размеры ядер атомов всех элементов порядка 10 -15 м, что в десятки тысяч раз меньше размеров атомов

Ядро атома положительно, а вращающиеся вокруг ядра электроны несут с собой отрицательный электрический заряд. Положительный заряд ядра равен сумме отрицательных зарядов электронов. Атом электрически нейтрален.

Планетарная модель атома Резерфорда. (вставить рисунок)

Показаны круговые орбиты четырёх электронов

Электроны на орбитах удерживаются силами электрического притяжения между ними и ядром атома

Электрон не может пребывать в одном и том же энергетическом состоянии. В электронной оболочке электроны располагаются слоями. Каждая оболочка содержит определённое количество: в первом ближайшем от ядра слое – 2, во втором – 8, в третьем – 18, в четвертом – 32 и т. д. После второго слоя электронные орбиты расчисляются на подслои.

Энергетические уровни атома и условное изображение процессов поглощения и испускания фотонов (посмотреть рисунок)

При переходе с низкого энергетического уровня на более высокий энергетический уровень атом поглощает энергию (квант энергии) равный разности энергии между перехода. Атом испускает квант энергии если электрон в атоме переход с более высокого энергетического уровня на более низкий (переходит скачком).

Общая классификация элементарных частиц

Элементарные частицы - это неразложимые частицы, внутренняя структура которых не являются объединением других свободных частиц, они не являются атомам или атомными ядрами, за исключением протона

Классификация

Фотоны

Электроны

• Барионы

Нейтрон

Основные характеристики элементарных частиц

Масса

Лептоны (легкие)

Мезоны (средние)

Барионы (тяжелые)

Время жизни

стабильные

Квазистабильные (распадающиеся при слабом и электромагнитном взаимодействии)

Резонансы (неустойчивые короткоживущие частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия)

Взаимодействия в микромире

Сильное взаимодействие обеспечивает сильную связь и нейтронов в ядрах атомов, кварков в нуклонах

Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь электронов с ядрами, атомов в молекулах

Слабое взаимодействие обеспечивает переход между разными типами кварков, в частности, определяет распад нейтронов, вызывает взаимные переходы между различными типами лептонов

Гравитационное взаимодействие в микромире при расстоянии 10 -13 см не может не учитываться, однако при расстояниях порядка 10 -33 см начинают проявляться особые свойства физического вакуума – виртуальные сверхтяжелые частицы окружают себя гравитационными полем, искажающим геометрию пространства

Характеристика взаимодействия элементарных частиц

Тип взаимодействия	Относительная интенсивность	Радиус действия см	Частицы между которыми происходит взаимодействие	Частицы – переносчики взаимодействия
				название	Масса ГэВ
Сильное			Адроны (нейтроны, протоны, мезоны)	Глюоны
Электромагнитное			Все электрически заряженные тела и частицы	Фотон
Слабое			Все элементарные частицы, кроме фотонов	Векторные обозоны W + , W - , Z 0
Гравитационное			Все частицы	Гравитоны (гипотетически частица)

Структурны уровни организации материи (поле)

Поле

Гравитационное (кванты – гравитоны)

Электромагнитное (кванты – фотоны)

Ядерное (кванты – мезоны)

Электронно – позитивное (квант – электроны, позитроны)

Структурные уровни организации материи (вещество и поле)

Вещество и поле различаются

По массе покоя

По закономерностям движения

По степеням проницаемости

По степени концентрации массы и энергии

Как корпускулярная и волновая сущности

Общий вывод : различие веществ и поля верно характеризует реальный мир в макроскопическом приближении. Это различие не является абсолютным, и при переходе к микрообъектам ярко обнаруживается его относительность. В микромире понятие «частицы» (вещество) и «волны» (поля) выступают как дополнительные характеристики, выражающие внутренние противоречивость сущность микрообъектов.

Кварки – составные элементарных частиц

У всех кварков дробный электрический заряд. Кварки характеризуются странностью, очарованием и красотой.

Барионный заряд у всех кварков равен 1/3, у соответствующих им антикварков -1/3. У каждого кварка три состояния, эти состояния называются цветовыми: R – красный, G – зеленый и B – голубой

Введение

В XX в. естествознание развивалось невероятно быстрыми темпами, что обусловливалось потребностями практики. Промышленность требовала новых технологий, в основе которых лежало естественнонаучное знание.

Естествознание - наука о явлениях и законах природы. Современное естествознание включает множество естественнонаучных отраслей: физику, химию, биологию, физическую химию, биофизику, биохимию, геохимию и др. Оно охватывает широкий спектр вопросов о разнообразных свойствах объектов природы, которую можно рассматривать как единое целое.

Огромное ветвистое древо естествознания медленно произрастало из натурфилософии - философии природы, представляющей собой умозрительное истолкование природных явлений и процессов. Поступательное развитие экспериментального естествознания привело к постепенному перерастанию натурфилософии в естественнонаучные знания, и как результат -- феноменальные достижения во всех областях науки и, прежде всего, в естествознании, которыми так богато ушедшее XX столетие.

Физика - микромир, макромир, мегамир

В недрах натурфилософии зарождалась физика - наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира.

Физика - основа естествознания. В соответствии с многообразием исследуемых форм материи, и ее движения она подразделяется на физику элементарных частиц, ядерную физику, физику плазмы и т. д. Она знакомит нас с наиболее общими законами природы, управляющими течением процессов в окружающем нас мире и во Вселенной в целом.

Цель физики заключается в отыскании общих законов природы и в объяснении конкретных процессов на их основе. По мере продвижения к этой цели перед учеными постепенно вырисовывалась величественная и сложная картина единства природы.

Мир представляет собой не совокупность разрозненных, независимых друг от друга событий, а разнообразные и многочисленные проявления одного целого.

Микромир . В 1900г. немецкий физик Макс Планк предложил совершенно новый подход - квантовый, основанный на дискретной концепции. Он впервые ввел Квантовую гипотезу и вошел в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории . С введением квантовой концепции начинается - этап современной физики, включающий не только квантовые, но и классические представления.

На основании квантовой механики объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц - появились новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.

В первые десятилетия XX в. исследовалась радиоактивность, и выдвигались идеи о строении атомного ядра.

В 1938г. сделано важное открытие: немецкие радиохимики О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили деление ядер урана при облучении их нейтронами. Это открытие способствовало бурному развитию ядерной физики, созданию ядерного оружия и рождению атомной энергетики.

Одно из крупнейших достижений физики XX в. - это, безусловно, создание в 1947г. транзистора выдающимися американскими физиками Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли.

С развитием физики полупроводников и созданием транзистора зарождалась новая технология - полупроводниковая, а вместе с ней и перспективная, бурно развивающаяся отрасль естествознания - микроэлектроника.

Представления об атомах и их строении за последние сто лет изменились радикально. В конце XIX -- начале XX вв. в физике были сделаны выдающиеся открытия, разрушившие прежние представления о строении материи.

Открытие электрона (1897г.), затем протона, фотона и нейтрона показали, что атом имеет сложную структуру. Исследование строения атома становится важнейшей задачей физики XX века. После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 году нейтрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц.

В том числе: позитрон, (античастица электрона); мезоны -- нестабильные микрочастицы; различного рода гипероны -- нестабильные микрочастицы с массами больше массы нейтрона; частицы резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10 -22 -10 -24 с); нейтрино -- стабильная, не имеющая электрического заряда частица, обладающая почти невероятной проницаемостью; антинейтрино -- античастица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком лептонного заряда, и др.

Элементарные частицы в настоящее время обычно разделяют на следующие классы:

• 1. Фотоны -- кванты электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаимодействия, но участвуют в электромагнитном.
• 2. Лептоны (от греч. leptos -- легкий), к числу которых относятся электроны, нейтрино; все они не обладают сильным взаимодействием, но участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд -- также и в электромагнитном взаимодействии.
• 3. Мезоны -- сильно взаимодействующие нестабильные частицы.
• 4. Барионы (от греч. barys -- тяжелый), в состав которых входят нуклоны (нестабильные частицы с массами, большими массы нейтрона), гипероны, многие из резонансов.
• 5. Приблизительно в 1963-1964 годах появилась гипотеза о существовании кварков -- частиц, из которых состоят барионы и мезоны, являющиеся сильно взаимодействующими и по этому свойству объединенными общим названием адронов.
• 6. Кварки имеют весьма необычные свойства: обладают дробными электрическими зарядами, что не характерно для других микрочастиц, и, по-видимому, не могут существовать в свободном, не связанном виде. Число различных кварков, отличающихся друг от друга величиной и знаком электрического заряда и некоторыми другими признаками, достигает уже нескольких десятков.

Мегамир. Теория Большого Взрыва. В 1946-1948 гг. Г. Гамов разработал теорию горячей Вселенной (модель Большого Взрыва). Согласно этой модели вся Вселенная 15 млрд. лет назад (по другим оценкам 18 млрд. лет) была сжата в точку с бесконечно большой плотностью (не меньше чем 10 93 г/см 3). Такое состояние называется сингулярностью , законы физики к нему не применимы .

Причины возникновения такого состояния и характер пребывания материи в этом состоянии остаются неясными. Это состояние оказалось неустойчивым, в результате произошел взрыв и скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной.

В момент Большого Взрыва Вселенная мгновенно нагрелась до очень высокой температуры более 10 28 К. Уже через 10 -4 с после Большого Взрыва плотность во Вселенной падает до 10 14 г/см 3 . При такой высокой температуре (выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут .

Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 секунды после взрыва, несмотря на очень высокую температуру, была огромной: в 4000 миллионов раз больше, чем у воды.

В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд. градусов (10 9 К). Плотность вещества также снизилась, но еще была близкой к плотности воды. При этой, хотя и очень высокой, температуре начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелого водорода (дейтерия) и ядра гелия.

Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Только по истечении нескольких сотен тысяч лет начали образовываться атомы, главным образом водорода и гелия.

Силы гравитации превращали газ в сгустки, ставшие материалом для возникновения галактик и звезд.

Таким образом, физика XX века давала все более глубокое обоснование идеи развития.

Макромир. В макрофизике можно выделить достижения в трех направлениях: в области электроники (микросхемы), в области создания лазеров и их применения, области высокотемпературной сверхпроводимости.

Слово “лазер” представляет собой аббревиатуру английской фразы “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, переводимой как усиление света в результате вынужденного (индуцированного) излучения . Гипотеза о существовании индуцированного излучения была высказана в 1917 г. А Эйнштейном.

Советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длинной волны =1,27 см.

Первым квантовым генератором был рубиновый твердотельный лазер. Также были созданы: газовые, полупроводниковые, жидкостные, газодинамические, кольцевые (бегущей волны).

Лазеры нашли широкое применение в науке - основной инструмент в нелинейной оптике , когда вещества прозрачные или нет для потока обычного света меняют свои свойства на противоположные.

Лазеры позволили осуществить новый метод получения объемных и цветных изображений, названный голографией, широко применяются в медицине, особенно в офтальмологии, хирургии и онкологии, способные создать малое пятно, благодаря высокой монохроматичности и направленности.

Лазерная обработка металлов . Возможность получать с помощью лазеров световые пучки высокой мощности до 10 12 -10 16 вт/см 2 при фокусировки излучения в пятно диаметром до 10-100 мкм делает лазер мощным средством обработки оптически непрозрачных материалов, недоступных для обработки обычными методами (газовая и дуговая сварка).

Это позволяет осуществлять новые технологические операции, например, просверливание очень узких каналов в тугоплавких материалах, различные операции при изготовлении пленочных микросхем, а также увеличения скорости обработки деталей.

При пробивании отверстий в алмазных кругах сокращает время обработки одного круга с 2-3 дней до 2 мин.

Наиболее широко применяется лазер в микроэлектронике, где предпочтительна сварка соединений, а не пайка.

Краткое изложение современной физики микромира :

1 . Микромир состоит из двух видов частиц,которые отличаются прежде всего размерами: из частиц ультра микро мира ( например , фотон ) и частиц микромира ( например , электрон ). Ультра микро мир на три порядка меньше частиц микромира . Обычно 10 в минус восемнадцатой степени .

2. Итак мы имеем три направления движения частицы ( рис .1 ) и , соответственно , три пространства для полей : гравитационное поле , электрическое и магнитное поле . На этом основании можно говорить о единной природе всех трех полей и о том , что все три поля неотделимы друг от друга в микромире . ( В природе есть вещества , создающие магнитные поля либо электрические отдельно ). Как следствие этого утверждения если проводник для электрического тока вводится в магнитное поле , то он не может попасть под действие электрического поля , которое всегда ортогонально к магнитному полю .

3. Обратим внимание на то , что каждая частица микромира имеет еще три степени свободы , которые используются для вращательного движения . Смотри рис. 1 . Физик Хопкинс утверждает , что пространство может переходить во время и наоборот . Как понять это утверждение ? Нам известен закон сохранения энергии , который гласит : сумма кинетической и потенциальной энергии тела постояна . Движение частицы в пространстве микромира колебательное . Колебательное движение есть результат сложения двух движений : поступательного и вращательного . Кинематическая энергия это энергия поступательного движения , а потенциальная это запасенная энергия неподвижного в пространстве тела разными способами . Поступательное движение осуществляется в пространстве , а вращательное во времени и эти движения имеют математически граничные условия , о которых нам поведал физик Хопкинс .

4. Я полагаю , что все частицы ультра микромира различаются друг от друга только частотой колебания . Например , ультра фиолет и инфра свет : тот же самый фотон , но с разной частотой . Я полагаю , что частота это форма хранения энергии , т .e. частота определяет величину кинетической и потенциальной энергии частицы . Поскольку формула Эйнштейна учтывает только кинетическую энергию движущейся частицы , то эта формула нуждается в корректировке . Видимо , нужно под массой частицы понимать удельную массу , т . е . массу объема создаваемого частотой колебания : масса частицы должна быть разделенной на произведение амплитуды колебания на площадь длины волны или математическое ожидиние этой волны .

5. Внутри каждой элементарной частицы микромира содержится свой определенный сорт ультра микро частиц со своей частотой . Например , в электроне находятся одной частоты фотоны ( по новому названию: “ бионы ”), но частота испускаемого фотона подстраивается под условия конкретной орбиты электрона . На рисунке 4 доказательство этой гипотезы : все электромагнитные волны должны быть одной длины и амплитуды на конкретной орбите . Но переход с орбиты на другую орбиту сопровождается изменением параметров частоты : т . е . амплитуды и длины волны . Каждая орбита имеет свой энергетический уровень потенциальной эн ep гии , как следствие закона сохранния энергии . Причиной р e гулярного вылета кварка энергии из элементарной частицы микромира могут быть резонансные явления .

Блок электронов на орбите обладает вращательным моментом , который есть произведение массы электронов на радиус орбиты , что приводит к вращению самих орбит . Каждая орбита электронов в атоме по своей сути есть электрическая замкнутая цепь и поэтому создает вокруг себя элктромагнитное поле . Поэтому скорость движения электронов на орбите такая же , как в электричской цепи . Это поле и удерживает электронов от приближения к протонам ядра . Направление линий магнитного поля можно определить по правилу буравчика .

7 . В физической литературе указано то , что электрон имеет спин 2. Действительно , при вылете фотона он поворачивается на 90 градусов , т . е . на 1 / 2 спина возвращается в исходное положение , что дает еще 1 / 2 спина . Далее меняет грань поворота и опять 1 / 2 и 1 / 2 , т . е . общий спин равен 2 .

7. Наша Вселенная - физически замкнутое пространство . Она ограничена физическими постоянными : например , скоростью света в 300 000 км в сек или температурным пределом в 273 , 16 градусов Цельсия . Поэтому в ней выполняется Закон сохранения энергии и поэтому она уже существует миллиарды лет . Чем можно объяснить тот факт , что движение планет по орбитам не остановилось ? Если предположить , что планеты движутся по инерции после импульса Взрыва , то эта энергия за миллиарды лет в какой то мере была бы потеряна из за встреч с метеоритами и солнечным ветром . Заметим , что частицы ультра микро мира при движении совершают колебательные движения вокруг своей траектории движения , т . е . их движение есть колебательный процесс определенной частоты . Колебательный процесс в природе представляет собой переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно . Отсюда следует то , что движение любого тела в замкнутом пространстве должно использовать запас потенциальной энергии с помощью механизма частоты .

Мы не знаем почему существуют температурный , вакуумный пределы и ограничена скорость света . Возможно существует криоплазма , что то вроде черной дыры , стягивающей эне p гию до какого то предела , после достижения которого происходит Большой Взрыв .

8. Экспериментально ученым не удалось достичь скорости света или температуры нуля по Кельвину . Они приблизилисть только к этим пределам на асимтотически малую величину . Эти опыты потребовали огромного расхода энергии . Таким образом было установлено то , что в области малых величин возникают огромные энергетические затраты . Мы знаем из классической физики формулу силы F при взаимодействии масс : m 1 M 2 где r есть расстояние между массами :

F = m 1 *M 2 / r ^ 2 . Вес протона или электрона около 0 , 91 * 10 в степени минус 31 кг ( масса на порядок меньше ), плотность 6 , 1 * 10 в 17 степени кг / м ^ 3 . Расстояние между частицами при слабом взаимодествии ( 2 * 10 в минус 1 5 степени ) м и при сильном взаимодействии ( 10 в минус 18 степени ) известно . Одако при подсчете силы притяжеия этих частиц следует учитывать то обстоятельство , что каждая микро частица есть микро колебательный контур . Смотри o бъяснения пункта 10. Применение формулы классической физики к расчетам взаимодействия частиц микромира показывет нам то , что нет границ между классической физикой и квантовой или релятивистской .

9. Заряженные объекты , например , электроны являются причиной не только электростатического поля, но еще и электрического тока. В этих двух явлениях есть существенное отличие. Для возникновения электростатического поля требуются неподвижные, каким-то образом зафиксированные в пространстве заряды, а для возникновения электрического тока, напротив, требуется наличие свободных, не закрепленных заряженных частиц, которые в электростатическом поле неподвижных зарядов приходят в состояние упорядоченного движения вдоль силовых линий поля . Например , электрический разряд статического электричества , сосредоточенный в грозовом облаке - молния . Это движение и есть электрический ток .

10. Но есть другая причина возникновения электрического тока . Каждая ультра и микро частица типа электрон имеет свою частоту колебания и , следовательно , является микро колебательным контуром , к которому применима формула Джозефа Томсона :

f = 1/ 2 П корень квадратный из L*C, где L = 2*EL/I в квадрате and

C = 2* Ec/U в квадрате , где Е 1 с и Е 1L есть энергия электрического поля и магнитного потока соответственно . Формула показывает постоянную связь между L( в Генри , ) и C ( в фарадах , которые переводятся в сантиметры ).

( единица индуктивности в системе СГС; 1 см = 1·10 -9 гн ( генри ), см , cm ... емкость, Сантиметр — единица емкости в системе СГС = 1·10 -12 ф ( фарады ), см . )

Если размерности этих величин в сантиметрах , то знаменатель этой формулы есть длина окружности . Следовательно , электрическое поле вокруг электрона представляет собой ряд соосных окружностей . С увеличением радиуса окружности скорость движения ультра микро частицы должна возрасти поскольку период , то есть частота колебания электрона -f постояна . Следствием этого расход кинетической энергии для более удаленных частиц увеличивается и их способность индуцировать электрический ток в проводнике уменьшается .

Но обратим внимание на рис 3 , где показано то , что векторы Е 1 с и Е 1L разделены в пространстве и взаимоортогональны . Это обстоятельство необходимо учитывать при индуктировании электрического тока в проводнике . Если применить закон сохранения энергии к величинам Е 1L и Е 1 с , то Е 1L есть кинетическая энергия движущегося потока электронов -I, а Е 1 с есть потенциональная энергия электрического поля в функции его напряженности U. Энергии Е1 L и E1c реактивны . В случае частицы микромира их векторы ортогональны к оси координат ОУ , но находятся в разных плоскостях ортогональных координат . (C мотри рис . 2 ). Оба вектора разделены в пространстве . Поэтому не происходит их взаимо аннигиляции и частота микрочастиц не затухает во времени .

В электрических цепях реактивное сопротивление принято обозначать Х , а полное сопротивлеие в цепях переменного тока Z, активное сопротивление - R и сумму всех сопротивлений называть импендансом . Z = R+jX

Модуль импеданса - это отношение амплитуд напряжения и тока, тогда как фаза - это разница между фазами напряжения и тока.

Если X >0 говорят, что реактивное сопротивление является индуктивным

Если X =0 говорят, что импеданс чисто резистивный (активный)

Ес ли X <0 говорят, что реактивное сопротивлние является ёмкостным .

В реальном колебательном контуре , используемом , например , в радотехнике , мы можем реактивную индуктивную энергию компенсировать ее емкостной реактивной энергией поскольку при реактивном емкостном сопротивлении вектор тока опережает напряжение а при индуктивном вектор тока отстает от напряжения на 90 градусов и они находятся в одной плоскости но не одновремены . Поскольку одной из особенностей индуктивности является свойство сохранять неизменным ток, протекающий через неё, то при протекании тока нагрузки появляется фазовый сдвиг между током и напряжением (ток «отстает» от напряжения на фазовый угол). Разные знаки у тока и напряжения на период фазового сдвига, как следствие, приводят к снижению энергии электромагнитных полей индуктивностей, которая восполняется из сети. Для большинства промышленных потребителей это означает следующее: по сетям между источником электроэнергии и потребителем, кроме совершающей полезную работу активной энергии, также протекает реактивная энергия, не совершающая полезной работы.

Из изложенного следует то , что д ля существования электрического тока к проводнику необходимо подвести энергию извне в виде электромагнитного поля.

Допонительное пояснение . Емкостное сопротивление R увеличивается с увеличением количества витков электромагнита .

R = 1/(2 π * C * f), где f - частота , и C - емкость .

Индуктивность L = N 2 * μ * A / l,

где L - индуктивность , N - число витков проволочного проводника, µ - коэффициент магнитной проницаемости сердечника , A - объем сердечника , l - средняя длина сердечника .

f = 1/(2 π * √ (L * C))

Следовательно , R = 1/(4π 2 * C * N * √( μ * A / l)).

Для того, чтоб понять свойства фотона проведем простой эксперимент. Бросим на стальную плиту два шарика одинакового веса, с одной и тойже высоты. Один шарик из пластилина, а другой шарик - стальной. Нетрудно заметить то, что величина отскока от плиты у них разная и большая у стального шарика. Величина отскока определяется упругой деформацией материалов шариков. Теперь направим на плиту луч свет a , т. е. поток фотонов. Из оптики известно, что угол падения луча строго равен углу отражения. При столкновении двух тел они обмениваются энергией пропорционально своим массам. В случае с лучем фотонов последний лишь меняет лишь вектор движения. Не следует ли из этого факта вывод о необыкновенно высоком значении упругой деформации фотона, т. е. о сверхупругости. Ведь нам знакомо явление сверх пластичности некоторых сплавов.

11. Какова роль упругой деформации в микромире? Мы знаем, что сжатая пружина обладает потенциальной энегией, величина которой тем больше, чем выше упругая деформация пружины. Мы знаем, что во время колебательного процесса потенциальная энергия переходит в кинетическую и обратно. Известно также то, что все частицы микромира совершают колебательное движение, т. е. имеют свою частоту колебаний, которая создает электромагнитное поле вокруг частицы. Таким образом каждая частица микромира есть микро колебательный контур наподобие радиотехнического колебательного контура. Следовательно, электромагнитное поле должно создавать в частице вращающий момент: M = r i * F i , I - где некая точка приложения этого момента.Заметим что частота микрочастицы не меняется со временем Следовательно не меняется величина вращающего момента и величина вызывающего его электрического тока со временем. А это возможно только в случае сверхпроводимости!

Этот вращающий момент поворачивает частицу вокруг осей Х и У последовательно, создавая упругую деформацию кручения. Эти сверх упругие деформации возвращают частицу в исходное состояние. Таким образом создается колебательное движение частицы с переходом потенциальной энергии заложенной в упругой деформации кручения в кинетическую энергию движения частицы в пространстве вдоль оси Z .

Механизм такого перехода можно представить себе как скручивание тюбика с пастой. По сути дела изменение объема приводит к выдавливанию пасты из отверстия тюбика, расположенного перпендикулярно плоскости скручивания тюбика. Этот внутренний импульс заставляет частицу двигаться вдоль оси Z. Возникает нанодвигатель высокого КПД. Нечто подобное можно наблюдать в так называемом бельечем колесе. Если не закреплена ось такого колеса то вместо вращающегося колеса мы получим движение поступательного его перекатывания Для реализации этого двигателя нужно создать материал, обладающий необычно высокими значениями упругой деформации кручения. Тогда откроется путь к путешествиям со скоростью света.

12.Такие экстремально высокие свойства микро частиц возникают в материалах при температурах близких к нулю по Кельвину. Не стягивается ли периодически материя в некую черную дыру, представлющую криоплазму при температуре Кельвина. Не является ли эта материя, благодаря возникающим сверх свойствам, аккумулятором потенциальной энергии, которая при достижении критического уровня преобразуется в кинетическую Взрывом?

Краткая история изучения элементарных частиц

Первой элементарной частицей, открытой учеными, был электрон. Электрон - это элементарная частица, носящая отрицательный заряд. Он был открыт в 1897 году Дж. Дж. Томсоном. Позднее, в 1919 году Э. Резерфордом было обнаружено, что среди выбитых из атомных ядер частиц есть протоны. Затем были открыты нейтроны и нейтрино.

В 1932 году К. Андерсоном при изучении космических лучей были открыты позитрон, мюоны, К-мезоны.

С начала 50-х годов основным инструментом изучения элементарных частиц стали ускорители, что позволило обнаружить большое количество новых частиц. Исследования показали, что мир элементарных частиц очень сложен, а их свойства носят неожиданный, непредсказуемый характер.

Элементарные частицы в физике микромира

Определение 1

В узком понимании, элементарные частицы – это такие частицы, которые не состоят из других частиц. Но, в современной физике используется более широкое понимание этого термина. Так, элементарные частицы – это мельчайшие частицы материи, не являющиеся атомами и атомными ядрами. Исключение из этого правила составляет протон. Именно поэтому элементарные частицы получили название субъядерных частиц. Преобладающая часть этих частиц являются составными системами.

Элементарные частицы принимают участие во всех фундаментальных видах взаимодействия – сильном, гравитационном, слабом, электромагнитном. Гравитационное взаимодействие, ввиду малых масс элементарных частиц, часто не учитывается. Все существующие на данный момент элементарные частицы разделяются на три большие группы:

• бозоны. Это элементарные частицы, переносящие электрослабые взаимодействия. К ним относится квант электромагнитного излучения фотон, имеющий массу покоя, равную нулю, чем обусловливается то, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является предельной скоростью распространения физического воздействия. Скорость света одна из фундаментальных физических постоянных, ее значение равно 299 792 458 м/с.
• лептоны. Эти элементарные частицы принимают участие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. На данный момент существует 6 лептонов: электрон, мюон, мюонное нейтрино, электронное нейтрино, тяжелый τ-лептон и соответствующее нейтрино. Все лептоны имеют спин ½. Каждому лептону соответствует античастица, которая имеет ту же массу, тот же спин и другие характеристики, но отличается знаком электрического заряда. Существуют позитрон, являющийся античастицей электрона, мюон, положительно заряженный и три антинейтрино, имеющие лептонный заряд.
• адроны. Эти элементарные частицы принимают участие в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны – это тяжелые частицы, масса которых в 200 000 раз больше массы электрона. Это самая многочисленная группа элементарных частиц. Адроны в свою очередь подразделяются на барионы – элементарные частицы со спином ½, мезоны, имеющие целочисленный спин. Кроме того, существуют так называемые резонансы. Так называют короткоживущие возбужденные состояния адронов.

Свойства элементарных частиц

Любой элементарной частице присущ набор дискретных значений и квантовых чисел. Общими характеристиками абсолютно всех элементарных частиц являются следующие:

• масса
• время жизни
• электрический заряд

Замечание 1

По времени жизни элементарные частицы являются стабильными, квазистабильными, нестабильными.

Стабильными элементарными частицами являются: электрон, время жизни которого составляет 51021 лет, протон – более 1031 лет, фотон, нейтрино.

Квазистабильные – это частицы, которые распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействий, время жизни квазистабильных элементарных частиц составляет более 10-20 с.

Нестабильные элементарные частицы (резонансы) распадаются в ходе сильного взаимодействия и их время жизни составляет $10^{-22} – 10^{-24}$ с.

Квантовыми числами элементарных частиц являются лептонный и барионный заряды. Эти числа являются строго постоянными величинами для всех видов фундаментальных взаимодействий. Для лептонных нейтрино и их античастиц лептонные заряды имеют противоположные знаки. Для барионов барионный заряд равен 1, для соответствующих им античастиц барионный заряд составляет -1.

Характерным для адронов является присутствие особых квантовых чисел: «странности», «красоты», «очарования». Обычными адронами являются нейтрон, протон, π-мезон.

Внутри разных групп адронов существуют семейства частиц, имеющих близкую по значению массу и сходные свойства по отношению к сильному взаимодействию, но отличающиеся электрическим зарядом. Примером этого является протон и нейтрон.

Способность элементарных частиц к взаимовпревращениям, которые происходят в результате электромагнитных и других фундаментальных взаимодействий, является их важнейшим свойством. Таким видом взаимопревращений является рождение пары, то есть образование частицы и античастицы одновременно. В общем случае, происходит образование пары элементарных частиц с противоположными барионными и лептонными зарядами.

Возможен процесс образования позитронно-электронных пар, мюонных пар. Еще одним видом взаимных превращений элементарных частиц является аннигиляция пары в результате столкновения частиц с образованием конечного числа фотонов. Как правило, происходит образование двух фотонов при суммарном спине сталкивающихся частиц, равном нулю, и трех фотонов при суммарном спине, равном 1. Данный пример является проявлением закона сохранения зарядовой четности.

При некоторых определенных условиях возможно образование связанной системы позитрония е-е+ и мюония µ+е-. таким условием может быть невысокая скорость сталкивающихся частиц. Такие нестабильные системы получили название водородоподобных атомов. Время жизни водородоподобных атомов зависит от конкретных свойств вещества. Эта особенность дает возможность использования их в ядерной химии для подробного изучения конденсированного вещества и для исследования кинетики быстрых химических реакций.

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Квантовая физика − раздел физики, изучающий явления, свойственные микромиру, т.е. объектам, имеющим размеры 10 -10 м. и меньше. Специфичность явлений, происходящих в микромире, заключается прежде всего в невозможности напрямую, т.е. посредством органов чувств (главным образом, зрения) получить информацию о происходящих процессах. Для описания явлений микромира необходимы принципиально новые подходы и методы, опирающиеся на экспериментально измеряемые величины.
Рождению квантовой физики предшествовала драматическая ситуация, сложившаяся в физике в самом конце 19 века. Классическая физика оказалась не в состоянии адекватно описать спектр равновесного излучения. В тот период тепловое излучение рассматривалось, как совокупность плоских волн и его теоретическое описание хорошо согласовывалось с экспериментом. Однако при высоких частотах предсказываемая плотность энергии излучения должна была возрастать до бесконечности. Эта ситуация получила название «ультрафиолетовая катастрофа».

Неожиданный выход из ситуации предложил немецкий физик Макс Планк (Max Karl Ernst Ludwig Planck). Его идея заключалась в том, что излучение происходит отдельными квантами и энергия электромагнитной волны не может быть произвольной, как считалось в классической физике, а должна принимать определённые значения, пропорциональные некой очень малой величине h (равной 6.63·10 -34 Дж·с), которая затем и была названа постоянной Планка . Тогда общая плотность энергии уже не может считаться непрерывной величиной, а состоит из множества энергетических порций (квантов), сумма которых не может быть настолько большой, как предсказывали классические гипотезы. Проблема плотности излучения и «ультрафиолетовой катастрофы» была успешно решена. За открытие кванта энергии в 1918 г. Макс Планк был удостоен Нобелевской премии.
Введение кванта позволило разрешить и ряд других вопросов, стоявших тогда перед наукой. Используя идею Планка о кванте энергии, Альберт Эйнштейн в 1905 г. получил уравнение фотоэффекта E = hν + W, где E − кинетическая энергия электронов, ν − частота электромагнитного излучения, h − постоянная Планка, а W − работа выхода электронов для данного вещества. Важнейшим достижением в данном случае стало введение энергии электромагнитного излучения, как функции, зависящей от частоты (или длины волны) излучения, что привело к созданию в дальнейшем шкалы электромагнитных волн.
Идея кванта привела к выводу о дискретности явлений происходящих в микромире, что в дальнейшем было использовано при изучении энергетических уровней атомов и атомных ядер.

Зависимость длины волны различных типов частиц от их энергии
(ядерные единицы − МэВ = 1.6·10 -13 Дж, фм =10 -15 м)

Другим важным следствием дискретности явлений микромира стало открытие Луи де Бройлем (1929 г.) универсальности корпускулярно-волнового дуализма, т.е. того факта, что объекты микромира имеют одновременно как волновую, так и корпускулярную природу. Это позволило не только объяснить ряд явлений, связанных с взаимодействием частиц с веществом (например, дифракцию частиц), но и в дальнейшем развить методы использования излучений для воздействия на частицы, что привело к созданию основного современного инструмента исследования материи – ускорителей.
Во второй половине 20-х годов XX-го века был создан теоретический аппарат описания квантовых явлений − квантовая механика . Наиболее значительный вклад в её создания внесли Вернер Гейзенберг , Эрвин Шредингер , Нильс Бор , Поль Дирак , Вольфганг Паули , Макс Борн и другие.
Квантовая механика - отдельная, хорошо развитая часть современной физики. Для глубокого её усвоения необходима хорошая математическая подготовка, выходящая далеко за рамки курса физики многих ВУЗов. Однако объяснения основных понятий квантовой механики не так уж сложны. К этим основным понятиям относятся в первую очередь физический смысл квантования, принцип неопределённости и волновая функция.
Физический смысл дискретности состояний в микромире, в первую очередь, связан с физическим смыслом постоянной Планка. Малость её величины определяет масштаб взаимодействий в микромире. Действительно, при переходе к макромиру и классическим представлениям величины, подобные постоянной Планка становятся пренебрежимо малыми и в большинстве случаев мы рассматриваем их, как нулевые. При этом происходит так называемый предельный переход, т.е. принципы классической физики можно рассматривать как предельный вариант физики квантовой, когда огромные по масштабам микромира массы, размеры и другие параметры макрообъектов, сводят к нулю те взаимодействия, которые являются значимыми в микромире. Поэтому можно сказать, что постоянная Планка является связующим звеном между явлениями микро- и макромира.
Особенно хорошо это можно видеть на примере дискретности состояний в микромире. Например, разница между энергетическими состояниями атома может составлять десятые доли электронвольта (энергетической единицы микромира, равной 1.6·10 -19 Дж). Достаточно вспомнить, что на закипание одного стакана воды нужно затратить десятки килоджоулей и становится ясно, что с точки зрения классической физики подобная дискретность абсолютно неощущаема! Именно поэтому мы можем говорить о непрерывности процессов, которые нас окружают, несмотря на давно и устойчиво подтверждённую дискретность тех явлений, которые происходят в атомах и атомных ядрах.
По этой же причине незамечаемым в макромире является и такой фундаментальный принцип физики микромира, как принцип неопределённости , предложенный В. Гейзенбергом в 1927 г.
Приведённый ниже рисунок объясняет необходимость введения принципа неопределённости в микромире и отсутствие этой необходимости в макромире

Действительно, степень воздействия внешнего источника (свет) на макрообъект (статуя) несоизмерим с его параметрами (например, массой, пересчитанной в эквивалентную энергию) Бессмысленно рассуждать на тему того, как падающий световой фотон может повлиять на, например, координату статуи в пространстве.
Другое дело, когда объектом воздействия становится микрообъект. Энергия электрона в атоме составляет десятки (реже − больше) электронвольт и степень воздействия вполне соизмерима с этой энергией. Таким образом при попытке точно измерить какой-либо параметр микрообъекта (энергию, импульс, координату) мы столкнёмся с тем, что сам процесс измерения будет изменять измеряемые параметры, причём очень сильно. Тогда необходимо признать, что при любых измерениях в микромире мы никогда не сможем провести точные измерения − всегда будет иметь место ошибка в определении основных параметров системы. Принцип неопределённости имеет математическое выражение в виде соотношения неопределённости , например ΔpΔx ≈ ћ, где Δp − неопределённость в определении импульса, а Δx − неопределённость в определении координаты системы. Отметим, что стоящая справа постоянная Планка указывает на границы применимости принципа неопределённости, ведь в макромире мы смело можем заменить её нулём и выполнять точные измерения любых величин. Принцип неопределённости приводит к выводу о невозможности точно задать какой-либо параметр системы, например, бессмысленно говорить о точном местоположении частицы в пространстве. В этой связи необходимо заметить, что широко распространённое представление атома как совокупности электронов, вращающихся по заданным орбитам вокруг ядра, является просто данью человеческому восприятию окружающего мира, необходимости иметь перед собой какие-либо зрительные образы. В действительности никаких чётких траекторий − орбит в атоме не существует.
Однако, можно задать вопрос − что тогда является основной характеристикой систем в микромире, если такие параметры как энергия, импульс, время взаимодействия (или существования), координата − не определены? Такой универсальной величиной является волновая функция квантовой системы.
Волновая функция ψ, введённая Максом Борном для определения характеристик квантовой системы, имеет достаточно сложный физический смысл. Большую наглядность имеет другая величина − квадрат модуля волновой функции |ψ| 2 . Эта величина определяет, например, вероятность того, что квантовая система находится в данный момент времени в данной точке. Вообще, вероятностный принцип является основным в физике микромира. Любой происходящий процесс характеризуется прежде всего вероятностью его протекания с теми или иными особенностями.
Волновая функция различна для различных систем. Кроме знания волновой функции для правильного описания системы требуется также информация и о других параметрах, например, характеристики поля, в котором данная система находится и с которым она взаимодействует. Исследование подобных систем как раз и является одной из задач квантовой механики. По сути дела, квантовая физика образует язык, с помощью которого мы описываем наши опыты и результаты при изучении микромира, более общий, чем классическая теория. При этом важно понимать, что квантовая физика не отменяет классическую, а содержит ее как свой предельный случай. При переходе от микрообъектов к обычным макроскопическим объектам ее законы становятся классическими и, таким образом, квантовая физика устанавливает пределы применимости классической физики. Переход от классической физики к квантовой есть переход к более глубокому уровню рассмотрения материи.
Процессы, происходящие в микромире, относятся к явлениям, почти полностью лежащими за пределами чувственных восприятий. Поэтому понятия, которыми оперирует квантовая теория и явления, которые она рассматривает, часто лишены наглядности, присущей классической физике. При становлении квантовой теории были пересмотрены такие казалось бы, очевидные и привычные представления о частицах и волнах, о дискретном и непрерывном, о статистическом (вероятностном) и динамическом описании. Квантовая физика стала важнейшим шагом в построении современной физической картины мира. Она позволила предсказать и объяснить огромное число различных явлений − от процессов, протекающих в атомах и атомных ядрах, до макроскопических эффектов в твердых телах; без нее невозможно, как представляется теперь, понять происхождение Вселенной. Диапазон квантовой физики широк − от элементарных частиц до космических объектов. Без квантовой физики немыслимо не только естествознание, но и современная техника.

АТОМНАЯ ФИЗИКА

В 1885 г. Дж.Дж.Томсон открыл электрон − первый объект микромира. Было положено начало возникновению нового раздела науки − физики атома. Уже к началу XX века существовало несколько моделей строения атома, из которых самая известная принадлежала самому Дж.Дж.Томсону. Исходя из этой модели, атом представлял из себя локализованный в небольшом объёме положительный заряд, в котором, как изюмины в кексе, находились электроны. Эта модель объясняла ряд наблюдаемых эффектов, однако была не в состоянии объяснить другие, в частности, возникновение линейчатых атомных спектров. В 1911 г. ответ на вопрос об устройстве атома попытался дать соотечественник Томсона, Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford).
Схема опыта была проста – в свинцовом блоке помещался источник, радиоактивное вещество, излучающее ядра гелия. Заряженные частицы проходили сквозь тонкую золотую фольгу и рассеивались, взаимодействуя с атомами золота. Затем рассеянные частицы попадали на экран, покрытый веществом, в котором они вызывали сцинцилляции (вспышки). Идея состояла в том, что если бы модель атома Томсона была бы верной, взаимодействие происходило бы примерно одинаково под всеми углами по пути движения частиц. Действительно, большая часть частиц попадала на экран, слабо взаимодействуя с веществом фольги. Но, небольшая (примерно 8 частиц из тысячи) их часть испытывала сильное рассеяние НАЗАД, как будто сталкивалась с каким-то зарядом, сконцентрированным в середине атома. После многочисленных экспериментов Резерфорд сделал вывод − модель Томсона неверна. Он предложил модель, впоследствии названную планетарной. В центре, в небольшом объёме, сконцентрирован весь положительный заряд (ядро), электроны расположены вокруг него.

Модель Резерфорда была хороша, но по-прежнему не отвечала на ряд вопросов. Например, как происходит излучение атомов (люминесценция)? При каких обстоятельствах атомы излучают разные световые фотоны? От чего это зависит? Связано ли излучение атомов с поведением электронов внутри них? Ответы на эти вопрос два года спустя дал выдающийся датский физики Нильс Бор (Niels Henrik David Bohr)

Изображение Н.Бора на датской банкноте в 500 крон.

Бор развил планетарную модель, предположив, что каждый электрон в атоме имеет какое-либо фиксированное энергетическое состояние (что очень приближённо можно описывать, как нахождение электрона на какой-либо орбите) Пока атом находится в низшем энергетическом состоянии, он не может излучать. При получении энергии извне, электроны могут менять своё энергетическое состояние (переходить на другую орбиту) или даже покидать атом (ионизация). При возвращении на своё место (или на свою орбиту) избыточная энергия выделяется в виде характеристического излучения (фотона с какой-либо энергией). Атом «по Бору» отвечал на все те вопросы, которые возникли после создания первых атомных моделей. Экспериментальное исследование атомов успешно подтвердило боровскую модель и кстати, квантовые предсказания о дискретности энергий в атоме. В 1922 году за работы по исследованию структуры атомов и их излучения Нильс Бор был удостоен Нобелевской премии.
Уже в 20-е годы прошлого века атом был хорош изучен. Успеху способствовало и то, что связь компонент атома − ядра и электронов, осуществлялось за счёт хорошо известного кулоновского потенциала. К концу 20-х годов возникла и квантовая теория, описывающая ряд атомов и закономерности их поведения.
Атомы – электронейтральные квантовые системы с характерными размерами порядка 10 -10 м. Каждый атом содержит в себе ядро, в котором сосредоточен положительный заряд атома и сконцентрирована практически вся (более 99.9%) масса атома. Отрицательный заряд распределён между электронами, их число равно числу положительно заряженных ядерных частиц (протонов) в ядре. При приложении к атому определённой энергии, называемой энергией ионизации, один из электронов покидает атом. Оставшаяся положительно заряженная часть называется ионом , а данный процесс − ионизацией. Обратный процесс называется рекомбинацией и сопровождается испусканием фотона с энергией, соответствующей разнице в энергиях атома до и после рекомбинации.

Ионизация является процессом, постоянно происходящим вокруг нас. Источниками ионизации является космическое излучение, различные приборы и устройства, радиоактивные источники.
На основе вышеописанных свойств атомов функционирует большое количество технических устройств. Пример, с которым мы встречаемся каждый день − лампы дневного света. Именно свечение газа в результате рекомбинации ионов и является причиной излучения светового излучения в этих устройствах.
В 50-х годах прошлого века в результате изучения свойств вынужденного излучения фотонов рядом атомов были разработаны усилители оптического излучения − лазеры. (от сокращения Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation − усиление света посредством вынужденного излучения). Лазер − не оптический прибор, подобный легендарным зеркальным щитам Архимеда, это квантовое устройство, использующее структуру атомных уровней для оптического усиления излучения. Основным достоинством лазера является высокая монохроматичность (т.е. все излучаемые фотоны имеют практически одну и ту же длину волны) излучения, которое он генерирует. Именно в силу этого лазеры в настоящее время широко используются в промышленной и бытовой электронике и технике, медицине и других областях.

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

В 1911 г. Эрнест Резерфорд предложил свою модель атома, в центре которого находился объект с размерами примерно 10 -15 − 10 -14 м., содержащий почти всю массу атома. Этот объект получил название атомного ядра . Однако, как это не удивительно, изучение атомного ядра началось гораздо раньше, ещё в конце XIX-го века. Правда, тогда свойства атомных ядер приписывались атомам, структура которых была точно неизвестна.

В 1896 г. Антуан Беккерель , изучая излучение от атомов некоторых тяжёлых металлов, пришёл к выводу, что испускаемые ими частицы, в отличие от света, имеют свойство проникать через плотные вещества. Через 3 года, продолжая эксперименты с радиоактивными веществами, Эрнест Резерфорд поместил урановую руду в магнитное поле и установил, что первичный пучок расщепился на 3 части, один сорт частиц отклонился в сторону северного полюса магнита, второй − в сторону южного, а третий прошёл без изменений. Ещё не зная природу этих излучений, Резерфорд дал им наименование по первым трём буквам греческого алфавита − α, β и γ. Подобные исследования, помимо Беккереля и Резерфорда, проводили и супруги Кюри − Пьер и Мария (Склодовская-Кюри). Мария Кюри внесла огромный вклад в изучение радиоактивности атомных ядре, впервые получила металлический радий и была в числе тех учёных, которые создавали экспериментальную ядерную физику. Она − единственная женщина − учёный, удостоенная двух Нобелевских премий (по химии и физике).
Однако настоящий прогресс в развитии физики атомного ядра произошёл уже после создания квантовой механики. Ведь после того, как в 1911−13 гг. Резерфордом и Бором была открыта структура атома, возник вопрос − а какова структура атомного ядра? Ответ на него попытался дать Резерфорд, проводивший в 1918−21 гг. опыты по изучению лёгких атомных ядер. Именно он впервые в 1919 г. осуществил ядерную реакцию и открыл протон

14 N + 4 He → 17 O + p

Азот, взаимодействуя с ядрами гелия (α-частицами), превращался в кислород и водород. Фактически, Резерфорд первым добился того, о чём мечтали средневековые алхимики – превращения одного вещества в другое.

Вылет протона из ядра подтверждал идею о наличии протонов в ядре. Вместе с тем, стало ясно, что массы ядер, гораздо больше, чем если бы они состояли из нужного числа протонов. Тогда возникла идея о протонно-электронной модели ядра, электроны в ядре компенсировали заряд части протонов, которые были там, что называется, «для веса».
Успехи квантовой механики очень скоро привели к тому, что возможность существования электронов в ядрах оказалась под сомнением − в соответствии с принципом неопределённости у электрона, помещённого в ядро должна была быть слишком большая энергия и он не мог там удерживаться. В 1931 г. Гейзенберг , Иваненко и Майорана , независимо друг от друга, предлагают идею «нейтрального протона» − тяжелой частицы без заряда, находящейся в атомном ядре. Окончательная ясность наступила в 1932 г., когда Джеймс Чэдвик (James Chadwick) открыл нейтрон – нейтральную частицу с массой примерно равной массе протона. Так, была сформирована современная протонно-нейтронная модель атомного ядра.
Основным недостатком в нашем знании об атомном ядре, является отсутствие точного вида ядерного потенциала , связывающего нуклоны. Решение проблемы создания законченной теории ядра является самой важной в ядерной физике. Вместе с тем, многое о строении атомного ядра нам известно.
Атомное ядро − объект с размерами порядка 10 -15 м, состоящий из двух сортов частиц – протонов и нейтронов. Их массы равны примерно 1.7·10 -27 кг., причём нейтрон на 0.14% тяжелее протона. Из-за схожести в свойствах (за исключением наличия заряда) обе частицы часто называют словом «нуклон ».
В настоящий момент известно примерно 3400 атомных ядер. 330 из них стабильны, остальные за достаточно короткое время могут самопроизвольно превращаться в другие ядра (радиоактивны). Ядра, имеющие в своём составе одинаковое число протонов, но разное нейтронов, называются изотопами одного и того же элемента. Так, например, водород имеет три изотопа − собственно водород, дейтерий и радиоактивный тритий. А вот у олова насчитывается свыше 30-ти изотопов, большинство из них − радиоактивны.
Атомное ядро − квантовая система, которая подчиняется законам квантовой физики. Атомному ядру присуща дискретная энергетическая структура. В нём, правда, нет «планетарного» строения, как в атоме, но так же есть различные энергетические положения нуклонов, называемые уровнями энергии. При получении порции энергии, нуклоны в ядре переходят в более высокое энергетическое состояние, а возвращаясь обратно, испускают энергию в виде фотонов с малой длиной волны. Такие ядерные фотоны обычно называют γ-квантами . При достижении энергии, называемой энергией отделения нуклона , ядро может выбросить нуклон, изменяя свой состав и свойства. Количество нуклонов разного сорта в ядре и их энергетическое состояние определяют свойства атомных ядер и более фундаментальные характеристики. Например, распространенность элементов во Вселенной объясняется именно квантовыми характеристиками атомных ядер.
При объединении нуклонов в ядра наблюдается интересный эффект − масса получившегося ядра оказывается немного (примерно на 1%) меньше, чем масса составляющих его нуклонов. Разница между массой нуклонов и массой ядра идёт на связь нуклонов в ядре и поэтому называется энергией связи

Е св = ZМ p с 2 + (A-Z)М n с2 − М я с 2 ,

где Z − заряд ядра, А − массовое число (число нуклонов в ядре)

Энергия связи является чрезвычайно важной величиной, также определяющей многие свойства ядер. Не менее важной величиной является удельная энергия связи , т.е. отношение энергии связи к числу нуклонов

Зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов

Можно заметить, что данная зависимость имеет явный максимум в районе ядра 56 Fe (поэтому его называют ещё «железным максимумом»). Это обстоятельство, без преувеличения, имеет огромную практическую важность.

Ещё в конце 30-х годов прошлого века при исследовании тяжёлых ядер была установлена закономерность постепенного снижения удельной энергии связи. Как следствие, при уменьшении это величины ядро становится более неустойчивым, «рыхлым». Кроме того, при определённом воздействии, оно может начать выбрасывать нуклоны или даже развалиться на части. В 1939 году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман (Otto Hahn and Fritz Strassman), облучая соли урана тепловыми нейтронами, обнаружили среди продуктов реакций барий. Это означало, что под совсем небольшим воздействием (энергия тепловых нейтронов соответствует энергии молекул газа при комнатной температуре) один из изотопов урана способен разделиться. Однако главным было не это, а то, что как следует из вышеприведённой диаграммы, получившиеся ядра-осколки будут иметь гораздо более высокую удельную энергию связи, т.е. будут прочнее связаны. Следовательно, при делении возникнет разница в энергии и эта разница будет выделяться. Последующие полтора десятилетия перевели это открытие в практическую область. В 1942 г. был запущен первый ядерный реактор (США), в 1945 г. взорвана первая ядерная бомба (США), в 1954 г. − запущена первая электростанция на ядерном топливе (СССР).

Каким образом осуществляется практическое извлечение энергии при делении? Представим, что у нас в достаточном количестве есть образец вещества, делящегося при небольшом воздействии (тепловые нейтроны). После первого акта деления, кроме ядер-осколков выделится и несколько нейтронов с гораздо большей, чем у тепловых нейтронов, энергией. Они разделят встретившиеся им на пути ядра, в результате этого процесса, в каждом новом разделившемся ядре будут образовываться новые нейтроны, которые, в свою очередь, разделят новые ядра и т.д. Процесс будет носить лавинообразный характер и по этой причине носит название цепной реакции деления.
Подобный процесс реализуется в ядерном заряде и приводит к колоссальному энерговыделению за короткое (несколько миллисекунд) время. Взрыв заряда из нескольких килограммов например, 239 Pu, аналогичен взрыву нескольких сотен килотонн (!) обычного взрывчатого вещества.
Однако, есть способ растянуть данный процесс во времени. Если посмотреть на схему цепной реакции, то видно, что важным фактором является количество нейтронов, делящих ядра. Поэтому, помещая в делящийся материал вещество, способное захватывать нейтроны (поглотитель), можно замедлить этот процесс настолько, чтобы иметь возможность отводить выделяющуюся энергию, заставляя её, например, нагревать воду до кипения и использовать пар для вращения турбины электростанции (АЭС). В современных ядерных силовых установках в качестве поглотителя используется углерод (графит).
Если взглянуть теперь на область ядер, лежащих левее «железного максимума», можно заметить, что их удельная энергия связи в среднем оказывается ещё более низкой, чем у ядер в самом максимуме. Таким образом, для лёгких ядер возможен процесс, обратный делению – синтез. При этом, как и в случае деления, энергия будет выделяться. К числу реакций синтеза можно отнести, например, слияние ядер дейтерия с образованием гелия.

2 H + 2 H → 3 He + n

Термоядерная реакция

Проблема, как нетрудно увидеть, заключается в том, что во всех случаях приходится иметь дело со слиянием одноимённо заряженных объектов, возникает так называемый кулоновский барьер , для преодоления которого надо всё же затратить энергию. Проще всего это достигается путём нагрева синтезируемых веществ до очень высоких (миллионы градусов) температур. В земных условиях это возможно только при ядерном взрыве. Таким образом, помещая ядерный заряд в оболочку из лёгких элементов, можно получить неуправляемую реакцию синтеза или (по причине возникающих высоких температур), термоядерную реакцию . Впервые такая реакция (взрыв термоядерной бомбы) была осуществлена в 1953 г.(СССР).
В природе термоядерные реакции протекают в звёздах, где существуют все условия для «пробивания» кулоновского барьера. Кроме того, сильнейшее гравитационное сжатие также способствует протеканию реакции синтеза с образованием более тяжёлых элементов, вплоть до железа.
Проблема реализации управляемого термоядерного синтеза продолжает оставаться нерешённой и одной из самых актуальных для физики атомного ядра, как дающая возможность использования дешёвого топлива в практически неограниченных количествах без каких-либо губительных последствий для окружающей среды.
Как уже отмечалось, состав атомного ядра во многом определяет его свойства. Одним из самых заметных ядерных характеристик, влияющих на поведение ядер, является соотношение между нейтронами и протонами в атомных ядрах. Лучше всего это видно на так называемой N-Z диаграмме .

N-Z диаграмма атомных ядер.

На диаграмме можно видеть несколько заметных областей. Одна из них − центральная часть, узкая полоса ядер, отмеченных чёрным. Это − так называемая «долина стабильности», область стабильных ядер, не подверженных распадам. При увеличении числа нейтронов (вправо от долины стабильности) расположены ядра, отмеченные синим цветом. При переизбытке нейтронов энергия ядра возрастает и появляется возможность для «возвращения» в долину стабильности путём превращения одного из нейтронов в протон

n → p + e - + e .

Этот процесс называется β-минус-распадом . Нейтрон превращается в протон, электрон и электронное . Нейтрон может испытывать данный распад и вне ядер. В результате такого распада ядро увеличивает свой заряд, сдвигаясь в область стабильности.
Красная область − область ядер с переизбытком протонов. В них реализуется обратный процесс:

p → n + e + + ν e

называемый β-плюс-распадом. Протон превращается в нейтрон, позитрон и электронное нейтрино (последние две частицы − «антиподы» электрона и антинейтрино). Нужно отметить, что так как масса протона меньше массы нейтрона, то такой распад происходит только в ядрах, в свободном состоянии протон стабилен.
Жёлтая область на диаграмме − область тяжёлых неустойчивых ядер. Для них характерен уже другой тип распада – испускание α-частиц (ядер 4 He) или α-распад , Этот тип распада приводит к уменьшению и заряда и массового числа и «перемещению» ядра в область более лёгких ядер. Иногда это приводит к цепочке распадов. Например,

226 Ra → 222 Rn + 4 He; 222 Rn → 208 Po + 4 He; 208 Po → 204 Pb + 4 He,

где последним оказывается уже стабильное ядро.
Во многих случаях возникающее в результате распада ядро имеет переизбыток энергии и освобождается от него испусканием γ-кванта, происходит γ-переход в ядре (иногда не совсем корректно именуемый γ-распадом).
Все распады ядер характеризуются своими особенностями, связанными с вероятностью распадов, типом вылетающих частиц и их энергиями. Однако существуют общие закономерности распадов, установленные ещё во время работ Беккереля и Кюри. Основной из них − закон радиоактивного распада .

N(t) = N 0 e -λt ,

где N − число радиоактивных ядер в образце в данный момент, N 0 − число радиоактивных ядер в некий начальный момент времени, а λ − так называемая постоянная распада, характеризующая вероятность распада. Постоянная распада не слишком удобна для практического применения, поэтому чаще пользуются другой величиной, T 1/2 – периодом полураспада , характеризующим время, за которое число активных ядер уменьшается в 2 раза. Постоянная распада и период полураспада связаны соотношением

Различные радиоактивные ядра-источники могут иметь периоды полураспада, начиная с миллисекунд и заканчивая миллиардами лет. Кроме того, важной характеристикой является активность источника (или его масса), которая характеризует интенсивность распада в данный момент времени. Вокруг нас постоянно присутствуют различные типы радиоактивных ядер, а два радиоактивных изотопа − 40 K и 14 C, постоянно находятся в человеческом организме.

ФИЗИКА ЧАСТИЦ

Физика частиц − возможно один из самых динамичных разделов физики. По крайней мере, трудно назвать какую-либо другую область естественнонаучных знаний, в которой представления об окружающем мире 40 − 50 лет назад так отличались бы от тех, которые мы имеем сейчас. Это связано, в первую очередь с изменением тех представлений о фундаментальных частицах и взаимодействиях, которые произошли за это время в ходе экспериментальных и теоретических исследований материи. Что же сейчас представляют из себя основные положения физики частиц?
Фундаментальные частицы − набор частиц, которые на настоящий момент являются элементарными составляющими вещества. В 20-е годы прошлого века таких частиц (да и вообще частиц) было только две − протон и электрон. Уже в 50-е годы общее число известных частиц приблизилось к двум десяткам и многие из них считались бесструктурными. Сейчас общий счёт частиц идёт на сотни, но вот к действительно фундаментальным относятся немногие. Все фундаментальные частицы можно разделить на несколько больших групп.
Кварки . По современным представлениям это основная составляющая материи, по массе они составляют более 95% всего видимого вещества. Кварки делятся на 6 типов (ароматов), каждый из которых имеет свои свойства и отличия от других. Это u (up), d (down), s (strange), c (charm), b (bottom) и t (top). Кварки имеют дробный заряд , равный 1/3 или 2/3 от заряда электрона (протона). Каждый из кварков имеет свою античастицу – антикварк, совпадающую с кварком по массе, но противоположную по многим другим характеристикам (например, имеющую противоположный электрический заряд). Кроме того, кварки имеют особую характеристику – цвет , которой лишены все остальные частицы (говорят, что они бесцветные). У кварков три цвета – красный , синий и зёлёный .
Разумеется, не стоит думать, что цвет кварков это видимый глазом эффект. Под цветом подразумевается особая характеристика, выражающаяся в поведении кварков при различных взаимодействиях между ними. Название в данном случае условно, точно также эту характеристику можно было назвать, например, вкусом, или использовать любой другой термин.
Как легко подсчитать, общее число кварков (с учётом антикварков и цветов) равно 36. Из этих 36 частиц формируются все известные структурные тяжёлые частицы. Совокупность трёх кварков образует барионы , а совокупность пары кварк-антикварк, мезоны . К числу барионов относятся и хорошо известные нам протон и нейтрон. Барионы и мезоны объединяются под общим термином адроны . Из всех адронов стабильным является только протон, все остальные адроны распадаются, превращаясь в другие частицы.
Лептоны . Это другая группа частиц, главным отличием которых от адронов является их бесструктурность, т.е. лептоны не состоят из других частиц, а являются элементарными. Лептоны делятся на заряженные − электрон , мюон и таон и нейтральные − электронное , мюонное и таонное нейтрино . С учётом античастиц общее число лептонов равно 12-ти. Лептоны не образуют каких-либо комбинаций, за исключением электронов, входящих в состав атомов. Электрон же является единственным стабильным заряженным лептоном. Стабильность всех типов нейтрино сейчас находится под вопросом.
Переносчики взаимодействий . Общее число взаимодействий равно 4-м. Это сильное (действующее между кварками и адронами), электромагнитное , слабое (действующее между практически всеми частицами, но особенно ярко проявляющееся при взаимодействии лептонов) и гравитационное . Каждое взаимодействие переносится полем, которое представляется как поток частиц-переносчиков. Переносчиком сильного взаимодействия является глюон , электромагнитного − гамма-квант , слабого − три типа промежуточных бозонов (W - , W + и Z) и гравитационного – гравитон (впрочем, последняя частица является лишь предсказываемой из теоретических соображений). Все переносчики имеют свои свойства и принимают участие каждый в своём взаимодействии.
Что касается остальных частиц, то в сильном взаимодействии принимают участие только адроны и глюоны; в электромагнитном − заряженные частицы и гамма-кванты; в слабом − все, кроме переносчиков других взаимодействий; в гравитационном − частицы, имеющие массу. Возникновение массы частиц связано ещё с одним особым полем, которое называют полем Хиггса, а переносящие его частицы − бозонами Хиггса .

До начала 60-х годов прошлого века все известные на тот момент частицы считались бесструктурными. Однако благодаря прогрессу в развитии основного экспериментального инструментария − ускорителей частиц, уже в конце 50-х годов возникли предположения о структурности нуклонов. Проводя эксперименты на электронном ускорителе, американский физик Роберт Хофштадтер (Robert Hofstadter), установил, что рассеивая электроны на нейтронах, можно видеть, что электроны взаимодействуют с «внутренностью» нейтрона так, как будто он имеет некий скрытый заряд, сложным образом распределённый внутри. Хофштадтер предположил, что это может быть связано с наличием неких носителей электрического заряда внутри незаряженного нейтрона. Через несколько лет похожие эксперименты были проведены и в других лабораториях.

Основываясь на данных этих экспериментов и изучая систематику частиц, открытых на тот момент, другой американский физик, Мюррей Гелл-Манн (Murray Gell-Mann) в 1963 г. выдвинул гипотезу о том, что протон и нейтрон построены из более мелких частиц, которые он назвал кварками. Первоначально Гелл-Манн ввёл только два кварка− u и d , однако затем большее число открытых частиц с различными свойствами заставили вносить в модель коррективы, увеличивая их число сначала до 3 и 4-х, а потом до 6-ти. Кварковая гипотеза в своём развитии сталкивалась со многими проблемами. Во-первых, психологически трудно было воспринимать существование частиц с зарядом, меньшим, чем заряд электрона Во-вторых, обнаруженные в конце 60-х годов частицы интерпретировались в кварковой модели таким образом, что это могло идти вразрез с основными положениями квантовой механики. Для решения этой проблемы была введена особая характеристика (квантовое число) кварков − цвет. В-третьих, проблемой кварковой модели являлось то, что все попытки обнаружить кварки в свободном состоянии не приводили к успеху. Это вызывало неприятие модели у многих учёных, ведь только экспериментальное подтверждение гипотезы переводит её из разряда гипотез в разряд физических истин. Так, в 1969 г. М.Гелл-Манн был удостоен Нобелевской премии, однако в формулировке присуждения «За вклад и открытия в классификации элементарных частиц и их взаимодействий» не было слова «кварк».
Только после экспериментов в DESY (Германия), Fermilab (США) и Европейском Центре Ядерных Исследований (ЦЕРН) к концу 80-х годов удалось пронаблюдать эффекты, которые свидетельствовали о наличии частиц с дробным зарядом. Первая Нобелевская премия, в формулировке которой присутствовало слово «кварк» была присуждена у, у и у в 1990 г. Примерно тогда же было дано объяснение проблеме наблюдения кварков в свободном состоянии. Специфичность взаимодействия кварков друг с другом делает эту процедуру принципиально невозможной (так называемый confinement ), возможно только косвенное наблюдение кварковых эффектов.
В настоящий момент существует хорошо развитый отдельный раздел теоретической физики, изучающий глюоны и кварки − квантовая хромодинамика . В этом разделе обобщены успехи квантовой теории в применении её к специфическому «цветному пространству» кварков и глюонов.
Адроны − частицы, построенные из кварков на настоящий момент включают в себя более чем 400 частиц (и античастиц). Все они, кроме протона и нейтрона (являющегося стабильным в ядрах) имеют времена жизни не больше одной микросекунды и распадаются на другие частицы (в итоге, стабильные). Ряд частиц имеют массы в несколько раз превышающие массы нуклонов. Среди адронов имеются электронейтральные частицы, имеются заряженные, в том числе и с зарядом +2 и -2 (в единицах заряда электрона). Разнообразие тяжелых частиц позволяет изучать закономерности их взаимодействия с различными полями и в конечном итоге, получить правильное представление о закономерностях построения нашего мира.
Лептоны не могут похвастаться таким многообразием, как адроны. Общее их число (с античастицами) равно всего лишь 12-ти. Легчайший заряженный лептон − электрон, был открыт в 1895 г., его античастица (позитрон) − в 1934, более тяжёлый мюон − в 1962г, а последний, таон с массой более чем в 3000 раз большей, чем у электрона − в 1975 г. Однако наиболее интересными на настоящий день являются незаряженные лептоны− нейтрино.

В конце 20-х годов прошлого века шло бурное изучение различных типов радиоактивных распадов. При изучении β-распада учёные столкнулись с парадоксальной ситуацией − электроны всякий раз имели различную энергию, хотя в распаде, в результате которого образуется две частицы

вся энергия распада должна пропорционально делиться между электроном и атомным ядром, т.е. электроны должны иметь фиксированную энергию. Дело дошло до того, что даже Нильс Бор был готов признать, что при β-распаде нарушается закон сохранения энергии! Выход был найден выдающимся немецким физиком Вольфгангом Паули (Wolfgang Pauli). Он предположил, что вместе с электроном возникает ещё одна незаряженная частица (маленький нейтрон), которая вылетает при распаде без регистрации, всякий раз унося различную порцию энергии. Идея, предложенная Паули, блестяще разрешала ситуацию, закон сохранения энергии оставался незыблемым, а возникновение новой частицы объясняло ситуацию с «потерей энергии». Однако довольно долго нейтрино (название, предложенное Энрико Ферми) оставалось «бумажной частицей».

Прогресс в экспериментальном изучении нейтрино прежде всего связан с именем выдающегося физика (итальянца по происхождению, в 1950 г. переехавшего в СССР) Бруно Понтекорво. В 1944 г. Понтекорво, проводя теоретическое изучение возможных свойств нейтрино, предложил эффективный метод регистрации этой частицы. В качестве источника, по мнению Понтекорво, мог стать процесс, в котором интенсивно происходили бы распады радиоактивных ядер. Чуть позже Понтекорво предложил использовать ядерный реактор, как искусственный источник нейтрино. Уже в начале 50-х годов были начаты работы по регистрации нейтрино (тогда предполагалось, что у нейтрино нет античастицы). Первым экспериментом по регистрации (анти)нейтрино стал опыт Фредерика Райнеса (Frederick Reines)) и Клайда Коуэна (Clyde L. Cowan, Jr.), которым в 1957 г. удалось зарегистрировать реакторные антинейтрино. Следующим этапом изучения этой частицы стала регистрация солнечных нейтрино, осуществлённая Рэймондом Дэвисом (Raymond Davis Jr.) в 1967 г. в шахте Хоумстейк (США). Уже тогда стало ясно, что взаимодействие нейтрино с веществом происходит так редко, что для его эффективной регистрации требуются большие объёмы регистрирующего вещества и долгое время проведения измерений. Один из самых успешных нейтринных экспериментов на установке Kamiokande (Япония) за несколько лет работы с огромным баком вместимостью в несколько десятков тысяч тонн воды дал результат в виде нескольких нейтрино в год! Причём помимо времени для проведения подобных экспериментов требуются и большие финансовые затраты. По меткому выражению Б.Понтекорво, «Физика элементарных частиц − дорогая наука..».
С чем связан современный интерес к нейтрино? Высочайшая проникающая способность этих частиц позволяет получать информацию об объектах, недоступных для изучения другим способом. Круг применения тут огромен − от информации о процессах в удалённых галактиках и галактических скоплениях, до нейтринной геолокации Земли. В настоящее время вводятся в действие крупные проекты по регистрации астрофизических нейтрино − нейтринные телескопы большого объёма, где в качестве регистрирующего вещества используется морская вода или лёд. Предполагается сооружение двух телескопов объёмом по 1 км 3 в Северном (Средиземноморье) и Южном (Антарктика) полушариях.

Нейтринный телескоп ANTARES

Нерешённой до сих пор проблемой остаётся и проблема массы нейтрино. Удивительно, но это пожалуй, единственная частица, про которую невозможно сказать, имеет ли она массу или нет! В последние годы большие надежды в решении этой проблемы возлагаются на наблюдение так называемых нейтринных осцилляций, самопроизвольных переходов нейтрино одного типа в другой.
Несмотря на наличие различных методов современных исследований, основным инструментом с 40-х годов прошлого века остаются ускорители заряженных частиц . Любой ускоритель является в прямом смысле этого слова микроскопом, позволяющем взглянуть вглубь материи. Ведь для наблюдения того или иного объекта в микромире, необходимо использовать излучение с длиной волны, соизмеримой с его размерами. А так как исходя из волновых свойств частиц, мы можем получить

где λ − длина волны, ћ − постоянная Планка, c − скорость света, а E − энергия, то для большего «увеличения» нашего «микроскопа» необходимо увеличивать энергию частиц. На настоящий момент существуют разные типы ускорителей, в основном, ускоряющие протоны и электроны. Принцип работы стандартного линейного ускорителя, например, чрезвычайно прост и состоит в том, что при прохождении разницы потенциалов электрон (или протон), набирает энергию.

Именно поэтому единица энергии, используемая в ядерной физике и физике частиц, именуется «электронвольт», это энергия, которую приобретает электрон при прохождении разницы потенциалов в 1 Вольт. Конечно, в современных ускорителях ускорение осуществляется с помощью переменного электромагнитного поля, «раскачивающего» частицы на разных участках. Максимальная энергия электронов, достигнутая в электронных ускорителя на сегодняшний день составляет 100 ГэВ (10 11 эВ), а в протонных − 3.5 ТэВ (3.5·10 12 эВ). Последнее значение соответствует энергии протонов, достигнутой на крупнейшем современном протонном ускорителе − Большом Адронном Коллайдере (LHC) в ЦЕРНе.

Схематическое изображение комплекса ускорителей в ЦЕРН на географической карте.

Этот крупнейший ускорительный комплекс представляет из себя сверхпроводящее кольцо длиной более 27 километров, позволяющее «раскручивать» протоны до энергий 7 ТэВ. При такой энергии сталкивающихся протонов (а столкновение, понятно, ещё больше увеличивает энергетический выход) становится возможным наблюдать всевозможные реакции с образованием различных частиц, в том числе и с большими массами. Большая часть экспериментов, запланированных на коллайдере, связана с проверкой предсказаний Стандартной Модели − набором теоретических предположений, описывающих структуру материи. Подтверждение или опровержение этих гипотез даст науке возможность двигаться вперёд, решая те проблемы, которые стоят на сегодняшний день перед человечеством.

Вопросы для самопроверки

1. Каково принципиальное отличие методов изучения микромира и макромира?
2. Каков физический смысл постоянной Планка?
3. Возможно ли одновременное точное измерение координаты и импульса частицы в микромире?
4. Приведите пример дискретности энергии в квантовой системе.
5. Что является основной характеристикой квантовой системы?
6. Назовите эксперимент, положивший начало современному представлению о структуре атома.
7. Каков примерный размер атома?
8. Какова причина излучения атомами фотонов?
9. Что такое ионизация?
10. Каков примерный размер атомного ядра?
11. Какие частицы входят в состав атомного ядра?
12. Что такое энергия связи ядра?
13. Почему тяжёлые ядра делятся?
14. Почему реакции ядерного синтеза называют термоядерными?
15. Что такое альфа-распад?
16. Назовите три группы фундаментальных частиц.
17. Перечислите типы кварков.
18. Из скольких кварков состоят протон и нейтрон?
19. Что такое нейтрино?
20. Перечислите типы фундаментальных взаимодействий.