فيزياء الكم
فيزياء الكم -فرع من فروع الفيزياء يدرس الظواهر المميزة للعالم الصغير، أي. الأجسام ذات الأبعاد 10 -10 م وأقل. تكمن خصوصية الظواهر التي تحدث في العالم الصغير في المقام الأول في استحالة حدوثها بشكل مباشر، أي. من خلال الحواس (الرؤية بشكل رئيسي) للحصول على معلومات حول العمليات الجارية. لوصف ظاهرة العالم الصغير، هناك حاجة إلى أساليب وأساليب جديدة بشكل أساسي، بناءً على الكميات المقاسة تجريبيًا.
لقد سبقت ولادة فيزياء الكم حالة دراماتيكية تطورت في الفيزياء في نهاية القرن التاسع عشر. لم تكن الفيزياء الكلاسيكية قادرة على وصف طيف إشعاع التوازن بشكل مناسب. في ذلك الوقت، كان الإشعاع الحراري عبارة عن مجموعة من الموجات المستوية، وكان وصفه النظري متفقًا جيدًا مع التجربة. ومع ذلك، عند الترددات العالية، يجب أن تزيد كثافة الطاقة الإشعاعية المتوقعة إلى ما لا نهاية. وقد أطلق على هذا الوضع اسم "كارثة الأشعة فوق البنفسجية".
اقترح الفيزيائي الألماني ماكس بلانك (ماكس كارل إرنست لودفيج بلانك) طريقة غير متوقعة للخروج من الموقف. كانت فكرته أن الإشعاع يحدث في كمات منفصلة وأن طاقة الموجة الكهرومغناطيسية لا يمكن أن تكون اعتباطية كما كان يعتقد في الفيزياء الكلاسيكية، بل يجب أن تأخذ قيم معينة متناسبة مع قيمة معينة صغيرة جدًا h (تساوي 6.6310 -34 J s)، والذي سمي بعد ذلك ثابت بلانك. ومن ثم لم يعد من الممكن اعتبار كثافة الطاقة الإجمالية قيمة مستمرة، ولكنها تتكون من العديد من أجزاء الطاقة (الكميات)، والتي لا يمكن أن يكون مجموعها كبيرًا كما تنبأت الفرضيات الكلاسيكية. تم حل مشكلة كثافة الإشعاع و"كارثة الأشعة فوق البنفسجية" بنجاح. لاكتشافه كم الطاقة في عام 1918، حصل ماكس بلانك على جائزة نوبل.
لقد أتاح إدخال الكم إمكانية حل عدد من المشكلات الأخرى التي كان العلم يواجهها في ذلك الوقت. باستخدام فكرة بلانك عن كمية الطاقة، اشتق ألبرت أينشتاين في عام 1905 معادلة التأثير الكهروضوئي E = hν + W، حيث E هي الطاقة الحركية للإلكترونات، ν هو تردد الإشعاع الكهرومغناطيسي، h هو ثابت بلانك، وW هي دالة عمل الإلكترون لمادة معينة. وكان الإنجاز الأكثر أهمية في هذه الحالة هو إدخال طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي كدالة لتردد (أو طول موجة) الإشعاع، مما أدى إلى إنشاء مقياس الموجات الكهرومغناطيسية لاحقًا.
أدت فكرة الكم إلى استنتاج حول الطبيعة المنفصلة للظواهر التي تحدث في العالم المصغر، والتي تم استخدامها لاحقًا في دراسة مستويات الطاقة للذرات والنواة الذرية.
اعتماد الطول الموجي لأنواع مختلفة من الجزيئات على طاقتها
(الوحدات النووية − MeV = 1.6·10 -13 J، fm = 10 -15 م)
ومن النتائج المهمة الأخرى لانفصال ظواهر العالم الصغير اكتشاف لويس دي برولي (1929) لعالمية ازدواجية الموجة والجسيم، أي. حقيقة أن كائنات العالم الصغير لها طبيعة موجية وجسيمية. هذا جعل من الممكن ليس فقط شرح عدد من الظواهر المرتبطة بتفاعل الجزيئات مع المادة (على سبيل المثال، حيود الجسيمات)، ولكن أيضًا تطوير طرق استخدام الإشعاع للتأثير على الجزيئات، مما أدى إلى إنشاء النظرية الرئيسية الحديثة. أداة لدراسة المادة - المسرعات.
في النصف الثاني من العشرينات من القرن العشرين، تم إنشاء جهاز نظري لوصف الظواهر الكمومية - ميكانيكا الكم. أهم المساهمات في إنشائها قدمها فيرنر هايزنبرغ، وإروين شرودنغر، ونيلز بور، وبول ديراك، وولفغانغ باولي، وماكس بورن وآخرين.
تعد ميكانيكا الكم جزءًا منفصلاً ومتطورًا من الفيزياء الحديثة. لاستيعابها العميق، يتطلب الأمر تدريبًا رياضيًا جيدًا، وهو ما يتجاوز نطاق دورة الفيزياء في العديد من الجامعات. ومع ذلك، فإن تفسير المفاهيم الأساسية لميكانيكا الكم ليس بالأمر الصعب. وتشمل هذه المفاهيم الأساسية، في المقام الأول، المعنى المادي للتكميم، ومبدأ عدم اليقين والدالة الموجية.
يرتبط المعنى المادي لانفصال الحالات في العالم المصغر، في المقام الأول، بالمعنى المادي لثابت بلانك. صغر حجمه يحدد حجم التفاعلاتفي صورة مصغرة. في الواقع، عند الانتقال إلى العالم الكبير والمفاهيم الكلاسيكية، تصبح الكميات مثل ثابت بلانك صغيرة بشكل لا يذكر، وفي معظم الحالات نعتبرها صفرًا. في هذه الحالة يحدث ما يسمى بالمرور إلى الحد الأقصى، أي. يمكن اعتبار مبادئ الفيزياء الكلاسيكية نسخة متطرفة من فيزياء الكم، عندما تؤدي الكتل والأحجام والمعلمات الأخرى للأجسام الكبيرة، الضخمة على نطاق العالم الصغير، إلى تقليل تلك التفاعلات المهمة في العالم الصغير إلى الصفر. ولذلك يمكننا القول أن ثابت بلانك هو حلقة الوصل بين ظواهر العالم الجزئي والعالم الكلي.
ويمكن ملاحظة ذلك جيدًا بشكل خاص في مثال خصوصية الحالات في العالم المصغر. على سبيل المثال، يمكن أن يكون الفرق بين حالات الطاقة للذرة أعشار الإلكترون فولت (وحدة طاقة في العالم المصغر تساوي 1.6·10 -19 جول). يكفي أن نتذكر أن الأمر يتطلب عشرات الكيلوجول لغلي كوب واحد من الماء، ويصبح من الواضح أنه من وجهة نظر الفيزياء الكلاسيكية، فإن مثل هذا الفصل غير محسوس على الإطلاق! ولهذا السبب يمكننا التحدث عن استمرارية العمليات التي تحيط بنا، على الرغم من الانفصال الطويل الأمد والمؤكد باستمرار لتلك الظواهر التي تحدث في الذرات والنواة الذرية.
لنفس السبب، فإن هذا المبدأ الأساسي لفيزياء العالم الصغير هو مبدأ عدم اليقين، الذي اقترحه دبليو هايزنبرغ في عام 1927
ويوضح الشكل أدناه ضرورة إدخال مبدأ عدم اليقين في العالم الصغير وغياب هذه الحاجة في العالم الكبير
في الواقع، فإن درجة تأثير مصدر خارجي (الضوء) على جسم كبير (تمثال) لا تتناسب مع معالمه (على سبيل المثال، تحويل الكتلة إلى طاقة مكافئة). وليس من المنطقي مناقشة كيفية تأثير فوتون الضوء الساقط على سبيل المثال، إحداثيات التمثال في الفضاء.
إنها مسألة أخرى عندما يصبح الجسم الصغير موضوعًا للتأثير. تبلغ طاقة الإلكترون في الذرة عشرات (نادرًا أكثر) من الإلكترون فولت ودرجة التأثير تتناسب تمامًا مع هذه الطاقة. وهكذا عند المحاولة قياس بدقةأي معلمة لجسم صغير (الطاقة، الزخم، الإحداثيات)، سنواجه حقيقة أن عملية القياس نفسها ستغير المعلمات المقاسة، وبقوة شديدة. إذن من الضروري أن نعترف أنه مع أي قياسات في العالم المصغر لن نتمكن أبدًا من إجراء قياسات دقيقة - دائماًسيكون هناك خطأ في تحديد المعلمات الأساسية للنظام. مبدأ عدم اليقين له تعبير رياضي في النموذج علاقات عدم اليقين، على سبيل المثال ΔpΔx ≈ ћ، حيث Δp هو عدم اليقين في تحديد الزخم، و Δx هو عدم اليقين في تحديد إحداثيات النظام. لاحظ أن ثابت بلانك على اليمين يشير إلى حدود قابلية تطبيق مبدأ عدم اليقين، لأنه في الكون الكبير يمكننا استبداله بأمان بالصفر وإجراء قياسات دقيقة لأي كميات. ويؤدي مبدأ عدم اليقين إلى استنتاج مفاده أنه من المستحيل تعيين أي معلمة للنظام بدقة، على سبيل المثال، ليس من المنطقي الحديث عن الموقع الدقيق لجسيم ما في الفضاء. وفي هذا الصدد، تجدر الإشارة إلى أن التمثيل الواسع النطاق للذرة كمجموعة من الإلكترونات التي تدور في مدارات معينة حول النواة هو مجرد تقدير للإدراك البشري للعالم المحيط، والحاجة إلى وجود نوع من الصور المرئية في أمام نفسه. في الواقع، لا توجد مسارات واضحة - مدارات في الذرة.
ومع ذلك، يمكن للمرء أن يطرح السؤال - ما هي إذن السمة الرئيسية للأنظمة في العالم الصغير، إذا لم يتم تحديد معلمات مثل الطاقة والزخم ووقت التفاعل (أو الوجود) والإحداثيات؟ هذه الكمية العالمية هي وظيفة الموجةالنظام الكمي.
الدالة الموجية ψ، التي قدمها ماكس بورن لتحديد خصائص النظام الكمي، لها معنى فيزيائي معقد إلى حد ما. الكمية الأخرى الأكثر وضوحًا هي المعامل التربيعي للدالة الموجية |ψ| 2. وتحدد هذه القيمة، على سبيل المثال، احتمالاأن النظام الكمي موجود في نقطة زمنية معينة. بشكل عام، المبدأ الاحتمالي أساسي في فيزياء العالم الصغير. تتميز أي عملية مستمرة في المقام الأول باحتمال حدوثها مع ميزات معينة.
تختلف الدالة الموجية باختلاف الأنظمة. بالإضافة إلى معرفة الدالة الموجية، لوصف النظام بشكل صحيح، يلزم أيضًا الحصول على معلومات حول المعلمات الأخرى، على سبيل المثال، خصائص المجال الذي يقع فيه النظام والذي يتفاعل معه. إن دراسة مثل هذه الأنظمة هي بالتحديد إحدى مهام ميكانيكا الكم. في الواقع، تشكل فيزياء الكم لغة نصف بها تجاربنا وتؤدي إلى دراسة العالم الصغير، بشكل أكثر عمومية من النظرية الكلاسيكية. وفي الوقت نفسه، من المهم أن نفهم أن فيزياء الكم لا تلغي الفيزياء الكلاسيكية، ولكنها تحتويها كحالة محددة لها. عند الانتقال من الأجسام الدقيقة إلى الأجسام العيانية العادية، تصبح قوانينها كلاسيكية، وبالتالي، تضع فيزياء الكم حدود قابلية تطبيق الفيزياء الكلاسيكية. إن الانتقال من الفيزياء الكلاسيكية إلى فيزياء الكم هو انتقال إلى مستوى أعمق من النظر في المادة.
تشير العمليات التي تحدث في العالم المصغر إلى ظواهر تقع بالكامل تقريبًا خارج حدود الإدراك الحسي. ولذلك فإن المفاهيم التي تعمل بها نظرية الكم والظواهر التي تتناولها غالبا ما تكون خالية من الوضوح ,
متأصل في الفيزياء الكلاسيكية. مع تطور نظرية الكم، تمت مراجعة مثل هذه الأفكار الواضحة والمألوفة حول الجسيمات والموجات، المنفصلة والمستمرة، والأوصاف الإحصائية (الاحتمالية) والديناميكية. لقد أصبحت فيزياء الكم أهم خطوة في بناء الصورة الفيزيائية الحديثة للعالم. لقد جعل من الممكن التنبؤ وشرح عدد كبير من الظواهر المختلفة - من العمليات التي تحدث في الذرات والنواة الذرية إلى التأثيرات العيانية في المواد الصلبة؛ بدونها، من المستحيل، كما يبدو الآن، فهم أصل الكون. نطاق فيزياء الكم واسع - من الجسيمات الأولية إلى الأجسام الكونية. بدون فيزياء الكم، لا يمكن تصور العلوم الطبيعية فحسب، بل التكنولوجيا الحديثة أيضًا.
الفيزياء الذرية
في عام 1885، اكتشف جي جي طومسون الإلكترون، وهو أول جسم في العالم المصغر. تم وضع البداية لظهور فرع جديد من العلوم - الفيزياء الذرية. بالفعل بحلول بداية القرن العشرين، كانت هناك عدة نماذج لهيكل الذرة، والتي ينتمي الأكثر شهرة إلى J. J. Thomson نفسه. بناءً على هذا النموذج، كانت الذرة عبارة عن شحنة موجبة متمركزة في حجم صغير، حيث تحتوي على إلكترونات، مثل الزبيب في كب كيك. وقد فسر هذا النموذج عددًا من التأثيرات المرصودة، لكنه لم يتمكن من تفسير التأثيرات الأخرى، على وجه الخصوص، ظهور الأطياف الذرية الخطية. في عام 1911، حاول مواطن طومسون، إرنست رذرفورد، الإجابة على سؤال حول بنية الذرة.
كان التصميم التجريبي بسيطًا، حيث تم وضع مصدر، وهو مادة مشعة تنبعث منها نواة الهيليوم، في كتلة من الرصاص. مرت الجسيمات المشحونة عبر رقائق الذهب الرقيقة وتناثرت عن طريق التفاعل مع ذرات الذهب. ثم تصطدم الجسيمات المتناثرة بشاشة مغطاة بمادة تسبب ومضات (توهجات). كانت الفكرة أنه إذا كان نموذج طومسون للذرة صحيحًا، فإن التفاعل سيحدث بشكل متساوٍ تقريبًا في جميع الزوايا على طول مسار الجسيمات. في الواقع، اصطدمت معظم الجزيئات بالشاشة، وتفاعلت بشكل ضعيف مع مادة الرقائق. لكن جزءًا صغيرًا (حوالي 8 جسيمات من أصل ألف) تعرض لتشتت قوي للخلف، كما لو كان يصطدم بنوع من الشحنة المركزة في وسط الذرة. وبعد تجارب عديدة، خلص رذرفورد إلى أن نموذج طومسون كان غير صحيح. واقترح نموذجا، سمي فيما بعد بالكواكب. في المركز، في حجم صغير، تتركز كل الشحنة الإيجابية (النواة)، وتقع الإلكترونات حولها.
كان نموذج رذرفورد جيدًا، لكنه لم يجيب على عدد من الأسئلة. على سبيل المثال، كيف يحدث الإشعاع الذري (التلألؤ)؟ تحت أي ظروف تبعث الذرات فوتونات ضوئية مختلفة؟ على ماذا يعتمد هذا؟ هل انبعاث الذرات مرتبط بسلوك الإلكترونات الموجودة بداخلها؟ تم تقديم الإجابات على هذه الأسئلة بعد عامين من قبل الفيزيائي الدنماركي البارز نيلز هنريك ديفيد بور.
صورة ن. بور على الورقة النقدية الدنماركية فئة 500 كرونة.
طور بور النموذج الكوكبي، مقترحاً أن كل إلكترون في الذرة لديه حالة طاقة ثابتة (والتي يمكن وصفها بشكل تقريبي بأن الإلكترون يدور في مدار ما). وبينما تكون الذرة في أدنى حالة طاقة، فإنها غير قادرة على الإشعاع. عند تلقي الطاقة من الخارج، يمكن للإلكترونات تغيير حالة الطاقة الخاصة بها (الانتقال إلى مدار آخر) أو حتى مغادرة الذرة (التأين). وعند عودته إلى مكانه (أو إلى مداره)، تنطلق الطاقة الزائدة على شكل إشعاع مميز (فوتون بأي طاقة). لقد أجابت الذرة "حسب بور" على جميع الأسئلة التي نشأت بعد إنشاء النماذج الذرية الأولى. لقد أكدت الدراسة التجريبية للذرات بنجاح نموذج بور، وبالمناسبة، التنبؤات الكمومية حول تفرد الطاقات في الذرة. في عام 1922، حصل نيلز بور على جائزة نوبل لعمله في بنية الذرات وإشعاعها.
بالفعل في العشرينات من القرن الماضي، تمت دراسة الذرة جيدا. وقد تم تسهيل النجاح أيضًا من خلال حقيقة أن الاتصال بين مكونات الذرة - النواة والإلكترونات - تم تنفيذه بفضل إمكانات كولوم المعروفة. وبحلول نهاية العشرينيات، ظهرت نظرية الكم، التي تصف عددًا من الذرات وأنماط سلوكها.
الذرات عبارة عن أنظمة كمومية محايدة كهربائيًا ذات أبعاد مميزة تتراوح بين 10 -10 م، وتحتوي كل ذرة على نواة تتركز فيها الشحنة الموجبة للذرة وتتركز فيها كتلة الذرة بأكملها تقريبًا (أكثر من 99.9٪). يتم توزيع الشحنة السالبة بين الإلكترونات، وعددها يساوي عدد الجزيئات النووية الموجبة الشحنة (البروتونات) الموجودة في النواة. عندما يتم تطبيق طاقة معينة تسمى طاقة التأين على الذرة، فإن أحد الإلكترونات يترك الذرة. ويسمى الجزء المتبقي المشحون بشحنة موجبة أيونوهذه العملية هي التأين. وتسمى العملية العكسية بإعادة التركيب ويصاحبها انبعاث فوتون بطاقة تتوافق مع الفرق في طاقات الذرة قبل وبعد إعادة التركيب.
التأين هو عملية تحدث باستمرار من حولنا. مصادر التأين هي الإشعاع الكوني، والأدوات والأجهزة المختلفة، والمصادر المشعة.
استنادا إلى خصائص الذرات الموصوفة أعلاه، يعمل عدد كبير من الأجهزة التقنية. ومن الأمثلة التي نواجهها كل يوم مصابيح الفلورسنت. إن توهج الغاز الناتج عن إعادة تركيب الأيونات هو الذي يسبب انبعاث الضوء في هذه الأجهزة.
في الخمسينيات من القرن الماضي، نتيجة لدراسة خصائص الانبعاث المحفز للفوتونات من عدد من الذرات، تم تطوير مكبرات الصوت للإشعاع البصري - الليزر. (من الاختصار تضخيم الضوء عن طريق انبعاث الإشعاع المحفز -تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز). الليزر ليس جهازًا بصريًا مثل دروع المرآة الأسطورية لأرخميدس، ولكنه جهاز كمي يستخدم بنية المستويات الذرية لتضخيم الإشعاع بصريًا. الميزة الرئيسية لليزر هي أحادية اللون العالية (أي أن جميع الفوتونات المنبعثة لها نفس الطول الموجي تقريبًا) للإشعاع الذي يولده. ولهذا السبب يتم استخدام الليزر حاليًا على نطاق واسع في الإلكترونيات الصناعية والاستهلاكية والتكنولوجيا والطب وغيرها من المجالات.
فيزياء النواة الذرية
في عام 1911، اقترح إرنست رذرفورد نموذجه للذرة، الذي كان يوجد في وسطه جسم بأبعاد تقارب 10 -15 - 10 -14 م، ويحتوي على كتلة الذرة بأكملها تقريبًا. تم تسمية هذا الكائن النواة الذرية. ومع ذلك، ليس من المستغرب أن دراسة النواة الذرية بدأت قبل ذلك بكثير، في نهاية القرن التاسع عشر. صحيح أن خصائص النوى الذرية كانت تُنسب في ذلك الوقت إلى ذرات لم يكن تركيبها معروفًا على وجه التحديد.
في 
1896 توصل أنطوان بيكريل، أثناء دراسته للإشعاع الصادر عن ذرات بعض المعادن الثقيلة، إلى استنتاج مفاده أن الجزيئات المنبعثة منها، على عكس الضوء، تميل إلى اختراق المواد الكثيفة. وبعد 3 سنوات من التجارب المستمرة على المواد المشعة، وضع إرنست رذرفورد خام اليورانيوم في مجال مغناطيسي ووجد أن الشعاع الأولي انقسم إلى 3 أجزاء، نوع واحد من الجزيئات ينحرف نحو القطب الشمالي للمغناطيس، والثاني - نحو الجنوب، والثالث مر بدون تغييرات . لم يكن رذرفورد يعرف بعد طبيعة هذه الإشعاعات، وقد أطلق عليها اسم الأحرف الثلاثة الأولى من الأبجدية اليونانية - α و β و γ. بالإضافة إلى بيكريل وروثرفورد، تم إجراء دراسات مماثلة أيضًا من قبل الزوجين كوري بيير وماري (سكلودوسكا كوري). قدمت ماري كوري مساهمة كبيرة في دراسة النشاط الإشعاعي في النوى الذرية، وكانت أول من حصل على الراديوم المعدني وكانت من بين العلماء الذين ابتكروا الفيزياء النووية التجريبية. وهي العالمة الوحيدة التي حصلت على جائزتي نوبل (في الكيمياء والفيزياء).
ومع ذلك، فإن التقدم الحقيقي في تطوير فيزياء النواة الذرية حدث بعد إنشاء ميكانيكا الكم. بعد كل شيء، بعد عام 1911-1913. اكتشف رذرفورد وبور بنية الذرة، نشأ السؤال - ما هو هيكل النواة الذرية؟ حاول رذرفورد الإجابة على هذا السؤال، حيث أجرى ذلك في الفترة ما بين 1918-1921. تجارب على دراسة النوى الذرية الخفيفة. كان هو الذي نفذ لأول مرة في عام 1919 التفاعل النوويوفتح بروتون
14 ن + 4 هو → 17 س + ص
تم تحويل النيتروجين، الذي يتفاعل مع نواة الهيليوم (جسيمات ألفا)، إلى أكسجين وهيدروجين. في الواقع، كان رذرفورد أول من حقق ما حلم به الكيميائيون في العصور الوسطى - تحويل مادة إلى أخرى.
وانبعاث البروتون من النواة أكد فكرة وجود البروتونات في النواة. وفي الوقت نفسه، أصبح من الواضح أن كتل النوى أكبر بكثير مما لو كانت تتكون من العدد المطلوب من البروتونات. ثم جاءت الفكرة حول نموذج البروتون والإلكترون للنواة، حيث قامت الإلكترونات الموجودة في النواة بتعويض شحنة بعض البروتونات الموجودة هناك، كما يقولون، "للوزن".
وسرعان ما أدت نجاحات ميكانيكا الكم إلى حقيقة أن إمكانية وجود إلكترونات في النواة كانت موضع شك - وفقًا لمبدأ عدم اليقين، يجب أن يتمتع الإلكترون الموجود في النواة بقدر كبير من الطاقة ولا يمكن الاحتفاظ به هناك . في عام 1931، اقترح هايزنبرغ وإيفانينكو وماجورانا، بشكل مستقل عن بعضهم البعض، فكرة "البروتون المحايد" - وهو جسيم ثقيل بدون شحنة يقع في النواة الذرية. وجاء الوضوح النهائي في عام 1932، عندما اكتشف جيمس تشادويك النيوترون– جسيم متعادل كتلته تساوي تقريبًا كتلة البروتون. وهكذا الحديث نموذج البروتون النيوترونيالنواة الذرية.
العيب الرئيسي في معرفتنا للنواة الذرية هو عدم وجود شكل دقيق الإمكانات النووية، الذي يربط النيوكليونات. يعد حل مشكلة إنشاء نظرية كاملة للنواة هو الأهم في الفيزياء النووية. وفي الوقت نفسه، نحن نعرف الكثير عن بنية النواة الذرية.
النواة الذرية عبارة عن جسم بأبعاد تتراوح بين 10 -15 م، ويتكون من نوعين من الجسيمات - البروتونات والنيوترونات. تبلغ كتلتها حوالي 1.7·10 -27 كجم، والنيوترون أثقل بنسبة 0.14% من البروتون. بسبب التشابه في الخصائص (باستثناء وجود الشحنة)، غالبًا ما يُطلق على كلا الجسيمين كلمة "" نيوكليون».
حاليًا، هناك ما يقرب من 3400 نواة ذرية معروفة. 330 منها مستقرة، والباقي يمكن أن يتحول تلقائيًا إلى نوى أخرى (مشعة) في وقت قصير إلى حد ما. تسمى النوى التي لها نفس عدد البروتونات ولكن أعداد مختلفة من النيوترونات النظائرنفس العنصر. على سبيل المثال، يحتوي الهيدروجين على ثلاثة نظائر - الهيدروجين نفسه، والديوتيريوم، والتريتيوم المشع. لكن القصدير يحتوي على أكثر من 30 نظيرًا، معظمها مشعة.
النواة الذرية هي نظام كمي يخضع لقوانين فيزياء الكم. تحتوي النواة الذرية على بنية طاقة منفصلة. صحيح أنها لا تحتوي على بنية "كوكبية"، كما هو الحال في الذرة، ولكن هناك أيضًا مواقع طاقة مختلفة للنيوكليونات، تسمى مستويات الطاقة. عند استقبال جزء من الطاقة، تنتقل النيوكليونات الموجودة في النواة إلى حالة طاقة أعلى، وعند عودتها تبعث طاقة على شكل فوتونات ذات طول موجي قصير. عادة ما تسمى هذه الفوتونات النووية γ -الكميات. عند الوصول إلى الطاقة تسمى طاقة فصل النوكليوناتيمكن للنواة أن تقذف نواة، فتغير تركيبها وخصائصها. يحدد عدد النيوكليونات ذات الأنواع المختلفة في النواة وحالة الطاقة الخاصة بها خصائص النوى الذرية وخصائص أكثر أساسية. على سبيل المثال، يتم تفسير وفرة العناصر في الكون بدقة من خلال الخصائص الكمية للنواة الذرية.
عندما تتحد النيوكليونات في النوى، يلاحظ تأثير مثير للاهتمام - كتلة النواة الناتجة تكون أقل قليلاً (حوالي 1٪) من كتلة النيوكليونات المكونة لها. الفرق بين كتلة النيوكليونات وكتلة النواة يساهم في ترابط النيوكليونات في النواة ولذلك يسمى طاقة الربط
E св = ZМ p с 2 + (A-Z)М n с2 − М i с 2,
حيث Z هي الشحنة النووية، A هي عدد جماعي(عدد النيوكليونات في النواة)
طاقة الربط هي كمية مهمة للغاية، والتي تحدد أيضًا العديد من خصائص النوى. كمية لا تقل أهمية هي طاقة ربط محددة، أي. نسبة طاقة الربط إلى عدد النيوكليونات
اعتماد طاقة الربط المحددة على عدد النيوكليونات
وتجدر الإشارة إلى أن هذا الاعتماد له حد أقصى واضح في منطقة نواة 56 Fe (ولذلك يطلق عليه أيضًا "الحد الأقصى للحديد"). هذا الظرف، دون مبالغة، له أهمية عملية هائلة.
في أواخر الثلاثينيات من القرن الماضي، أثناء دراسة النوى الثقيلة، تم إنشاء نمط من الانخفاض التدريجي في طاقة الربط المحددة. ونتيجة لذلك، مع انخفاض هذه القيمة، يصبح القلب غير مستقر و"فضفاض" أكثر. بالإضافة إلى ذلك، تحت تأثير معين، يمكن أن تبدأ في إخراج النيوكليونات أو حتى الانهيار. في عام 1939، اكتشف الفيزيائيان الألمانيان أوتو هان وفريتز ستراسمان، عن طريق تشعيع أملاح اليورانيوم بالنيوترونات الحرارية، الباريوم بين منتجات التفاعل. وهذا يعني أنه في ظل تأثير ضئيل للغاية (تتوافق طاقة النيوترونات الحرارية مع طاقة جزيئات الغاز في درجة حرارة الغرفة)، فإن أحد نظائر اليورانيوم قادر على الانقسام. ومع ذلك، فإن الشيء الرئيسي لم يكن هذا، ولكن حقيقة أنه، على النحو التالي من الرسم البياني أعلاه، فإن نوى الجزء الناتج سيكون لها طاقة ربط محددة أعلى بكثير، أي. سوف تكون مرتبطة بشكل أكثر قوة. لذلك، أثناء الانشطار سيكون هناك اختلاف في الطاقة وسيتم إطلاق هذا الاختلاف. العقد ونصف العقد التاليين جعل هذا الاكتشاف موضع الاستخدام العملي. تم إطلاق أول واحد في عام 1942 مفاعل نووي(الولايات المتحدة الأمريكية)، تم تفجير القنبلة الأولى في عام 1945 قنبلة نووية(الولايات المتحدة الأمريكية)، في عام 1954 - تم إطلاق أول محطة للطاقة النووية (اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية).
كيف يتم استعادة الطاقة من الانشطار عمليا؟ لنتخيل أن لدينا كمية كافية من عينة مادة تنشطر ذات تأثير صغير (النيوترونات الحرارية). بعد الفعل الأول من الانشطار، بالإضافة إلى نوى الشظايا، سيتم إطلاق عدة نيوترونات ذات طاقة أعلى بكثير من النيوترونات الحرارية. سوف يقومون بتقسيم النوى التي يواجهونها على طول الطريق، ونتيجة لهذه العملية، سيتم تشكيل نيوترونات جديدة في كل نواة منقسمة جديدة، والتي بدورها ستقوم بتقسيم نوى جديدة، وما إلى ذلك. ستكون العملية شبيهة بالانهيار الجليدي في الطبيعة ولهذا السبب تسمى تفاعل تسلسليقسم.
يتم تنفيذ عملية مماثلة في شحنة نووية وتؤدي إلى إطلاق طاقة هائلة في وقت قصير (عدة ميلي ثانية). إن انفجار شحنة تبلغ عدة كيلوغرامات، على سبيل المثال، 239 Pu، يشبه انفجار عدة مئات من الكيلو طن (!) من المتفجرات التقليدية.
ومع ذلك، هناك طريقة لتمديد هذه العملية مع مرور الوقت. إذا نظرت إلى مخطط التفاعل المتسلسل، يمكنك أن ترى أن العامل المهم هو عدد النيوترونات التي تقسم النواة. ولذلك، فمن خلال وضع مادة قادرة على التقاط النيوترونات (الممتصة) في المادة الانشطارية، من الممكن إبطاء هذه العملية بما يكفي للتمكن من إزالة الطاقة المنطلقة، مما يجبرها، على سبيل المثال، على تسخين الماء حتى الغليان واستخدامه. البخار لتدوير توربينات محطة توليد الكهرباء (NPP). تستخدم محطات الطاقة النووية الحديثة الكربون (الجرافيت) كممتص.
إذا نظرت الآن إلى منطقة النوى الواقعة على يسار "الحد الأقصى للحديد"، فستلاحظ أن طاقة الارتباط المحددة الخاصة بها، في المتوسط، تبين أنها أقل من طاقة النوى عند الحد الأقصى نفسه. وبالتالي، بالنسبة للنوى الخفيفة، من الممكن حدوث عملية عكسية للانشطار -الاندماج. في هذه الحالة، كما في حالة الانشطار، سيتم إطلاق الطاقة. وتشمل التفاعلات التخليقية، على سبيل المثال، اندماج نوى الديوتيريوم لتكوين الهيليوم.
2 ح + 2 ح → 3 هو + ن
 رد فعل نووي حراري |
المشكلة، كما هو واضح، هي أنه في جميع الحالات علينا أن نتعامل مع اندماج الأجسام المشحونة بشكل مماثل، وهو ما يسمى حاجز كولومبللتغلب عليها لا تزال بحاجة إلى إنفاق الطاقة. يمكن تحقيق ذلك بسهولة عن طريق تسخين المواد المركبة إلى درجات حرارة عالية جدًا (ملايين الدرجات). في ظل الظروف الأرضية، هذا ممكن فقط أثناء الانفجار النووي. وبالتالي، من خلال وضع شحنة نووية في غلاف من العناصر الخفيفة، من الممكن الحصول على تفاعل اندماجي غير متحكم فيه أو (بسبب درجات الحرارة المرتفعة الناتجة)، رد فعل نووي حراري. لأول مرة تم تنفيذ مثل هذا التفاعل (انفجار قنبلة نووية حرارية) في عام 1953 (اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية).
في الطبيعة، تحدث تفاعلات نووية حرارية في النجوم، حيث توجد جميع الظروف اللازمة "لاختراق" حاجز كولومب. بالإضافة إلى ذلك، فإن أقوى ضغط الجاذبية يساهم أيضًا في تفاعل الاندماج مع تكوين عناصر أثقل، حتى الحديد.
لا تزال مشكلة تنفيذ الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة دون حل وواحدة من أكثر المشاكل إلحاحًا بالنسبة لفيزياء النواة الذرية، لأنها تتيح استخدام الوقود الرخيص بكميات غير محدودة تقريبًا دون أي عواقب ضارة بالبيئة.
كما لوحظ بالفعل، فإن تكوين النواة الذرية يحدد إلى حد كبير خصائصها. ومن أبرز الخصائص النووية التي تؤثر على سلوك النوى هي النسبة بين النيوترونات والبروتونات في النوى الذرية. من الأفضل رؤية هذا في ما يسمى ب مخطط N-Z.
مخطط N-Z للنواة الذرية.
يمكنك رؤية العديد من المناطق الملحوظة في الرسم البياني. واحد منهم هو الجزء المركزي، وهو شريط ضيق من النوى المميزة باللون الأسود. وهذا ما يسمى "وادي الاستقرار"، وهي منطقة من النوى المستقرة التي لا تخضع للانحلال. ومع زيادة عدد النيوترونات (على يمين وادي الاستقرار)، تقع النوى المميزة باللون الأزرق. وعندما يكون هناك فائض من النيوترونات، تزداد طاقة النواة ويصبح من الممكن "العودة" إلى وادي الاستقرار عن طريق تحويل أحد النيوترونات إلى بروتون
ن → ص + ه - + ه.
هذه العملية تسمى β ناقص الاضمحلال. يتحول النيوترون إلى بروتون وإلكترون و إلكتروني. يمكن للنيوترون أن يتعرض لهذا الاضمحلال خارج النواة. ونتيجة لهذا الاضمحلال، تزيد النواة شحنتها، وتتجه نحو منطقة الاستقرار.
المنطقة الحمراء هي منطقة النوى التي تحتوي على فائض من البروتونات. ينفذون العملية العكسية:
ص → ن + ه + + ν ه
مُسَمًّى β-زائد الاضمحلال.يتحول البروتون إلى نيوترون وبوزيترون ونيوترينو إلكترون (الجسيمان الأخيران هما "أضداد" الإلكترون والنيوترينو المضاد). تجدر الإشارة إلى أنه بما أن كتلة البروتون أقل من كتلة النيوترون، فإن هذا الاضمحلال يحدث فقط في النوى، وفي الحالة الحرة يكون البروتون مستقرًا.
المنطقة الصفراء في الرسم البياني هي منطقة النوى الثقيلة غير المستقرة. تتميز بنوع آخر من الاضمحلال - انبعاث جسيمات ألفا (4 نوى) أو α الاضمحلالويؤدي هذا النوع من الاضمحلال إلى انخفاض كل من الشحنة والعدد الكتلي و"حركة" النواة إلى منطقة النوى الأخف. في بعض الأحيان يؤدي هذا إلى سلسلة من الاضمحلال. على سبيل المثال،
226 رع → 222 ر + 4 هو؛ 222 آرن → 208 بو + 4 هو؛ 208 بو → 204 الرصاص + 4 هو،
حيث يكون الأخير بالفعل نواة مستقرة.
في كثير من الحالات يكون للنواة الناتجة عن الاضمحلال فائض من الطاقة وتتحرر منها عن طريق انبعاث كمية جاما، وهو ما يحدث γ الانتقالفي النواة (أحيانًا لا يُطلق عليه اسم تحلل γ بشكل صحيح تمامًا).
تتميز جميع الاضمحلالات النووية بخصائصها الخاصة المرتبطة باحتمالية الاضمحلال ونوع الجزيئات المنبعثة وطاقاتها. ومع ذلك، هناك قوانين عامة للانحلال تم وضعها أثناء أعمال بيكريل وكوري. الشيء الرئيسي هو قانون الاضمحلال الإشعاعي.
N(ر) = N 0 ه -αt ,
حيث N هو عدد النوى المشعة في العينة في لحظة معينة، N 0 هو عدد النوى المشعة في وقت أولي معين، و lect هو ما يسمى بثابت الاضمحلال، الذي يميز احتمالية الاضمحلال. ثابت الانحلال ليس مناسبًا جدًا للاستخدام العملي، لذلك غالبًا ما يتم استخدام قيمة أخرى، T 1/2 - نصف الحياة، وهو ما يميز الوقت الذي يتناقص خلاله عدد النوى النشطة بمقدار مرتين. يرتبط ثابت الاضمحلال ونصف العمر بالعلاقة
يمكن أن تتراوح أعمار نصف نوى المصادر المشعة المختلفة من ميلي ثانية إلى مليارات السنين. بالإضافة إلى ذلك، من الخصائص المهمة نشاط المصدر (أو كتلته)، الذي يميز شدة الاضمحلال في وقت معين. تتواجد حولنا باستمرار أنواع مختلفة من النوى المشعة، ويوجد نظيران مشعان، 40K و14C، بشكل مستمر في جسم الإنسان.
فيزياء الجسيمات
ربما تكون فيزياء الجسيمات أحد أكثر فروع الفيزياء ديناميكية. على أقل تقدير، من الصعب تسمية أي مجال آخر من مجالات العلوم الطبيعية تكون فيه الأفكار حول العالم من حولنا قبل 40 إلى 50 عامًا مختلفة تمامًا عن تلك التي لدينا الآن. ويرجع ذلك في المقام الأول إلى التغييرات في تلك الأفكار حول الجسيمات والتفاعلات الأساسية التي حدثت خلال هذا الوقت أثناء الدراسات التجريبية والنظرية للمادة. ما هي المبادئ الأساسية لفيزياء الجسيمات الآن؟
الجسيمات الأساسية- مجموعة من الجسيمات التي تشكل حاليا المكونات الأولية للمادة. في العشرينات من القرن الماضي، لم يكن هناك سوى اثنين فقط من هذه الجسيمات (والجسيمات بشكل عام) - البروتون والإلكترون. بالفعل في الخمسينيات، كان العدد الإجمالي للجزيئات المعروفة يقترب من عشرين، وكان الكثير منها يعتبر عديم البنية. الآن يبلغ العدد الإجمالي للجسيمات بالمئات، ولكن القليل منها فقط هو الأساسي حقًا. يمكن تقسيم جميع الجسيمات الأساسية إلى عدة مجموعات كبيرة.
جسيمات دون الذرية. وفقا للمفاهيم الحديثة، هذا هو العنصر الرئيسي للمادة، من خلال الكتلة، يشكلون أكثر من 95٪ من جميع المواد المرئية. تنقسم الكواركات إلى 6 أنواع (نكهات)، لكل منها خصائصه واختلافاته عن الأنواع الأخرى. هذا ش(أعلى)، د(تحت)، س(غريب)، ج(سحر)، ب(أسفل) و ر(قمة). الكواركات لديها تهمة كسورأي ما يعادل 1/3 أو 2/3 من شحنة الإلكترون (البروتون). كل من الكواركات له خاصته جسيم مضاد- كوارك مضاد، مماثل في الكتلة للكوارك، ولكنه معاكس في العديد من الخصائص الأخرى (على سبيل المثال، له شحنة كهربائية معاكسة). وبالإضافة إلى ذلك، الكواركات لها خاصية خاصة - لونوالتي تفتقر إليها جميع الجزيئات الأخرى (ويقال إنها عديمة اللون). للكواركات ثلاثة ألوان - أحمر,
أزرقو أخضر.
وبطبيعة الحال، لا ينبغي أن تعتقد أن لون الكواركات هو تأثير مرئي للعين. يشير اللون إلى خاصية خاصة يتم التعبير عنها في سلوك الكواركات أثناء التفاعلات المختلفة بينها. والاسم في هذه الحالة مشروط، كما يمكن أن تسمى هذه الصفة، مثلا، الذوق، أو أي مصطلح آخر.
من السهل حساب أن العدد الإجمالي للكواركات (بما في ذلك الكواركات المضادة والألوان) هو 36. وتتشكل جميع الجسيمات الثقيلة الهيكلية المعروفة من هذه الجسيمات الـ 36. مزيج من ثلاثة كواركات أشكال الباريونات، ومجموعة أزواج الكواركات والكواركات المضادة، الميزونات. وتشمل الباريونات أيضًا البروتون والنيوترون المعروفين. يتم دمج الباريونات والميزونات تحت المصطلح العام هادرونات. من بين جميع الهادرونات، البروتون فقط هو المستقر، بينما تتحلل جميع الهادرونات الأخرى وتتحول إلى جسيمات أخرى.
اللبتونات. هذه مجموعة أخرى من الجسيمات، والفرق الرئيسي بينها وبين الهادرونات هو افتقارها إلى البنية، أي. اللبتونات لا تتكون من جسيمات أخرى، بل هي أولية. وتنقسم اللبتونات إلى مشحونة - إلكترون, مونو تونومحايدة - إلكتروني, com.muonicو سر النيوترينو. وبأخذ الجسيمات المضادة في الاعتبار، فإن إجمالي عدد اللبتونات هو 12. لا تشكل اللبتونات أي مجموعات، باستثناء الإلكترونات التي تشكل الذرات. الإلكترون هو اللبتون المشحون الوحيد المستقر. إن استقرار جميع أنواع النيوترينوات أصبح الآن موضع تساؤل.
ناقلات التفاعل. إجمالي عدد التفاعلات هو 4. هذا قوي(تعمل بين الكواركات والهادرونات)، الكهرومغناطيسي,
ضعيف(تعمل بين جميع الجزيئات تقريبًا، ولكنها تتجلى بشكل خاص في تفاعل اللبتونات) و الجاذبية. يتم تنفيذ كل تفاعل بواسطة حقل، والذي يتم تمثيله كتيار من الجسيمات الحاملة. الناقل للتفاعل القوي هو جلون، الكهرومغناطيسي - كم غاماضعيف - ثلاثة أنواع البوزونات الوسيطة(W - وW + وZ) والجاذبية - جرافيتون(ومع ذلك، يتم التنبؤ بالجسيم الأخير فقط من خلال الاعتبارات النظرية). جميع شركات النقل لها خصائصها الخاصة ويشارك كل منها في تفاعلاته الخاصة.
أما بالنسبة للجسيمات المتبقية، فإن الهادرونات والجلونات فقط هي التي تشارك في التفاعل القوي؛ في الجسيمات الكهرومغناطيسية المشحونة وكميات جاما؛ في الضعفاء - كل شيء باستثناء ناقلات التفاعلات الأخرى؛ في الجاذبية - الجسيمات ذات الكتلة. ويرتبط ظهور كتلة من الجسيمات بمجال خاص آخر، وهو ما يسمى بمجال هيجز، والجسيمات التي تحمله هي بوزونات هيغز.
حتى أوائل الستينيات من القرن الماضي، كانت جميع الجسيمات المعروفة في ذلك الوقت تعتبر عديمة البنية. ومع ذلك، بفضل التقدم المحرز في تطوير الأدوات التجريبية الرئيسية - مسرعات الجسيمات، بالفعل في نهاية الخمسينيات، نشأت الافتراضات حول هيكل النيوكليونات. من خلال إجراء تجارب على مسرع الإلكترونات، وجد الفيزيائي الأمريكي روبرت هوفستادتر أنه من خلال تشتيت الإلكترونات على النيوترونات، يمكن للمرء أن يرى أن الإلكترونات تتفاعل مع "داخل" النيوترون كما لو كان لديه نوع من الشحنة الخفية، موزعة بطريقة معقدة في الداخل. . اقترح هوفستاتر أن هذا قد يكون بسبب وجود بعض ناقلات الشحنة الكهربائية داخل النيوترون غير المشحون. وبعد سنوات قليلة، أجريت تجارب مماثلة في مختبرات أخرى.
واستنادا إلى البيانات المستمدة من هذه التجارب ودراسة نظاميات الجسيمات المكتشفة في ذلك الوقت، افترض عالم فيزياء أمريكي آخر، موراي جيلمان، في عام 1963، أن البروتون والنيوترون يتكونان من جسيمات أصغر أطلق عليها اسم الكواركات. في البداية، قدم جيلمان اثنين فقط من الكواركات - شو دومع ذلك، فقد اضطر عدد أكبر من الجسيمات المفتوحة ذات الخصائص المختلفة إلى إجراء تعديلات على النموذج، مما أدى إلى زيادة عددها أولاً إلى 3 و4، ثم إلى 6. واجهت فرضية الكوارك العديد من المشاكل في تطورها. أولًا، كان من الصعب نفسيًا إدراك وجود جسيمات ذات شحنة أقل من شحنة الإلكترون، وثانيًا، تم تفسير الجسيمات المكتشفة في أواخر الستينيات في نموذج الكوارك بطريقة قد تتعارض مع النظرية الأساسية. مبادئ ميكانيكا الكم. لحل هذه المشكلة، تم تقديم خاصية خاصة (عدد الكم) للكواركات - اللون. ثالثًا، مشكلة نموذج الكوارك هي أن جميع المحاولات لاكتشاف الكواركات في الحالة الحرة لم تؤد إلى النجاح. وقد تسبب هذا في رفض النموذج بين العديد من العلماء، لأن التأكيد التجريبي للفرضية هو وحده الذي ينقلها من فئة الفرضيات إلى فئة الحقائق المادية. وهكذا، في عام 1969، حصل السيد جيلمان على جائزة نوبل، ولكن في صياغة الجائزة "للمساهمات والاكتشافات في تصنيف الجسيمات الأولية وتفاعلاتها" لم تكن هناك كلمة "كوارك".
فقط بعد التجارب التي أجريت في DESY (ألمانيا) وفيرميلاب (الولايات المتحدة الأمريكية) والمركز الأوروبي للأبحاث النووية (CERN) بحلول نهاية الثمانينيات، أصبح من الممكن ملاحظة التأثيرات التي تشير إلى وجود جسيمات ذات شحنة كسرية. مُنحت جائزة نوبل الأولى، التي كانت كلمة "كوارك" موجودة في صياغتها، إلى y وy وy في عام 1990. وفي نفس الوقت تقريبًا، تم تقديم تفسير لمشكلة مراقبة الكواركات في الحالة الحرة. إن خصوصية تفاعل الكواركات مع بعضها البعض تجعل هذا الإجراء مستحيلًا بشكل أساسي (ما يسمى الحبس)، فقط المراقبة غير المباشرة لتأثيرات الكواركات هي الممكنة.
في الوقت الحالي، يوجد فرع منفصل متطور من الفيزياء النظرية يدرس الجلونات والكواركات - الديناميكا اللونية الكمومية. يلخص هذا القسم التقدم الذي أحرزته نظرية الكم في تطبيقها على "فضاء اللون" المحدد للكواركات والجلونات.
تتضمن الهادرونات - وهي جسيمات مبنية من الكواركات - حاليًا أكثر من 400 جسيم (وجسيمات مضادة). جميعها، باستثناء البروتون والنيوترون (المستقرين في النواة)، لا يزيد عمرها عن ميكروثانية واحدة وتتحلل إلى جسيمات أخرى (مستقرة في النهاية). هناك عدد من الجسيمات لها كتل أكبر بعدة مرات من كتلة النيوكليونات. من بين الهادرونات هناك جسيمات محايدة كهربائيا، وهناك جسيمات مشحونة، بما في ذلك تلك ذات الشحنة +2 و -2 (في وحدات شحنة الإلكترون). إن تنوع الجسيمات الثقيلة يجعل من الممكن دراسة أنماط تفاعلها مع المجالات المختلفة، وفي نهاية المطاف، الحصول على فهم صحيح لأنماط بناء عالمنا.
لا يمكن للبتونات أن تتباهى بتنوعها مثل الهادرونات. ويبلغ إجمالي عددها (بما في ذلك الجسيمات المضادة) 12 فقط. تم اكتشاف أخف لبتون مشحون، وهو الإلكترون، في عام 1895، وجسيمه المضاد (البوزيترون) في عام 1934، والميون الأثقل في عام 1962، والأخير هو التاون الذي تبلغ كتلته أكثر من 3000 مرة كتلة الإلكترون، في عام 1975. ومع ذلك، فإن أكثرها إثارة للاهتمام اليوم هي اللبتونات غير المشحونة - النيوترينوات.
في نهاية العشرينات من القرن الماضي، كانت هناك دراسة نشطة لأنواع مختلفة من التحلل الإشعاعي. عند دراسة اضمحلال بيتا، واجه العلماء موقفًا متناقضًا - حيث كانت للإلكترونات طاقات مختلفة في كل مرة، على الرغم من أن الاضمحلال أدى إلى تكوين جزيئين
يجب تقسيم كل طاقة الاضمحلال بشكل متناسب بين الإلكترون ونواة الذرة، أي. يجب أن يكون للإلكترونات طاقة ثابتة. لقد وصل الأمر إلى حد أن نيلز بور كان على استعداد للاعتراف بأن اضمحلال بيتا ينتهك قانون الحفاظ على الطاقة! تم العثور على الحل من قبل الفيزيائي الألماني المتميز فولفغانغ باولي. واقترح أنه مع الإلكترون، يظهر جسيم آخر غير مشحون (نيوترون صغير)، والذي يطير أثناء الاضمحلال دون تسجيل، وفي كل مرة يحمل جزءًا مختلفًا من الطاقة. إن الفكرة التي اقترحها باولي حلت الموقف ببراعة، وظل قانون الحفاظ على الطاقة ثابتًا، وشرح ظهور جسيم جديد الوضع بـ "فقدان الطاقة". ومع ذلك، ظل النيوترينو (الاسم الذي اقترحه إنريكو فيرمي) لفترة طويلة "جسيمًا ورقيًا".
يرتبط التقدم في الدراسة التجريبية للنيوترينوات في المقام الأول باسم الفيزيائي البارز (الإيطالي بالولادة، الذي انتقل إلى الاتحاد السوفياتي في عام 1950) برونو بونتيكورفو. في عام 1944، أجرى بونتيكورفو دراسة نظرية للخصائص المحتملة للنيوترينوات، واقترح طريقة فعالة للكشف عن هذا الجسيم. المصدر، وفقا لبونتيكورفو، يمكن أن يكون عملية تتحلل فيها النوى المشعة بشكل مكثف. وبعد ذلك بقليل، اقترح بونتيكورفو استخدام مفاعل نووي كمصدر اصطناعي للنيوترينوات. بالفعل في أوائل الخمسينيات، بدأ العمل على تسجيل النيوترينوات (في ذلك الوقت كان من المفترض أن النيوترينوات لا تحتوي على جسيم مضاد). كانت أول تجربة للكشف عن النيوترينوات المضادة هي تجربة فريدريك رينز وكلايد إل. كوان الابن، اللذين تمكنا من تسجيل النيوترينوات المضادة في المفاعل في عام 1957. كانت المرحلة التالية في دراسة هذا الجسيم هي تسجيل النيوترينوات الشمسية، التي أجراها ريموند ديفيس جونيور في عام 1967 في منجم هومستيك (الولايات المتحدة الأمريكية). وحتى ذلك الحين، أصبح من الواضح أن تفاعل النيوترينوات مع المادة نادرًا جدًا، لدرجة أن تسجيلها الفعال يتطلب كميات كبيرة من مواد التسجيل ووقت قياس طويل. إحدى تجارب النيوترينو الأكثر نجاحًا في منشأة كاميوكاندي (اليابان) على مدار عدة سنوات من العمل باستخدام خزان ضخم بسعة عدة عشرات الآلاف من الأطنان من الماء أعطت النتيجة على شكل عدة نيوترينوات سنويًا! علاوة على ذلك، بالإضافة إلى الوقت، فإن إجراء مثل هذه التجارب يتطلب أيضًا تكاليف مالية كبيرة. وفي التعبير المناسب لـ ب. بونتيكورفو، "إن فيزياء الجسيمات الأولية علم مكلف...".
ما هو سبب الاهتمام الحديث بالنيوترينوات؟ تسمح أعلى قدرة اختراق لهذه الجسيمات بالحصول على معلومات حول الأشياء التي لا يمكن الوصول إليها للدراسة. نطاق التطبيقات هنا ضخم - من المعلومات حول العمليات في المجرات البعيدة ومجموعات المجرات إلى تحديد الموقع الجغرافي للنيوترينو للأرض. حاليًا، يتم تنفيذ مشاريع كبيرة لتسجيل النيوترينوات الفيزيائية الفلكية - تلسكوبات نيوترينو كبيرة الحجم، حيث يتم استخدام مياه البحر أو الجليد كمواد تسجيل. ومن المخطط بناء تلسكوبين بحجم 1 كم 3 في نصفي الكرة الشمالي (البحر الأبيض المتوسط) والجنوبي (القطب الجنوبي).
تلسكوب أنتاريس نيوترينو
كما تظل مشكلة كتلة النيوترينو دون حل. والمثير للدهشة أن هذا ربما يكون الجسيم الوحيد الذي يستحيل تحديد ما إذا كان له كتلة أم لا! في السنوات الأخيرة، تم تعليق آمال كبيرة في حل هذه المشكلة على مراقبة ما يسمى بتذبذبات النيوترينو، وهي التحولات التلقائية للنيوترينوات من نوع إلى آخر.
على الرغم من وجود طرق مختلفة للبحث الحديث، إلا أن الأداة الرئيسية ظلت قائمة منذ الأربعينيات من القرن الماضي مسرعات الجسيمات المشحونة. أي مسرع هو بالمعنى الحرفي للكلمة مجهر يسمح لك بالنظر بعمق في المادة. في الواقع، لمراقبة جسم ما في العالم المصغر، من الضروري استخدام الإشعاع بطول موجي يتناسب مع حجمه. ومنذ ذلك الحين، بناءً على الخصائص الموجية للجزيئات، يمكننا الحصول عليها
حيث ε هو الطول الموجي، ћ هو ثابت بلانك، c هي سرعة الضوء، و E هي الطاقة، ثم من أجل "تكبير" أكبر لـ "المجهر" الخاص بنا، من الضروري زيادة طاقة الجسيمات. حاليًا، هناك أنواع مختلفة من المسرعات، وخاصةً تسريع البروتونات والإلكترونات. مبدأ تشغيل المعجل الخطي القياسي، على سبيل المثال، بسيط للغاية ويتكون من حقيقة أنه عندما يمر الإلكترون (أو البروتون) عبر فرق الجهد، فإنه يكتسب الطاقة.
ولهذا السبب تسمى وحدة الطاقة المستخدمة في الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات "الإلكترون فولت"، وهي الطاقة التي يكتسبها الإلكترون عند مروره بفارق جهد قدره 1 فولت. بالطبع، في المسرعات الحديثة، يتم التسارع باستخدام مجال كهرومغناطيسي متناوب، وجزيئات "متأرجحة" في مناطق مختلفة. الحد الأقصى لطاقة الإلكترون التي يتم تحقيقها في مسرعات الإلكترون اليوم هو 100 جيجا إلكترون فولت (1011 فولت)، وفي مسرعات البروتون تبلغ 3.5 تيرا إلكترون فولت (3.51012 فولت). القيمة الأخيرة تتوافق مع طاقة البروتون التي تم تحقيقها في أكبر مسرع بروتون حديث - مصادم هادرون الكبير(LHC) في CERN.
تمثيل تخطيطي لمجمع المسرع في CERN على خريطة جغرافية.
أكبر مجمع مسرّع هذا عبارة عن حلقة فائقة التوصيل يبلغ طولها أكثر من 27 كيلومترًا، مما يسمح بـ "تدوير" البروتونات إلى طاقات تبلغ 7 تيرا إلكترون فولت. مع مثل هذه الطاقة من اصطدام البروتونات (والتصادم بالطبع يزيد من إنتاج الطاقة) يصبح من الممكن مراقبة جميع أنواع التفاعلات مع تكوين جزيئات مختلفة، بما في ذلك تلك ذات الكتل الكبيرة. ترتبط معظم التجارب المخطط لها في المصادم باختبار التنبؤات النموذج القياسي- مجموعة من الافتراضات النظرية التي تصف بنية المادة. إن تأكيد هذه الفرضيات أو دحضها سيمنح العلم الفرصة للمضي قدمًا وحل المشكلات التي تواجهها البشرية اليوم.
أسئلة الاختبار الذاتي
· مسار الفحص المجهري 3
· الحد المجهري 5
· 7- الإشعاعات غير المرئية
· الإلكترونات والبصريات الإلكترونية 9
· الإلكترونات عبارة عن موجات !؟ 12
· هيكل المجهر الإلكتروني 13
· الأجسام المجهرية الإلكترونية 15
· أنواع المجاهر الإلكترونية 17
· مميزات العمل بالمجهر الإلكتروني 21
· طرق التغلب على حد حيود المجهر الإلكتروني 23
· المراجع 27
· الصور 28
ملحوظات:
1. رمز يعني رفع إلى قوة. على سبيل المثال، 2 3 تعني "2 أس 3".
2. رمز e تعني كتابة رقم بالشكل الأسي. على سبيل المثال، 2 e3 تعني "2 ضرب 10 أس 3".
3. جميع الصور موجودة في الصفحة الأخيرة.
4. نظرًا لاستخدام الأدبيات غير "الحديثة" تمامًا، فإن البيانات الواردة في هذا الملخص ليست "حديثة" بشكل خاص.
والعين لا ترى الشمس
إذا لم يكن مثل
للشمس.
جوته.
طريقة الفحص المجهري.
عندما تم إنشاء المجهر الأول في مطلع القرن السابع عشر، بالكاد كان بإمكان أي شخص (أو حتى مخترعه) أن يتخيل النجاحات المستقبلية والتطبيقات العديدة للفحص المجهري. إذا نظرنا إلى الوراء، نحن مقتنعون بأن هذا الاختراع يمثل شيئا أكثر من مجرد إنشاء جهاز جديد: لأول مرة، كان الشخص قادرا على رؤية ما كان غير مرئي سابقا.
وفي نفس الوقت تقريبا، حدث آخر يعود إلى اختراع التلسكوب، الذي جعل من الممكن رؤية ما هو غير مرئي في عالم الكواكب والنجوم. لقد مثل اختراع المجهر والتلسكوب ثورة ليس فقط في طرق دراسة الطبيعة، ولكن أيضًا في طريقة البحث نفسها.
في الواقع، لاحظ فلاسفة الطبيعة في العصور القديمة الطبيعة، ولم يتعلموا عنها إلا ما رأته العين، وشعر به الجلد، وسمعته الأذن. لا يسع المرء إلا أن يفاجأ بكمية المعلومات الصحيحة عن العالم من حولهم التي تلقوها باستخدام الحواس "المجردة" ودون إجراء تجارب خاصة، كما يفعلون الآن. في الوقت نفسه، إلى جانب الحقائق الدقيقة والتخمينات الرائعة، كم عدد "الملاحظات" والبيانات والاستنتاجات الخاطئة التي تركها لنا علماء العصور القديمة والعصور الوسطى!
وبعد فترة طويلة فقط تم العثور على طريقة لدراسة الطبيعة، والتي تتمثل في إجراء تجارب مخططة بوعي، والغرض منها هو اختبار الافتراضات والفرضيات المصاغة بوضوح. وقد عبر فرانسيس بيكون، أحد مبتكريه، عن سمات طريقة البحث هذه بالكلمات التالية، التي أصبحت الآن مشهورة: "إن إجراء تجربة يعني استجواب الطبيعة". وكانت الخطوات الأولى للطريقة التجريبية، وفقا للأفكار الحديثة، هي متواضع، وفي معظم الحالات، قام المجربون في ذلك الوقت بالاستغناء عن أي أجهزة "تعزز" الحواس. كان اختراع المجهر والتلسكوب بمثابة توسع هائل في إمكانيات المراقبة والتجربة.
لقد اكتشفت بالفعل الملاحظات الأولى، التي تم إجراؤها باستخدام أبسط التقنيات وأقلها كمالًا وفقًا للمفاهيم الحديثة، "عالمًا كاملاً في قطرة ماء". لقد اتضح أن الأشياء المألوفة تبدو مختلفة تمامًا عند فحصها من خلال المجهر: فالسطوح الناعمة للعين والملمس يتبين أنها في الواقع خشنة، ويتحرك عدد لا يحصى من الكائنات الحية الدقيقة في المياه "النظيفة". وبنفس الطريقة، أتاحت الملاحظات الفلكية الأولى باستخدام التلسكوبات للناس رؤية عالم الكواكب والنجوم المألوف بطريقة جديدة: على سبيل المثال، تبين أن سطح القمر، الذي تغنى به الشعراء من جميع الأجيال، كان رائعا. جبلي ومليء بالعديد من الحفر، وقد وجد أن كوكب الزهرة لديه أطوار متغيرة، تمامًا مثل الأقمار.
في المستقبل، ستؤدي هذه الملاحظات البسيطة إلى ظهور مجالات علمية مستقلة: الفحص المجهري وعلم الفلك الرصدي. ستمر السنوات، وسيتطور كل مجال من هذه المجالات إلى تداعيات عديدة، يتم التعبير عنها في عدد من التطبيقات المختلفة جدًا في علم الأحياء، والطب، والتكنولوجيا، والكيمياء، والفيزياء، والملاحة.
المجاهر الحديثة، والتي، على عكس الإلكترونية، نسميها البصرية، هي أدوات مثالية تسمح بالحصول على تكبير عالي بدقة عالية. يتم تحديد الدقة من خلال المسافة التي يمكن من خلالها رؤية عنصرين هيكليين متجاورين بشكل منفصل. ومع ذلك، كما أظهرت الأبحاث، فإن المجهر الضوئي قد وصل عمليا إلى الحد الأساسي لقدراته بسبب حيود وتداخل ¾ الظواهر الناجمة عن الطبيعة الموجية للضوء.
تعد درجة أحادية اللون والتماسك سمة مهمة للموجات من أي طبيعة (الكهرومغناطيسية، والصوت، وما إلى ذلك). الاهتزازات أحادية اللون ¾ هي اهتزازات تتكون من موجات جيبية ذات تردد واحد محدد. عندما نتخيل تذبذبات على شكل جيبية بسيطة، على التوالي، ذات سعة وتردد ومرحلة ثابتة، فهذا يعد مثاليًا معينًا، لأنه، بالمعنى الدقيق للكلمة، لا توجد في الطبيعة تذبذبات وموجات يتم وصفها بدقة تامة بواسطة جيب موجة. ومع ذلك، كما أظهرت الدراسات، يمكن للتذبذبات والموجات الحقيقية أن تقترب من الشكل الجيبي المثالي بدرجة أكبر أو أقل من الدقة (لديها درجة أكبر أو أقل من أحادية اللون). يمكن تمثيل التذبذبات والموجات ذات الشكل المعقد كمجموعة من التذبذبات والموجات الجيبية. في الواقع، يتم تنفيذ هذه العملية الرياضية بواسطة منشور، والذي يقوم بتحليل ضوء الشمس إلى طيف ألوان.
يمكن للموجات أحادية اللون، بما في ذلك موجات الضوء، ذات التردد نفسه (في ظل ظروف معينة!) أن تتفاعل مع بعضها البعض بطريقة تؤدي، نتيجة لذلك، إلى "تحول الضوء إلى ظلام" أو، كما يقولون، يمكن أن تتداخل الموجات. أثناء التداخل، يحدث "تضخيم وقمع" محلي للموجات من بعضها البعض. لكي يبقى نمط التداخل الموجي دون تغيير مع مرور الوقت (على سبيل المثال، عند مشاهدته بالعين أو التصوير)، من الضروري أن تكون الموجات متماسكة مع بعضها البعض (موجتان متماسكتان مع بعضهما البعض إذا أعطتا استقرارًا) نمط التداخل، الذي يتوافق مع تساوي تردداتها وتحول الطور المستمر).
إذا تم وضع عوائق في طريق انتشار الموجات، فإنها ستؤثر بشكل كبير على اتجاه انتشار هذه الموجات. يمكن أن تكون هذه العوائق عبارة عن حواف الثقوب الموجودة في الشاشات، والأجسام غير الشفافة، بالإضافة إلى أي أنواع أخرى من عدم التجانس في مسار انتشار الموجة. على وجه الخصوص، الأجسام الشفافة (بالنسبة لإشعاع معين)، ولكنها تختلف في معامل الانكسار، وبالتالي في سرعة مرور الموجات داخلها، يمكن أيضًا أن تكون غير متجانسة. تسمى ظاهرة تغيير اتجاه انتشار الموجات عند مرورها بالقرب من العوائق بالحيود. عادة ما يكون الحيود مصحوبًا بظواهر التداخل.
الحد من المجهر.
الصورة التي يتم الحصول عليها باستخدام أي نظام بصري هي نتيجة تداخل أجزاء مختلفة من موجة الضوء التي تمر عبر هذا النظام. على وجه الخصوص، من المعروف أن تقييد موجة الضوء بواسطة بؤبؤ مدخل النظام (حواف العدسات والمرايا والأغشية التي تشكل النظام البصري) وظاهرة الحيود المرتبطة بها يؤدي إلى حقيقة أن الضوء سيتم تصوير النقطة على شكل دائرة حيود. يحد هذا الظرف من القدرة على التمييز بين التفاصيل الصغيرة للصورة التي يشكلها النظام البصري. الصورة، على سبيل المثال، لمصدر الضوء البعيد بلا حدود (النجم) نتيجة حيود التلميذ المستدير (إطار نطاق الإكتشاف) هي صورة معقدة إلى حد ما (انظر الشكل 1). في هذه الصورة يمكنك رؤية مجموعة من الحلقات المضيئة والداكنة متحدة المركز. يتم وصف توزيع الإضاءة، والذي يمكن إصلاحه إذا انتقلت من وسط الصورة إلى حوافها، من خلال صيغ معقدة إلى حد ما، والتي يتم تقديمها في دورات البصريات. ومع ذلك، فإن الأنماط المتأصلة في موضع الحلقة المظلمة الأولى (من وسط الصورة) تبدو بسيطة. دعونا نشير بـ D إلى قطر حدقة مدخل النظام البصري وبالرمز l إلى الطول الموجي للضوء المرسل من مصدر بعيد لا نهائي.
أرز. 1. صورة الحيود لنقطة مضيئة (ما يسمى بالقرص الهوائي).
إذا أشرنا بـ j إلى الزاوية التي يظهر بها نصف قطر الحلقة المظلمة الأولى، فكما ثبت في علم البصريات،
خطيئة ي » 1,22 * ( ل /د) .
وهكذا، كنتيجة لقصر واجهة الموجة على حواف النظام البصري (بؤبؤ المدخل)، فبدلاً من تصوير نقطة مضيئة تتوافق مع جسم ما في اللانهاية، نحصل على مجموعة من حلقات الحيود. وبطبيعة الحال، تحد هذه الظاهرة من القدرة على التمييز بين مصدرين للضوء النقطيين قريبين من بعضهما. في الواقع، في حالة وجود مصدرين بعيدين، على سبيل المثال نجمان يقعان بالقرب من بعضهما البعض في قبة السماء، يتم تشكيل نظامين من الحلقات متحدة المركز في مستوى المراقبة. وفي ظل ظروف معينة، يمكن أن تتداخل هذه المصادر ويصبح التمييز بين المصادر مستحيلاً. ليس من قبيل المصادفة أنهم، وفقًا لـ "التوصية" الواردة في الصيغة المذكورة أعلاه، يسعون جاهدين لبناء تلسكوبات فلكية ذات أحجام كبيرة لتلاميذ المدخل. يتم تحديد حد الدقة الذي يمكن عنده ملاحظة مصدرين ضوئيين متباعدين على مسافة قريبة على النحو التالي: من أجل التحديد، يتم اعتبار حد الدقة هو موضع صور الحيود لمصدرين ضوئيين نقطيين حيث يتم إنشاء الحلقة المظلمة الأولى بواسطة أحد المصادر الضوئية النقطية. يتزامن المصدر مع مركز النقطة المضيئة التي أنشأها مصدر آخر.
ملخص موجز للفيزياء الحديثة للعالم الصغير :
1 . يتكون العالم الصغير من نوعين من الجسيمات، والتي تختلف بشكل أساسي في الحجم: من جزيئات العالم الصغير جدًا ( على سبيل المثال , الفوتون ) وجزيئات العالم الصغير ( على سبيل المثال , إلكترون ). العالم الصغير جدًا أصغر بثلاث مرات من جزيئات العالم الصغير . عادة 10 أس ناقص الثامن عشر .
2. إذن لدينا ثلاثة اتجاهات لحركة الجسيمات ( أرز .1 ) و , على التوالى , ثلاث مساحات للحقول : مجال الجاذبية , المجال الكهربائي والمغناطيسي . وعلى هذا الأساس يمكننا الحديث عن الطبيعة الموحدة للمجالات الثلاثة وذاك , أن الحقول الثلاثة لا يمكن فصلها عن بعضها البعض في العالم المصغر . ( هناك مواد في الطبيعة , إنشاء مجالات مغناطيسية أو مجالات كهربائية بشكل منفصل ). ونتيجة لهذا البيان، إذا تم إدخال موصل للتيار الكهربائي في مجال مغناطيسي , فإنه لا يمكن أن يتأثر بالمجال الكهربائي , والذي يكون دائمًا متعامدًا مع المجال المغناطيسي .
3. دعونا ننتبه لذلك , أن كل جسيم من العالم الصغير لديه ثلاث درجات أخرى من الحرية , والتي تستخدم للحركة الدورانية . انظر الشكل. 1 . يقول الفيزيائي هوبكنز , يمكن أن يتحول هذا المكان إلى وقت والعكس صحيح . كيف نفهم هذا البيان ? نحن نعرف قانون حفظ الطاقة , الذي يقرأ : مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة لجسم ثابت . حركة الجسيم في فضاء العالم المصغر هي حركة تذبذبية . الحركة التذبذبية هي نتيجة إضافة حركتين : الترجمة والتناوب . الطاقة الحركية هي طاقة الحركة الانتقالية , والإمكانات هي الطاقة المخزنة لجسم ساكن في الفضاء بطرق مختلفة . تتم الحركة الترجمية في الفضاء , والدورانية في الزمن وهذه الحركات لها شروط حدودية رياضية , الذي أخبرنا عنه الفيزيائي هوبكنز .
4. أعتقد , أن جميع جزيئات العالم المصغر تختلف عن بعضها البعض فقط في تردد الاهتزاز . على سبيل المثال , الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء : نفس الفوتون , ولكن بترددات مختلفة . أعتقد , هذا التردد هو شكل من أشكال تخزين الطاقة , ت .ه. التردد يحدد كمية الطاقة الحركية والمحتملة للجسيم . بما أن صيغة أينشتاين تأخذ في الاعتبار فقط الطاقة الحركية للجسيم المتحرك , ثم هذه الصيغة تحتاج إلى تعديل . فيما يبدو , بواسطة كتلة الجسيم نحن بحاجة إلى فهم الكتلة المحددة , ت . ه . كتلة الحجم الناتجة عن تردد الاهتزاز : يجب قسمة كتلة الجسيم على حاصل ضرب سعة الاهتزاز ومساحة الطول الموجي أو التوقع الرياضي لهذه الموجة.
5. يحتوي كل جسيم أولي من العالم المصغر على نوع خاص به من الجزيئات فائقة الصغر مع تردده الخاص. على سبيل المثال , تحتوي الإلكترونات على فوتونات لها نفس التردد ( تحت الاسم الجديد : “ بيونات ”), لكن تردد الفوتون المنبعث يتم ضبطه وفقًا لظروف المدار المحدد للإلكترون . ويقدم الشكل 4 دليلا على هذه الفرضية. : يجب أن تكون جميع الموجات الكهرومغناطيسية بنفس الطول والسعة في مدار معين . لكن الانتقال من مدار إلى مدار آخر يصاحبه تغيير في معلمات التردد : ت . ه . السعة والطول الموجي . كل مدار له مستوى الطاقة المحتمل الخاص به الجيش الشعبي gii , نتيجة لقانون حفظ الطاقة . السبب ص ه يمكن أن يتسبب هروب طاقة الكوارك من جسيم أولي من العالم الصغير في حدوث ظاهرة الرنين .
كتلة من الإلكترونات في المدار لها عزم دوران , وهو نتاج كتلة الإلكترون ونصف القطر المداري , مما يؤدي إلى دوران المدارات نفسها . كل مدار من الإلكترونات في الذرة هو بطبيعته دائرة كهربائية مغلقة، وبالتالي يخلق مجالًا كهرومغناطيسيًا حول نفسه. ولذلك، فإن سرعة الإلكترونات في المدار هي نفسها , كما هو الحال في الدائرة الكهربائية . يمنع هذا المجال الإلكترونات من الاقتراب من بروتونات النواة . يمكن تحديد اتجاه خطوط المجال المغناطيسي باستخدام قاعدة الثقب .
7 . تشير الأدبيات الفيزيائية إلى ذلك , أن الإلكترون له دوران 2. في الواقع , عندما يتحرر الفوتون فإنه يدور بزاوية 90 درجة , ت . ه . بواسطة 1 / 2- يعود الظهر إلى وضعه الأصلي , الذي يعطي 1 أكثر / 2 ظهر . ثم يقوم بتغيير حافة المنعطف ومرة أخرى 1 / 2 و 1 / 2 , ت . ه . إجمالي الدوران هو 2 .
7. الكون لدينا - مساحة مغلقة جسديا . فهو محدود بالثوابت الفيزيائية : على سبيل المثال , سرعة الضوء هي 300000 كم في الثانية أو درجة الحرارة القصوى هي 273 , 16 درجة مئوية . ولذلك، فهو يخضع لقانون الحفاظ على الطاقة، وبالتالي فهو موجود بالفعل منذ مليارات السنين . كيف يمكن تفسير هذه الحقيقة؟ , أن حركة الكواكب في مداراتها لم تتوقف ? على افتراض , أن الكواكب تتحرك بالقصور الذاتي بعد دافع الانفجار , ثم سيتم فقدان هذه الطاقة على مدى مليارات السنين إلى حد ما بسبب مواجهات النيازك والرياح الشمسية. ملحوظة , أن جزيئات العالم الصغير للغاية، عندما تتحرك، تؤدي حركات تذبذبية حول مسار حركتها, ت . ه . حركتهم هي عملية تذبذبية بتردد معين . العملية التذبذبية في الطبيعة هي انتقال الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية والعودة. ويترتب على ذلك أن , أن حركة أي جسم في مكان مغلق يجب أن تستخدم احتياطيا من الطاقة الكامنة من خلال آلية التردد.
لا نعرف سبب وجود درجات الحرارة , حدود الفراغ وسرعة الضوء محدودة . ربما هناك كريوبلازما , شيء مثل الثقب الأسود , المقاولات ص جيو إلى حد ما , وبعد ذلك يحدث الانفجار الكبير .
8. ومن الناحية التجريبية، لم يتمكن العلماء من الوصول إلى سرعة الضوء أو درجة حرارة صفر كلفن. . لقد جعلوهم أقرب إلى هذه الحدود بمقدار صغير مقارب . تتطلب هذه التجارب إنفاقًا هائلاً للطاقة . وهكذا ثبت ذلك , أنه في منطقة الكميات الصغيرة تنشأ تكاليف طاقة ضخمة . نحن نعرف من الفيزياء الكلاسيكية صيغة القوة F عندما تتفاعل الجماهير : م 1 م 2 أين ص هي المسافة بين الجماهير :
و = م 1 *م 2 / ص ^ 2 . يبلغ وزن البروتون أو الإلكترون حوالي 0 , 91 * 10 للقوة ناقص 31 كجم ( الكتلة هي أمر من حيث الحجم أقل ), الكثافة 6 , 1 * 10 إلى القوة 17 كجم / م ^ 3 . المسافة بين الجزيئات في التفاعل الضعيف ( 2 * 10 إلى ناقص 1 5 درجات ) م وبتفاعل قوي ( 10 أس سالب 18 ) معروف . ومع ذلك، عند حساب قوة جذب هذه الجسيمات، ينبغي للمرء أن يأخذ في الاعتبار هذه الحقيقة , أن كل جسيم صغير عبارة عن دائرة تذبذبية صغيرة . ينظر س شرح النقطة 10. إن تطبيق صيغة الفيزياء الكلاسيكية على حسابات تفاعل جزيئات العالم الصغير يوضح لنا ذلك , أنه لا توجد حدود بين الفيزياء الكلاسيكية والفيزياء الكمومية أو النسبية .
9. الأجسام المشحونة , على سبيل المثال , الإلكترونات لا يسبب مجالًا كهروستاتيكيًا فحسب، بل يسبب أيضًا تيارًا كهربائيًا. وهناك فرق كبير في هاتين الظاهرتين. لنشوء مجال كهروستاتيكي، يلزم وجود شحنات ثابتة، ثابتة بطريقة أو بأخرى في الفضاء، ولظهور تيار كهربائي، على العكس من ذلك، يلزم وجود جسيمات مشحونة حرة غير ثابتة، والتي في المجال الكهروستاتيكي للشحنات الثابتة تعال إلى حالة حركة مرتبة على طول خطوط المجال . على سبيل المثال , التفريغ الكهربائي كهرباء ساكنة , تتركز في سحابة رعدية - برق . هذه الحركة كهرباء .
10. ولكن هناك سبب آخر لحدوث التيار الكهربائي . كل جسيم من نوع الإلكترون الفائق والجزئي له تردد اهتزاز خاص به , لذلك , هي دائرة تتأرجح الصغيرة , التي تنطبق عليها صيغة جوزيف طومسون :
و = 1/2 P هو الجذر التربيعي لـ خطاب الاعتماد، أين ل = 2*إل/أنا تربيع و
ج = 2 * المفوضية الأوروبية / ش تربيع , حيث E 1 ج و ه 1 لتر هي طاقة المجال الكهربائي والتدفق المغناطيسي، على التوالي . تظهر الصيغة علاقة ثابتة بين ل( في هنري , ) و ج ( في الفاراد , والتي يتم تحويلها إلى سنتيمترات ).
( وحدة الحث في نظام النظام العالمي المنسق عالمياً؛ 1 سم = 1·10 -9 جي ان ( هنري ), سم ، سم ... القدرة، سنتيمتر - وحدة السعة في نظام النظام المنسق عالمياً = 1·10 -12 F ( فاراد ), سم . )
إذا كانت أبعاد هذه الكميات بالسنتيمتر , فإن مقام هذه الصيغة هو المحيط . لذلك , المجال الكهربائي المحيط بالإلكترون عبارة عن سلسلة من الدوائر المحورية . مع زيادة نصف قطر الدائرة، يجب أن تزيد سرعة حركة الجسيمات الدقيقة جدًا منذ الفترة , وهذا هو، تردد اهتزاز الإلكترون -F ثابت . نتيجة هذا يزداد استهلاك الطاقة الحركية للجسيمات الأبعد وتقل قدرتها على إحداث تيار كهربائي في الموصل.
ولكن دعونا ننتبه إلى الشكل 3 , أين يظهر , أن ناقلات E 1 مع و إي 1 لتر منفصلة في الفضاء ومتعامدة بشكل متبادل . يجب أن يؤخذ هذا الظرف في الاعتبار عند إحداث تيار كهربائي في الموصل . إذا طبقنا قانون حفظ الطاقة على الكميات E 1 لتر و إي 1 مع , ثم ه 1 لتر هي الطاقة الحركية لتيار متحرك من الإلكترونات -أنا، أ ه 1 ج هي الطاقة الكامنة للمجال الكهربائي كدالة لقوته ش. الطاقة E1 ل و E1C رد الفعل . في حالة جسيمات العالم الصغير، تكون نواقلها متعامدة مع المحور الإحداثي لنظام التشغيل , ولكنها في مستويات مختلفة من الإحداثيات المتعامدة . (ج انظر إلى الأرز . 2 ). يتم فصل كلا المتجهات في الفضاء . ولذلك، لا يحدث الفناء المتبادل بينهما ولا يتحلل تواتر الجسيمات الدقيقة مع مرور الوقت .
في الدوائر الكهربائية، يُشار إلى المفاعلة عادةً بالرمز X , والمقاومة الكلية في دوائر التيار المتردد ض، المقاومة النشطة - ر ومجموع كل المقاومات يسمى المعاوقة . ض = ص + يX
حجم المعاوقة هو نسبة الجهد وسعة التيار، في حين أن الطور هو الفرق بين مراحل الجهد والتيار.
لو X >0 يقال أن المفاعلة حثي
لو X =0 يقال أن المعاوقة مقاومة بحتة (نشطة)
الاتحاد الأوروبي سواء X <0 говорят, что реактивное сопротивлние является ёмкостным .
في دائرة تذبذبية حقيقية , مستخدم , على سبيل المثال , في هندسة الراديو , يمكننا التعويض عن الطاقة الحثية التفاعلية بالطاقة التفاعلية السعوية لأنه في المفاعلة السعوية يكون ناقل التيار هو الذي يقود الجهد، وفي المفاعلة الحثية يتأخر ناقل التيار عن الجهد بمقدار 90 درجة ويكونان في نفس المستوى ولكن ليس في نفس الوقت. وبما أن إحدى ميزات الحث هي القدرة على إبقاء التيار يتدفق خلاله بشكل ثابت، فعندما يتدفق تيار الحمل، مرحلة التحول بين التيار والجهد (التيار "يتأخر" عن الجهد بزاوية الطور). ونتيجة لذلك، تؤدي العلامات المختلفة للتيار والجهد خلال فترة تحول الطور إلى انخفاض طاقة المجالات الكهرومغناطيسية للمحاثة، والتي يتم تجديدها من الشبكة. بالنسبة لمعظم المستهلكين الصناعيين، هذا يعني ما يلي: على طول الشبكات بين مصدر الكهرباء والمستهلك، بالإضافة إلى الطاقة النشطة التي تقوم بعمل مفيد، تتدفق أيضًا الطاقة التفاعلية التي لا تؤدي عملاً مفيدًا.
ويترتب على ما سبق ذلك , ماذا د ولوجود تيار كهربائي لا بد من إمداد الموصل بالطاقة من الخارج بالشكل الكهرومغناطيسي مجالات.
شرح إضافي . السعة ر يزداد مع عدد دورات المغناطيس الكهربائي .
ص = 1/(2 π * ج * و)، أين F- تكرار , و ج- سعة .
الحث ل = ن 2 * μ *أ/ل،
أين لام- الحث ، ن- عدد لفات موصل السلك، µ - معامل النفاذية المغناطيسية الأساسية ، أ- الحجم الأساسي ل - متوسط طول الأساسية .
و = 1/(2 π * √ (L * C))
لذلك ، ر = 1/(4π 2 *ج*ن*√( μ*أ/ل)).
من أجل فهم خصائص الفوتون، دعونا نجري تجربة بسيطة. دعونا نسقط كرتين لهما نفس الوزن من نفس الارتفاع على لوح فولاذي. كرة واحدة مصنوعة من البلاستيسين، والأخرى عبارة عن كرة- فُولاَذ. من السهل ملاحظة أن حجم الارتداد من اللوحة يختلف بالنسبة لهم ويكون أكبر بالنسبة للكرة الفولاذية. يتم تحديد حجم الارتداد من خلال التشوه المرن للمواد الكروية. الآن دعونا نوجه شعاع الضوء على الموقدأ ، أي تدفق الفوتونات. ومن المعروف من علم البصريات أن زاوية سقوط الشعاع تساوي تمامًا زاوية الانعكاس. عندما يتصادم جسمان فإنهما يتبادلان الطاقة بما يتناسب مع كتلتهما. في حالة شعاع الفوتون، فإن الأخير يغير فقط ناقل الحركة. ألا يترتب على هذه الحقيقة أن هناك قيمة عالية بشكل غير عادي للتشوه المرن للفوتون، أي المرونة الفائقة؟ بعد كل شيء، نحن على دراية بظاهرة اللدونة الفائقة لبعض السبائك.
11. ما هو دور التشوه المرن في العالم المصغر؟ نحن نعلم أن الزنبرك المضغوط له طاقة وضع، وكلما زاد مقدارها، زاد التشوه المرن للزنبرك. ونحن نعلم أنه أثناء العملية التذبذبية، تتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركية، والعكس صحيح. ومن المعروف أيضًا أن جميع جزيئات العالم الصغير تخضع لحركة تذبذبية، أي أن لها تردد تذبذب خاص بها، مما يخلق مجالًا كهرومغناطيسيًا حول الجسيم. وبالتالي، فإن كل جسيم في العالم المصغر عبارة عن دائرة تذبذبية صغيرة مثل الدائرة التذبذبية للهندسة الراديوية. لذلك، يجب أن يخلق المجال الكهرومغناطيسي عزمًا في الجسيم:م = ص أنا *F أنا , أنا - حيث تكون نقطة تطبيق معينة لهذه اللحظة، لاحظ أن تردد الجسيم الدقيق لا يتغير مع الزمن، وبالتالي فإن مقدار العزم وحجم التيار الكهربائي المسبب له لا يتغيران مع الزمن. وهذا ممكن فقط في حالة الموصلية الفائقة!
يقوم عزم الدوران هذا بتدوير الجسيم حول المحورين X وY بالتتابع، مما يؤدي إلى تشوه التوائي مرن. هذه التشوهات فائقة المرونة تعيد الجسيم إلى حالته الأصلية. بهذه الطريقة، يتم إنشاء حركة تذبذبية للجسيم مع انتقال طاقة الوضع الكامنة في التشوه الالتوائي المرن إلى الطاقة الحركية لحركة الجسيم في الفضاء على طول المحورز .
يمكن تخيل آلية مثل هذا الانتقال على أنها لف أنبوب من العجينة. في الواقع، يؤدي التغيير في الحجم إلى قذف العجينة من فتحة الأنبوب المتعامدة مع مستوى التواء الأنبوب. يؤدي هذا الدافع الداخلي إلى تحرك الجسيم على طول المحورز. يظهر محرك نانوي عالي الكفاءة. ويمكن ملاحظة شيء مماثل في ما يسمى بعجلة الغسيل. إذا لم يتم إصلاح محور هذه العجلة، فبدلاً من العجلة الدوارة، سنحصل على حركة تدحرج متعدية، ولتنفيذ هذا المحرك، من الضروري إنشاء مادة ذات قيم عالية بشكل غير عادي من التشوه الالتوائي المرن. ثم سيتم فتح الطريق للسفر بسرعة الضوء.
12. تنشأ مثل هذه الخصائص العالية للغاية للجسيمات الدقيقة في المواد عند درجات حرارة قريبة من الصفر كلفن. أليست المادة تتقلص بشكل دوري لتتحول إلى نوع من الثقب الأسود، الذي يمثل كريوبلازم عند درجة حرارة كلفن؟ أليست هذه المادة، بفضل خصائصها الخارقة، عبارة عن تراكم للطاقة الكامنة، والتي عندما تصل إلى مستوى حرج، تتحول إلى طاقة حركية عن طريق الانفجار؟
البصريات الكمومية. فيزياء العالم الصغير. الفيزياء الجزيئية.
الإشعاع الحراري- الإشعاع الكهرومغناطيسي ذو الطيف المستمر المنبعث من الأجسام الساخنة بسبب طاقتها الحرارية.
مثالالإشعاع الحراري هو الضوء الصادر من المصباح المتوهج.
يتم وصف قوة الإشعاع الحراري لجسم يفي بمعايير الجسم الأسود المطلق بواسطة قانون ستيفان بولتزمان.
تم وصف العلاقة بين القدرات الانبعاثية والاستيعابية للأجسام قانون كيرشوف للإشعاع.
الإشعاع الحراري هو أحد الأنواع الثلاثة الأساسية لنقل الطاقة الحرارية.
إشعاع التوازن هو الإشعاع الحراري الذي يكون في حالة توازن ديناميكي حراري مع المادة.
الخصائص الكمية الرئيسية للإشعاع الحراري هي:
- لمعان حيوية
هي كمية طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي في النطاق الكامل للأطوال الموجية للإشعاع الحراري التي ينبعثها الجسم في جميع الاتجاهات من وحدة مساحة السطح لكل وحدة زمنية: R = E/(S t), [J/(m 2 s)] = [W /m 2 ] تعتمد الطاقة المضيئة على طبيعة الجسم ودرجة حرارة الجسم وحالة سطح الجسم والطول الموجي للإشعاع.
- كثافة اللمعان الطيفية
- اللمعان النشط لجسم لأطوال موجية معينة (α + dẫ) عند درجة حرارة معينة (T + dT): R χ، T = f(α، T).
يتم حساب اللمعان النشط لجسم ضمن أطوال موجية معينة من خلال دمج R lect، T = f(lect، T) لـ T = const:
معامل الامتصاص- نسبة الطاقة التي يمتصها الجسم إلى الطاقة الساقطة. لذلك، إذا سقط الإشعاع من تدفق dФ inc على جسم، فإن جزءًا منه ينعكس من سطح الجسم - dФ neg، ويمر الجزء الآخر إلى الجسم ويتحول جزئيًا إلى حرارة dФ abs، والجزء الثالث ، بعد عدة انعكاسات داخلية، يمر عبر الجسم إلى الخارج dФ inc : α = dФ abs./dФ للأسفل.
قانون ستيفان بولتزمان- قانون إشعاع الجسم الأسود. يحدد اعتماد القوة الإشعاعية لجسم أسود تمامًا على درجة حرارته. بيان القانون:
أين هي درجة السواد (لجميع المواد، لجسم أسود تماما). وباستخدام قانون بلانك للإشعاع، يمكن تعريف الثابت بأنه
أين ثابت بلانك، وثابت بولتزمان، وسرعة الضوء.
القيمة العددية J s −1 m −2 K −4.
تم اكتشاف القانون بشكل مستقل من قبل ج. ستيفان و ل. بولتزمان على افتراض أن كثافة الطاقة الإشعاعية تتناسب مع ضغطها. أكده ليو جرايتز في عام 1880.
ومن المهم أن نلاحظ أن القانون يتحدث فقط عن إجمالي الطاقة المنبعثة. يتم وصف توزيع الطاقة على طيف الإشعاع من خلال صيغة بلانك، والتي بموجبها يوجد حد أقصى واحد في الطيف، ويتم تحديد موضعه بموجب قانون فيينا.
قانون كيرشوف للإشعاع.
في الحديث الصياغة 3القانون كالتالي:
إن نسبة انبعاثية أي جسم إلى قدرته على الامتصاص هي نفسها لجميع الأجسام عند درجة حرارة معينة وتردد معين ولا تعتمد على شكلها وطبيعتها الكيميائية.
ومن المعروف أنه عندما يسقط الإشعاع الكهرومغناطيسي على جسم معين، ينعكس جزء منه، ويمتص جزء، ويمكن أن ينتقل جزء. يسمى جزء الإشعاع الممتص عند تردد معين القدرة على الامتصاصجسم. ومن ناحية أخرى، فإن كل جسم ساخن يبعث طاقة وفقا لقانون يسمى انبعاثية الجسم.
يمكن أن تختلف قيم و بشكل كبير عند الانتقال من جسم إلى آخر، ومع ذلك، وفقًا لقانون كيرشوف للإشعاع، فإن نسبة قدرات الانبعاث والامتصاص لا تعتمد على طبيعة الجسم وهي دالة عالمية للتردد ( الطول الموجي) ودرجة الحرارة:
بحكم التعريف، يمتص الجسم الأسود تماما كل الإشعاع الساقط عليه، أي من أجله. لذلك، تتزامن الوظيفة مع انبعاثية جسم أسود تمامًا، والتي وصفها قانون ستيفان-بولتزمان، ونتيجة لذلك يمكن العثور على انبعاثية أي جسم بناءً على قدرته على الامتصاص فقط.
الأجسام الحقيقية لها قدرة امتصاص أقل من الوحدة، وبالتالي إشعاعية أقل من تلك الخاصة بجسم أسود تمامًا. تسمى الأجسام التي لا تعتمد قدرتها على الامتصاص على التردد باللون الرمادي. أطيافها لها نفس مظهر الجسم الأسود تمامًا. في الحالة العامة، تعتمد قدرة الأجسام على الامتصاص على التردد ودرجة الحرارة، ويمكن أن يختلف طيفها بشكل كبير عن طيف الجسم الأسود تمامًا. تم إجراء دراسة انبعاثية الأسطح المختلفة لأول مرة بواسطة العالم الاسكتلندي ليزلي باستخدام اختراعه الخاص - مكعب ليزلي.
التأثير الكهروضوئي (التأثير الكهروضوئي) هي ظاهرة تفاعل الضوء مع المادة، ونتيجة لذلك تنتقل طاقة الفوتونات إلى إلكترونات المادة. ل الصلبة والسائلةتختلف الهيئات تأثير ضوئي خارجي وداخلي. مع الخارجيةوفي التأثير الكهروضوئي، يصاحب امتصاص الفوتونات انبعاث الإلكترونات خارج الجسم. مع الداخليةوفي التأثير الكهروضوئي تبقى الإلكترونات الممزقة من الذرات والجزيئات والأيونات داخل المادة، لكن طاقات الإلكترونات تتغير. في الغازاتيتكون التأثير الكهروضوئي من ظاهرة التأين الضوئي - إزالة الإلكترونات من الذرات وجزيئات الغاز تحت تأثير الضوء.
عرض نوعي لخاصية الجهد الحاليالخلية الكهروضوئية، أي اعتماد التيار الكهروضوئي على الجهد بين الكاثود والأنود في حالة حادث تدفق الضوء المستمر على الكاثود، موضح في الشكل. 1.13.
 |
| أرز. 1.13. |
الجهد الإيجابييتوافق مع المجال الكهربائي المتسارع الذي تسقط فيه الإلكترونات الهاربة من الكاثود. ولذلك، في منطقة الفولتية الإيجابية، تصل جميع الإلكترونات المنبعثة من الكاثود إلى القطب الموجب، مما يسبب تشبع التيار الضوئي.
انخفاض طفيف في التيار الضوئي عند إيجابية صغيرةويرتبط الجهد، الذي لوحظ في التجارب، مع فرق الاتصال المحتمل بين الكاثود والأنود. أدناه، عند مناقشة قوانين التأثير الكهروضوئي، سنهمل تأثير فرق جهد التلامس.
في الجهد السلبييدخل الإلكترون المنبعث من الكاثود إلى مجال كهربائي معوق، ولا يمكنه التغلب عليه إلا إذا كان لديه قدر معين من الطاقة الحركية. لا يستطيع الإلكترون ذو الطاقة الحركية المنخفضة، الذي يخرج من الكاثود، التغلب على مجال الكبح والوصول إلى الأنود. يعود هذا الإلكترون إلى الكاثود دون المساهمة في التيار الضوئي. لذلك، يشير الانخفاض السلس في التيار الكهروضوئي في منطقة الفولتية السلبية إلى أن الإلكترونات الضوئية الهاربة من الكاثود لها قيم طاقة حركية مختلفة.
في بعض الجهد السلبي، والتي تسمى قيمتها جهد التثبيط (الجهد) ، ويصبح التيار الكهروضوئي مساوياً للصفر. يعمل مجال الكبح الكهربائي المقابل على تأخير هروب جميع الإلكترونات من الكاثود، بما في ذلك الإلكترونات ذات الطاقة الحركية القصوى.
من خلال قياس جهد التثبيط، يمكن تحديد هذه الطاقة القصوى أو السرعة القصوى للإلكترونات الضوئية من خلال العلاقة
| . | (1.54) |
تم إنشاء ما يلي تجريبيا المبادئ الأساسية للتأثير الكهروضوئي:
1. بالنسبة للضوء أحادي اللون بطول موجي معين، يتناسب التيار الضوئي المشبع مع التدفق الضوئي الحادث على الكاثود.
2.لا تعتمد الطاقة الحركية القصوى للإلكترونات الضوئية على حجم تدفق الضوء، ولكن يتم تحديدها فقط من خلال تردد الإشعاع.
3. كل مادة كاثود لها تردد القطع الخاص بها بحيث لا يسبب الإشعاع مع تردد التأثير الكهروضوئي التأثير الكهروضوئي. ويسمى تردد القطع هذا تردد القطع الأحمر للتأثير الكهروضوئي.على مقياس الطول الموجي، فإنه يتوافق مع الطول الموجي للحد الأحمر، بحيث أن التأثير الكهروضوئي من معدن معين يسبب الإشعاع فقط مع طول موجي أقصر.
(1.55) يسمى معادلة أينشتاين للتأثير الكهروضوئي الخارجي.هنا الطاقة القصوى للإلكترونات الضوئية.
والنتيجة المباشرة لهذه المعادلة هي القانونين الثاني والثالث للتأثير الكهروضوئي. في الواقع، من (1.55) يترتب على ذلك أن الطاقة القصوى للإلكترونات الضوئية تعتمد على تكرار الإشعاع الساقط على المعدن. بالإضافة إلى ذلك، إذا، فلا ينبغي ملاحظة التأثير الكهروضوئي. من هنا، بالنسبة للتردد والطول الموجي للحد الأحمر للتأثير الكهروضوئي، نحصل على صيغ بسيطة
ويترتب على ذلك أن هذه الخصائص تتحدد بالكامل بقيمة وظيفة عمل الإلكترون من المعدن.
الفوتون- جسيم أولي، كم من الإشعاع الكهرومغناطيسي (بالمعنى الضيق - الضوء). وهو جسيم عديم الكتلة ولا يمكن أن يوجد إلا بالتحرك بسرعة الضوء. الشحنة الكهربائية للفوتون تساوي صفرًا. لا يمكن للفوتون أن يكون إلا في حالتين من الدوران مع إسقاط الدوران على اتجاه الحركة (الهيليكوبتر) ±1. تتوافق هذه الخاصية في الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية مع الاستقطاب الدائري الأيمن والأيسر للموجة الكهرومغناطيسية. يتميز الفوتون، باعتباره جسيمًا كميًا، بثنائية الموجة والجسيم، فهو يُظهر في الوقت نفسه خصائص الجسيم والموجة. يُشار إلى الفوتونات بالحرف، ولهذا السبب تُسمى غالبًا بأشعة جاما (خاصة الفوتونات عالية الطاقة)؛ هذه المصطلحات مترادفة عمليا. من وجهة نظر النموذج القياسي، الفوتون هو بوزون قياس. الفوتونات الافتراضية هي حاملات للقوة الكهرومغناطيسية، وبالتالي توفر التفاعل، على سبيل المثال، بين شحنتين كهربائيتين. الفوتون هو الجسيم الأكثر وفرة في الكون. هناك ما لا يقل عن 20 مليار فوتون لكل نيوكليون.
ازدواجية موجة - جسيم, مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ
يتميز الفوتون بثنائية الموجة والجسيم. فمن ناحية، يوضح الفوتون خصائص الموجة الكهرومغناطيسية في ظاهرتي الحيود والتداخل إذا كانت الأبعاد المميزة للعوائق قابلة للمقارنة مع الطول الموجي للفوتون. على سبيل المثال، يؤدي تسلسل الفوتونات المفردة ذات التردد الذي يمر عبر شق مزدوج إلى إنشاء نمط تداخل على الشاشة يمكن وصفه بواسطة معادلات ماكسويل. ومع ذلك، تظهر التجارب أن الفوتونات تنبعث وتمتص بالكامل من الأجسام التي لها أبعاد أصغر بكثير من الطول الموجي للفوتون (الذرات على سبيل المثال)، أو بشكل عام، إلى حد ما، يمكن اعتبارها نقطية (تمامًا مثل الإلكترونات على سبيل المثال). . وهكذا، فإن الفوتونات في عمليات الانبعاث والامتصاص تتصرف مثل الجسيمات النقطية. وفي الوقت نفسه، هذا الوصف ليس كافيا؛ إن فكرة الفوتون كجسيم نقطي، يتم تحديد مساره بشكل احتمالي بواسطة مجال كهرومغناطيسي، تم دحضها من خلال تجارب الارتباط مع حالات الفوتونات المتشابكة.
تجربة هايزنبرج الفكريةلتحديد موقع الإلكترون (المظلل باللون الأزرق) باستخدام مجهر أشعة جاما عالي الدقة.
تنتشر أشعة جاما الساقطة (الموضحة باللون الأخضر) بواسطة الإلكترون وتدخل زاوية فتحة المجهر θ. تظهر أشعة جاما المتناثرة باللون الأحمر في الشكل. تُظهر البصريات الكلاسيكية أنه لا يمكن تحديد موضع الإلكترون إلا بقيمة معينة Δ س، والذي يعتمد على الزاوية θ والطول الموجي للأشعة الساقطة.
العنصر الأساسي في ميكانيكا الكم هو مبدأ عدم اليقين هايزنبرغ,الذي يحظر التحديد الدقيق المتزامن للإحداثيات المكانية للجسيم وزخمه على طول هذا الإحداثي.
من المهم أن نلاحظ أن تكميم الضوء واعتماد الطاقة والزخم على التردد أمر ضروري لتلبية مبدأ عدم اليقين المطبق على جسيم ضخم مشحون. ويمكن توضيح ذلك من خلال التجربة الفكرية الشهيرة باستخدام المجهر المثالي، والتي تحدد إحداثيات الإلكترون عن طريق تشعيعه بالضوء وتسجيل الضوء المتناثر (مجهر هايزنبرج غاما). يمكن تحديد موضع الإلكترون بدقة تساوي دقة المجهر. بناءً على مفاهيم البصريات الكلاسيكية:
أين هي زاوية فتحة المجهر؟ وبالتالي، يمكن جعل عدم اليقين في الإحداثيات صغيرًا حسب الرغبة عن طريق تقليل الطول الموجي للأشعة الساقطة. ومع ذلك، بعد التشتت، يكتسب الإلكترون بعض الزخم الإضافي، الذي يساوي عدم اليقين فيه . إذا لم يتم قياس كمية الإشعاع الساقط، فيمكن جعل عدم اليقين هذا صغيرًا بشكل تعسفي عن طريق تقليل شدة الإشعاع. يمكن تغيير الطول الموجي وشدة الضوء الساقط بشكل مستقل عن بعضهما البعض. ونتيجة لذلك، في غياب تكميم الضوء، سيكون من الممكن تحديد موقع الإلكترون في الفضاء وزخمه بدقة عالية في وقت واحد، وهو ما يتعارض مع مبدأ عدم اليقين.
على العكس من ذلك، فإن صيغة أينشتاين لزخم الفوتون تلبي تمامًا متطلبات مبدأ عدم اليقين. مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن الفوتون يمكن أن ينتشر في أي اتجاه داخل الزاوية، فإن عدم اليقين في الزخم المنقول إلى الإلكترون يساوي:
وبعد ضرب التعبير الأول في الثاني نحصل على علاقة عدم اليقين لهايزنبرج: . وهكذا، فإن العالم كله مكمّم: إذا كانت المادة تخضع لقوانين ميكانيكا الكم، فيجب أن يطيعها المجال، والعكس صحيح.
أدت تجارب رذرفورد إلى استنتاج مفاده أنه يوجد في مركز الذرة نواة كثيفة موجبة الشحنة (النواة الذرية ومن هنا جاء اسم النموذج) لا يتجاوز قطرها 10-14-10-15 م. وتشغل هذه النواة 10-12 جزءًا فقط من الحجم الكلي للذرة ولكنها تحتوي على الجميعشحنة موجبة وما لا يقل عن 99.95٪ من كتلتها. يجب أن يكون للمادة التي تشكل نواة الذرة كثافة هائلة في حدود ρ ≈ 10 15 جم / سم 3 . يجب أن تكون شحنة النواة مساوية لشحنة جميع الإلكترونات التي تشكل الذرة. بعد ذلك، كان من الممكن إثبات أنه إذا تم أخذ شحنة الإلكترون كواحدة، فإن شحنة النواة تساوي تمامًا عدد هذا العنصر في الجدول الدوري.
الشكل 6.1.3: تشتت جسيم ألفا في ذرة طومسون (أ) وفي ذرة رذرفورد (ب)
وفي وقت لاحق، اقترح رذرفورد النموذج الكوكبي للذرة . ووفقا لهذا النموذج، يوجد في مركز الذرة نواة موجبة الشحنة، تتركز فيها كتلة الذرة بأكملها تقريبا. الذرة ككل محايدة. تدور الإلكترونات حول النواة، مثل الكواكب، تحت تأثير قوى كولوم المنبعثة من النواة (الشكل 6.1.4). لا يمكن للإلكترونات أن تكون في حالة سكون، لأنها ستسقط على النواة.
أرز. 6.1.4 نموذج رذرفورد الكوكبي للذرة، وتظهر المدارات الدائرية لأربعة إلكترونات
النواة الذرية- الجزء المركزي من الذرة، والذي يتركز فيه الجزء الأكبر من كتلتها (أكثر من 99.9%). النواة مشحونة بشحنة موجبة، ويتم تحديد شحنة النواة بواسطة العنصر الكيميائي الذي تنتمي إليه الذرة. أبعاد نوى الذرات المختلفة هي عدة فمتومترات، وهي أصغر بأكثر من 10 آلاف مرة من حجم الذرة نفسها. تتكون النواة الذريةالنيوكليونات - بروتونات موجبة الشحنة ونيوترونات محايدة، ترتبط ببعضها البعض من خلال تفاعل قوي. ويسمى عدد البروتونات في النواة به عدد تهمة- هذا الرقم يساوي الرقم التسلسلي للعنصر الذي تنتمي إليه الذرة في السلسلة الطبيعية لعناصر الجدول الدوري. يحدد عدد البروتونات في النواة بنية الغلاف الإلكتروني للذرة المحايدة، وبالتالي الخواص الكيميائية للعنصر المقابل. ويسمى عدد النيوترونات في النواة به رقم النظائر. تسمى النوى التي لها نفس عدد البروتونات وأعداد مختلفة من النيوترونات بالنظائر. تسمى النوى التي لها نفس عدد النيوترونات ولكن بأعداد مختلفة من البروتونات نظائر. ويسمى العدد الإجمالي للنيوكليونات في النواة به عدد جماعي() ويساوي تقريبًا متوسط الكتلة الذرية الموضحة في الجدول الدوري. عادة ما تسمى النويدات التي لها نفس العدد الكتلي، ولكن تركيب بروتون نيوترون مختلف إيزوبار. مثل أي نظام كمي، يمكن أن تكون النوى في حالة مثارة شبه مستقرة، وفي بعض الحالات يتم حساب عمر هذه الحالة بالسنوات. تسمى هذه الحالات المثارة للنوى الايزومرات النووية. ما يقرب من 90٪ من 2500 نواة ذرية معروفة غير مستقرة. تتحول النواة غير المستقرة تلقائيًا إلى نوى أخرى، وتصدر جسيمات. وتسمى هذه الخاصية للنوى النشاط الإشعاعي. وقد وجد أن النوى المشعة يمكن أن تنبعث منها جسيمات من ثلاثة أنواع: موجبة وسالبة الشحنة ومحايدة. تم تسمية هذه الأنواع الثلاثة من الإشعاع إشعاع ألفا وبيتا وغاما. تختلف هذه الأنواع الثلاثة من الإشعاع الإشعاعي اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض في قدرتها على تأين ذرات المادة، وبالتالي في قدرتها على الاختراق. لديه أدنى قدرة على الاختراق إشعاع ألفا. في الهواء في الظروف العادية، تنتقل أشعة ألفا مسافة عدة سنتيمترات . أشعة بيتاأقل بكثير امتصاصها من قبل المادة. إنهم قادرون على المرور عبر طبقة من الألومنيوم يبلغ سمكها عدة ملليمترات. تتمتع بأكبر قدرة على الاختراق أشعة جاماقادرة على المرور عبر طبقة من الرصاص بسمك 5-10 سم.
قسميمثل اضمحلال (انقسام) نواة الذرة إلى قسمين تقريبًا. أجزاء متساوية (شظايا)، مصحوبة بإطلاق الطاقة وفي القسم. الحالات، عن طريق انبعاث واحد أو أكثر. الجسيمات، على سبيل المثال النيوترونات. يمكن لبعض النوى الثقيلة أن تنشطر تلقائيًا، بينما يمكن للنوى الأخف أن تنشطر في حالة اصطدامها مع نوى أخرى ذات طاقة عالية. بالإضافة إلى ذلك، فإن النوى الثقيلة، مثل ذرات اليورانيوم، قادرة على الانشطار عند قصفها بالنيوترونات، وبما أن نيوترونات جديدة تنبعث، يمكن أن تصبح العملية مستدامة ذاتيًا، أي انشطارية. يحدث تفاعل متسلسل. أثناء تفاعل الانشطار هذا، يتم إطلاق كمية كبيرة من الطاقة. تحدث التفاعلات المتسلسلة الخاضعة للرقابة في المفاعلات النووية، بينما تحدث التفاعلات المتسلسلة غير المنضبطة في القنبلة الذرية. توليفهو اندماج نواة ذرتين خفيفتين لتكوين نواة جديدة تعادل ذرة أثقل. إذا كانت هذه النواة الجديدة مستقرة، فسيتم إطلاق الطاقة أثناء الاندماج، لأن الروابط الموجودة فيها أقوى من النوى الأصلية. من الكيمياء. تتميز تفاعلات الاندماج النووي بمشاركة ليس فقط إلكترونات الذرات، ولكن أيضًا نواتها. لكل وحدة كتلة من المواد المتفاعلة في تفاعل الاندماج النووي، تقريبًا. طاقة أكبر بعشر مرات من تفاعلات الانشطار. يتم تركيب النوى في مركز منطقة الشمس والنجوم الأخرى، كونها مصدر طاقتها. ويتحقق رد فعل غير منضبط لمثل هذا التوليف في القنابل الهيدروجينية. في الوقت الحاضر، يتم إجراء الأبحاث حول تنفيذ التفاعلات الخاضعة للرقابة لمثل هذا التوليف كمصادر للطاقة.
الجسيمات الأولية- مصطلح جماعي يشير إلى الأجسام الدقيقة الموجودة على نطاق دون نووي والتي لا يمكن تقسيمها إلى الأجزاء المكونة لها.
وينبغي أن يؤخذ في الاعتبار أن بعض الجسيمات الأولية (الإلكترون، الفوتون، الكواركات، وما إلى ذلك) تعتبر حاليا عديمة البنية وتعتبر جسيمات أساسية أولية. تحتوي الجسيمات الأولية الأخرى (ما يسمى بالجزيئات المركبة - البروتون والنيوترون وما إلى ذلك) على بنية داخلية معقدة، ولكن، مع ذلك، وفقا للمفاهيم الحديثة، من المستحيل فصلها إلى أجزاء.
الجسيم الأساسي- جسيم أولي عديم البنية، ولم يوصف حتى الآن بأنه مركب. حاليًا، يُستخدم هذا المصطلح في المقام الأول للإشارة إلى اللبتونات والكواركات (6 جسيمات من كل نوع، جنبًا إلى جنب مع الجسيمات المضادة، تشكل مجموعة من 24 جسيمًا أساسيًا) جنبًا إلى جنب مع البوزونات القياس (الجسيمات التي تحمل التفاعلات الأساسية).
النظرية الحركية الجزيئيةيفسر خصائص الأجسام التي يتم ملاحظتها بشكل مباشر تجريبيًا (الضغط ودرجة الحرارة وما إلى ذلك) على أنها النتيجة الإجمالية لعمل الجزيئات. وهي تستخدم في ذلك الأسلوب الإحصائي، حيث لا تهتم بحركة الجزيئات الفردية، بل فقط بالقيم المتوسطة التي تميز حركة مجموعة ضخمة من الجزيئات. ومن هنا اسمها الآخر - الفيزياء الإحصائية.
المعلمات الديناميكية الحرارية- درجة الحرارة والكثافة والضغط والحجم والمقاومة الكهربائية والكميات الفيزيائية الأخرى:
- تحديد الحالة الديناميكية الحرارية للنظام بشكل لا لبس فيه؛
- لا تأخذ بعين الاعتبار التركيب الجزيئي للأجسام؛ و
- وصف بنيتها العيانية.
واستنادا إلى استخدام المبادئ الأساسية للنظرية الحركية الجزيئية، تم الحصول عليها المعادلة الأساسية للغاز المثالي MKT، والذي يبدو كالتالي: حيث p هو ضغط الغاز المثالي، m0 هو كتلة الجزيء، ومتوسط قيمة تركيز الجزيئات، ومربع سرعة الجزيئات.
نحصل على متوسط قيمة الطاقة الحركية للحركة الانتقالية لجزيئات الغاز المثالي معادلة MKT الأساسيةالغاز المثالي على الشكل :
وفي نظرية الغاز المثالي تعتبر الطاقة الكامنة للتفاعل بين الجزيئات مساوية للصفر. لهذا يتم إعطاء الطاقة الداخلية للغاز المثالي بواسطةالطاقة الحركية لحركة جميع جزيئاتها. متوسط طاقة الحركة لجزيء واحد هو . وبما أن الكيلومول الواحد يحتوي على جزيئات، فإن الطاقة الداخلية للكيلومول الواحد من الغاز ستكون 
وبالنظر إلى ذلك، نحصل على
لأي كتلة غازية م، أي. لأي عدد من الكيلومترات الطاقة الداخلية
| (10.12) |
ويترتب على هذا التعبير أن الطاقة الداخليةهي وظيفة لا لبس فيها للدولة، وبالتالي، عندما يقوم النظام بأي عملية، ونتيجة لذلك يعود النظام إلى حالته الأصلية، فإن إجمالي التغير في الطاقة الداخلية يساوي الصفر. رياضيا، يتم كتابة هذا على أنه الهوية
القانون الثاني للديناميكا الحراريةتنص على أن جميع العمليات التي لا رجعة فيها (وهذه هي جميع العمليات الحرارية تقريبًا، على أي حال، جميع العمليات التي تحدث بشكل طبيعي) تجري على هذا النحو، أن الانتروبيا من المشاركينوفيها تتزايد الأجسام، وتميل إلى القيمة القصوى. يتم تحقيق الحد الأقصى لقيمة الإنتروبيا عندما يصل النظام إلى حالة التوازن.
في الوقت نفسه، تمت الإشارة بالفعل أعلاه إلى أن الانتقال إلى حالة التوازن أكثر احتمالا بكثير مقارنة بجميع التحولات الأخرى. لذلك، يتم ملاحظة فقط تلك التغييرات في الحالة التي ينتقل فيها النظام من حالة أقل احتمالًا إلى حالة أكثر احتمالًا (يزداد الاحتمال الديناميكي الحراري).
العلاقة بين الاحتمال الديناميكي الحراري لحالة النظام والأنتروبياتأسست عام 1875 على يد عالمين مشهورين - د. جيبس وإل بولتزمان. يتم التعبير عن هذا الاتصال صيغة بولتزمان، والذي يبدو كالتالي:
| , | (4.56) |
أين ، ر- ثابت الغاز العالمي، ن أ- رقم أفوجادرو.
معادلة الغاز المثالي للحالة(أحيانًا معادلة كلابيرون أو معادلة مندليف-كلابيرون) هي صيغة تحدد العلاقة بين الضغط والحجم المولي ودرجة الحرارة المطلقة للغاز المثالي. تبدو المعادلة كما يلي:
ضغط،
الحجم المولي,
ثابت الغاز العالمي
درجة الحرارة المطلقة، ك.
بما أن أين هي كمية المادة وأين الكتلة هي الكتلة المولية، يمكن كتابة معادلة الحالة:
ويمكن ملاحظة أن هذه المعادلة هي في الواقع معادلة حالة الغاز المثالي مع تصحيحين. يأخذ التصحيح في الاعتبار قوى التجاذب بين الجزيئات (ينخفض الضغط على الجدار، نظرًا لوجود قوى تسحب جزيئات الطبقة الحدودية إلى الداخل)، ويأخذ التصحيح في الاعتبار قوى التنافر (نطرح الحجم الذي تشغله الجزيئات من الحجم الإجمالي).
لشامات غاز فانتبدو معادلة دير فالس للحالة كما يلي:
أين الحجم،
متساوي الحرارةخط على مخطط الطور يصور العملية التي تحدث عند درجة حرارة ثابتة (عملية متساوية الحرارة). المعادلة متساوي الحرارةالغاز المثالي pV = const، حيث p هو الضغط، V هو حجم الغاز. بالنسبة للغاز الحقيقي، المعادلة متساوي الحرارةله طابع أكثر تعقيدًا ويدخل في المعادلة متساوي الحرارةالغاز المثالي فقط عند ضغوط منخفضة أو درجات حرارة عالية.
في التين. 2.8 تخطيطيا وتظهر متساوي الحرارة الغازفان دير فالس لدرجات حرارة مختلفة.
تظهر هذه الأيسوثرمات بوضوح المنطقة التي يزداد فيها الضغط مع زيادة الحجم. هذه المنطقة ليس لها أي معنى مادي. في المنطقة التي يصنع فيها الأيسوثرم انحناء متعرج، يتقاطع الأيسوثرم معه ثلاث مرات، أي أن هناك ثلاث قيم حجمية لنفس قيم المعلمات و. ومع ارتفاع درجة الحرارة، يتناقص المقطع الشبيه بالموجة ويتحول إلى نقطة (انظر النقطة K في الشكل 2.8). هذه النقطة تسمى حرجة، قيمتها تعتمد على خصائص الغاز.
متساوي الحرارة للغاز الحقيقي (تخطيطي)
الأزرق - متساوي الحرارة عند درجات حرارة أقل من الحرجة. المناطق الخضراء عليها هي حالات شبه مستقرة.
المنطقة الواقعة على يسار النقطة F هي سائلة عادية.
النقطة F هي نقطة الغليان.
Direct FG - توازن المرحلتين السائلة والغازية.
القسم FA - سائل مسخن.
القسم F′A - السائل الممتد (ص<0).
القسم AC هو استمرار تحليلي للأيسوثرم وهو مستحيل فيزيائيا.
القسم CG - البخار فائق التبريد.
النقطة G هي نقطة الندى.
المنطقة الواقعة على يمين النقطة G هي غاز طبيعي.
مناطق الشكل FAB و GCB متساوية.
الأحمر هو الأيسوثرم الحرج.
K هي النقطة الحرجة.
الأزرق - متساوي الحرارة فوق الحرجة
لأن العملية برمتها تحدث عند درجة حرارة ثابتة ت، منحنى يصور اعتماد الضغط p على الحجم الخامس, يسمى متساوي الحرارة. عند الحجم V 1، يبدأ تكثيف الغاز، وينتهي عند الحجم V 2. إذا كانت V > V 1 فإن المادة ستكون في الحالة الغازية، وإذا كانت V< V 2 - в жидком.
التجارب تظهر ذلك تمتلك متساوي الحرارة لجميع الغازات الأخرى أيضًا هذا الشكل إذا لم تكن درجة حرارتها مرتفعة جدًا.
في هذه العملية، عندما يتحول الغاز إلى سائل عندما يتغير حجمه من V1 إلى V2، يظل ضغط الغاز ثابتًا. تتوافق كل نقطة من الجزء الخطي من الأيسوثرم 1-2 مع التوازن بين الحالة الغازية والسائلة للمادة. وهذا يعني ذلك على وجه اليقين تو الخامستبقى كمية السائل والغاز فوقه دون تغيير. التوازن ديناميكي: عدد الجزيئات التي تترك السوائل يساوي في المتوسط عدد الجزيئات التي تنتقل من الغاز إلى السائل في نفس الوقت.
هناك أيضا شيء من هذا القبيل حرارة حرجة، إذا كان الغاز عند درجة حرارة أعلى من درجة الحرارة الحرجة (فرد لكل غاز، على سبيل المثال، لثاني أكسيد الكربون حوالي 304 كلفن)، فإنه لم يعد من الممكن تحويله إلى سائل، بغض النظر عن الضغط المطبق عليه. تحدث هذه الظاهرة بسبب حقيقة أن قوى التوتر السطحي للسائل تكون صفرًا عند درجة الحرارة الحرجة. إذا واصلت ضغط الغاز ببطء عند درجة حرارة أعلى من درجة الحرارة الحرجة، فبعد أن يصل إلى حجم يساوي تقريبًا أربعة من الأحجام الجوهرية للجزيئات التي تشكل الغاز، تبدأ انضغاطية الغاز في الانخفاض بشكل حاد.
تاريخ موجز لدراسة الجسيمات الأولية
أول جسيم أولي اكتشفه العلماء هو الإلكترون. الإلكترون هو جسيم أولي يحمل شحنة سالبة. تم اكتشافه في عام 1897 من قبل جي جي طومسون. في وقت لاحق، في عام 1919، اكتشف E. رذرفورد أنه من بين الجزيئات التي خرجت من النوى الذرية كانت هناك بروتونات. ثم تم اكتشاف النيوترونات والنيوترينوات.
في عام 1932، اكتشف ك. أندرسون، أثناء دراسته للأشعة الكونية، البوزيترون والميونات والميزونات K.
منذ أوائل الخمسينيات، أصبحت المسرعات هي الأداة الرئيسية لدراسة الجسيمات الأولية، مما جعل من الممكن اكتشاف عدد كبير من الجزيئات الجديدة. أظهرت الأبحاث أن عالم الجسيمات الأولية معقد للغاية، وأن خصائصها غير متوقعة ولا يمكن التنبؤ بها.
التعريف 1
بالمعنى الضيق، الجسيمات الأولية هي جسيمات لا تتكون من جسيمات أخرى. ولكن في الفيزياء الحديثة يتم استخدام فهم أوسع لهذا المصطلح. وبالتالي فإن الجسيمات الأولية هي أصغر جسيمات المادة التي ليست ذرات ونواة ذرية. الاستثناء لهذه القاعدة هو البروتون. ولهذا السبب تسمى الجسيمات الأولية بالجسيمات تحت النووية. الجزء السائد من هذه الجسيمات عبارة عن أنظمة مركبة.
تشارك الجسيمات الأولية في جميع أنواع التفاعلات الأساسية - القوية، والجاذبية، والضعيفة، والكهرومغناطيسية. غالبًا ما لا يؤخذ تفاعل الجاذبية، بسبب الكتل الصغيرة من الجسيمات الأولية، في الاعتبار. تنقسم جميع الجسيمات الأولية الموجودة حاليًا إلى ثلاث مجموعات كبيرة:
أي جسيم أولي لديه مجموعة من القيم المنفصلة والأعداد الكمومية. الخصائص المشتركة لجميع الجسيمات الأولية هي كما يلي:
ملاحظة 1
وفقًا لعمرها، تكون الجسيمات الأولية مستقرة وشبه مستقرة وغير مستقرة.
الجسيمات الأولية المستقرة هي: الإلكترون الذي يبلغ عمره 51021 سنة، البروتون - أكثر من 1031 سنة، الفوتون، النيوترينو.
شبه هي الجسيمات التي تتحلل نتيجة للتفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة؛ عمر الجسيمات الأولية شبه المستقرة هو أكثر من 10-20 ثانية.
تتحلل الجسيمات الأولية غير المستقرة (الرنينات) أثناء التفاعلات القوية ويكون عمرها $10^(-22) – 10^(-24)$s.
الأعداد الكمومية للجسيمات الأولية هي شحنات الليبتون والباريون. هذه الأرقام هي قيم ثابتة تمامًا لجميع أنواع التفاعلات الأساسية. بالنسبة للنيوترينوات اللبتونية وجسيماتها المضادة، فإن شحنات الليبتون لها إشارات معاكسة. بالنسبة للباريونات، شحنة الباريون هي 1؛ وبالنسبة للجسيمات المضادة المقابلة لها، شحنة الباريون هي -1.
من سمات الهادرونات وجود أرقام كمومية خاصة: "الغرابة"، "الجمال"، "السحر". الهادرونات الشائعة هي النيوترون والبروتون والميزون.
ضمن مجموعات مختلفة من الهادرونات، هناك عائلات من الجسيمات التي لها كتل مماثلة وخصائص مماثلة فيما يتعلق بالتفاعل القوي، ولكنها تختلف في الشحنة الكهربائية. مثال على ذلك البروتون والنيوترون.
إن قدرة الجسيمات الأولية على الخضوع للتحولات المتبادلة، التي تحدث نتيجة للتفاعلات الكهرومغناطيسية وغيرها من التفاعلات الأساسية، هي أهم خاصية لها. هذا النوع من التحول المتبادل هو ولادة زوج، أي تكوين جسيم وجسيم مضاد في نفس الوقت. في الحالة العامة، يتشكل زوج من الجسيمات الأولية بشحنات باريونية ولبتونية متقابلة.
من الممكن تكوين أزواج البوزيترون والإلكترون وأزواج الميون. نوع آخر من التحول المتبادل للجسيمات الأولية هو إبادة الزوج نتيجة اصطدام الجزيئات بتكوين عدد محدود من الفوتونات. كقاعدة عامة، يحدث تكوين فوتونين مع دوران إجمالي للجسيمات المتصادمة يساوي الصفر، وثلاثة فوتونات مع دوران إجمالي يساوي 1. هذا المثال هو مظهر من مظاهر قانون الحفاظ على تكافؤ الشحنة.
في ظل ظروف معينة، من الممكن تكوين نظام مرتبط من البوزيترونيوم e-e+ والميونيوم μ+e-. قد تكون هذه الحالة هي السرعة المنخفضة لتصادم الجزيئات. تسمى هذه الأنظمة غير المستقرة بالذرات الشبيهة بالهيدروجين. يعتمد عمر الذرات الشبيهة بالهيدروجين على الخصائص المحددة للمادة. تتيح هذه الميزة استخدامها في الكيمياء النووية لإجراء دراسة تفصيلية للمادة المكثفة ولدراسة حركية التفاعلات الكيميائية السريعة.
