KVANT FİZİKASI
Kvant fizikası - mikrodünya üçün xarakterik olan hadisələri öyrənən fizikanın bir qolu, yəni. ölçüləri 10-10 m və daha az olan obyektlər. Mikrodünyada baş verən hadisələrin spesifikliyi ilk növbədə birbaşa mümkünsüzlüyündədir, yəni. hisslər vasitəsilə (əsasən görmə) gedən proseslər haqqında məlumat əldə etmək. Mikrodünyanın hadisələrini təsvir etmək üçün eksperimental olaraq ölçülmüş kəmiyyətlərə əsaslanan prinsipial olaraq yeni yanaşma və üsullara ehtiyac var.
Kvant fizikasının doğulmasından əvvəl 19-cu əsrin sonlarında fizikada yaranan dramatik vəziyyət yaranmışdı. Klassik fizika tarazlıq radiasiyasının spektrini adekvat şəkildə təsvir edə bilmədi. O dövrdə istilik şüalanması müstəvi dalğalar toplusu kimi qəbul edilirdi və onun nəzəri təsviri təcrübə ilə yaxşı uyğunlaşırdı. Bununla belə, yüksək tezliklərdə proqnozlaşdırılan radiasiya enerjisinin sıxlığı sonsuza qədər artmalıdır. Bu vəziyyət "ultrabənövşəyi fəlakət" adlanırdı.
Vəziyyətdən gözlənilməz çıxış yolunu alman fiziki Maks Plank (Maks Karl Ernst Lüdviq Plank) təklif etdi. Onun fikrincə, şüalanma ayrı-ayrı kvantlarda baş verir və elektromaqnit dalğasının enerjisi klassik fizikada inanıldığı kimi ixtiyari ola bilməz, lakin müəyyən çox kiçik h h (6,63 10 -34-ə bərabər) ilə mütənasib müəyyən dəyərləri qəbul etməlidir. J s), sonra adı verilmişdir Plank sabiti. Onda ümumi enerji sıxlığı artıq davamlı dəyər hesab oluna bilməz, lakin çoxlu enerji hissələrindən (kvanta) ibarətdir ki, onların cəmi klassik fərziyyələrin proqnozlaşdırıldığı qədər böyük ola bilməz. Radiasiya sıxlığı və "ultrabənövşəyi fəlakət" problemi uğurla həll edildi. 1918-ci ildə enerji kvantının kəşfinə görə Maks Plank Nobel mükafatına layiq görüldü.
Kvantın tətbiqi o zaman elmin üzləşdiyi bir sıra digər məsələləri həll etməyə imkan verdi. Plankın enerji kvantı ideyasından istifadə edərək, 1905-ci ildə Albert Eynşteyn E = hν + W fotoelektrik effekt tənliyini əldə etdi, burada E elektronların kinetik enerjisi, ν elektromaqnit şüalanma tezliyi, h Plank sabiti və W. verilmiş maddə üçün elektron iş funksiyasıdır. Bu işdə ən mühüm nailiyyət elektromaqnit radiasiyasının enerjisinin radiasiya tezliyindən (və ya dalğa uzunluğundan) asılı olaraq tətbiqi oldu ki, bu da sonradan elektromaqnit dalğa miqyasının yaranmasına səbəb oldu.
Kvant ideyası mikrokosmosda baş verən hadisələrin diskret təbiəti haqqında nəticəyə gətirib çıxardı ki, bu da sonralar atomların və atom nüvələrinin enerji səviyyələrinin öyrənilməsində istifadə edildi.
Müxtəlif növ hissəciklərin dalğa uzunluğunun onların enerjisindən asılılığı
(nüvə vahidləri − MeV = 1,6·10 -13 J, fm =10 -15 m)
Mikrodünya hadisələrinin diskretliyinin digər mühüm nəticəsi Lui de Broyl (1929) tərəfindən dalğa-hissəcik ikililiyinin universallığının, yəni. mikrodünyanın obyektlərinin həm dalğa, həm də korpuskulyar təbiətə malik olması faktı. Bu, nəinki hissəciklərin maddə ilə qarşılıqlı təsiri (məsələn, hissəciklərin difraksiyası) ilə əlaqəli bir sıra hadisələri izah etməyə deyil, həm də hissəciklərə təsir etmək üçün radiasiyadan istifadə üsullarını daha da inkişaf etdirməyə imkan verdi ki, bu da əsas müasir elementlərin yaranmasına səbəb oldu. maddəni öyrənmək üçün alət - sürətləndiricilər.
20-ci əsrin 20-ci illərinin ikinci yarısında kvant hadisələrini təsvir etmək üçün nəzəri aparat yaradıldı - kvant mexanikası. Onun yaradılmasında ən mühüm töhfələr Verner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Niels Bor, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Max Born və başqaları tərəfindən verilmişdir.
Kvant mexanikası müasir fizikanın ayrıca, yaxşı işlənmiş hissəsidir. Onun dərindən mənimsənilməsi üçün yaxşı riyazi hazırlıq tələb olunur ki, bu da bir çox universitetlərdə fizika kursunun əhatə dairəsindən kənara çıxır. Bununla belə, kvant mexanikasının əsas anlayışlarının izahı o qədər də çətin deyil. Bu əsas anlayışlara, ilk növbədə, kvantlaşdırmanın fiziki mənası, qeyri-müəyyənlik prinsipi və dalğa funksiyası daxildir.
Mikrokosmosda halların diskretliyinin fiziki mənası, ilk növbədə, Plank sabitinin fiziki mənası ilə bağlıdır. Onun ölçüsünün kiçikliyi müəyyən edir qarşılıqlı əlaqələrin miqyası mikrokosmosda. Həqiqətən də, makro dünya və klassik anlayışlara keçərkən, Plank sabiti kimi kəmiyyətlər əhəmiyyətsiz dərəcədə kiçik olur və əksər hallarda biz onları sıfır hesab edirik. Bu vəziyyətdə, sözdə limitə keçid baş verir, yəni. mikrodünya miqyasında nəhəng olan makro obyektlərin kütlələri, ölçüləri və digər parametrləri mikrodünyada əhəmiyyətli olan qarşılıqlı təsirləri sıfıra endirdikdə klassik fizikanın prinsipləri kvant fizikasının ekstremal versiyası hesab edilə bilər. Buna görə də deyə bilərik ki, Plank sabiti mikro və makro dünyanın hadisələri arasında birləşdirici əlaqədir.
Bunu mikrokosmosdakı halların diskretliyi timsalında xüsusilə yaxşı görmək olar. Məsələn, atomun enerji halları arasındakı fərq elektronvoltun onda biri ola bilər (mikrokosmosun enerji vahidi 1,6·10 -19 J-ə bərabərdir). Bir stəkan suyu qaynatmaq üçün onlarla kilojoul lazım olduğunu xatırlamaq kifayətdir və aydın olur ki, klassik fizika baxımından belə diskretlik tamamilə hiss olunmur! Buna görə də, atomlarda və atom nüvələrində baş verən hadisələrin uzun müddətdir və ardıcıl olaraq təsdiqlənmiş diskretliyinə baxmayaraq, bizi əhatə edən proseslərin davamlılığından danışa bilərik.
Eyni səbəbdən, mikrodünya fizikasının belə bir təməl prinsipi kimi qeyri-müəyyənlik prinsipi, 1927-ci ildə W. Heisenberg tərəfindən təklif edilmişdir
Aşağıdakı rəqəm mikrodünyada qeyri-müəyyənlik prinsipinin tətbiqinin zəruriliyini və makro dünyada bu ehtiyacın olmadığını izah edir.
Həqiqətən də, xarici mənbənin (işığın) makroobyektə (heykəl) təsir dərəcəsi onun parametrləri ilə mütənasib deyildir (məsələn, ekvivalent enerjiyə çevrilmiş kütlə) Düşən işıq fotonunun necə təsir göstərə biləcəyini müzakirə etməyin mənası yoxdur. məsələn, kosmosdakı heykəlin koordinatı.
Mikro obyektin təsir obyektinə çevrilməsi başqa məsələdir. Bir atomdakı elektronun enerjisi onlarla (nadir hallarda daha çox) elektron voltdur və təsir dərəcəsi bu enerji ilə kifayət qədər mütənasibdir. Beləliklə, cəhd edərkən dəqiq ölçün bir mikroobyektin hər hansı bir parametri (enerji, impuls, koordinat), biz ölçmə prosesinin özü ölçülmüş parametrləri və çox güclü şəkildə dəyişdirəcəyi ilə qarşılaşacağıq. Sonra etiraf etmək lazımdır ki, mikrokosmosdakı hər hansı bir ölçmə ilə biz heç vaxt dəqiq ölçmələr edə bilməyəcəyik - Həmişə sistemin əsas parametrlərini təyin edərkən xəta olacaq. Qeyri-müəyyənlik prinsipi formada riyazi ifadəyə malikdir qeyri-müəyyənlik münasibətləri, məsələn, ΔpΔx ≈ ћ, burada Δp impulsun müəyyən edilməsində qeyri-müəyyənlikdir, Δx isə sistemin koordinatlarının müəyyən edilməsində qeyri-müəyyənlikdir. Qeyd edək ki, Plankın sağdakı sabiti qeyri-müəyyənlik prinsipinin tətbiqi hüdudlarını göstərir, çünki makrokosmosda biz onu təhlükəsiz şəkildə sıfırla əvəz edə və istənilən kəmiyyətlərin dəqiq ölçülərini apara bilərik. Qeyri-müəyyənlik prinsipi belə bir nəticəyə gətirib çıxarır ki, sistemin hər hansı bir parametrini dəqiq təyin etmək mümkün deyil, məsələn, kosmosda bir hissəciyin dəqiq yeri haqqında danışmağın mənası yoxdur. Bu baxımdan qeyd etmək lazımdır ki, atomun nüvə ətrafında verilmiş orbitlərdə fırlanan elektronlar toplusu kimi geniş şəkildə təmsil olunması, sadəcə olaraq, insanın ətraf aləmi qavrayışına verilən qiymətdir, insanda bir növ vizual görüntülərə sahib olmaq ehtiyacıdır. qarşısında. Reallıqda atomda aydın traektoriyalar - orbitlər yoxdur.
Bununla belə, sual vermək olar - enerji, impuls, qarşılıqlı təsir (və ya mövcudluq) vaxtı, koordinat kimi parametrlər müəyyən edilmədikdə, mikro aləmdəki sistemlərin əsas xarakterik xüsusiyyəti nədir? Belə bir universal kəmiyyətdir dalğa funksiyası kvant sistemi.
Maks Born tərəfindən kvant sisteminin xüsusiyyətlərini təyin etmək üçün təqdim edilən ψ dalğa funksiyası kifayət qədər mürəkkəb fiziki məna daşıyır. Daha aydın olan digər kəmiyyət dalğa funksiyasının kvadrat moduludur |ψ| 2. Bu dəyər, məsələn, ehtimal kvant sisteminin müəyyən bir zaman nöqtəsində olması. Ümumiyyətlə, mikrodünya fizikasında ehtimal prinsipi əsasdır. Davam edən hər hansı bir proses ilk növbədə onun müəyyən xüsusiyyətləri ilə baş vermə ehtimalı ilə xarakterizə olunur.
Dalğa funksiyası müxtəlif sistemlər üçün fərqlidir. Sistemi düzgün təsvir etmək üçün dalğa funksiyasını bilməklə yanaşı, digər parametrlər haqqında da məlumat tələb olunur, məsələn, sistemin yerləşdiyi və qarşılıqlı əlaqədə olduğu sahənin xüsusiyyətləri. Belə sistemlərin tədqiqi məhz kvant mexanikasının vəzifələrindən biridir. Əslində, kvant fizikası klassik nəzəriyyədən daha ümumi, mikrodünyanın öyrənilməsində təcrübələrimizi və nəticələrimizi təsvir etdiyimiz bir dil təşkil edir. Eyni zamanda başa düşmək lazımdır ki, kvant fizikası klassik fizikanı ləğv etmir, lakin onu məhdudlaşdırıcı hal kimi ehtiva edir. Mikroobyektlərdən adi makroskopik obyektlərə keçərkən onun qanunları klassikləşir və beləliklə, kvant fizikası klassik fizikanın tətbiqi hüdudlarını müəyyən edir. Klassik fizikadan kvant fizikasına keçid materiyaya daha dərindən baxılması səviyyəsinə keçiddir.
Mikrokosmosda baş verən proseslər demək olar ki, tamamilə hissi qavrayış hüdudlarından kənarda olan hadisələrə aiddir. Buna görə də, kvant nəzəriyyəsinin işlədiyi anlayışlar və onun hesab etdiyi hadisələr çox vaxt aydınlıqdan məhrumdur. ,
klassik fizikaya xas olan. Kvant nəzəriyyəsinin inkişafı ilə zərrəciklər və dalğalar, diskret və davamlı, statistik (ehtimal) və dinamik təsvirlər haqqında belə aydın görünən və tanış olan fikirlərə yenidən baxıldı. Kvant fizikası dünyanın müasir fiziki mənzərəsinin qurulmasında ən vacib addım oldu. Bu, çoxlu sayda müxtəlif hadisələri - atomlarda və atom nüvələrində baş verən proseslərdən bərk cisimlərdə makroskopik təsirlərə qədər proqnozlaşdırmağa və izah etməyə imkan verdi; onsuz, indi göründüyü kimi, Kainatın mənşəyini anlamaq mümkün deyil. Kvant fizikasının diapazonu genişdir - elementar hissəciklərdən tutmuş kosmik obyektlərə qədər. Kvant fizikası olmadan təkcə təbiət elmini deyil, müasir texnologiyanı da təsəvvür etmək mümkün deyil.
ATOM FİZİKASI
1885-ci ildə J.J.Tomson mikrokosmosun ilk obyekti olan elektronu kəşf etdi. Elmin yeni bir sahəsinin - atom fizikasının yaranması üçün başlanğıc qoyuldu. Artıq 20-ci əsrin əvvəllərində atomun quruluşunun bir neçə modeli var idi, onlardan ən məşhuru J. J. Tomsonun özünə aid idi. Bu modelə əsaslanaraq, atom kiçik həcmdə lokallaşdırılmış müsbət yük idi, onun içərisində, keksdəki kişmiş kimi, elektronlar var idi. Bu model bir sıra müşahidə edilən effektləri izah etdi, lakin başqalarını, xüsusən də xətti atom spektrlərinin görünüşünü izah edə bilmədi. 1911-ci ildə Tomsonun həmyerlisi Ernest Ruterford atomun quruluşu ilə bağlı suala cavab verməyə çalışdı.
Eksperimental dizayn sadə idi - mənbə, helium nüvələri yayan radioaktiv maddə qurğuşun blokuna yerləşdirildi. Yüklənmiş hissəciklər nazik qızıl folqadan keçdi və qızıl atomları ilə qarşılıqlı təsir göstərərək səpələndi. Daha sonra səpələnmiş hissəciklər parıldamağa (alovlanma) səbəb olduğu bir maddə ilə örtülmüş ekrana dəydi. İdeya ondan ibarət idi ki, Tomsonun atom modeli düzgün olsaydı, qarşılıqlı təsir hissəciklərin yolu boyunca bütün bucaqlarda təxminən bərabər şəkildə baş verəcəkdir. Həqiqətən də, hissəciklərin əksəriyyəti folqa materialı ilə zəif qarşılıqlı əlaqədə olmaqla ekrana dəyir. Ancaq kiçik bir hissə (mindən təxminən 8-i) atomun ortasında cəmləşmiş bir növ yüklə toqquşmuş kimi, GERİYƏ güclü səpilmə yaşadı. Çoxsaylı təcrübələrdən sonra Rezerford Tomson modelinin səhv olduğu qənaətinə gəldi. O, daha sonra planetar adlanan bir model təklif etdi. Mərkəzdə, kiçik həcmdə, bütün müsbət yük (nüvə) cəmlənmişdir, elektronlar onun ətrafında yerləşir.
Ruterfordun modeli yaxşı idi, lakin yenə də bir sıra suallara cavab vermədi. Məsələn, atom şüalanması (lüminesans) necə baş verir? Hansı şəraitdə atomlar müxtəlif işıq fotonları yayırlar? Bu nədən asılıdır? Atomların emissiyası onların içindəki elektronların davranışı ilə əlaqədardırmı? Bu sualların cavablarını iki il sonra görkəmli Danimarkalı fizik Niels Henrik David Bor verdi.
Danimarka 500 kron əskinasındakı N. Borun şəkli.
Bor planetar modelini inkişaf etdirərək, bir atomdakı hər bir elektronun müəyyən bir sabit enerji vəziyyətinə malik olduğunu irəli sürdü (bu, çox kobud şəkildə elektronun hansısa orbitdə olması kimi təsvir edilə bilər).Atom ən aşağı enerji vəziyyətində olsa da, şüalana bilməz. Kənardan enerji qəbul edərkən elektronlar enerji vəziyyətini dəyişə bilər (başqa orbitə keçə bilər) və ya hətta atomu tərk edə bilər (ionlaşma). Yerinə (və ya orbitinə) qayıtdıqda, artıq enerji xarakterik şüalanma (hər hansı bir enerji ilə foton) şəklində buraxılır. "Bor görə" atom ilk atom modellərinin yaradılmasından sonra yaranan bütün suallara cavab verdi. Atomların eksperimental tədqiqi Bor modelini və yeri gəlmişkən, atomdakı enerjilərin diskretliyi ilə bağlı kvant proqnozlarını uğurla təsdiqlədi. 1922-ci ildə Nils Bor atomların quruluşu və onların şüalanmasına dair işinə görə Nobel mükafatına layiq görüldü.
Artıq ötən əsrin 20-ci illərində atom yaxşı öyrənilmişdi. Atomun komponentləri - nüvə və elektronlar arasında əlaqənin məlum Kulon potensialı hesabına həyata keçirilməsi də uğura kömək etdi. 20-ci illərin sonunda bir sıra atomları və onların davranış nümunələrini təsvir edən kvant nəzəriyyəsi yarandı.
Atomlar xarakterik ölçüləri 10 -10 m olan elektrik neytral kvant sistemləridir.Hər bir atom atomun müsbət yükünün cəmləşdiyi və atomun demək olar ki, bütün (99,9%-dən çox) kütləsinin cəmləşdiyi nüvəni ehtiva edir. Mənfi yük elektronlar arasında paylanır, onların sayı nüvədəki müsbət yüklü nüvə hissəciklərinin (protonlarının) sayına bərabərdir. Bir atoma ionlaşma enerjisi adlanan müəyyən bir enerji tətbiq edildikdə, elektronlardan biri atomu tərk edir. Qalan müsbət yüklü hissə deyilir ion və bu proses ionlaşmadır. Əks proses rekombinasiya adlanır və rekombinasiyadan əvvəl və sonra atomun enerjilərindəki fərqə uyğun olan enerjiyə malik fotonun emissiyası ilə müşayiət olunur.
İonlaşma ətrafımızda daim baş verən bir prosesdir. İonlaşma mənbələri kosmik şüalanma, müxtəlif alətlər və cihazlar, radioaktiv mənbələrdir.
Atomların yuxarıda təsvir edilən xassələrinə əsaslanaraq çoxlu sayda texniki qurğular fəaliyyət göstərir. Hər gün qarşılaşdığımız bir nümunə floresan lampalardır. Bu cihazlarda işıq emissiyasına səbəb olan ionların rekombinasiyası nəticəsində yaranan qazın parıltısıdır.
Ötən əsrin 50-ci illərində bir sıra atomlardan fotonların stimullaşdırılmış emissiyasının xassələrinin öyrənilməsi nəticəsində optik şüalanma gücləndiriciləri - lazerlər yaradılmışdır. (qısaltmadan Stimullaşdırılmış Radiasiya Emissiyası ilə İşığın Gücləndirilməsi − stimullaşdırılmış emissiya ilə işığın gücləndirilməsi). Lazer Arximedin əfsanəvi güzgü qalxanları kimi optik cihaz deyil, şüalanmanı optik olaraq gücləndirmək üçün atom səviyyələrinin strukturundan istifadə edən kvant cihazıdır. Lazerin əsas üstünlüyü onun yaratdığı radiasiyanın yüksək monoxromatikliyidir (yəni bütün yayılan fotonlar demək olar ki, eyni dalğa uzunluğuna malikdir). Məhz bu səbəbdən lazerlər hazırda sənaye və məişət elektronikası və texnologiyası, tibb və digər sahələrdə geniş istifadə olunur.
ATOM NÜVƏSİNİN FİZİKASI
1911-ci ildə Ernest Ruterford öz atom modelini təklif etdi, onun mərkəzində atomun demək olar ki, bütün kütləsini ehtiva edən təxminən 10 -15 - 10 -14 m ölçüləri olan bir obyekt var idi. Bu obyekt adlandırıldı atom nüvəsi. Ancaq təəccüblü deyil ki, atom nüvəsinin tədqiqi xeyli əvvəllər, 19-cu əsrin sonunda başlayıb. Düzdür, o zamanlar atom nüvələrinin xassələri strukturu dəqiq bilinməyən atomlara aid edilirdi.
IN 
1896 Antuan Bekkerel bəzi ağır metalların atomlarından şüalanmanı tədqiq edərək belə nəticəyə gəldi ki, onların buraxdığı hissəciklər, işıqdan fərqli olaraq, sıx maddələrə nüfuz etməyə meyllidirlər. 3 ildən sonra radioaktiv maddələrlə eksperimentləri davam etdirən Ernest Ruterford uran filizini maqnit sahəsinə yerləşdirdi və ilkin şüanın 3 hissəyə bölündüyünü, bir növ hissəciklərin maqnitin şimal qütbünə doğru, ikincisinin cənuba doğru sapdığını aşkar etdi. üçüncü isə dəyişmədən keçdi. Bu şüalanmaların mahiyyətini hələ bilmədən Ruterford onları yunan əlifbasının ilk üç hərfinin - α, β və γ hərfinin şərəfinə adlandırdı. Becquerel və Rutherforddan əlavə, oxşar tədqiqatlar Küri həyat yoldaşları Pierre və Marie (Sklodowska-Curie) tərəfindən də aparılmışdır. Marie Curie atom nüvələrində radioaktivliyin öyrənilməsinə böyük töhfə verdi, ilk dəfə metal radium əldə etdi və eksperimental nüvə fizikasını yaradan alimlərdən biri oldu. O, iki Nobel mükafatına (kimya və fizika üzrə) layiq görülmüş yeganə qadın alimdir.
Bununla belə, atom nüvəsi fizikasının inkişafında real irəliləyiş kvant mexanikasının yaradılmasından sonra baş verdi. Axı, 1911-13-cü illərdən sonra. Rezerford və Bor atomun quruluşunu kəşf etdilər, sual yarandı - atom nüvəsinin quruluşu necədir? Ruterford 1918-21-ci illərdə apararaq buna cavab verməyə çalışdı. yüngül atom nüvələrinin öyrənilməsi üzrə təcrübələr. İlk dəfə 1919-cu ildə həyata keçirən o idi nüvə reaksiyası və açıldı proton
14 N + 4 O → 17 O + p
Helium nüvələri (α-hissəcikləri) ilə qarşılıqlı əlaqədə olan azot oksigen və hidrogenə çevrildi. Əslində, Ruterford orta əsr kimyagərlərinin xəyal etdiyi şeyə - bir maddənin digərinə çevrilməsinə ilk nail oldu.
Nüvədən protonun emissiyası nüvədə protonların olması fikrini təsdiqlədi. Eyni zamanda məlum oldu ki, nüvələrin kütlələri lazımi sayda protondan ibarət olduqdan qat-qat böyükdür. Sonra nüvənin proton-elektron modeli haqqında fikir yarandı, nüvədəki elektronlar orada olan bəzi protonların yükünü, necə deyərlər, “çəki üçün” kompensasiya etdi.
Kvant mexanikasının uğurları çox keçmədən ona gətirib çıxardı ki, nüvələrdə elektronların olması ehtimalı şübhə altında idi - qeyri-müəyyənlik prinsipinə uyğun olaraq, nüvəyə yerləşdirilən elektron çox enerjiyə malik olmalı və orada saxlanıla bilməzdi. . 1931-ci ildə Heyzenberq, İvanenko və Majorana bir-birindən asılı olmayaraq “neytral proton” ideyasını – atom nüvəsində yerləşən yükü olmayan ağır hissəcik ideyasını irəli sürdülər. Son aydınlıq 1932-ci ildə Ceyms Çadvikin kəşf etdiyi vaxt gəldi neytron– kütləsi təxminən protonun kütləsinə bərabər olan neytral hissəcik. Beləliklə, müasir proton-neytron modeli atom nüvəsi.
Atom nüvəsi haqqında məlumatımızdakı əsas çatışmazlıq dəqiq formanın olmamasıdır nüvə potensialı, nuklonları birləşdirir. Nüvənin tam nəzəriyyəsinin yaradılması probleminin həlli nüvə fizikasında ən vacib məsələdir. Eyni zamanda, atom nüvəsinin quruluşu haqqında çox şey bilirik.
Atom nüvəsi ölçüləri 10-15 m olan, iki növ hissəcikdən - proton və neytrondan ibarət olan bir cisimdir. Onların kütlələri təxminən 1,7·10 -27 kq, neytron isə protondan 0,14% ağırdır. Xassələrindəki oxşarlığa görə (yükün olması istisna olmaqla) hər iki hissəcik çox vaxt “ sözü” adlanır. nuklon».
Hal-hazırda təxminən 3400 atom nüvəsi məlumdur. Onlardan 330-u sabitdir, qalanları kifayət qədər qısa müddətdə kortəbii olaraq digər nüvələrə (radioaktiv) çevrilə bilir. Eyni sayda proton, lakin fərqli sayda neytron olan nüvələr adlanır izotoplar eyni element. Məsələn, hidrogenin üç izotopu var - hidrogenin özü, deuterium və radioaktiv tritium. Lakin qalayda 30-dan çox izotop var, onların əksəriyyəti radioaktivdir.
Atom nüvəsi kvant fizikasının qanunlarına tabe olan kvant sistemidir. Atom nüvəsi diskret enerji quruluşuna malikdir. Düzdür, onun atomdakı kimi “planetar” quruluşu yoxdur, lakin enerji səviyyələri adlanan nuklonların müxtəlif enerji mövqeləri də var. Enerjinin bir hissəsini qəbul edərkən nüvədəki nuklonlar daha yüksək enerji vəziyyətinə keçir və geri qayıtdıqda isə qısa dalğa uzunluğuna malik fotonlar şəklində enerji yayırlar. Belə nüvə fotonları adətən γ adlanır -kvant. Enerjiyə çatdıqda çağırılır nuklonların ayrılma enerjisi, nüvə onun tərkibini və xassələrini dəyişdirərək bir nuklon çıxara bilər. Nüvədəki müxtəlif növ nuklonların sayı və onların enerji vəziyyəti atom nüvələrinin xassələrini və daha fundamental xüsusiyyətlərini müəyyən edir. Məsələn, Kainatdakı elementlərin bolluğu dəqiq olaraq atom nüvələrinin kvant xüsusiyyətləri ilə izah olunur.
Nuklonlar nüvələrə birləşdikdə maraqlı bir təsir müşahidə olunur - yaranan nüvənin kütləsi onu təşkil edən nuklonların kütləsindən bir qədər (təxminən 1%) az olur. Nuklonların kütləsi ilə nüvənin kütləsi arasındakı fərq nüvədəki nuklonların bağlanmasına kömək edir və buna görə də deyilir. bağlayıcı enerji
E св = ZМ p с 2 + (A-Z)М n с2 − М i с 2,
burada Z nüvə yükü, A isə kütləvi sayı(nüvədəki nuklonların sayı)
Bağlayıcı enerji son dərəcə vacib bir kəmiyyətdir və bu da nüvələrin bir çox xassələrini müəyyən edir. Eyni dərəcədə vacib bir miqdardır xüsusi bağlama enerjisi, yəni. bağlanma enerjisinin nuklonların sayına nisbəti
Xüsusi bağlanma enerjisinin nuklonların sayından asılılığı
Qeyd etmək olar ki, bu asılılıq 56 Fe nüvəsi bölgəsində aydın maksimuma malikdir (buna görə də ona “dəmir maksimumu” da deyilir). Bu hal, mübaliğəsiz, çox böyük praktik əhəmiyyətə malikdir.
Keçən əsrin 30-cu illərinin sonlarında ağır nüvələrin tədqiqi zamanı xüsusi bağlanma enerjisinin tədricən azalması modeli müəyyən edilmişdir. Nəticədə, bu dəyər azaldıqca, nüvə daha qeyri-sabit və "boş" olur. Bundan əlavə, müəyyən bir təsir altında, nuklonları atmağa başlaya bilər və ya hətta parçalana bilər. 1939-cu ildə alman fizikləri Otto Hahn və Fritz Strassman uran duzlarını termal neytronlarla şüalandıraraq reaksiya məhsulları arasında bariyi aşkar etdilər. Bu o demək idi ki, çox az təsir altında (termal neytronların enerjisi otaq temperaturunda qaz molekullarının enerjisinə uyğundur) uran izotoplarından biri parçalanmağa qadirdir. Bununla belə, əsas məsələ bu deyildi, yuxarıdakı diaqramdan göründüyü kimi, yaranan fraqment nüvələrinin daha yüksək xüsusi bağlanma enerjisinə sahib olacağı, yəni. daha möhkəm bağlanacaq. Buna görə də parçalanma zamanı enerji fərqi olacaq və bu fərq sərbəst buraxılacaq. Növbəti on il yarım bu kəşfi praktiki istifadəyə gətirdi. Birincisi 1942-ci ildə istifadəyə verilmişdir nüvə reaktoru(ABŞ), birincisi 1945-ci ildə partladıldı nüvə bombası(ABŞ), 1954-cü ildə - ilk atom elektrik stansiyası işə salındı (SSRİ).
Praktikada parçalanmadan enerji necə bərpa olunur? Təsəvvür edək ki, kiçik bir təsirlə (termal neytronlar) parçalanan maddənin kifayət qədər miqdarda nümunəsi var. İlk parçalanma aktından sonra, parçalanmış nüvələrə əlavə olaraq, termal neytronlardan çox daha yüksək enerjiyə malik bir neçə neytron buraxılacaq. Onlar yol boyu qarşılaşdıqları nüvələri parçalayacaqlar, bu proses nəticəsində hər yeni parçalanan nüvədə yeni neytronlar əmələ gələcək, bu da öz növbəsində yeni nüvələri parçalayacaq və s. Proses uçquna bənzər xarakter daşıyacaq və bu səbəbdən adlanır zəncirvari reaksiya bölmə.
Bənzər bir proses nüvə yükündə həyata keçirilir və qısa (bir neçə millisaniyə) vaxt ərzində böyük enerji buraxılmasına səbəb olur. Bir neçə kiloqram yükün partlaması, məsələn, 239 Pu, adi partlayıcının bir neçə yüz kilotonluq (!) partlamasına bənzəyir.
Ancaq bu prosesi zamanla uzatmağın bir yolu var. Əgər zəncirvari reaksiyanın diaqramına baxsanız, nüvələri bölən neytronların sayının mühüm amil olduğunu görə bilərsiniz. Buna görə də, parçalanan materiala neytronları tuta bilən bir maddə (absorber) yerləşdirməklə, bu prosesi kifayət qədər yavaşlatmaq, sərbəst buraxılan enerjini çıxarmaq, məsələn, suyu qaynatmaq və istifadə etməyə məcbur etmək mümkündür. elektrik stansiyasının (AES) turbinini döndərmək üçün buxar. Müasir atom elektrik stansiyaları absorber kimi karbondan (qrafitdən) istifadə edir.
Əgər indi “dəmir maksimumunun” solunda yerləşən nüvələrin bölgəsinə baxsanız, onların xüsusi bağlanma enerjisinin, orta hesabla, maksimumun özündə nüvələrinkindən daha aşağı olduğunu görərsiniz. Beləliklə, yüngül nüvələr üçün parçalanmaya əks proses - birləşmə mümkündür. Bu vəziyyətdə, parçalanma vəziyyətində olduğu kimi, enerji sərbəst buraxılacaq. Sintez reaksiyalarına, məsələn, helium yaratmaq üçün deyterium nüvələrinin birləşməsi daxildir.
2 H + 2 H → 3 He + n
 Termonüvə reaksiyası |
Problem, asan göründüyü kimi, bütün hallarda oxşar yüklü cisimlərin, sözdə Coulomb maneəsi, aradan qaldırmaq üçün hələ də enerji sərf etməlisiniz. Bu, sintez edilən maddələrin çox yüksək (milyonlarla dərəcə) temperaturlara qədər qızdırılması ilə ən asan əldə edilir. Yer şəraitində bu, yalnız nüvə partlayışı zamanı mümkündür. Beləliklə, nüvə yükünü yüngül elementlərin qabığına yerləşdirməklə idarə olunmayan birləşmə reaksiyası və ya (nəticədə yüksək temperaturlara görə) əldə etmək mümkündür. termonüvə reaksiyası. İlk dəfə belə bir reaksiya (termonüvə bombasının partlaması) 1953-cü ildə (SSRİ) həyata keçirilmişdir.
Təbiətdə termonüvə reaksiyaları ulduzlarda baş verir, burada Kulon maneəsini "aşmaq" üçün bütün şərait mövcuddur. Bundan əlavə, ən güclü qravitasiya sıxılması da dəmirə qədər daha ağır elementlərin meydana gəlməsi ilə birləşmə reaksiyasını təşviq edir.
İdarə olunan termonüvə birləşməsinin həyata keçirilməsi problemi həll edilməmiş və atom nüvəsinin fizikası üçün ən aktual problemlərdən biri olaraq qalır, çünki bu, ətraf mühit üçün heç bir zərərli nəticələr olmadan, demək olar ki, qeyri-məhdud miqdarda ucuz yanacaq istifadə etməyə imkan verir.
Artıq qeyd edildiyi kimi, atom nüvəsinin tərkibi əsasən onun xassələrini müəyyən edir. Nüvələrin davranışına təsir edən ən görkəmli nüvə xüsusiyyətlərindən biri atom nüvələrindəki neytronlar və protonlar arasındakı nisbətdir. Bu ən yaxşı sözdə görünür N-Z diaqramı.
Atom nüvələrinin N-Z diaqramı.
Diaqramda bir neçə nəzərə çarpan sahəni görə bilərsiniz. Onlardan biri mərkəzi hissədir, qara rənglə işarələnmiş dar nüvə zolağıdır. Bu, "sabitlik vadisi" adlanan, çürüməyə məruz qalmayan sabit nüvələr bölgəsidir. Neytronların sayı artdıqca (sabitlik vadisinin sağında) mavi ilə işarələnmiş nüvələr yerləşir. Neytronların çoxluğu olduqda nüvənin enerjisi artır və neytronlardan birini protona çevirməklə sabitlik vadisinə “qayıtmaq” mümkün olur.
n → p + e - + e.
Bu proses adlanır β-minus çürüməsi. Neytron protona çevrilir, elektron və elektron. Neytron nüvələrdən kənarda bu çürüməni yaşaya bilər. Belə çürümə nəticəsində nüvə sabitlik bölgəsinə doğru hərəkət edərək yükünü artırır.
Qırmızı bölgə protonların çox olduğu nüvələr bölgəsidir. Onlar tərs prosesi həyata keçirirlər:
p → n + e + + ν e
çağırdı β-plus çürümə. Proton neytron, pozitron və elektron neytrinoya çevrilir (son iki hissəcik elektron və antineytrinoların "antipodları"dır). Qeyd etmək lazımdır ki, protonun kütləsi neytronun kütləsindən az olduğu üçün belə parçalanma yalnız nüvələrdə baş verir, sərbəst vəziyyətdə proton sabitdir.
Diaqramdakı sarı sahə ağır qeyri-sabit nüvələrin sahəsidir. Onlar başqa bir çürümə növü ilə xarakterizə olunur - α-hissəciklərin emissiyası (4 He nüvəsi) və ya α çürüməsi, Bu cür çürümə həm yükün, həm də kütlə sayının azalmasına və nüvənin daha yüngül nüvələr bölgəsinə “hərəkətinə” səbəb olur. Bəzən bu, çürümə zəncirinə gətirib çıxarır. Misal üçün,
226 Ra → 222 Rn + 4 He; 222 Rn → 208 Po + 4 He; 208 Po → 204 Pb + 4 He,
sonuncunun artıq sabit bir nüvə olduğu.
Bir çox hallarda, çürümə nəticəsində yaranan nüvə artıq enerjiyə malikdir və ondan meydana gələn γ-kvantını buraxaraq ondan ayrılır. γ keçid nüvədə (bəzən tam olaraq düzgün adlandırılmır γ-parçalanma).
Bütün nüvə parçalanmaları parçalanma ehtimalı, buraxılan hissəciklərin növü və onların enerjiləri ilə əlaqəli öz xüsusiyyətləri ilə xarakterizə olunur. Bununla belə, Becquerel və Curie-nin işi zamanı qurulmuş ümumi çürümə qanunları var. Əsas odur radioaktiv parçalanma qanunu.
N(t) = N 0 e -λt ,
burada N müəyyən andakı nümunədəki radioaktiv nüvələrin sayı, N 0 müəyyən ilkin zamanda radioaktiv nüvələrin sayı və λ parçalanma ehtimalını xarakterizə edən qondarma tənəzzül sabitidir. Çürümə sabiti praktik istifadə üçün çox əlverişli deyil, buna görə də başqa bir dəyər tez-tez istifadə olunur, T 1/2 - yarı həyat, aktiv nüvələrin sayının 2 dəfə azaldığı vaxtı xarakterizə edir. Çürümə sabiti və yarımparçalanma müddəti əlaqə ilə bağlıdır
Müxtəlif radioaktiv mənbə nüvələrinin yarı ömrü millisaniyələrdən milyardlarla ilə qədər dəyişə bilər. Bundan əlavə, vacib bir xüsusiyyət, müəyyən bir zamanda çürümənin intensivliyini xarakterizə edən mənbənin (və ya onun kütləsinin) fəaliyyətidir. Ətrafımızda davamlı olaraq müxtəlif növ radioaktiv nüvələr mövcuddur və insan orqanizmində daima 40 K və 14 C olan iki radioaktiv izotop mövcuddur.
HİSSƏÇƏLƏR FİZİKASI
Hissəciklər fizikası bəlkə də fizikanın ən dinamik sahələrindən biridir. Ən azı, 40-50 il əvvəl ətrafımızdakı dünya haqqında təsəvvürlərin indikilərdən çox fərqli olduğu təbiət elminin hər hansı başqa sahəsini adlandırmaq çətindir. Bu, ilk növbədə, maddənin eksperimental və nəzəri tədqiqatları zamanı bu müddət ərzində baş verən fundamental hissəciklər və qarşılıqlı təsirlər haqqındakı fikirlərin dəyişməsi ilə əlaqədardır. İndi hissəciklər fizikasının əsas prinsipləri hansılardır?
Əsas hissəciklər− hal-hazırda maddənin elementar komponentləri olan hissəciklər toplusu. Ötən əsrin 20-ci illərində yalnız iki belə hissəcik (və ümumiyyətlə hissəciklər) var idi - proton və elektron. Artıq 50-ci illərdə məlum hissəciklərin ümumi sayı iyirmiyə yaxınlaşdı və onların bir çoxu struktursuz hesab olunurdu. İndi hissəciklərin ümumi sayı yüzlərlədir, lakin yalnız bir neçəsi həqiqətən əsasdır. Bütün əsas hissəcikləri bir neçə böyük qrupa bölmək olar.
Kvarklar. Müasir anlayışlara görə, bu maddənin əsas komponentidir, kütləsi ilə bütün görünən maddələrin 95% -dən çoxunu təşkil edirlər. Kvarklar 6 növə (tadlara) bölünür ki, onların hər birinin özünəməxsus xüsusiyyətləri və digərlərindən fərqləri var. Bu u(yuxarı), d(aşağı), s(qəribə), c(cazibə), b(aşağı) və t(yuxarı). Kvarklar var fraksiya yükü, elektronun (protonun) yükünün 1/3 və ya 2/3 hissəsinə bərabərdir. Kvarkların hər birinin özünəməxsusluğu var antihissəcik- antikvark, kütləcə kvarkla eynidir, lakin bir çox digər xüsusiyyətlərinə görə əksdir (məsələn, əks elektrik yükü olan). Bundan əlavə, kvarkların xüsusi bir xüsusiyyəti var - rəng, ki, bütün digər hissəciklər yoxdur (onların rəngsiz olduğu deyilir). Kvarkların üç rəngi var - qırmızı,
mavi Və yaşıl.
Əlbəttə ki, kvarkların rənginin gözə görünən bir təsir olduğunu düşünməməlisiniz. Rəng, kvarkların müxtəlif qarşılıqlı təsirləri zamanı davranışında ifadə olunan xüsusi bir xüsusiyyətə aiddir. Bu vəziyyətdə ad şərtidir, necə ki, bu xüsusiyyət adlandırıla bilər, məsələn, dad və ya hər hansı digər termin istifadə edilə bilər.
Asanlıqla hesablamaq olar ki, kvarkların ümumi sayı (antikvarklar və rənglər də daxil olmaqla) 36-dır. Məlum olan bütün struktur ağır hissəciklər bu 36 hissəcikdən əmələ gəlir. Üç kvarkın birləşməsindən əmələ gəlir baryonlar, və kvark-antikvark cütləri dəsti, mezonlar. Baryonlara məşhur proton və neytron da daxildir. Baryonlar və mezonlar ümumi termin altında birləşdirilir hadronlar. Bütün adronlardan yalnız proton sabitdir; bütün digər hadronlar çürüyərək başqa hissəciklərə çevrilir.
Leptonlar. Bu, başqa bir hissəciklər qrupudur, onların adronlardan əsas fərqi onların strukturunun olmamasıdır, yəni. Leptonlar başqa hissəciklərdən ibarət deyil, elementardır. Leptonlar yüklü − bölünür elektron, muon Və taon və neytral - elektron, muonik Və sirr neytrino. Antihissəcikləri nəzərə alsaq, leptonların ümumi sayı 12-dir. Atomları təşkil edən elektronlar istisna olmaqla, leptonlar heç bir birləşmə yaratmır. Elektron yeganə sabit yüklü leptondur. Bütün növ neytrinoların sabitliyi indi sual altındadır.
Qarşılıqlı təsir daşıyıcıları. Qarşılıqlı əlaqənin ümumi sayı 4-dür. Bu güclü(kvarklar və adronlar arasında fəaliyyət göstərir), elektromaqnit,
zəif(demək olar ki, bütün hissəciklər arasında hərəkət edir, lakin xüsusilə leptonların qarşılıqlı təsirində aydın şəkildə özünü göstərir) və qravitasiya. Hər bir qarşılıqlı əlaqə daşıyıcı hissəciklər axını kimi təmsil olunan bir sahə ilə aparılır. Güclü qarşılıqlı təsirin daşıyıcısıdır gluon, elektromaqnit − qamma kvant, zəif - üç növ ara bozonlar(W - , W + və Z) və qravitasiya - qraviton(lakin sonuncu hissəcik yalnız nəzəri mülahizələrdən proqnozlaşdırılır). Bütün daşıyıcıların öz xüsusiyyətləri var və hər biri öz qarşılıqlı fəaliyyətində iştirak edir.
Qalan hissəciklərə gəlincə, güclü qarşılıqlı təsirdə yalnız adronlar və qluonlar iştirak edir; elektromaqnit – yüklü hissəciklər və qamma kvantlarda; zəifdə - digər qarşılıqlı təsirlərin daşıyıcılarından başqa hər şey; qravitasiyada - kütləsi olan hissəciklər. Zərrəciklər kütləsinin meydana gəlməsi Hiqqs sahəsi adlanan başqa bir xüsusi sahə ilə əlaqələndirilir və onu daşıyan hissəciklər Higgs bozonları.
Ötən əsrin 60-cı illərinin əvvəllərinə qədər o dövrdə məlum olan bütün hissəciklər struktursuz hesab olunurdu. Bununla belə, əsas eksperimental vasitələrin - hissəcik sürətləndiricilərinin inkişafındakı irəliləyiş sayəsində artıq 50-ci illərin sonunda nuklonların quruluşu haqqında fərziyyələr yarandı. Elektron sürətləndiricisində eksperimentlər aparan amerikalı fizik Robert Hofstadter aşkar etdi ki, elektronları neytronlara səpməklə elektronların neytronun “daxili” ilə qarşılıqlı əlaqədə olduğunu görmək olar, sanki onun içərisində mürəkkəb şəkildə paylanmış bir növ gizli yük var. . Hofstadter bunun yüklənməmiş neytron daxilində müəyyən elektrik yük daşıyıcılarının olması ilə bağlı ola biləcəyini irəli sürdü. Bir neçə il sonra oxşar təcrübələr başqa laboratoriyalarda da aparıldı.
Bu təcrübələrin məlumatlarına əsaslanaraq və o dövrdə kəşf edilmiş hissəciklərin sistematikasını öyrənərək, 1963-cü ildə başqa bir amerikalı fizik Murray Gell-Mann, proton və neytronun kvark adlandırdığı daha kiçik hissəciklərdən qurulduğunu fərz etdi. Əvvəlcə Gell-Mann yalnız iki kvark təqdim etdi - u Və d, lakin sonra fərqli xassələrə malik daha çox sayda açıq hissəciklər modelə düzəlişlər etməyə məcbur oldular, onların sayını əvvəlcə 3 və 4-ə, sonra isə 6-ya çatdırdılar. Kvark fərziyyəsi inkişafında bir çox problemlərlə qarşılaşdı. Birincisi, yükü elektronun yükündən az olan hissəciklərin varlığını qavramaq psixoloji cəhətdən çətin idi.İkincisi, 60-cı illərin sonunda kəşf edilən hissəciklər kvark modelində elə şərh olunurdu ki, bu, əsas prinsipə zidd ola bilər. kvant mexanikasının prinsipləri. Bu problemi həll etmək üçün kvarkların xüsusi bir xarakteristikası (kvant sayı) tətbiq edildi - rəng. Üçüncüsü, kvark modelinin problemi ondan ibarət idi ki, kvarkları sərbəst vəziyyətdə aşkar etmək üçün edilən bütün cəhdlər uğur gətirmədi. Bu, bir çox elm adamları arasında modelin rədd edilməsinə səbəb oldu, çünki hipotezin yalnız eksperimental təsdiqi onu fərziyyələr kateqoriyasından fiziki həqiqətlər kateqoriyasına köçürür. Beləliklə, 1969-cu ildə M. Gell-Mann Nobel mükafatına layiq görüldü, lakin mükafatın “Elementar hissəciklərin və onların qarşılıqlı təsirlərinin təsnifatında töhfə və kəşflərə görə” ifadəsində “kvark” sözü yox idi.
Yalnız DESY (Almaniya), Fermilab (ABŞ) və Avropa Nüvə Tədqiqatları Mərkəzində (CERN) 80-ci illərin sonunda aparılan təcrübələrdən sonra fraksiya yüklü hissəciklərin mövcudluğunu göstərən effektləri müşahidə etmək mümkün oldu. Tərkibində “kvark” sözünün olduğu ilk Nobel mükafatı 1990-cı ildə y, y və y-yə verilmişdir. Təxminən eyni vaxtda kvarkların sərbəst vəziyyətdə müşahidə probleminin izahı verilmişdir. Kvarkların bir-biri ilə qarşılıqlı təsirinin spesifikliyi bu proseduru əsaslı şəkildə qeyri-mümkün edir (sözdə həbs), kvark effektlərinin yalnız dolayı müşahidəsi mümkündür.
Hazırda nəzəri fizikanın qlüonları və kvarkları öyrənən yaxşı inkişaf etmiş ayrı bir qolu var. kvant xromodinamikası. Bu bölmə kvant nəzəriyyəsinin kvarkların və qluonların xüsusi “rəng məkanına” tətbiqi ilə bağlı irəliləyişlərini ümumiləşdirir.
Adronlar - kvarklardan qurulmuş hissəciklər - hazırda 400-dən çox hissəcik (və antihissəciklər) daxildir. Onların hamısı, proton və neytron (nüvələrdə sabit olan) istisna olmaqla, bir mikrosaniyədən çox olmayan ömürlərə malikdir və digər hissəciklərə parçalanır (son nəticədə sabit). Bir sıra hissəciklərin kütlələri nuklonların kütləsindən bir neçə dəfə böyükdür. Hadronlar arasında elektrik cəhətdən neytral hissəciklər, yüklülər də var, o cümlədən +2 və -2 yüklü (elektron yük vahidlərində). Ağır hissəciklərin müxtəlifliyi onların müxtəlif sahələrlə qarşılıqlı əlaqə nümunələrini öyrənməyə və nəhayət, dünyamızın qurulması nümunələrini düzgün başa düşməyə imkan verir.
Leptonlar hadronlar kimi müxtəlifliyi ilə öyünə bilməzlər. Onların ümumi sayı (antihissəciklər daxil olmaqla) cəmi 12-dir. Ən yüngül yüklü lepton olan elektron 1895-ci ildə, onun antihissəciyi (pozitronu) 1934-cü ildə, daha ağır müon 1962-ci ildə və sonuncusu, kütləsi elektrondan 3000 dəfədən çox olan taon 1975-ci ildə kəşf edilmişdir. Lakin bu gün ən maraqlısı yüksüz leptonlar-neytrinolardır.
Keçən əsrin 20-ci illərinin sonlarında müxtəlif növ radioaktiv parçalanmaların intensiv tədqiqi aparıldı. β-pozunu tədqiq edərkən elm adamları paradoksal bir vəziyyətlə qarşılaşdılar - elektronların hər dəfə fərqli enerjiləri var idi, baxmayaraq ki, parçalanma zamanı iki hissəcik meydana gəldi.
bütün çürümə enerjisi elektron və atom nüvəsi arasında mütənasib olaraq bölünməlidir, yəni. elektronların sabit enerjisi olmalıdır. İş o yerə çatdı ki, hətta Niels Bor da β-çürümənin enerjinin saxlanması qanununu pozduğunu etiraf etməyə hazır idi! Həllini görkəmli alman fiziki Volfqanq Pauli tapmışdır. O təklif etdi ki, elektronla yanaşı, parçalanma zamanı qeydiyyatdan keçmədən uçan və hər dəfə enerjinin fərqli hissəsini aparan başqa bir yüksüz hissəcik (kiçik neytron) meydana çıxır. Paulinin təklif etdiyi ideya vəziyyəti parlaq şəkildə həll etdi, enerjinin saxlanması qanunu sarsılmaz olaraq qaldı və yeni bir hissəciyin ortaya çıxması vəziyyəti "enerji itkisi" ilə izah etdi. Bununla belə, kifayət qədər uzun müddət neytrino (Enrico Fermi tərəfindən təklif olunan ad) “kağız hissəcik” olaraq qaldı.
Neytrinoların eksperimental tədqiqində irəliləyiş ilk növbədə görkəmli fizik (1950-ci ildə SSRİ-yə köçmüş italyan) Bruno Pontecorvonun adı ilə bağlıdır. 1944-cü ildə Pontecorvo neytrinoların mümkün xassələrinin nəzəri tədqiqatını apararaq, bu hissəciyi aşkar etmək üçün effektiv üsul təklif etdi. Mənbə, Pontecorvo-ya görə, radioaktiv nüvələrin intensiv şəkildə parçalandığı bir proses ola bilər. Bir az sonra Pontecorvo neytrinoların süni mənbəyi kimi nüvə reaktorundan istifadə etməyi təklif etdi. Artıq 50-ci illərin əvvəllərində neytrinoların qeydiyyatı üzərində iş başladı (o zaman neytrinoların antihissəciklərinin olmadığı güman edilirdi). (anti)neytrinoları aşkar etmək üçün ilk təcrübə 1957-ci ildə reaktor antineytrinolarını qeydiyyata almağa müvəffəq olan Frederik Reynsin və Klayd L. Kouanın təcrübəsi idi. Bu hissəciyin tədqiqində növbəti mərhələ 1967-ci ildə Homestake mədənində (ABŞ) kiçik Raymond Davis tərəfindən həyata keçirilən günəş neytrinolarının qeydiyyatı olmuşdur. Hətta o zaman aydın oldu ki, neytrinoların maddə ilə qarşılıqlı əlaqəsi o qədər nadir hallarda baş verir ki, onun effektiv qeydiyyatı böyük həcmdə qeyd materialı və uzun ölçmə müddəti tələb edir. Kamiokande qurğusunda (Yaponiya) bir neçə il ərzində bir neçə on minlərlə ton su tutumu olan nəhəng bir tankla aparılan ən uğurlu neytrino təcrübələrindən biri ildə bir neçə neytrino şəklində nəticə verdi! Üstəlik, vaxtdan əlavə, bu cür təcrübələrin aparılması həm də böyük maliyyə xərcləri tələb edir. B. Pontecorvonun uyğun ifadəsində “Elementar hissəciklər fizikası bahalı elmdir...”.
Neytrinolara müasir marağın səbəbi nədir? Bu hissəciklərin ən yüksək nüfuzetmə qabiliyyəti başqa cür öyrənilməsi mümkün olmayan obyektlər haqqında məlumat əldə etməyə imkan verir. Burada tətbiqlərin diapazonu böyükdür - uzaq qalaktikalar və qalaktika klasterlərindəki proseslər haqqında məlumatdan tutmuş Yerin neytrino geolokasiyasına qədər. Hazırda astrofiziki neytrinoların qeydiyyatı üçün iri layihələr - dəniz suyu və ya buzun qeydedici maddə kimi istifadə olunduğu böyük həcmli neytrino teleskopları istifadəyə verilir. Şimal (Aralıq dənizi) və Cənub (Antarktika) yarımkürələrində həcmi 1 km 3 olan iki teleskopun qurulması planlaşdırılır.
ANTARES Neytrino Teleskopu
Neytrino kütləsi problemi də həll olunmamış qalır. Təəccüblüdür ki, bu bəlkə də yeganə hissəcikdir ki, onun kütləsi olub-olmadığını söyləmək mümkün deyil! Son illərdə bu problemin həllində böyük ümidlər neytrino salınımları adlanan müşahidələrə, bir növ neytrinoların digərinə kortəbii keçidlərinə verilmişdir.
Müasir tədqiqatın müxtəlif üsullarının olmasına baxmayaraq, ötən əsrin 40-cı illərindən bəri əsas alət olaraq qalır yüklü hissəciklərin sürətləndiriciləri. İstənilən sürətləndirici, sözün hərfi mənasında, materiyaya dərindən baxmağa imkan verən mikroskopdur. Həqiqətən də, mikrokosmosdakı obyekti müşahidə etmək üçün onun ölçüsünə uyğun dalğa uzunluğuna malik radiasiyadan istifadə etmək lazımdır. Və hissəciklərin dalğa xüsusiyyətlərinə əsaslanaraq əldə edə bilərik
burada λ dalğa uzunluğu, ћ Plank sabiti, c işığın sürəti və E enerjidir, onda “mikroskopumuzu” daha çox “böyütmək” üçün hissəciklərin enerjisini artırmaq lazımdır. Hal-hazırda müxtəlif növ sürətləndiricilər var, əsasən sürətləndirici protonlar və elektronlar. Məsələn, standart xətti sürətləndiricinin iş prinsipi son dərəcə sadədir və ondan ibarətdir ki, elektron (və ya proton) potensial fərqdən keçdikdə enerji qazanır.
Buna görə nüvə və hissəciklər fizikasında istifadə olunan enerji vahidi "elektronvolt" adlanır, bu, elektronun 1 Volt potensial fərqindən keçərkən əldə etdiyi enerjidir. Əlbəttə ki, müasir sürətləndiricilərdə sürətlənmə alternativ elektromaqnit sahəsindən, müxtəlif sahələrdə "yellənən" hissəciklərdən istifadə etməklə həyata keçirilir. Bu gün elektron sürətləndiricilərində əldə edilən maksimum elektron enerjisi 100 GeV (10 11 eV), proton sürətləndiricilərində isə 3,5 TeV (3,5 10 12 eV) təşkil edir. Son dəyər ən böyük müasir proton sürətləndiricisində əldə edilən proton enerjisinə uyğundur - Böyük Adron Kollayderi(LHC) CERN-də.
CERN-də sürətləndirici kompleksin coğrafi xəritədə sxematik təsviri.
Bu ən böyük sürətləndirici kompleksin uzunluğu 27 kilometrdən çox olan superkeçirici halqadır ki, bu da protonları 7 TeV enerjiyə qədər “fırlatmağa” imkan verir. Toqquşan protonların belə bir enerjisi ilə (və toqquşma, əlbəttə ki, enerji çıxışını daha da artırır) müxtəlif hissəciklərin, o cümlədən böyük kütlələrə malik olanların meydana gəlməsi ilə hər cür reaksiyaları müşahidə etmək mümkün olur. Kollayderdə planlaşdırılan təcrübələrin əksəriyyəti proqnozların sınaqdan keçirilməsi ilə bağlıdır Standart Model− maddənin quruluşunu təsvir edən nəzəri fərziyyələr toplusu. Bu fərziyyələrin təsdiqi və ya təkzibi elmə bu gün bəşəriyyətin üzləşdiyi problemləri həll edərək irəli getmək imkanı verəcək.
Özünü test sualları
· Mikroskopiya yolu 3
· Mikroskopiya həddi 5
· Görünməz şüalanmalar 7
· Elektronlar və elektron optika 9
· Elektronlar dalğalardır!? 12
· Elektron mikroskopun quruluşu 13
· Elektron mikroskopiya obyektləri 15
· Elektron mikroskopların növləri 17
· Elektron mikroskopla işin xüsusiyyətləri 21
· Elektron mikroskopiyasının difraksiya həddini aşma yolları 23
· İstinadlar 27
· Şəkillər 28
Qeydlər:
1. Simvol gücə yüksəltmək deməkdir. Məsələn, 2 3 "3-ün gücünə 2" deməkdir.
2. Simvol e ədədin eksponensial formada yazılması deməkdir. Məsələn, 2 e3 "3-cü dərəcəyə 2 dəfə 10" deməkdir.
3. Bütün şəkillər son səhifədədir.
4. Tamamilə “son” ədəbiyyatdan istifadə olunmadığına görə, bu abstraktdakı məlumatlar xüsusilə “təzə” deyil.
Göz görməz günəşi,
o kimi olmasaydı
Günəşə.
Goethe.
Mikroskopiya üsulu.
17-ci əsrin əvvəllərində ilk mikroskop yaradılanda, çətin ki, heç kim (və ya onun ixtiraçısı) mikroskopiyanın gələcək uğurlarını və çoxsaylı tətbiqlərini təsəvvür edə bilməzdi. Geriyə nəzər saldıqda əmin oluruq ki, bu ixtira yeni qurğunun yaradılmasından daha çox nəyisə qeyd edir: ilk dəfə insan əvvəllər görünməyənləri görə bildi.
Təxminən eyni vaxtda başqa bir hadisə planetlər və ulduzlar aləmində görünməyənləri görməyə imkan verən teleskopun ixtirasına təsadüf edir. Mikroskop və teleskopun ixtirası təkcə təbiəti öyrənmək yollarında deyil, həm də tədqiqat metodunun özündə bir inqilab idi.
Həqiqətən də, antik dövrün təbiət filosofları təbiəti müşahidə edir, onun haqqında yalnız gözün gördüklərini, dərinin hiss etdiklərini və qulağın eşitdiyini öyrənirdilər. İnsan ancaq indiki kimi “çılpaq” hisslərdən istifadə edərək və xüsusi təcrübələr aparmadan ətrafdakı dünya haqqında nə qədər düzgün məlumat aldıqlarına təəccüblənmək olar. Eyni zamanda, dəqiq faktlar və parlaq təxminlərlə yanaşı, qədim və orta əsrlər alimləri tərəfindən bizə nə qədər yalan "müşahidə", bəyanatlar və nəticələr qoyub getdi!
Yalnız çox sonra şüurlu şəkildə planlaşdırılmış təcrübələrin qurulmasından ibarət olan təbiəti öyrənmək üsulu tapıldı, məqsədi fərziyyələri və aydın şəkildə tərtib edilmiş fərziyyələri yoxlamaqdır. Onun yaradıcılarından biri olan Frensis Bekon bu tədqiqat metodunun xüsusiyyətlərini indi məşhur olan aşağıdakı sözlərlə ifadə etmişdir: “Təcrübə aparmaq təbiəti sorğulamaqdır.” Müasir fikirlərə görə eksperimental metodun ilk addımları belə idi. təvazökar və əksər hallarda o dövrün eksperimentçiləri hissləri “artıran” heç bir cihaz olmadan məşğul olurdular. Mikroskop və teleskopun ixtirası müşahidə və təcrübə imkanlarının böyük bir genişlənməsini təmsil etdi.
Artıq müasir konsepsiyalara uyğun olaraq ən sadə və ən qüsursuz texnologiyadan istifadə edilməklə aparılan ilk müşahidələr “bir damcı suda bütöv bir dünya” kəşf etdi. Məlum oldu ki, tanış obyektlər mikroskopla yoxlandıqda tamamilə fərqli görünür: gözə və toxunuşa hamar olan səthlər əslində kobud olur və saysız-hesabsız kiçik orqanizmlər “təmiz” suda hərəkət edir. Eyni şəkildə, teleskoplardan istifadə edərək ilk astronomik müşahidələr insanlara planetlərin və ulduzların tanış dünyasını yeni şəkildə görmək imkanı verdi: məsələn, bütün nəsillərin şairlərinin oxuduğu Ayın səthi belə çıxdı. dağlıq və çoxsaylı kraterlərlə nöqtələnmişdir və Veneranın da Aylar kimi faza dəyişikliyi olduğu aşkar edilmişdir.
Gələcəkdə bu sadə müşahidələr müstəqil elm sahələrini doğuracaq: mikroskopiya və müşahidə astronomiyası. İllər keçəcək və bu sahələrin hər biri biologiya, tibb, texnologiya, kimya, fizika və naviqasiyada bir sıra çox fərqli tətbiqlərdə ifadə olunan çoxsaylı nəticələrə çevriləcək.
Elektron mikroskoplardan fərqli olaraq optik adlandıracağımız müasir mikroskoplar yüksək ayırdetmə qabiliyyəti ilə yüksək böyütmələr əldə etməyə imkan verən mükəmməl alətlərdir. Qətnamə iki bitişik struktur elementin hələ də ayrı-ayrılıqda görünə biləcəyi məsafə ilə müəyyən edilir. Bununla belə, tədqiqatın göstərdiyi kimi, optik mikroskopiya işığın dalğa təbiətindən qaynaqlanan hadisələrin ¾ difraksiyası və müdaxiləsi səbəbindən praktiki olaraq imkanlarının əsas həddinə çatmışdır.
Monoxromatiklik və koherenslik dərəcəsi istənilən təbiət dalğalarının (elektromaqnit, səs və s.) mühüm xarakteristikasıdır. Monoxromatik titrəmələr ¾ müəyyən bir tezlikdə sinus dalğalarından ibarət titrəmələrdir. Sabit amplituda, tezlik və faza ilə sadə bir sinusoid şəklində salınımları təsəvvür etdikdə, bu, müəyyən bir idealizasiyadır, çünki təbiətdə bir sinus ilə tamamilə dəqiq təsvir olunan salınımlar və dalğalar yoxdur. dalğa. Bununla belə, tədqiqatların göstərdiyi kimi, real rəqslər və dalğalar ideal sinusoidə daha çox və ya daha az dəqiqlik dərəcəsi ilə yaxınlaşa bilər (daha çox və ya daha az monoxromatikliyə malikdir). Mürəkkəb formalı salınımlar və dalğalar sinusoidal salınımlar və dalğalar toplusu kimi təqdim edilə bilər. Əslində, bu riyazi əməliyyat günəş işığını rəng spektrinə parçalayan prizma tərəfindən həyata keçirilir.
Eyni tezlikli monoxromatik dalğalar, o cümlədən işıq dalğaları (müəyyən şəraitdə!) bir-biri ilə elə qarşılıqlı əlaqədə ola bilər ki, nəticədə “işıq qaranlığa çevrilir” və ya necə deyərlər, dalğalar müdaxilə edə bilər. Müdaxilə zamanı dalğaların bir-biri ilə yerli “gücləndirilməsi və bastırılması” baş verir. Dalğa müdaxilə nümunəsinin zamanla dəyişməz qalması üçün (məsələn, ona gözlə baxarkən və ya fotoşəkil çəkərkən) dalğaların bir-biri ilə əlaqəli olması lazımdır (sabitlik verirlərsə, iki dalğa bir-biri ilə koherentdir). onların tezliklərinin bərabərliyinə və daimi faza sürüşməsinə uyğun gələn müdaxilə nümunəsi).
Dalğaların yayılma yoluna maneələr qoyularsa, bu dalğaların yayılma istiqamətinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir edəcəkdir. Belə maneələr ekranlardakı deşiklərin kənarları, qeyri-şəffaf obyektlər, eləcə də dalğaların yayılması yolunda hər hansı digər növ qeyri-bərabərlik ola bilər. Xüsusilə, şəffaf olan (müəyyən bir şüalanma üçün), lakin sınma indeksinə görə və buna görə də onların içərisində dalğaların keçmə sürətinə görə fərqlənən cisimlər də qeyri-bərabər ola bilər. Dalğaların maneələrin yaxınlığından keçərkən onların yayılma istiqamətinin dəyişməsi hadisəsinə difraksiya deyilir. Difraksiya adətən müdaxilə hadisələri ilə müşayiət olunur.
Mikroskopiyanın həddi.
İstənilən optik sistemdən istifadə etməklə əldə edilən təsvir bu sistemdən keçən işıq dalğasının müxtəlif hissələrinin müdaxiləsinin nəticəsidir. Xüsusilə məlumdur ki, sistemin giriş göz bəbəyi (optik sistemi təşkil edən linzaların, güzgülərin və diafraqmaların kənarları) işıq dalğasının məhdudlaşdırılması və bununla bağlı difraksiya hadisəsi işıq saçan işıq dalğasının işıq saçmasına səbəb olur. nöqtə difraksiya dairəsi şəklində təsvir olunacaq. Bu hal optik sistemin yaratdığı təsvirin kiçik detallarını ayırd etmək imkanını məhdudlaşdırır. Məsələn, yuvarlaq bir göz bəbəyinin difraksiyası nəticəsində sonsuz uzaqlıqda olan işıq mənbəyinin (ulduz) təsviri olduqca mürəkkəb bir şəkildir (bax. Şəkil 1). Bu şəkildə siz konsentrik işıq və qaranlıq üzüklər dəstini görə bilərsiniz. Şəklin mərkəzindən kənarlarına doğru hərəkət etsəniz düzəldilə bilən işıqlandırmanın paylanması optika kurslarında verilən olduqca mürəkkəb düsturlarla təsvir edilmişdir. Bununla birlikdə, birinci (şəklin mərkəzindən) qaranlıq üzük mövqeyinə xas olan nümunələr sadə görünür. Optik sistemin giriş göz bəbəyinin diametrini D ilə və sonsuz uzaq mənbənin göndərdiyi işığın dalğa uzunluğunu l ilə işarə edək.
düyü. 1. İşıqlı nöqtənin difraksiya təsviri (Ayri disk adlanır).
Birinci qaranlıq halqanın radiusunun göründüyü bucağı j ilə işarə etsək, optikada sübut olunduğu kimi,
günah j » 1,22 * ( l /D) .
Beləliklə, dalğa cəbhəsinin optik sistemin kənarlarına (giriş göz bəbəyi) məhdudlaşdırılması nəticəsində sonsuzluqda obyektə uyğun gələn işıqlı nöqtəni təsvir etmək əvəzinə, bir sıra difraksiya halqaları alırıq. Təbii ki, bu fenomen iki yaxın yerləşmiş nöqtə işıq mənbəyini ayırd etmək qabiliyyətini məhdudlaşdırır. Həqiqətən də, iki uzaq mənbə, məsələn, göyün qübbəsində bir-birinə çox yaxın yerləşən iki ulduz vəziyyətində müşahidə müstəvisində iki konsentrik halqa sistemi meydana gəlir. Müəyyən şərtlər altında onlar üst-üstə düşə bilər və mənbələri ayırd etmək qeyri-mümkün olur. Təsadüfi deyil ki, yuxarıda verilmiş düsturun “tövsiyəsinə” uyğun olaraq, onlar böyük giriş şagirdi ölçüləri olan astronomik teleskoplar qurmağa çalışırlar. Bir-birindən sıx məsafədə yerləşən iki işıq mənbəyinin müşahidə oluna biləcəyi ayırdetmə həddi aşağıdakı kimi müəyyən edilir: dəqiqlik üçün ayırdetmə həddi iki nöqtəli işıq mənbəyinin difraksiya təsvirlərinin mövqeyi kimi qəbul edilir ki, bu zaman birinci qaranlıq halqadan biri tərəfindən yaradılır. mənbələr başqa bir mənbənin yaratdığı parlaq nöqtənin mərkəzi ilə üst-üstə düşür.
Mikrodünyanın müasir fizikasının qısa xülasəsi :
1 . Mikrodünya əsasən ölçülərinə görə fərqlənən iki növ hissəcikdən ibarətdir: ultra mikro dünyanın hissəciklərindən ( Misal üçün , foton ) və mikrodünyanın hissəcikləri ( Misal üçün , elektron ). Ultra mikro dünya mikro dünyanın hissəciklərindən üç dəfə kiçikdir . Adətən 10-dan mənfi on səkkizinci gücə qədər .
2. Beləliklə, hissəciklərin hərəkətinin üç istiqaməti var ( düyü .1 ) Və , müvafiq olaraq , sahələr üçün üç boşluq : qravitasiya sahəsi , elektrik və maqnit sahəsi . Bu əsasda hər üç sahənin vəhdətindən danışmaq olar , mikrokosmosda hər üç sahənin bir-birindən ayrılmaz olduğunu . ( Təbiətdə maddələr var , ayrı-ayrılıqda maqnit sahələri və ya elektrik sahələri yaratmaq ). Bu ifadənin nəticəsi olaraq, bir maqnit sahəsinə elektrik cərəyanı üçün bir keçirici daxil edilərsə , onda ona elektrik sahəsi təsir edə bilməz , maqnit sahəsinə həmişə ortoqonal olan .
3. Buna diqqət edək , mikrodünyanın hər zərrəciyinin daha üç sərbəstlik dərəcəsi var , fırlanma hərəkəti üçün istifadə olunur . şəkə baxın. 1 . Fizik Hopkins deyir , o məkan zamana və əksinə çevrilə bilər . Bu ifadəni necə başa düşmək olar ? Enerjinin saxlanması qanununu bilirik , olan oxuyur : cismin kinetik və potensial enerjisinin cəmi sabitdir . Mikrokosmosun məkanında zərrəciyin hərəkəti salınımdır . Salınım hərəkəti iki hərəkətin əlavə edilməsinin nəticəsidir : tərcümə və fırlanma . Kinematik enerji tərcümə hərəkətinin enerjisidir , potensial isə kosmosda müxtəlif yollarla hərəkətsiz olan cismin yığılmış enerjisidir . Translational hərəkət kosmosda həyata keçirilir , və zamanda fırlanma və bu hərəkətlərin riyazi sərhəd şərtləri var , hansı fizik Hopkins bizə danışdı .
4. Mən inanıram , ultra mikrokosmosun bütün hissəciklərinin bir-birindən yalnız vibrasiya tezliyində fərqləndiyini . Misal üçün , ultrabənövşəyi və infra işıq : eyni foton , lakin müxtəlif tezliklərdə . Mən inanıram , bu tezlik enerji saxlama formasıdır , T .e. tezlik hissəciyin kinetik və potensial enerjisinin miqdarını müəyyən edir . Çünki Eynşteynin düsturu yalnız hərəkət edən hissəciyin kinetik enerjisini nəzərə alır , onda bu formulun tənzimlənməsinə ehtiyac var . Görünür , Bir hissəciyin kütləsi ilə biz xüsusi kütləni başa düşməliyik , T . e . vibrasiya tezliyinin yaratdığı həcm kütləsi : hissəciyin kütləsi titrəmə amplitudasının və dalğa uzunluğunun sahəsinin məhsuluna və ya bu dalğanın riyazi gözləntisinə bölünməlidir..
5. Mikrokosmosun hər elementar hissəciyi öz tezliyi ilə özünəməxsus tipli ultra mikro hissəcikləri ehtiva edir. Misal üçün , elektronlarda eyni tezlikli fotonlar var ( yeni adla: “ bionlar ”), lakin buraxılan fotonun tezliyi elektronun xüsusi orbitinin şərtlərinə uyğunlaşdırılır . Şəkil 4 bu fərziyyənin sübutunu təqdim edir. : bütün elektromaqnit dalğaları müəyyən bir orbitdə eyni uzunluqda və amplituda olmalıdır . Amma orbitdən başqa orbitə keçid tezlik parametrlərinin dəyişməsi ilə müşayiət olunur : T . e . amplituda və dalğa uzunluğu . Hər bir orbitin öz potensial enerji səviyyəsi var ep gii , enerjinin saxlanması qanununun nəticəsi kimi . Səbəb səh e Mikrodünyanın elementar hissəciklərindən kvark enerjisinin kəskin şəkildə qaçması rezonans hadisələrinə səbəb ola bilər. .
Orbitdəki elektron blokunun fırlanma momenti var , elektron kütləsinin və orbital radiusun məhsuludur , orbitlərin özlərinin fırlanmasına gətirib çıxarır . Bir atomdakı elektronların hər bir orbiti mahiyyət etibarilə qapalı elektrik dövrəsidir və buna görə də öz ətrafında elektromaqnit sahəsi yaradır.. Buna görə də orbitdəki elektronların sürəti eynidir , elektrik dövrəsində olduğu kimi . Bu sahə elektronların nüvənin protonlarına yaxınlaşmasına mane olur . Maqnit sahə xətlərinin istiqaməti gimlet qaydasından istifadə etməklə müəyyən edilə bilər .
7 . Fiziki ədəbiyyat bunu göstərir , elektronun spini 2. Həqiqətən , Foton buraxıldıqda 90 dərəcə fırlanır , T . e . 1 tərəfindən / 2 arxa orijinal vəziyyətinə qayıdır , daha 1 verir / 2 geri . Sonra döngənin kənarını dəyişir və yenidən 1 / 2 və 1 / 2 , T . e . ümumi spin 2-dir .
7. Bizim Kainat - fiziki olaraq qapalı məkan . Fiziki sabitlərlə məhdudlaşır : Misal üçün , işığın sürəti saniyədə 300.000 km və ya temperatur həddi 273-dür , 16 dərəcə Selsi . Buna görə də Enerjinin Saxlanılması Qanununa tabedir və buna görə də milyardlarla ildir ki, mövcuddur . Bu faktı necə izah etmək olar? , planetlərin orbitlərdə hərəkətinin dayanmadığını ? fərz edirik , Planetlərin Partlayış impulsundan sonra ətalətlə hərəkət etdiyini , o zaman milyardlarla il ərzində bu enerji meteoritlərlə və günəş küləyi ilə qarşılaşma nəticəsində müəyyən qədər itiriləcək.. Qeyd , ki, ultra mikro dünyanın hissəcikləri hərəkət edərkən, hərəkət trayektoriyası ətrafında salınımlı hərəkətlər edir., T . e . onların hərəkəti müəyyən tezlikdə salınan bir prosesdir . Təbiətdəki salınım prosesi potensial enerjinin kinetik enerjiyə və geriyə keçməsidir. Bundan belə çıxır ki , hər hansı bir cismin qapalı məkanda hərəkəti tezlik mexanizmi vasitəsilə potensial enerji ehtiyatından istifadə etməlidir.
Temperaturların niyə mövcud olduğunu bilmirik , vakuum məhdudiyyətləri və məhdud işıq sürəti . Bəlkə də krioplazma var , qara dəlik kimi bir şey , müqavilə ene səh müəyyən dərəcədə giyu , bundan sonra Big Bang baş verir .
8. Alimlər eksperimental olaraq işıq sürətinə və ya sıfır Kelvin temperaturuna çata bilməyiblər. . Onları yalnız asimptotik olaraq kiçik bir miqdarla bu hədlərə yaxınlaşdırdılar . Bu təcrübələr böyük enerji xərcləri tələb edirdi . Beləliklə, müəyyən edilmişdir ki , az miqdarda bölgədə böyük enerji xərcləri yaranır . Biz klassik fizikadan güc düsturunu bilirik F kütlələr qarşılıqlı əlaqədə olduqda : m 1 M 2 Harada r kütlələr arasındakı məsafədir :
F = m 1 *M 2 /r^ 2 . Protonun və ya elektronun çəkisi təxminən 0-dır , 91 * 10 gücə mənfi 31 kq ( kütlə daha kiçik bir miqyasdır ), sıxlıq 6 , 1 * 10-dan 17-yə qədər kq / m ^ 3 . Zəif qarşılıqlı təsirdə olan hissəciklər arasındakı məsafə ( 2 * 10-dan mənfi 1-ə 5 dərəcə ) m və güclü qarşılıqlı əlaqə ilə ( 10-dan mənfi 18-ə qədər ) məlumdur . Lakin bu hissəciklərin cazibə qüvvəsini hesablayarkən faktı nəzərə almaq lazımdır , hər bir mikro hissəcik mikro salınımlı dövrədir . Bax o nöqtənin izahı 10. Klassik fizikanın düsturunun mikrodünyanın hissəciklərinin qarşılıqlı təsirinin hesablamalarına tətbiqi bizə göstərir ki, , klassik fizika ilə kvant və ya relativistik arasında heç bir sərhəd olmadığını .
9. Yüklənmiş obyektlər , Misal üçün , elektronlar təkcə elektrostatik sahəyə deyil, həm də elektrik cərəyanına səbəb olur. Bu iki fenomen arasında əhəmiyyətli fərq var. Elektrostatik sahənin meydana gəlməsi üçün kosmosda bir şəkildə sabitlənmiş stasionar yüklər tələb olunur və elektrik cərəyanının yaranması üçün əksinə, stasionar yüklərin elektrostatik sahəsində sərbəst, sabit olmayan yüklü hissəciklərin olması tələb olunur. bir vəziyyətə gəlmək sahə xətləri boyunca əmr edilmiş hərəkət . Misal üçün , elektrik boşalması statik elektrik , ildırım buludunda cəmləşmişdir - ildırım . Bu hərəkətdir elektrik .
10. Ancaq elektrik cərəyanının meydana gəlməsinin başqa bir səbəbi var . Hər bir ultra və mikro elektron tipli hissəciklərin öz vibrasiya tezliyi və , deməli , mikro salınımlı dövrədir , Cozef Tomsonun düsturunun tətbiq olunduğu :
f = 1/2 P-nin kvadrat köküdür L*C, Harada L = 2*EL/I kvadrat və
C = 2* Ec/U kvadrat , harada E 1 c və e 1L müvafiq olaraq elektrik sahəsinin və maqnit axınının enerjisidir . Formula arasında daimi əlaqə göstərilir L( Henridə , ) Və C ( faradlarda , santimetrə çevrilir ).
( induktivlik vahidi sistemi GHS; 1 santimetr = 1·10 -9 gn ( Henri ), santimetr , sm ... tutumu, Santimetr - tutum vahidi sistemi GHS = 1·10 -12 f ( faradlar ), santimetr . )
Bu kəmiyyətlərin ölçüləri santimetrlə olarsa , onda bu düsturun məxrəci çevrədir . Beləliklə , elektron ətrafındakı elektrik sahəsi bir sıra koaksial dairələrdir . Dairənin radiusunun artması ilə ultra mikro hissəciyin hərəkət sürəti dövrdən etibarən artmalıdır , yəni elektron vibrasiya tezliyi -f Sabit . Bunun nəticəsi daha uzaq hissəciklər üçün kinetik enerji istehlakı artır və onların keçiricidə elektrik cərəyanını induksiya etmək qabiliyyəti azalır..
Amma gəlin 3-cü şəklə diqqət yetirək , harda göstərilir , vektorlar E 1 ilə və E 1L fəzada ayrılmış və qarşılıqlı ortoqonaldır . Bir keçiricidə elektrik cərəyanını induksiya edərkən bu hal nəzərə alınmalıdır . Enerjinin saxlanma qanununu E kəmiyyətlərinə tətbiq etsək 1L və E 1 ilə , sonra E 1L hərəkət edən elektron axınının kinetik enerjisidir -Mən, A E 1 c elektrik sahəsinin gücündən asılı olaraq potensial enerjisidir U. Enerji E1 L Və E1c reaktiv . Mikrodünya hissəcikləri vəziyyətində onların vektorları ƏS-nin koordinat oxuna ortoqonaldır. , lakin ortoqonal koordinatların müxtəlif müstəvilərindədirlər . (C düyüyə bax . 2 ). Hər iki vektor fəzada ayrılır . Buna görə də onların qarşılıqlı məhvi baş vermir və mikrohissəciklərin tezliyi zamanla çürümür. .
Elektrik dövrələrində reaktivlik adətən X ilə işarələnir , və alternativ cərəyan dövrələrində ümumi müqavimət Z, aktiv müqavimət - R və bütün müqavimətlərin cəminə empedans deyilir . Z = R+jX
Empedans böyüklüyü gərginlik və cərəyan amplitüdlərinin nisbətidir, faza isə gərginlik və cərəyan fazaları arasındakı fərqdir.
Əgər X >0 reaksiyanın induktiv olduğu deyilir
Əgər X =0 empedansın sırf rezistiv olduğu deyilir (aktiv)
Aİ istər X <0 говорят, что реактивное сопротивлние является ёмкостным .
Həqiqi salınımlı dövrədə , istifadə olunur , Misal üçün , radiotexnika sahəsində , reaktiv induktiv enerjini tutumlu reaktiv enerji ilə kompensasiya edə bilərik, çünki tutumlu reaktivliklə cərəyan vektoru gərginliyə rəhbərlik edir, induktiv reaksiya ilə isə cərəyan vektoru gərginlikdən 90 dərəcə geri qalır və onlar eyni müstəvidədirlər, lakin eyni vaxtda deyillər.. İnduktivliyin xüsusiyyətlərindən biri ondan keçən cərəyanı sabit saxlamaq qabiliyyəti olduğundan, yük cərəyanı axdıqda, a faza sürüşməsi cərəyan və gərginlik arasında (cari bir faza bucağı ilə gərginlikdən geri qalır). Faza keçidi dövründə cərəyan və gərginliyin müxtəlif əlamətləri, nəticədə şəbəkədən doldurulan endüktansların elektromaqnit sahələrinin enerjisinin azalmasına səbəb olur. Əksər sənaye istehlakçıları üçün bu, aşağıdakıları ifadə edir: elektrik enerjisi mənbəyi ilə istehlakçı arasındakı şəbəkələr boyunca faydalı iş görən aktiv enerji ilə yanaşı, faydalı iş görməyən reaktiv enerji də axır.
Yuxarıdakılardan belə nəticə çıxır , nə d Elektrik cərəyanının mövcudluğu üçün formada keçiriciyə xaricdən enerji vermək lazımdır elektromaqnit sahələr.
Əlavə izahat . Tutum R elektromaqnitin növbələrinin sayı ilə artır .
R = 1/(2 π * C * f), Harada f- tezlik , Və C- tutumu .
Endüktans L=N 2 * μ *A/l,
Harada L- endüktans , N- tel keçiricisinin növbələrinin sayı, µ - əsas maqnit keçiricilik əmsalı , A- əsas həcm , l - orta nüvə uzunluğu .
f = 1/(2 π * √ (L * C))
Beləliklə , R = 1/(4π 2 *C*N*√( μ*A/l)).
Fotonun xüsusiyyətlərini başa düşmək üçün sadə bir təcrübə aparaq. Gəlin eyni çəkidə olan iki topu eyni hündürlükdən polad boşqabın üzərinə ataq. Bir top plastilindən hazırlanır, digəri isə topdur- polad. Plitədən reboundun böyüklüyünün onlar üçün fərqli olduğunu və polad top üçün daha böyük olduğunu fərq etmək asandır. Reboundun böyüklüyü top materiallarının elastik deformasiyası ilə müəyyən edilir. İndi bir işıq şüasını sobaya yönəldəka , yəni foton axını. Optikadan məlumdur ki, şüanın düşmə bucağı əks olunma bucağına ciddi şəkildə bərabərdir. İki cisim toqquşduqda kütlələrinə nisbətdə enerji mübadiləsi aparırlar. Foton şüası vəziyyətində, sonuncu yalnız hərəkət vektorunu dəyişir. Bu faktdan belə nəticə çıxmırmı ki, fotonun elastik deformasiyasının qeyri-adi yüksək dəyəri, yəni superelastiklik var? Axı biz bəzi ərintilərin superplastikliyi fenomeni ilə tanışıq.
11. Mikrokosmosda elastik deformasiyanın rolu nədir? Biz bilirik ki, sıxılmış yayın potensial enerjiyə malikdir, onun böyüklüyü nə qədər böyükdürsə, yayın elastik deformasiyası da bir o qədər yüksəkdir. Bilirik ki, salınım prosesi zamanı potensial enerji kinetik enerjiyə çevrilir və əksinə. O da məlumdur ki, mikrodünyanın bütün zərrəcikləri salınımlı hərəkətə məruz qalır, yəni onların öz rəqs tezliyi var ki, bu da hissəcik ətrafında elektromaqnit sahəsi yaradır. Beləliklə, mikrokosmosun hər bir hissəciyi radiotexniki salınım dövrəsi kimi mikro salınımlı dövrədir. Buna görə də, elektromaqnit sahəsi hissəcikdə bir fırlanma momenti yaratmalıdır:M = r i *F i , I - bu anın müəyyən tətbiq nöqtəsi haradadır.Qeyd edək ki, mikrohissəciyin tezliyi zamanla dəyişmir.Ona görə də fırlanma momentinin böyüklüyü və onu törədən elektrik cərəyanının böyüklüyü zamanla dəyişmir. Və bu, yalnız super keçiricilik vəziyyətində mümkündür!
Bu fırlanma momenti hissəciyi X və Y oxları ətrafında ardıcıl olaraq fırladıb elastik burulma deformasiyası yaradır. Bu superelastik deformasiyalar hissəciyi ilkin vəziyyətinə qaytarır. Beləliklə, elastik burulma deformasiyasına xas olan potensial enerjinin hissəciyin kosmosda ox boyunca hərəkətinin kinetik enerjisinə keçməsi ilə hissəciyin salınımlı hərəkəti yaradılır.Z .
Belə bir keçidin mexanizmini bir pasta borusunun bükülməsi kimi təsəvvür etmək olar. Əslində, həcmdə dəyişiklik borunun bükülmə müstəvisinə perpendikulyar olan borunun çuxurundan pastanın ekstruziyasına gətirib çıxarır. Bu daxili impuls hissəciyin ox boyunca hərəkət etməsinə səbəb olurZ. Yüksək məhsuldar nanomhotor ortaya çıxır. Bənzər bir şey sözdə camaşırxana çarxında müşahidə edilə bilər. Əgər belə bir təkərin oxu sabit deyilsə, onda fırlanan təkər əvəzinə biz tərcüməli yuvarlanma hərəkəti alacağıq.Bu mühərriki həyata keçirmək üçün elastik burulma deformasiyasının qeyri-adi yüksək dəyərlərinə malik material yaratmaq lazımdır. Sonra işıq sürəti ilə səyahət etmək üçün yol açılacaq.
12. Mikrohissəciklərin belə son dərəcə yüksək xassələri Kelvinə yaxın temperaturda materiallarda yaranır. Maddə vaxtaşırı Kelvin temperaturunda krioplazmanı təmsil edən bir növ qara dəliyə çevrilmirmi? Bu maddə fövqəltəbii xüsusiyyətləri sayəsində kritik səviyyəyə çatdıqda Partlayışla kinetik enerjiyə çevrilən potensial enerji akkumulyatoru deyilmi?
Kvant optikası. Mikrodünyanın fizikası. Molekulyar fizika.
Termal şüalanma- istilik enerjisi hesabına qızdırılan cisimlər tərəfindən yayılan davamlı spektrli elektromaqnit şüalanması.
Misal Termal radiasiya közərmə lampasından gələn işıqdır.
Mütləq qara cismin kriteriyalarına cavab verən cismin istilik şüalanmasının gücü aşağıdakı kimi təsvir olunur: Stefan-Boltzmann qanunu.
Bədənlərin emissiya və udma qabiliyyətləri arasındakı əlaqə təsvir edilmişdir Kirchhoffun şüalanma qanunu.
İstilik radiasiyası istilik enerjisinin ötürülməsinin üç elementar növündən biridir.
Tarazlıq şüalanması maddə ilə termodinamik tarazlıqda olan istilik şüalanmasıdır.
Termal şüalanmanın əsas kəmiyyət xüsusiyyətləri bunlardır:
- enerjili parlaqlıq
bir cismin vahid vaxtda vahid səth sahəsindən bütün istiqamətlərdə buraxdığı istilik şüalarının dalğa uzunluqlarının bütün diapazonunda elektromaqnit şüalanma enerjisinin miqdarıdır: R = E/(S t), [J/(m 2) s)] = [W /m 2 ] Enerji parlaqlığı bədənin təbiətindən, bədənin temperaturundan, cismin səthinin vəziyyətindən və şüalanmanın dalğa uzunluğundan asılıdır.
- spektral parlaqlıq sıxlığı
- verilmiş temperaturda (T + dT) verilmiş dalğa uzunluqları (λ + dλ) üçün cismin enerjili parlaqlığı: R λ, T = f(λ, T).
Müəyyən dalğa uzunluqları daxilində cismin enerji parlaqlığı T = const üçün R λ, T = f(λ, T) inteqrasiyası yolu ilə hesablanır:
udma əmsalı- bədən tərəfindən udulmuş enerjinin gələn enerjiyə nisbəti. Deməli, dФ inc axınından şüalanma cismə düşürsə, onun bir hissəsi cismin səthindən əks olunur - dФ neg, digər hissəsi bədənə keçərək qismən dФ abs, üçüncü hissəsi isə istiliyə çevrilir. , bir neçə daxili əksdən sonra bədəndən xaricə keçir dФ inc : α = dФ abs./dФ aşağı.
Stefan-Boltzmann qanunu- qara cismin şüalanması qanunu. Mütləq qara cismin şüalanma gücünün onun temperaturundan asılılığını müəyyən edir. Qanunun bəyanatı:
qaralıq dərəcəsi haradadır (bütün maddələr üçün, tamamilə qara cisim üçün). Radiasiya üçün Plank qanunundan istifadə edərək sabiti belə təyin etmək olar
Plank sabiti haradadır, Boltsman sabitidir və işıq sürətidir.
Ədədi qiymət J s −1 m −2 K −4.
Qanun radiasiya enerjisinin sıxlığının onun təzyiqi ilə mütənasib olması fərziyyəsi ilə müstəqil olaraq J. Stefan və L. Boltzmann tərəfindən kəşf edilmişdir. 1880-ci ildə Leo Graetz tərəfindən təsdiq edilmişdir.
Qeyd etmək lazımdır ki, qanun yalnız buraxılan ümumi enerjidən bəhs edir. Radiasiya spektri üzərində enerji paylanması Plank düsturu ilə təsvir edilir, ona görə spektrdə vahid maksimum var, mövqeyi Wien qanunu ilə müəyyən edilir.
Kirchhoffun şüalanma qanunu.
Müasirdə ifadə 3 Qanun belədir:
Hər hansı bir cismin emissiya qabiliyyətinin onun udma qabiliyyətinə nisbəti verilmiş tezlikdə verilmiş temperaturda bütün cisimlər üçün eynidir və onların formasından və kimyəvi təbiətindən asılı deyildir.
Məlumdur ki, elektromaqnit şüalanması müəyyən bir cismə düşəndə onun bir hissəsi əks olunur, bir hissəsi udulur, bir hissəsi də ötürülə bilər. Müəyyən bir tezlikdə udulmuş radiasiya hissəsi deyilir udma qabiliyyəti bədən. Digər tərəfdən, hər qızdırılan cisim adlanan qanuna uyğun olaraq enerji yayır bədənin emissiya qabiliyyəti.
Bir bədəndən digərinə keçərkən və dəyərləri çox dəyişə bilər, lakin Kirchhoffun şüalanma qanununa görə, emissiya və udma qabiliyyətlərinin nisbəti bədənin təbiətindən asılı deyil və tezliyin universal bir funksiyasıdır ( dalğa uzunluğu) və temperatur:
Tərifinə görə, tamamilə qara bir cisim üzərinə düşən bütün radiasiyanı udur, yəni onun üçün. Buna görə də, funksiya Stefan-Boltzmann qanunu ilə təsvir edilən tamamilə qara cismin emissiya qabiliyyəti ilə üst-üstə düşür, bunun nəticəsində hər hansı bir cismin emissiya qabiliyyətini yalnız onun udma qabiliyyətinə əsasən tapmaq olar.
Həqiqi cisimlərin udma qabiliyyəti vahiddən azdır və buna görə də tamamilə qara cisminkindən daha az emissiya qabiliyyəti var. Absorbsiya qabiliyyəti tezlikdən asılı olmayan cisimlərə boz deyilir. Onların spektrləri tamamilə qara cismin görünüşü ilə eynidir. Ümumi halda cisimlərin udma qabiliyyəti tezlik və temperaturdan asılıdır və onların spektri mütləq qara cismin spektrindən əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənə bilər. Müxtəlif səthlərin emissiya qabiliyyətinin tədqiqi ilk dəfə Şotland alimi Lesli tərəfindən öz ixtirasından - Lesli kubundan istifadə etməklə aparılmışdır.
Fotoelektrik effekt (fotoelektrik effekt) işığın maddə ilə qarşılıqlı təsiri hadisəsidir ki, bunun nəticəsində fotonların enerjisi maddənin elektronlarına keçir. üçün bərk və maye orqanlar dəyişir xarici və daxili fotoeffekt. Xarici ilə Fotoelektrik effektdə fotonların udulması bədəndən kənarda elektronların emissiyası ilə müşayiət olunur. Daxili ilə Fotoelektrik effektdə atomlardan, molekullardan və ionlardan qopan elektronlar maddənin içərisində qalır, lakin elektronların enerjiləri dəyişir. Qazlarda Fotoelektrik effekt fotoionlaşma hadisəsindən - işığın təsiri altında atomlardan və qaz molekullarından elektronların çıxarılmasından ibarətdir.
Cari gərginlik xarakteristikasının keyfiyyətcə görünüşü fotosel, yəni katodda daimi işıq axınının baş verməsi üçün foto cərəyanın katod və anod arasındakı gərginlikdən asılılığı Şəkil 1-də göstərilmişdir. 1.13.
 |
| düyü. 1.13. |
Müsbət gərginlik katoddan qaçan elektronların düşdüyü sürətlənən elektrik sahəsinə uyğundur. Buna görə də, müsbət gərginliklər bölgəsində, katodun buraxdığı bütün elektronlar anoda çatır və doyma foto cərəyanına səbəb olur.
Kiçik müsbətdə foto cərəyanda bir qədər azalma təcrübələrdə müşahidə olunan gərginlik katod və anod arasındakı kontakt potensialı fərqi ilə əlaqələndirilir. Aşağıda, fotoelektrik effekt qanunlarını müzakirə edərkən, kontakt potensialı fərqinin təsirini nəzərə almayacağıq.
Mənfi gərginlikdə Katod tərəfindən buraxılan elektron gecikdirici elektrik sahəsinə daxil olur və o, yalnız müəyyən miqdarda kinetik enerjiyə malik olduqda onu aşa bilər. Katoddan çıxan aşağı kinetik enerjili elektron əyləc sahəsini keçə və anoda çata bilməz. Belə bir elektron foto cərəyana töhfə vermədən katoda qayıdır. Buna görə də mənfi gərginliklər bölgəsində foto cərəyanın rəvan azalması katoddan çıxan fotoelektronların müxtəlif kinetik enerji qiymətlərinə malik olduğunu göstərir.
Bəzi mənfi gərginlikdə, dəyəri gecikdirici gərginlik (potensial) adlanan foto cərəyan sıfıra bərabər olur. Müvafiq əyləc elektrik sahəsi katoddan qaçan bütün elektronları, o cümlədən maksimum kinetik enerjiyə malik elektronları gecikdirir.
Gecikdirici gərginliyi ölçməklə, bu maksimum enerji və ya fotoelektronların maksimum sürəti əlaqədən müəyyən edilə bilər.
| . | (1.54) |
Aşağıdakılar eksperimental olaraq quruldu Fotoelektrik effektin əsas prinsipləri:
1. Müəyyən bir dalğa uzunluğunun monoxromatik işığı üçün doyma foto cərəyanı katoda düşən işıq axınına mütənasibdir.
2.Fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi işıq axınının böyüklüyündən asılı deyil, yalnız şüalanmanın tezliyi ilə müəyyən edilir.
3. Hər bir katod maddəsinin öz kəsmə tezliyi var ki, fotoelektrik effektin tezliyi ilə şüalanma fotoelektrik effektə səbəb olmasın. Bu kəsmə tezliyinə fotoelektrik effektin qırmızı kəsilmə tezliyi deyilir. Dalğa boyu şkalasında qırmızı sərhədin dalğa uzunluğuna uyğundur, belə ki, müəyyən bir metaldan gələn fotoelektrik effekt yalnız daha qısa dalğa uzunluğu ilə radiasiyaya səbəb olur.
(1.55) adlanır Xarici fotoelektrik effekt üçün Eynşteyn tənliyi. Budur fotoelektronların maksimum enerjisi.
Bu tənliyin birbaşa nəticəsi fotoelektrik effektin ikinci və üçüncü qanunlarıdır. Həqiqətən də (1.55)-dən belə nəticə çıxır ki, fotoelektronların maksimum enerjisi metala düşən şüalanmanın tezliyindən asılıdır. Bundan əlavə, əgər , onda fotoelektrik effekt müşahidə edilməməlidir. Buradan fotoelektrik effektin qırmızı sərhədinin tezliyi və dalğa uzunluğu üçün sadə düsturlar alırıq.
buradan belə nəticə çıxır ki, bu xüsusiyyətlər metaldan elektron iş funksiyasının qiyməti ilə tamamilə müəyyən edilir.
Foton- elementar hissəcik, elektromaqnit şüalanmasının kvantı (dar mənada - işıq). Yalnız işıq sürəti ilə hərəkət edərək mövcud ola bilən kütləsiz bir hissəcikdir. Fotonun elektrik yükü sıfırdır. Bir foton yalnız iki spin vəziyyətində ola bilər və spinin hərəkət istiqamətinə proyeksiyası (sarmallıq) ±1 olur. Klassik elektrodinamikada bu xüsusiyyət elektromaqnit dalğasının dairəvi sağ və sol polarizasiyasına uyğundur. Foton, kvant hissəcik kimi, dalğa-hissəcik ikiliyi ilə xarakterizə olunur; o, eyni zamanda hissəcik və dalğanın xüsusiyyətlərini nümayiş etdirir. Fotonlar hərflə təyin olunur, buna görə də onlara tez-tez qamma şüaları (xüsusilə yüksək enerjili fotonlar) deyilir; bu terminlər praktiki olaraq sinonimdir. Standart Model nöqteyi-nəzərindən foton bir ölçü bozonudur. Virtual fotonlar elektromaqnit qüvvəsinin daşıyıcılarıdır və beləliklə, məsələn, iki elektrik yükü arasında qarşılıqlı əlaqəni təmin edirlər. Foton kainatda ən çox yayılmış hissəcikdir. Bir nuklonda ən azı 20 milyard foton var.
Dalğa-hissəcik ikiliyi, Heisenberg qeyri-müəyyənlik prinsipi
Foton dalğa-hissəcik ikiliyi ilə xarakterizə olunur. Bir tərəfdən, maneələrin xarakterik ölçüləri fotonun dalğa uzunluğu ilə müqayisə oluna bilərsə, foton difraksiya və müdaxilə hadisələrində elektromaqnit dalğasının xüsusiyyətlərini nümayiş etdirir. Məsələn, ikiqat yarıqdan keçən tezliyə malik tək fotonların ardıcıllığı ekranda Maksvell tənlikləri ilə təsvir edilə bilən müdaxilə nümunəsi yaradır. Bununla belə, təcrübələr göstərir ki, fotonlar foton dalğa uzunluğundan (məsələn, atomlar) daha kiçik ölçülərə malik olan obyektlər tərəfindən tamamilə udulur və ya ümumiyyətlə, müəyyən bir yaxınlaşma nöqtəsi hesab edilə bilər (məsələn, elektronlar kimi) . Beləliklə, emissiya və udma proseslərindəki fotonlar nöqtəvari hissəciklər kimi davranırlar. Eyni zamanda, bu təsvir kifayət deyil; Trayektoriyası elektromaqnit sahəsi ilə ehtimal olunan bir nöqtə hissəcik kimi fotonun ideyası, fotonların dolaşıq vəziyyətləri ilə korrelyasiya təcrübələri ilə təkzib edilir.
Heisenberg düşüncə təcrübəsi yüksək ayırdetməli qamma-şüa mikroskopundan istifadə edərək elektronun yerini (mavi rənglə kölgələnmiş) müəyyən etmək.
İnsident qamma şüaları (yaşıl rənglə göstərilmişdir) elektron tərəfindən səpələnir və mikroskopun apertura bucağına θ daxil olur. Səpələnmiş qamma şüaları şəkildə qırmızı rənglə göstərilmişdir. Klassik optika göstərir ki, elektronun mövqeyi yalnız müəyyən Δ dəyərinə qədər müəyyən edilə bilər x, bu da düşən şüaların θ bucağından və dalğa uzunluğundan λ asılıdır.
Kvant mexanikasının əsas elementi Heisenberg qeyri-müəyyənlik prinsipi, hissəciyin fəza koordinatının və onun bu koordinat boyunca impulsunun eyni vaxtda dəqiq təyin edilməsini qadağan edən.
Qeyd etmək vacibdir ki, işığın kvantlaşdırılması və enerji və impulsun tezlikdən asılılığı yüklü kütləvi hissəcikə tətbiq edilən qeyri-müəyyənlik prinsipini təmin etmək üçün lazımdır. Bunu ideal mikroskopla məşhur düşüncə təcrübəsi ilə göstərmək olar, o, elektronun koordinatını işıqla şüalandıraraq və səpələnmiş işığı qeyd edir (Heisenberg qamma mikroskopu). Elektronun mövqeyi mikroskopun ayırdetmə qabiliyyətinə bərabər dəqiqliklə müəyyən edilə bilər. Klassik optika anlayışlarına əsaslanaraq:
mikroskopun açıqlıq bucağı haradadır. Beləliklə, koordinatın qeyri-müəyyənliyi, gələn şüaların dalğa uzunluğunu azaltmaqla istənilən qədər kiçik edilə bilər. Bununla belə, səpilmədən sonra elektron qeyri-müəyyənliyi -ə bərabər olan bəzi əlavə impuls əldə edir. Əgər baş verən radiasiya kvantlaşdırılmasaydı, bu qeyri-müəyyənlik radiasiya intensivliyini azaltmaqla özbaşına kiçik edilə bilərdi. Düşən işığın dalğa uzunluğu və intensivliyi bir-birindən asılı olmayaraq dəyişdirilə bilər. Nəticədə, işığın kvantlaşdırılması olmadıqda, qeyri-müəyyənlik prinsipinə zidd olan elektronun kosmosdakı mövqeyini və onun impulsunu eyni vaxtda yüksək dəqiqliklə müəyyən etmək mümkün olardı.
Əksinə, Eynşteynin foton impulsunun düsturu qeyri-müəyyənlik prinsipinin tələblərini tam ödəyir. Fotonun bucaq daxilində istənilən istiqamətə səpələnə biləcəyini nəzərə alsaq, elektrona ötürülən impulsun qeyri-müəyyənliyi bərabərdir:
Birinci ifadəni ikinciyə vurduqdan sonra Heisenberg qeyri-müəyyənlik əlaqəsi alınır: . Beləliklə, bütün dünya kvantlaşdırılır: əgər materiya kvant mexanikasının qanunlarına tabedirsə, sahə də onlara tabe olmalıdır və əksinə.
Ruterfordun təcrübələri atomun mərkəzində sıx, müsbət yüklü nüvənin olduğu qənaətinə gəldi. (atom nüvəsi, buna görə də modelin adı), diametri 10-14-10-15 m-dən çox olmayan Bu nüvə atomun ümumi həcminin yalnız 10-12 hissəsini tutur, lakin ehtiva edir. hamısı müsbət yük və onun kütləsinin ən azı 99,95%-i. Atomun nüvəsini təşkil edən maddəyə ρ ≈ 10 15 q/sm 3 dərəcəsində nəhəng sıxlıq verilməli idi. Nüvənin yükü atomu təşkil edən bütün elektronların ümumi yükünə bərabər olmalıdır. Sonradan müəyyən etmək mümkün oldu ki, əgər elektronun yükü bir kimi götürülərsə, nüvənin yükü dövri cədvəldəki verilmiş elementin sayına tam bərabərdir.
Şəkil 6.1.3 Tomson atomunda (a) və Rezerford atomunda (b) α hissəciyinin səpilməsi.
Daha sonra Ruterford təklif etdi atomun planetar modeli . Bu modelə görə, atomun mərkəzində atomun demək olar ki, bütün kütləsinin cəmləşdiyi müsbət yüklü nüvə yerləşir. Bütövlükdə atom neytraldır. Elektronlar nüvədən gələn Kulon qüvvələrinin təsiri altında planetlər kimi nüvə ətrafında fırlanır (şək. 6.1.4). Elektronlar nüvənin üzərinə düşəcəyi üçün istirahətdə ola bilməzlər.
düyü. 6.1.4.Atomun Rezerfordun planetar modeli.Dörd elektronun dairəvi orbitləri göstərilmişdir.
Atom nüvəsi- atomun kütləsinin əsas hissəsinin cəmləşdiyi mərkəzi hissəsi (99,9% -dən çox). Nüvə müsbət yüklüdür, nüvənin yükü atomun aid olduğu kimyəvi elementlə müəyyən edilir. Müxtəlif atomların nüvələrinin ölçüləri bir neçə femtometrdir ki, bu da atomun özündən 10 min dəfədən çox kiçikdir. Atom nüvəsi ibarətdir nuklonların - müsbət yüklü protonlar və neytral neytronlar, güclü qarşılıqlı təsir yolu ilə bir-birinə bağlıdır. Nüvədəki protonların sayı onun adlanır şarj nömrəsi- bu rəqəm dövri sistemdəki elementlərin təbii seriyasında atomun aid olduğu elementin seriya nömrəsinə bərabərdir. Nüvədəki protonların sayı neytral atomun elektron qabığının strukturunu və beləliklə, müvafiq elementin kimyəvi xassələrini müəyyən edir. Nüvədəki neytronların sayı onun adlanır izotop sayı. Eyni sayda proton və fərqli sayda neytron olan nüvələrə izotoplar deyilir. Eyni sayda neytron, lakin fərqli sayda proton olan nüvələr adlanır izotonlar. Nüvədəki nuklonların ümumi sayı onun adlanır kütləvi sayı() və dövri cədvəldə göstərilən orta atom kütləsinə təxminən bərabərdir. Eyni kütlə sayına malik, lakin fərqli proton-neytron tərkibli nuklidlər adətən adlanır izobarlar. Hər bir kvant sistemi kimi, nüvələr də metastabil həyəcanlı vəziyyətdə ola bilər və bəzi hallarda belə vəziyyətin ömrü illərlə hesablanır. Nüvələrin belə həyəcanlı vəziyyətləri adlanır nüvə izomerləri. Məlum olan 2500 atom nüvəsinin demək olar ki, 90%-i qeyri-sabitdir. Qeyri-sabit nüvə kortəbii olaraq digər nüvələrə çevrilir, hissəciklər buraxır. Nüvələrin bu xüsusiyyəti adlanır radioaktivlik. Məlum olub ki, radioaktiv nüvələr üç növ hissəciklər buraxa bilir: müsbət və mənfi yüklü və neytral. Bu üç növ radiasiya adlanırdı α-, β- və γ-şüalanma. Bu üç növ radioaktiv şüalanma maddənin atomlarını ionlaşdırmaq qabiliyyətinə və deməli, nüfuz etmə qabiliyyətinə görə bir-birindən çox fərqlənir. Ən aşağı nüfuzetmə qabiliyyətinə malikdir α radiasiya. Normal şəraitdə havada α-şüaları bir neçə santimetr məsafəni qət edir . β-şüaları maddə tərəfindən daha az əmilir. Onlar bir neçə millimetr qalınlığında alüminium təbəqəsindən keçə bilirlər. Ən böyük nüfuz etmə qabiliyyətinə sahib olun γ-şüaları, 5-10 sm qalınlığında qurğuşun təbəqəsindən keçməyə qadirdir.
Bölmə atom nüvəsinin təqribən ikiyə parçalanmasını (parçalanmasını) təmsil edir. bərabər hissələr (fraqmentlər), enerjinin sərbəst buraxılması ilə müşayiət olunan və şöbədə. hallarda, bir və ya daha çox yaymaqla. hissəciklər, məsələn, neytronlar. Bəzi ağır nüvələr özbaşına parçalana bilər, yüngül olanlar isə yüksək enerjiyə malik olan digər nüvələrlə toqquşma zamanı parçalana bilər. Bundan əlavə, uran atomları kimi ağır nüvələr neytronlarla bombardman edildikdə parçalanma qabiliyyətinə malikdir və yeni neytronlar buraxıldığından, proses öz-özünə davam edə bilər, yəni. zəncirvari reaksiya baş verir. Belə bir parçalanma reaksiyası zamanı böyük miqdarda enerji ayrılır. Nəzarət olunan zəncirvari reaksiyalar nüvə reaktorlarında, nəzarətsiz zəncirvari reaksiyalar isə atom bombasında baş verir. Sintez daha ağır atoma uyğun gələn yeni nüvə yaratmaq üçün iki yüngül atomun nüvələrinin birləşməsidir. Əgər bu yeni nüvə sabitdirsə, onda birləşmə zamanı enerji ayrılır, çünki içindəki bağlar orijinal nüvələrdən daha güclüdür. Kimyadan. Nüvə birləşmə reaksiyaları burada təkcə atomların elektronlarının deyil, həm də nüvələrinin iştirakı ilə fərqlənir. Nüvə birləşmə reaksiyasında reaksiya verən maddələrin vahid kütləsi üçün təqribən. Parçalanma reaksiyalarından 10 dəfə çox enerji. Nüvələrin sintezi Günəşin mərkəzində, bölgəsində və digər ulduzlarda baş verir, onların enerji mənbəyidir. Belə sintezin nəzarətsiz reaksiyası hidrogen bombalarında həyata keçirilir. Hal-hazırda enerji mənbələri kimi sintezin idarə olunan reaksiyalarının həyata keçirilməsinə dair tədqiqatlar aparılır.
Elementar hissəcik- onların tərkib hissələrinə parçalana bilməyən subnüvə miqyaslı mikro obyektlərə aid kollektiv termin.
Nəzərə almaq lazımdır ki, bəzi elementar hissəciklər (elektron, foton, kvarklar və s.) hal-hazırda struktursuz hesab olunur və ilkin fundamental hissəciklər hesab olunur. Digər elementar hissəciklər (kompozit hissəciklər deyilənlər - proton, neytron və s.) mürəkkəb daxili quruluşa malikdir, lakin buna baxmayaraq, müasir anlayışlara görə, onları hissələrə ayırmaq mümkün deyil.
Əsas hissəcik- indiyədək kompozit kimi təsvir edilməyən struktursuz elementar hissəcik. Hal-hazırda bu termin ilk növbədə leptonlar və kvarklar üçün istifadə olunur (hər növdən 6 hissəcik, antihissəciklərlə birlikdə 24 əsas hissəciklər dəstini təşkil edir), ölçü bozonları (əsas qarşılıqlı təsirləri daşıyan hissəciklər) ilə birlikdə.
Molekulyar kinetik nəzəriyyə cisimlərin eksperimental olaraq bilavasitə müşahidə olunan xassələrini (təzyiq, temperatur və s.) molekulların təsirinin ümumi nəticəsi kimi şərh edir. Bunu edərkən, o, ayrı-ayrı molekulların hərəkəti ilə deyil, yalnız böyük bir hissəciklər toplusunun hərəkətini xarakterizə edən orta dəyərlərlə maraqlanaraq statistik metoddan istifadə edir. Buna görə də onun başqa adı - statistik fizika.
Termodinamik parametrlər- temperatur, sıxlıq, təzyiq, həcm, elektrik müqaviməti və digər fiziki kəmiyyətlər:
- sistemin termodinamik vəziyyətinin birmənalı təyin edilməsi;
- cisimlərin molekulyar quruluşunu nəzərə almamaq; Və
- onların makroskopik quruluşunu təsvir etmək.
Molekulyar kinetik nəzəriyyənin əsas prinsiplərindən istifadə əsasında əldə edilmişdir MKT ideal qazının əsas tənliyi, bu kimi görünür: , burada p ideal qazın təzyiqi, m0 molekulun kütləsi, molekulların konsentrasiyasının orta qiyməti, molekulların sürətinin kvadratıdır.
İdeal qazın molekullarının köçürmə hərəkətinin kinetik enerjisinin orta qiymətini ifadə edərək, əldə edirik. əsas MKT tənliyişəklində ideal qaz:
İdeal qaz nəzəriyyəsində molekullar arasında qarşılıqlı təsirin potensial enerjisi sıfıra bərabər hesab olunur. Buna görə də İdeal qazın daxili enerjisi ilə verilir onun bütün molekullarının hərəkətinin kinetik enerjisi. Bir molekulun orta hərəkət enerjisi . Bir kilomol molekullardan ibarət olduğundan, bir kilomol qazın daxili enerjisi olacaqdır 
Bunu nəzərə alsaq, əldə edirik
İstənilən qaz kütləsi üçün m, yəni. istənilən sayda kilomol üçün daxili enerji
| (10.12) |
Bu ifadədən belə çıxır ki, daxili enerji vəziyyətin birmənalı funksiyasıdır və buna görə də sistem hər hansı bir prosesi yerinə yetirdikdə, bunun nəticəsində sistem ilkin vəziyyətinə qayıtdıqda daxili enerjinin ümumi dəyişməsi sıfıra bərabər olur. Riyazi olaraq bu şəxsiyyət kimi yazılır
Termodinamikanın ikinci qanunu bütün geri dönməz proseslərin (və demək olar ki, bütün istilik prosesləri, hər halda, bütün təbii proseslər) belə davam etdiyini bildirir, ki, iştirak edənlərin entropiyası onlarda bədənlər maksimum dəyərə meyl edərək artır. Entropiyanın maksimum dəyəri sistem tarazlıq vəziyyətinə çatdıqda əldə edilir.
Eyni zamanda, yuxarıda qeyd olundu ki, tarazlıq vəziyyətinə keçid bütün digər keçidlərlə müqayisədə daha çox ehtimal olunur. Buna görə də, yalnız sistemin daha az ehtimal olunan vəziyyətdən daha çox ehtimal olunan vəziyyətə keçdiyi vəziyyətdə dəyişikliklər müşahidə olunur (termodinamik ehtimal artır).
Sistemin vəziyyətinin termodinamik ehtimalı ilə onun entropiyası arasında əlaqə 1875-ci ildə iki məşhur alim - D. Gibbs və L. Boltzmann tərəfindən yaradılmışdır. Bu əlaqə ifadə olunur Boltsman düsturu, bu kimi görünür:
| , | (4.56) |
Harada, R- universal qaz sabiti, N A- Avoqadro nömrəsi.
İdeal qaz vəziyyəti tənliyi(bəzən Klapeyron tənliyi və ya Mendeleyev-Klapeyron tənliyi) ideal qazın təzyiqi, molyar həcmi və mütləq temperaturu arasında əlaqə quran düsturdur. Tənlik belə görünür:
Təzyiq,
Molar həcm,
Universal qaz sabiti
Mütləq temperatur, K.
Maddənin miqdarı haradadır, kütlə haradadır, molyar kütlə olduğu üçün vəziyyət tənliyini yazmaq olar:
Görünür ki, bu tənlik əslində iki düzəlişli ideal qazın vəziyyət tənliyidir. Düzəliş molekullar arasındakı cəlbedici qüvvələri nəzərə alır (divardakı təzyiq azalır, çünki sərhəd qatının molekullarını içəriyə çəkən qüvvələr var), düzəliş itələyici qüvvələri nəzərə alır (molekulların tutduğu həcmi çıxarırıq) ümumi həcmdən).
Van qazının molları üçün Der Waals vəziyyət tənliyi belə görünür:
Səs haradadır,
İzoterm sabit temperaturda (izotermik proses) baş verən prosesi təsvir edən faza diaqramında xətt. tənlik İzoterm ideal qaz pV = const, burada p təzyiq, V qaz həcmidir. Həqiqi qaz üçün tənlik İzoterm daha mürəkkəb xarakter daşıyır və bərabərliyə keçir İzoterm ideal qaz yalnız aşağı təzyiqlərdə və ya yüksək temperaturda.
Şəkildə. 2.8 sxematik şəkildə qaz izotermləri göstərilmişdir müxtəlif temperaturlar üçün van der Waals.
Bu izotermlər artan həcmlə təzyiqin artdığı sahəni aydın şəkildə göstərir. Bu sahənin fiziki mənası yoxdur. İzotermin ziqzaq əyilmə etdiyi bölgədə izoterm onu üç dəfə kəsir, yəni parametrlərin eyni dəyərləri üçün üç həcm dəyəri var və . Temperatur artdıqca dalğavari hissə azalır və nöqtəyə çevrilir (şəkil 2.8-də K nöqtəsinə bax). Bu nöqtə deyilir kritik, dəyəri qazın xüsusiyyətlərindən asılıdır.
Həqiqi qazın izotermləri (şematik olaraq)
Mavi - kritikdən aşağı temperaturda izotermlər. Onların üzərindəki yaşıl sahələr metastabil vəziyyətlərdir.
F nöqtəsinin solunda olan sahə normal mayedir.
F nöqtəsi qaynama nöqtəsidir.
Birbaşa FG - maye və qaz fazalarının tarazlığı.
Bölmə FA - həddindən artıq qızdırılan maye.
Bölmə F′A - uzanan maye (səh<0).
AC bölməsi izotermin analitik davamıdır və fiziki cəhətdən qeyri-mümkündür.
Bölmə CG - həddindən artıq soyudulmuş buxar.
G nöqtəsi şeh nöqtəsidir.
G nöqtəsinin sağındakı sahə normal qazdır.
FAB və GCB rəqəminin sahələri bərabərdir.
Qırmızı kritik izotermdir.
K kritik nöqtədir.
Mavi - superkritik izotermlər
Çünki bütün proses sabit bir temperaturda baş verir T, təzyiqin p-nin həcmdən asılılığını təsvir edən əyri V, izoterm adlanır. V 1 həcmdə qaz kondensasiyası başlayır, V 2 həcmində isə sona çatır. Əgər V > V 1 olarsa, maddə qaz halında olacaq, əgər V< V 2 - в жидком.
Təcrübələr bunu göstərir Bütün digər qazların izotermləri də temperaturu çox yüksək deyilsə, bu formaya malikdirlər.
Bu prosesdə qazın həcmi V 1-dən V 2-yə dəyişdikdə mayeyə çevrildikdə qazın təzyiqi sabit qalır. 1-2-ci izotermin xətti hissəsinin hər bir nöqtəsi maddənin qaz və maye halları arasında tarazlığa uyğundur. Bu o deməkdir ki, mütləq T Və V onun üstündəki maye və qazın miqdarı dəyişməz qalır. Tarazlıq dinamikdir: mayeləri tərk edən molekulların sayı orta hesabla eyni vaxtda qazdan mayeyə keçən molekulların sayına bərabərdir.
kimi bir şey də var kritik temperatur, əgər bir qaz kritik temperaturdan yuxarı temperaturdadırsa (hər bir qaz üçün fərdi, məsələn, karbon qazı üçün təxminən 304 K), onda ona hansı təzyiq tətbiq olunmasından asılı olmayaraq, artıq mayeyə çevrilə bilməz. Bu fenomen kritik bir temperaturda mayenin səthi gərginlik qüvvələrinin sıfır olması səbəbindən baş verir. Əgər siz kritik temperaturdan yuxarı bir temperaturda qazı yavaş-yavaş sıxmağa davam etsəniz, o zaman qazı təşkil edən molekulların daxili həcminin təxminən dördünə bərabər həcmə çatdıqdan sonra qazın sıxılma qabiliyyəti kəskin şəkildə düşməyə başlayır.
Elementar hissəciklərin öyrənilməsinin qısa tarixi
Alimlər tərəfindən kəşf edilən ilk elementar hissəcik elektron olub. Elektron mənfi yük daşıyan elementar hissəcikdir. 1897-ci ildə J. J. Tomson tərəfindən kəşf edilmişdir. Daha sonra, 1919-cu ildə E.Rezerford atom nüvələrindən sökülən hissəciklər arasında protonların olduğunu aşkar etdi. Sonra neytronlar və neytrinolar kəşf edildi.
1932-ci ildə K. Anderson kosmik şüaları tədqiq edərkən pozitron, müon və K-mezonları kəşf etdi.
50-ci illərin əvvəllərindən etibarən sürətləndiricilər elementar hissəciklərin öyrənilməsi üçün əsas vasitəyə çevrildi və bu, çoxlu sayda yeni hissəcikləri kəşf etməyə imkan verdi. Tədqiqatlar göstərdi ki, elementar hissəciklər dünyası çox mürəkkəbdir və onların xassələri gözlənilməz və gözlənilməzdir.
Tərif 1
Dar mənada elementar hissəciklər başqa hissəciklərdən ibarət olmayan hissəciklərdir. Ancaq müasir fizikada bu terminin daha geniş başa düşülməsindən istifadə olunur. Beləliklə, elementar hissəciklər maddənin atom və atom nüvəsi olmayan ən kiçik hissəcikləridir. Bu qaydanın istisnası protondur. Elə buna görə də elementar hissəciklər nüvəaltı hissəciklər adlanır. Bu hissəciklərin üstünlük təşkil edən hissəsi kompozit sistemlərdir.
Elementar hissəciklər bütün fundamental qarşılıqlı təsir növlərində - güclü, qravitasiya, zəif, elektromaqnitdə iştirak edirlər. Elementar hissəciklərin kiçik kütlələrinə görə qravitasiya qarşılıqlı təsiri çox vaxt nəzərə alınmır. Hal-hazırda mövcud olan bütün elementar hissəciklər üç böyük qrupa bölünür:
İstənilən elementar hissəcik diskret qiymətlər və kvant ədədləri dəstinə malikdir. Tamamilə bütün elementar hissəciklərin ümumi xüsusiyyətləri aşağıdakılardır:
Qeyd 1
Elementar hissəciklər həyat müddətinə görə sabit, kvazsabit və qeyri-sabit olurlar.
Sabit elementar hissəciklər bunlardır: ömrü 51021 il olan elektron, proton - 1031 ildən çox, foton, neytrino.
Elektromaqnit və zəif qarşılıqlı təsirlər nəticəsində parçalanan hissəciklər kvazistabildirlər; kvazistabil elementar hissəciklərin ömrü 10-20 s-dən çoxdur.
Qeyri-sabit elementar hissəciklər (rezonanslar) güclü qarşılıqlı təsirlər zamanı parçalanır və onların ömrü $10^(-22) – 10^(-24)$ s təşkil edir.
Elementar hissəciklərin kvant nömrələri lepton və barion yükləridir. Bu ədədlər fundamental qarşılıqlı əlaqənin bütün növləri üçün ciddi şəkildə sabit dəyərlərdir. Leptonik neytrinolar və onların antihissəcikləri üçün lepton yükləri əks işarələrə malikdir. Baryonlar üçün barion yükü 1-ə bərabərdir; onların müvafiq antihissəcikləri üçün barion yükü -1-dir.
Adronların xarakterik xüsusiyyəti xüsusi kvant nömrələrinin olmasıdır: "qəriblik", "gözəllik", "cazibədarlıq". Ümumi adronlar neytron, proton və π-mezondur.
Adronların müxtəlif qrupları daxilində güclü qarşılıqlı təsirə görə oxşar kütlələrə və oxşar xüsusiyyətlərə malik olan, lakin elektrik yükü ilə fərqlənən hissəciklər ailələri mövcuddur. Buna misal olaraq proton və neytronu göstərmək olar.
Elementar hissəciklərin elektromaqnit və digər fundamental qarşılıqlı təsirlər nəticəsində baş verən qarşılıqlı çevrilmələrə məruz qalma qabiliyyəti onların ən mühüm xassəsidir. Qarşılıqlı çevrilmənin bu növü bir cütün doğulması, yəni eyni zamanda zərrəcik və antihissəcik meydana gəlməsidir. Ümumi halda barion və leptonik yükləri əks olan bir cüt elementar hissəcik əmələ gəlir.
Pozitron-elektron cütlərinin və muon cütlərinin əmələ gəlməsi mümkündür. Elementar zərrəciklərin qarşılıqlı çevrilməsinin başqa bir növü sonlu sayda fotonların əmələ gəlməsi ilə hissəciklərin toqquşması nəticəsində bir cütün yox olmasıdır. Bir qayda olaraq, iki fotonun əmələ gəlməsi toqquşan hissəciklərin ümumi spini sıfıra bərabər, üç fotonun isə 1-ə bərabər ümumi spini ilə baş verir. Bu nümunə yük paritetinin qorunma qanununun təzahürüdür.
Müəyyən şəraitdə pozitronium e-e+ və muonium µ+e-dən ibarət bağlı sistemin əmələ gəlməsi mümkündür. Bu vəziyyət toqquşan hissəciklərin aşağı sürəti ola bilər. Belə qeyri-sabit sistemlərə hidrogen kimi atomlar deyilir. Hidrogen kimi atomların ömrü maddənin spesifik xüsusiyyətlərindən asılıdır. Bu xüsusiyyət onları nüvə kimyasında kondensasiya olunmuş maddənin ətraflı öyrənilməsi və sürətli kimyəvi reaksiyaların kinetikasının öyrənilməsi üçün istifadə etməyə imkan verir.
