КВАНТОВАТА ФИЗИКА
Квантова физика −дял от физиката, който изучава явления, характерни за микросвета, т.е. обекти с размери 10 -10 m и по-малко. Спецификата на явленията, случващи се в микрокосмоса, се състои преди всичко в невъзможността директно, т.е. чрез сетивата (предимно зрението) за получаване на информация за протичащи процеси. За описание на явленията на микросвета са необходими принципно нови подходи и методи, основани на експериментално измерени величини.
Раждането на квантовата физика е предшествано от драматична ситуация, която се развива във физиката в самия край на 19 век. Класическата физика не успя да опише адекватно спектъра на равновесното излъчване. По това време топлинното излъчване се разглеждаше като набор от плоски вълни и теоретичното му описание беше в добро съответствие с експеримента. Въпреки това, при високи честоти прогнозираната плътност на радиационната енергия трябва да се увеличи до безкрайност. Тази ситуация беше наречена „ултравиолетовото бедствие“.
Неочакван изход от ситуацията предложи немският физик Макс Планк (Max Karl Ernst Ludwig Planck). Неговата идея беше, че излъчването възниква в отделни кванти и енергията на електромагнитната вълна не може да бъде произволна, както се смяташе в класическата физика, а трябва да приема определени стойности, пропорционални на определена много малка стойност h (равна на 6,63 10 -34 J s), който след това беше кръстен Константа на Планк. Тогава общата енергийна плътност вече не може да се счита за непрекъсната стойност, а се състои от много порции енергия (кванти), чиято сума не може да бъде толкова голяма, колкото се предвижда от класическите хипотези. Проблемът с радиационната плътност и „ултравиолетовата катастрофа“ беше успешно решен. За откриването на енергийния квант през 1918 г. Макс Планк е удостоен с Нобелова награда.
Въвеждането на кванта направи възможно разрешаването на редица други проблеми, пред които беше изправена науката тогава. Използвайки идеята на Планк за квант на енергията, Алберт Айнщайн през 1905 г. извежда уравнението на фотоелектричния ефект E = hν + W, където E е кинетичната енергия на електроните, ν е честотата на електромагнитното излъчване, h е константата на Планк и W е работната работа на електрона за дадено вещество. Най-важното постижение в този случай беше въвеждането на енергията на електромагнитното излъчване като функция на честотата (или дължината на вълната) на излъчването, което доведе до последващото създаване на скалата на електромагнитната вълна.
Идеята за кванта доведе до заключението за дискретния характер на явленията, случващи се в микрокосмоса, което по-късно беше използвано при изследване на енергийните нива на атомите и атомните ядра.
Зависимост на дължината на вълната на различни видове частици от тяхната енергия
(ядрени единици − MeV = 1,6·10 -13 J, fm =10 -15 m)
Друго важно следствие от дискретността на явленията на микросвета е откритието от Луи дьо Бройл (1929) на универсалността на двойствеността вълна-частица, т.е. фактът, че обектите на микросвета имат както вълнова, така и корпускулярна природа. Това направи възможно не само да се обяснят редица явления, свързани с взаимодействието на частиците с материята (например дифракция на частици), но и да се доразработят методи за използване на радиация за въздействие върху частиците, което доведе до създаването на основните съвременни съвременни инструмент за изследване на материята – ускорители.
През втората половина на 20-те години на 20 век е създаден теоретичен апарат за описание на квантовите явления - квантова механика. Най-значим принос за създаването му имат Вернер Хайзенберг, Ервин Шрьодингер, Нилс Бор, Пол Дирак, Волфганг Паули, Макс Борн и др.
Квантовата механика е отделна, добре развита част от съвременната физика. За дълбокото му усвояване е необходима добра математическа подготовка, която далеч надхвърля обхвата на курса по физика в много университети. Обясненията на основните понятия на квантовата механика обаче не са толкова трудни. Тези основни понятия включват, на първо място, физическото значение на квантуване, принципа на неопределеността и вълновата функция.
Физическият смисъл на дискретността на състоянията в микрокосмоса се свързва преди всичко с физическия смисъл на константата на Планк. Малкият размер определя мащаб на взаимодействиятав микрокосмос. Наистина, когато преминем към макросвета и класическите концепции, величини като константата на Планк стават пренебрежимо малки и в повечето случаи ги смятаме за нула. В този случай се получава така нареченото преминаване към границата, т.е. принципите на класическата физика могат да се разглеждат като екстремна версия на квантовата физика, когато масите, размерите и другите параметри на макро обекти, огромни в мащаба на микросвета, намаляват до нула онези взаимодействия, които са значими в микросвета. Следователно можем да кажем, че константата на Планк е свързващото звено между явленията на микро и макро света.
Това може да се види особено добре в примера за дискретността на състоянията в микрокосмоса. Например разликата между енергийните състояния на един атом може да бъде десети от електронволта (енергийна единица на микрокосмоса, равна на 1,6·10 -19 J). Достатъчно е да си спомним, че за кипването на една чаша вода са необходими десетки килоджаули и става ясно, че от гледна точка на класическата физика подобна дискретност е абсолютно незабележима! Ето защо можем да говорим за непрекъснатост на процесите, които ни заобикалят, въпреки дългогодишната и последователно потвърждавана дискретност на онези явления, които се случват в атомите и атомните ядра.
По същата причина такъв фундаментален принцип на физиката на микросвета като принцип на несигурност, предложен от В. Хайзенберг през 1927г
Фигурата по-долу обяснява необходимостта от въвеждане на принципа на неопределеността в микросвета и липсата на тази необходимост в макросвета
Наистина, степента на въздействие на външен източник (светлина) върху макрообект (статуя) е несъизмерима с неговите параметри (например масата, преобразувана в еквивалентна енергия) Няма смисъл да говорим за това как един падащ светлинен фотон може засягат например координатите на статуя в пространството.
Друг е въпросът, когато микрообект стане обект на въздействие. Енергията на един електрон в един атом е десетки (рядко повече) електронволта и степента на удара е съвсем съизмерима с тази енергия. Така при опит измервайте точновсеки параметър на микрообект (енергия, импулс, координата), ще се сблъскаме с факта, че самият процес на измерване ще промени измерените параметри и то много силно. Тогава е необходимо да признаем, че с каквито и да било измервания в микрокосмоса никога няма да можем да направим точни измервания − Винагище има грешка при определяне на основните параметри на системата. Принципът на неопределеността има математически израз във формата отношения на несигурност, например ΔpΔx ≈ ћ, където Δp е несигурността при определяне на импулса, а Δx е несигурността при определяне на координатите на системата. Имайте предвид, че константата на Планк вдясно показва границите на приложимост на принципа на неопределеността, тъй като в макрокосмоса можем безопасно да я заменим с нула и да извършим точни измервания на всякакви количества. Принципът на неопределеността води до извода, че е невъзможно да се зададе точно някой параметър на системата, например няма смисъл да се говори за точното местоположение на частица в пространството. В тази връзка трябва да се отбележи, че широко разпространеното представяне на атома като съвкупност от електрони, въртящи се в дадени орбити около ядрото, е просто почит към човешкото възприятие на околния свят, необходимостта от наличие на някакви визуални образи в пред себе си. Реално в атома няма ясни траектории – орбити.
Все пак може да се зададе въпросът - каква е тогава основната характеристика на системите в микросвета, ако не са определени параметри като енергия, импулс, време на взаимодействие (или съществуване), координата? Такова универсално количество е вълнова функцияквантова система.
Вълновата функция ψ, въведена от Макс Борн за определяне на характеристиките на квантовата система, има доста сложно физическо значение. Друго количество, което е по-ясно, е квадратът на модула на вълновата функция |ψ| 2. Тази стойност определя напр. вероятностче квантовата система е в даден момент от времето. Като цяло вероятностният принцип е основен във физиката на микросвета. Всеки протичащ процес се характеризира преди всичко с вероятността за възникването му с определени характеристики.
Вълновата функция е различна за различните системи. В допълнение към познаването на вълновата функция, за правилното описание на системата е необходима и информация за други параметри, например характеристиките на полето, в което се намира системата и с която взаимодейства. Изследването на такива системи е именно една от задачите на квантовата механика. Всъщност квантовата физика формира език, с който описваме нашите експерименти и резултати в изследването на микросвета, по-общ от класическата теория. В същото време е важно да се разбере, че квантовата физика не отменя класическата физика, а я съдържа като свой граничен случай. При преминаване от микрообекти към обикновени макроскопични обекти, неговите закони стават класически и по този начин квантовата физика поставя границите на приложимост на класическата физика. Преходът от класическата физика към квантовата физика е преход към по-дълбоко ниво на разглеждане на материята.
Процесите, протичащи в микрокосмоса, се отнасят до явления, които се намират почти напълно извън границите на сетивното възприятие. Следователно концепциите, с които работи квантовата теория, и явленията, които тя разглежда, често са лишени от яснота ,
присъщи на класическата физика. С развитието на квантовата теория такива привидно очевидни и познати идеи за частици и вълни, дискретни и непрекъснати, статистически (вероятностни) и динамични описания бяха преразгледани. Квантовата физика се превърна в най-важната стъпка в изграждането на съвременна физическа картина на света. Това направи възможно предсказването и обяснението на огромен брой различни явления - от процеси, протичащи в атомите и атомните ядра, до макроскопични ефекти в твърди тела; без него е невъзможно, както изглежда сега, да се разбере произходът на Вселената. Обхватът на квантовата физика е широк – от елементарните частици до космическите обекти. Без квантовата физика е немислима не само естествената наука, но и съвременните технологии.
АТОМНА ФИЗИКА
През 1885 г. Дж. Дж. Томсън открива електрон, първият обект в микрокосмоса. Положено е началото на появата на нов клон на науката - атомната физика. Още в началото на 20-ти век има няколко модела на структурата на атома, от които най-известният принадлежи на самия J. J. Thomson. Въз основа на този модел атомът е положителен заряд, локализиран в малък обем, в който, като стафиди в кекс, има електрони. Този модел обяснява редица наблюдавани ефекти, но не е в състояние да обясни други, по-специално появата на линейни атомни спектри. През 1911 г. сънародникът на Томсън, Ърнест Ръдърфорд, се опитва да отговори на въпроса за структурата на атома.
Експерименталната схема беше проста - източник, радиоактивно вещество, излъчващо ядра на хелий, беше поставено в оловен блок. Заредените частици преминават през тънкото златно фолио и се разпръскват при взаимодействие със златни атоми. След това разпръснатите частици се удрят в екран, покрит с вещество, в което предизвикват сцинтилации (изригвания). Идеята беше, че ако моделът на атома на Томсън е правилен, взаимодействието ще се случи приблизително еднакво под всички ъгли по пътя на частиците. Наистина, повечето от частиците удрят екрана, слабо взаимодействайки с фолийния материал. Но малка (около 8 частици от хиляда) част от тях претърпяха силно разсейване НАЗАД, сякаш се сблъскаха с някакъв заряд, концентриран в средата на атома. След множество експерименти Ръдърфорд заключава, че моделът на Томсън е неправилен. Той предложи модел, по-късно наречен планетарен. В центъра, в малък обем, целият положителен заряд (ядро) е концентриран, около него са разположени електрони.
Моделът на Ръдърфорд беше добър, но все още не отговори на редица въпроси. Например, как възниква атомното лъчение (луминесценция)? При какви обстоятелства атомите излъчват различни светлинни фотони? От какво зависи това? Свързано ли е излъчването на атомите с поведението на електроните вътре в тях? Отговорите на тези въпроси бяха дадени две години по-късно от изключителния датски физик Нилс Хенрик Давид Бор.
Изображението на Н. Бор върху датската банкнота от 500 крони.
Бор разработи планетарния модел, предполагайки, че всеки електрон в атома има някакво фиксирано енергийно състояние (което може да се опише много грубо като електрон в някаква орбита), докато атомът е в най-ниско енергийно състояние, той не може да излъчва. Когато получават енергия отвън, електроните могат да променят енергийното си състояние (да се преместят в друга орбита) или дори да напуснат атома (йонизация). При връщане на мястото си (или на орбитата си) излишната енергия се освобождава под формата на характерно излъчване (фотон с всякаква енергия). Атомът "според Бор" отговори на всички въпроси, възникнали след създаването на първите атомни модели. Експерименталното изследване на атомите успешно потвърди модела на Бор и, между другото, квантовите прогнози за дискретността на енергиите в атома. През 1922 г. Нилс Бор е удостоен с Нобелова награда за работата си върху структурата на атомите и тяхното излъчване.
Още през 20-те години на миналия век атомът е добре проучен. Успехът беше улеснен и от факта, че връзката между компонентите на атома - ядрото и електроните - се осъществява благодарение на добре известния потенциал на Кулон. До края на 20-те години възниква квантова теория, която описва редица атоми и моделите на тяхното поведение.
Атомите са електрически неутрални квантови системи с характерни размери от порядъка на 10 -10 m. Всеки атом съдържа ядро, в което е съсредоточен положителният заряд на атома и е съсредоточена почти цялата (повече от 99,9%) маса на атома. Отрицателният заряд се разпределя между електроните, техният брой е равен на броя на положително заредените ядрени частици (протони) в ядрото. Когато определена енергия, наречена йонизационна енергия, се приложи към атом, един от електроните напуска атома. Останалата положително заредена част се нарича йон, а този процес е йонизация. Обратният процес се нарича рекомбинация и се съпровожда от излъчване на фотон с енергия, съответстваща на разликата в енергиите на атома преди и след рекомбинацията.
Йонизацията е процес, който постоянно протича около нас. Източници на йонизация са космическата радиация, различни инструменти и устройства и радиоактивни източници.
Въз основа на описаните по-горе свойства на атомите работят голям брой технически устройства. Пример, с който се сблъскваме всеки ден, са флуоресцентните лампи. Това е сиянието на газа в резултат на рекомбинацията на йони, което причинява излъчването на светлина в тези устройства.
През 50-те години на миналия век, в резултат на изучаване на свойствата на стимулираното излъчване на фотони от редица атоми, бяха разработени усилватели на оптично лъчение - лазери. (от съкр Усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация −усилване на светлината чрез стимулирано излъчване). Лазерът не е оптично устройство като легендарните огледални щитове на Архимед, а квантово устройство, което използва структурата на атомните нива за оптично усилване на радиацията. Основното предимство на лазера е високата монохроматичност (т.е. всички излъчени фотони имат почти еднаква дължина на вълната) на излъчването, което генерира. Поради тази причина в момента лазерите се използват широко в промишлената и потребителска електроника и технологии, медицината и други области.
ФИЗИКА НА АТОМНОТО ЯДРО
През 1911 г. Ърнест Ръдърфорд предлага своя модел на атома, в центъра на който има обект с размери приблизително 10 -15 − 10 -14 m, съдържащ почти цялата маса на атома. Този обект беше наименуван атомно ядро. Не е изненадващо обаче, че изучаването на атомното ядро започва много по-рано, в края на 19 век. Вярно е, че по това време свойствата на атомните ядра се приписват на атоми, чиято структура е точно неизвестна.
IN 
1896 г. Антоан Бекерел, изучавайки радиацията от атомите на някои тежки метали, стигна до извода, че излъчваните от тях частици, за разлика от светлината, са склонни да проникват през плътни вещества. След 3 години, продължавайки експерименти с радиоактивни вещества, Ърнест Ръдърфорд поставя уранова руда в магнитно поле и установява, че първичният лъч се разделя на 3 части, единият тип частици се отклонява към северния полюс на магнита, вторият - към юга, а третият премина без промени. Все още без да знае природата на тези лъчения, Ръдърфорд ги наименува на първите три букви от гръцката азбука - α, β и γ. Освен Бекерел и Ръдърфорд подобни изследвания са извършени и от съпрузите Кюри Пиер и Мари (Склодовска-Кюри). Мария Кюри направи огромен принос в изследването на радиоактивността в атомните ядра, беше първата, която получи метален радий и беше сред учените, създали експерименталната ядрена физика. Тя е единствената жена учен, удостоена с две Нобелови награди (за химия и физика).
Истински напредък в развитието на физиката на атомното ядро обаче настъпи след създаването на квантовата механика. В края на краищата, след като през 1911−13 г. Ръдърфорд и Бор откриха структурата на атома, възникна въпросът - каква е структурата на атомното ядро? Ръдърфорд се опита да отговори на него, като дирижира през 1918-21 г. експерименти за изучаване на леки атомни ядра. Именно той за първи път през 1919 г. осъществява ядрена реакцияи се отвори протон
14 N + 4 He → 17 O + p
Азотът, взаимодействайки с хелиевите ядра (α-частици), се превръща в кислород и водород. Всъщност Ръдърфорд е първият, който постига това, за което са мечтали средновековните алхимици – превръщането на едно вещество в друго.
Излъчването на протон от ядрото потвърди идеята за наличието на протони в ядрото. В същото време стана ясно, че масите на ядрата са много по-големи, отколкото ако се състоят от необходимия брой протони. Тогава възникна идеята за протонно-електронния модел на ядрото, електроните в ядрото компенсираха заряда на някои от протоните, които бяха там, както се казва, „за тегло“.
Успехите на квантовата механика много скоро доведоха до факта, че възможността за съществуване на електрони в ядрата беше поставена под съмнение - в съответствие с принципа на неопределеността електронът, поставен в ядрото, трябваше да има твърде много енергия и не можеше да бъде задържан там . През 1931 г. Хайзенберг, Иваненко и Майорана, независимо един от друг, предлагат идеята за „неутрален протон“ - тежка частица без заряд, разположена в атомното ядро. Окончателната яснота идва през 1932 г., когато Джеймс Чадуик открива неутрон– неутрална частица с маса приблизително равна на масата на протона. Така модерният протон-неутронен моделатомно ядро.
Основният недостатък в познанията ни за атомното ядро е липсата на точна форма ядрен потенциал, който свързва нуклоните. Решаването на проблема за създаване на пълна теория на ядрото е най-важното в ядрената физика. В същото време знаем много за структурата на атомното ядро.
Атомното ядро е обект с размери от порядъка на 10 -15 m, състоящ се от два вида частици - протони и неутрони. Техните маси са приблизително 1,7·10 -27 kg, а неутронът е с 0,14% по-тежък от протона. Поради сходството в свойствата (с изключение на наличието на заряд), и двете частици често се наричат думата „ нуклон».
Понастоящем са известни приблизително 3400 атомни ядра. 330 от тях са стабилни, останалите могат спонтанно да се трансформират в други ядра (радиоактивни) за сравнително кратко време. Наричат се ядра, които имат еднакъв брой протони, но различен брой неутрони изотописъщият елемент. Например, водородът има три изотопа - самият водород, деутерий и радиоактивен тритий. Но калайът има над 30 изотопа, повечето от които са радиоактивни.
Атомното ядро е квантова система, която се подчинява на законите на квантовата физика. Атомното ядро има дискретна енергийна структура. Вярно е, че той няма „планетарна“ структура, както в атома, но има и различни енергийни позиции на нуклоните, наречени енергийни нива. При получаване на порция енергия нуклоните в ядрото преминават в по-високо енергийно състояние, а при връщане обратно излъчват енергия под формата на фотони с къса дължина на вълната. Такива ядрени фотони обикновено се наричат γ - кванти. При достигане на енергията т.нар енергия на разделяне на нуклони, ядрото може да изхвърли нуклон, променяйки неговия състав и свойства. Броят на нуклоните от различни видове в ядрото и тяхното енергийно състояние определят свойствата на атомните ядра и по-фундаменталните характеристики. Например, изобилието от елементи във Вселената се обяснява именно с квантовите характеристики на атомните ядра.
Когато нуклоните се комбинират в ядра, се наблюдава интересен ефект - масата на полученото ядро се оказва малко (около 1%) по-малка от масата на съставните му нуклони. Разликата между масата на нуклоните и масата на ядрото допринася за свързването на нуклоните в ядрото и затова се нарича Свързваща енергия
E св = ZМ p с 2 + (A-Z)М n с2 − М i с 2,
където Z е ядреният заряд, A е масово число(брой нуклони в ядрото)
Енергията на свързване е изключително важна величина, която също определя много свойства на ядрата. Също толкова важно количество е специфична енергия на свързване, т.е. съотношението на енергията на свързване към броя на нуклоните
Зависимост на специфичната енергия на свързване от броя на нуклоните
Може да се отбележи, че тази зависимост има ясен максимум в областта на ядрото 56 Fe (затова се нарича още „железен максимум“). Това обстоятелство, без преувеличение, е от огромно практическо значение.
Още в края на 30-те години на миналия век, по време на изследването на тежките ядра, беше установен модел на постепенно намаляване на специфичната енергия на свързване. В резултат на това, тъй като тази стойност намалява, ядрото става по-нестабилно и „хлабаво“. Освен това, при определен удар, той може да започне да изхвърля нуклони или дори да се разпадне. През 1939 г. немските физици Ото Хан и Фриц Щрасман, облъчвайки уранови соли с топлинни неутрони, откриват барий сред продуктите на реакцията. Това означава, че при много малко влияние (енергията на топлинните неутрони съответства на енергията на газовите молекули при стайна температура) един от изотопите на урана е способен да се раздели. Основното обаче не беше това, а фактът, че, както следва от горната диаграма, получените фрагментни ядра ще имат много по-висока специфична енергия на свързване, т.е. ще бъдат по-здраво свързани. Следователно по време на делене ще има разлика в енергията и тази разлика ще се освободи. Следващото десетилетие и половина доведе това откритие до практическа употреба. През 1942 г. първият ядрен реактор(САЩ), първият е взривен през 1945 г ядрена бомба(САЩ), през 1954 г. - е пусната първата атомна електроцентрала (СССР).
Как на практика се възстановява енергията от делене? Нека си представим, че имаме достатъчно количество проба от вещество, което се дели с малък удар (топлинни неутрони). След първия акт на делене, в допълнение към фрагментираните ядра, ще бъдат освободени няколко неутрона с много по-висока енергия от топлинните неутрони. Те ще разделят ядрата, които срещнат по пътя си, в резултат на този процес във всяко ново разделено ядро ще се образуват нови неутрони, което от своя страна ще раздели нови ядра и т.н. Процесът ще има лавинообразен характер и поради тази причина се нарича верижна реакцияразделение.
Подобен процес се осъществява в ядрен заряд и води до колосално освобождаване на енергия за кратко (няколко милисекунди) време. Експлозията на заряд от няколко килограма, например 239 Pu, е подобна на експлозията на няколкостотин килотона (!) конвенционални експлозиви.
Има обаче начин този процес да се удължи във времето. Ако погледнете диаграмата на верижна реакция, можете да видите, че важен фактор е броят на неутроните, разделящи ядрата. Следователно, чрез поставяне на вещество, способно да улавя неутрони (абсорбер) в делящия се материал, е възможно този процес да се забави достатъчно, за да може да се отстрани освободената енергия, принуждавайки го например да загрее вода до кипене и да използва пара за въртене на турбината на електроцентрала (АЕЦ). Съвременните атомни електроцентрали използват въглерод (графит) като абсорбер.
Ако сега погледнете областта на ядрата, разположена вляво от „железния максимум“, ще забележите, че тяхната специфична енергия на свързване, средно, се оказва дори по-ниска от тази на ядрата в самия максимум. Така за леките ядра е възможен процес, обратен на деленето - синтез. В този случай, както и при деленето, ще се освободи енергия. Реакциите на синтез включват, например, синтез на ядра на деутерий за образуване на хелий.
2 H + 2 H → 3 He + n
 Термоядрена реакция |
Проблемът, както е лесно да се види, е, че във всички случаи трябва да имаме работа със сливането на еднакво заредени обекти, т.нар. Кулонова бариера, за да преодолеете които все още трябва да изразходвате енергия. Това се постига най-лесно чрез нагряване на синтезираните вещества до много високи (милиони градуси) температури. При земни условия това е възможно само при ядрен взрив. По този начин, чрез поставяне на ядрен заряд в обвивка от леки елементи, е възможно да се получи неконтролирана реакция на синтез или (поради получените високи температури), термоядрена реакция. За първи път такава реакция (експлозия на термоядрена бомба) е извършена през 1953 г. (СССР).
В природата термоядрените реакции протичат в звездите, където съществуват всички условия за „пробиване“ на Кулоновата бариера. В допълнение, най-силната гравитационна компресия също насърчава реакцията на синтез с образуването на по-тежки елементи, до желязо.
Проблемът с осъществяването на контролиран термоядрен синтез продължава да остава нерешен и един от най-актуалните за физиката на атомното ядро, тъй като позволява използването на евтино гориво в почти неограничени количества без никакви вредни последици за околната среда.
Както вече беше отбелязано, съставът на атомното ядро до голяма степен определя неговите свойства. Една от най-важните ядрени характеристики, която влияе върху поведението на ядрата, е съотношението между неутрони и протони в атомните ядра. Това най-добре се вижда в т.нар N-Z диаграма.
N-Z диаграма на атомните ядра.
Можете да видите няколко забележими области в диаграмата. Една от тях е централната част, тясна ивица от ядра, маркирани в черно. Това е така наречената „долина на стабилността“, област от стабилни ядра, които не подлежат на разпадане. С увеличаването на броя на неутроните (вдясно от долината на стабилност) се намират ядрата, маркирани в синьо. Когато има излишък от неутрони, енергията на ядрото се увеличава и става възможно „връщането“ в долината на стабилността чрез превръщане на един от неутроните в протон
n → p + e - + e.
Този процес се нарича β-минус разпад. Неутронът се превръща в протон, електрон и електронен. Неутронът може да изпита този разпад извън ядрата. В резултат на такъв разпад ядрото увеличава своя заряд, движейки се към областта на стабилност.
Червената област е областта на ядрата с излишък от протони. Те изпълняват обратния процес:
p → n + e + + ν e
Наречен β-плюс разпад.Протонът се превръща в неутрон, позитрон и електронно неутрино (последните две частици са „антиподите“ на електрона и антинеутриното). Трябва да се отбележи, че тъй като масата на протона е по-малка от масата на неутрона, такъв разпад се случва само в ядра; в свободно състояние протонът е стабилен.
Жълтата област на диаграмата е зоната на тежки нестабилни ядра. Те се характеризират с друг вид разпад - излъчване на α-частици (4 He ядра) или α разпадане, Този тип разпад води до намаляване както на заряда, така и на масовото число и „движението“ на ядрото към областта на по-леките ядра. Понякога това води до верига от разпади. Например,
226 Ra → 222 Rn + 4 He; 222 Rn → 208 Po + 4 He; 208 Po → 204 Pb + 4 He,
където последното вече е стабилно ядро.
В много случаи ядрото, получено в резултат на разпадане, има излишък от енергия и се освобождава от нея чрез излъчване на γ-квант, което се случва γ преходв ядрото (понякога не съвсем правилно наричан γ-разпад).
Всички ядрени разпади се характеризират със свои собствени характеристики, свързани с вероятността за разпадане, вида на излъчваните частици и техните енергии. Съществуват обаче общи закони на разпадане, установени по време на работата на Бекерел и Кюри. Основният е закон за радиоактивното разпадане.
N(t) = N 0 e -λt,
където N е броят на радиоактивните ядра в пробата в даден момент, N 0 е броят на радиоактивните ядра в определен начален момент, а λ е така наречената константа на разпадане, характеризираща вероятността от разпад. Константата на разпадане не е много удобна за практическа употреба, така че често се използва друга стойност, T 1/2 - полуживот, характеризиращ времето, през което броят на активните ядра намалява 2 пъти. Константата на разпад и времето на полуразпад са свързани чрез връзката
Различните радиоактивни ядра могат да имат период на полуразпад, вариращ от милисекунди до милиарди години. В допълнение, важна характеристика е активността на източника (или неговата маса), която характеризира интензивността на разпадане в даден момент. Различни видове радиоактивни ядра постоянно присъстват около нас, а два радиоактивни изотопа, 40 K и 14 C, постоянно присъстват в човешкото тяло.
ФИЗИКА НА ЧАСТИЦИТЕ
Физиката на елементарните частици е може би един от най-динамичните клонове на физиката. Най-малкото е трудно да се назове друга област на естествените науки, в която идеите за света около нас преди 40-50 години биха били толкова различни от тези, които имаме сега. Това се дължи на първо място на промените в тези идеи за фундаменталните частици и взаимодействията, настъпили през това време в хода на експерименталните и теоретични изследвания на материята. Какви са основните принципи на физиката на елементарните частици сега?
Фундаментални частици− набор от частици, които понастоящем са елементарни компоненти на материята. През 20-те години на миналия век е имало само две такива частици (и частици като цяло) - протонът и електронът. Още през 50-те години общият брой на известните частици се доближава до две дузини и много от тях се считат за безструктурни. Сега общият брой на частиците е стотици, но само няколко са наистина фундаментални. Всички фундаментални частици могат да бъдат разделени на няколко големи групи.
Кварки. Според съвременните концепции това е основният компонент на материята по маса, те съставляват повече от 95% от цялата видима материя. Кварките се делят на 6 типа (вкусове), всеки от които има свои собствени свойства и разлики от останалите. Това u(нагоре), д(надолу), с(странно), ° С(чар), b(отдолу) и T(Горна част). Кварките имат дробен заряд, равен на 1/3 или 2/3 от заряда на електрона (протона). Всеки от кварките има своя собствена античастица- антикварк, идентичен по маса с кварк, но противоположен по много други характеристики (например имащ противоположен електрически заряд). В допълнение, кварките имат специална характеристика - цвят, които липсват на всички останали частици (за тях се казва, че са безцветни). Кварките имат три цвята - червен,
синИ зелено.
Разбира се, не трябва да мислите, че цветът на кварките е ефект, видим за окото. Цветът се отнася до специална характеристика, изразена в поведението на кварките по време на различни взаимодействия между тях. Наименованието в случая е условно, както тази характеристика може да се нарече например вкус или да се използва друг термин.
Лесно е да се изчисли, че общият брой на кварките (включително антикварките и цветовете) е 36. Всички известни структурни тежки частици се формират от тези 36 частици. Образува се комбинация от три кварка барионии набор от двойки кварк-антикварк, мезони. Барионите също включват добре познатите протон и неутрон. Барионите и мезоните се обединяват под общия термин адрони. От всички адрони само протонът е стабилен; всички други адрони се разпадат, превръщайки се в други частици.
лептони. Това е друга група частици, чиято основна разлика от адроните е тяхната липса на структура, т.е. Лептоните не се състоят от други частици, а са елементарни. Лептоните се делят на заредени − електрон, мюонИ таони неутрален − електронен, мюониченИ тайна неутрино. Като се вземат предвид античастиците, общият брой на лептоните е 12. Лептоните не образуват никакви комбинации, с изключение на електроните, които изграждат атомите. Електронът е единственият стабилен зареден лептон. Стабилността на всички видове неутрино сега е под въпрос.
Носители на взаимодействие. Общият брой взаимодействия е 4. Това силен(действащ между кварки и адрони), електромагнитни,
слаб(действащ между почти всички частици, но особено ясно се проявява при взаимодействието на лептоните) и гравитационен. Всяко взаимодействие се извършва от поле, което е представено като поток от частици носители. Носителят на силното взаимодействие е глуон, електромагнитни − гама квант, слаб - три вида междинни бозони(W - , W + и Z) и гравитационни – гравитон(последната частица обаче е предсказана само от теоретични съображения). Всички носители имат свои собствени свойства и всеки участва в собствените си взаимодействия.
Що се отнася до останалите частици, само адроните и глуоните участват в силното взаимодействие; в електромагнитните – заредени частици и гама-кванти; при слабите - всичко освен носители на други взаимодействия; в гравитационните - частици с маса. Възникването на маса от частици е свързано с друго специално поле, което се нарича поле на Хигс, а частиците, които го носят, са Хигс бозони.
До началото на 60-те години на миналия век всички известни по това време частици се считат за безструктурни. Въпреки това, благодарение на напредъка в развитието на основните експериментални инструменти - ускорителите на частици, още в края на 50-те години се появиха предположения за структурата на нуклоните. Провеждайки експерименти в електронен ускорител, американският физик Робърт Хофстадтер установи, че чрез разпръскване на електрони върху неутрони, може да се види, че електроните взаимодействат с „вътрешността“ на неутрона, сякаш има някакъв скрит заряд, разпределен по сложен начин вътре . Hofstadter предположи, че това може да се дължи на наличието на определени носители на електрически заряд вътре в незаредения неутрон. Няколко години по-късно подобни експерименти са проведени и в други лаборатории.
Въз основа на данните от тези експерименти и изучавайки систематиката на откритите по това време частици, друг американски физик Мъри Гел-Ман през 1963 г. изказва хипотезата, че протонът и неутронът са изградени от по-малки частици, които той нарича кварки. Първоначално Гел-Ман въвежда само два кварка − uИ д, обаче, след това по-голям брой отворени частици с различни свойства бяха принудени да направят корекции в модела, увеличавайки техния брой първо до 3 и 4, а след това до 6. Кварковата хипотеза срещна много проблеми в своето развитие. Първо, беше психологически трудно да се възприеме съществуването на частици с заряд, по-малък от заряда на електрона. Второ, откритите в края на 60-те години частици бяха интерпретирани в кварковия модел по такъв начин, че това може да противоречи на основния. принципи на квантовата механика. За решаването на този проблем беше въведена специална характеристика (квантово число) на кварките - цвят. Трето, проблемът с кварковия модел беше, че всички опити за откриване на кварки в свободно състояние не доведоха до успех. Това предизвика отхвърляне на модела сред много учени, тъй като само експерименталното потвърждение на хипотезата я прехвърля от категорията на хипотезите в категорията на физическите истини. Така през 1969 г. М. Гел-Ман получава Нобелова награда, но в надписа на наградата „За принос и открития в класификацията на елементарните частици и техните взаимодействия” няма думата „кварк”.
Едва след експерименти в DESY (Германия), Fermilab (САЩ) и Европейския център за ядрени изследвания (CERN) до края на 80-те години беше възможно да се наблюдават ефекти, които показват наличието на частици с частичен заряд. Първата Нобелова награда, във формулировката на която присъства думата „кварк“, беше присъдена на y, y и y през 1990 г. Приблизително по същото време беше дадено обяснение за проблема с наблюдението на кварки в свободно състояние. Спецификата на взаимодействието на кварките един с друг прави тази процедура принципно невъзможна (т.нар задържане), е възможно само непряко наблюдение на кварковите ефекти.
В момента има добре развит отделен клон на теоретичната физика, който изучава глуони и кварки - квантова хромодинамика. Този раздел обобщава напредъка на квантовата теория в нейното приложение към специфичното „цветно пространство“ на кварките и глуоните.
Адроните - частици, изградени от кварки - в момента включват повече от 400 частици (и античастици). Всички те, с изключение на протона и неутрона (които са стабилни в ядрата), имат време на живот не повече от една микросекунда и се разпадат на други частици (в крайна сметка стабилни). Редица частици имат маса няколко пъти по-голяма от масата на нуклоните. Сред адроните има електрически неутрални частици и има заредени, включително такива със заряд +2 и -2 (в единици заряд на електрона). Разнообразието от тежки частици позволява да се изучават моделите на тяхното взаимодействие с различни полета и в крайна сметка да се получи правилно разбиране на моделите на изграждане на нашия свят.
Лептоните не могат да се похвалят с такова разнообразие като адроните. Общият им брой (включително античастиците) е само 12. Най-лекият зареден лептон, електронът, е открит през 1895 г., неговата античастица (позитрон) през 1934 г., по-тежкият мюон през 1962 г., а последният, таон с маса повече от 3000 пъти по-голяма от тази на електрона, през 1975 г. Най-интересните днес обаче са незаредените лептони-неутрино.
В края на 20-те години на миналия век имаше усилено изследване на различни видове радиоактивни разпадания. Когато изучават β-разпадането, учените се натъкват на парадоксална ситуация - електроните имат различни енергии всеки път, въпреки че при разпадането, което води до образуването на две частици
цялата енергия на разпадане трябва да бъде пропорционално разделена между електрона и атомното ядро, т.е. електроните трябва да имат фиксирана енергия. Стигна се дотам, че дори Нилс Бор беше готов да признае, че β-разпадът нарушава закона за запазване на енергията! Решението е намерено от изключителния немски физик Волфганг Паули. Той предположи, че заедно с електрона се появява друга незаредена частица (малък неутрон), която излита по време на разпадане без регистрация, като всеки път отнася различна част от енергията. Идеята, предложена от Паули, брилянтно разреши ситуацията, законът за запазване на енергията остана непоклатим, а появата на нова частица обясни ситуацията със „загубата на енергия“. Въпреки това, доста дълго време неутриното (името, предложено от Енрико Ферми) остава „хартиена частица“.
Напредъкът в експерименталното изследване на неутрино се свързва преди всичко с името на изключителния физик (италианец по рождение, преместил се в СССР през 1950 г.) Бруно Понтекорво. През 1944 г. Понтекорво, провеждайки теоретично изследване на възможните свойства на неутриното, предлага ефективен метод за откриване на тази частица. Източникът, според Понтекорво, може да бъде процес, при който радиоактивните ядра се разпадат интензивно. Малко по-късно Понтекорво предложи използването на ядрен реактор като изкуствен източник на неутрино. Още в началото на 50-те години започва работа по регистриране на неутрино (по това време се предполагаше, че неутриното няма античастица). Първият експеримент за откриване на (анти)неутрино е експериментът на Фредерик Рейнс и Клайд Л. Коуън, младши, които успяват да регистрират реакторни антинеутрино през 1957 г. Следващият етап в изследването на тази частица беше регистрацията на слънчеви неутрино, извършена от Реймънд Дейвис младши през 1967 г. в мината Homestake (САЩ). Още тогава стана ясно, че взаимодействието на неутриното с материята се случва толкова рядко, че ефективното му регистриране изисква големи обеми записващ материал и дълго време за измерване. Един от най-успешните експерименти с неутрино в инсталацията Kamiokande (Япония) в продължение на няколко години работа с огромен резервоар с капацитет от няколко десетки хиляди тона вода даде резултат под формата на няколко неутрино годишно! Освен това провеждането на подобни експерименти изисква освен време и големи финансови разходи. По сполучливия израз на Б. Понтекорво „Физиката на елементарните частици е скъпа наука...”.
Каква е причината за съвременния интерес към неутриното? Най-високата проникваща способност на тези частици позволява да се получи информация за обекти, които иначе са недостъпни за изследване. Обхватът на приложения тук е огромен - от информация за процеси в далечни галактики и галактически купове, до неутрино геолокация на Земята. В момента се въвеждат в експлоатация големи проекти за регистриране на астрофизични неутрино - неутрино телескопи с голям обем, където като записващо вещество се използва морска вода или лед. Предвижда се изграждането на два телескопа с обем от 1 km 3 в Северното (Средиземно море) и Южното (Антарктическо) полукълбо.
Неутринен телескоп ANTARES
Проблемът с масата на неутриното също остава нерешен. Изненадващо, това е може би единствената частица, за която е невъзможно да се каже дали има маса или не! През последните години големи надежди за решаването на този проблем се възлагат на наблюдението на така наречените неутрини осцилации, спонтанни преходи на неутрино от един тип в друг.
Въпреки наличието на различни методи на съвременни изследвания, основният инструмент от 40-те години на миналия век остава ускорители на заредени частици. Всеки ускорител е в буквалния смисъл на думата микроскоп, който ви позволява да погледнете дълбоко в материята. Наистина, за да се наблюдава обект в микрокосмоса, е необходимо да се използва радиация с дължина на вълната, съизмерима с размера му. И тъй като, въз основа на вълновите свойства на частиците, можем да получим
където λ е дължината на вълната, ћ е константата на Планк, c е скоростта на светлината, а E е енергията, тогава за по-голямо „увеличение“ на нашия „микроскоп“ е необходимо да увеличим енергията на частиците. В момента има различни видове ускорители, главно ускоряващи протони и електрони. Принципът на работа на стандартен линеен ускорител например е изключително прост и се състои в това, че когато електрон (или протон) преминава през потенциална разлика, той получава енергия.
Ето защо единицата енергия, използвана в ядрената физика и физиката на елементарните частици, се нарича „електронволт“, това е енергията, която един електрон придобива, когато преминава през потенциална разлика от 1 волт. Разбира се, в съвременните ускорители ускорението се извършва с помощта на променливо електромагнитно поле, „люлеещо“ частици в различни области. Максималната енергия на електроните, постигната в ускорителите на електрони днес е 100 GeV (10 11 eV), а в ускорителите на протони - 3,5 TeV (3,5 10 12 eV). Последната стойност съответства на протонната енергия, постигната в най-големия съвременен протонен ускорител − Голям адронен колайдер(LHC) в CERN.
Схематично представяне на ускорителния комплекс в ЦЕРН върху географска карта.
Този най-голям ускорителен комплекс е свръхпроводящ пръстен с дължина повече от 27 километра, който позволява на протоните да се „завъртят“ до енергии от 7 TeV. С такава енергия на сблъскващи се протони (и сблъсъкът, разбира се, допълнително увеличава изхода на енергия) става възможно да се наблюдават всякакви реакции с образуването на различни частици, включително такива с големи маси. Повечето експерименти, планирани в колайдера, са свързани с тестване на прогнози Стандартен модел− набор от теоретични предположения, описващи структурата на материята. Потвърждаването или опровергаването на тези хипотези ще даде възможност на науката да продължи напред, решавайки проблемите, пред които е изправено човечеството днес.
Въпроси за самопроверка
· Микроскопски път 3
· Граница на микроскопия 5
· Невидими лъчения 7
· Електрони и електронна оптика 9
· Електроните са вълни!? 12
· Структура на електронен микроскоп 13
· Обекти за електронна микроскопия 15
· Видове електронни микроскопи 17
· Характеристики на работа с електронен микроскоп 21
· Начини за преодоляване на дифракционната граница на електронната микроскопия 23
· Литература 27
· Снимки 28
Бележки:
1. Символ означава издигане до степен. Например, 2 3 означава "2 на степен 3".
2. Символ e означава записване на число в експоненциална форма. Например, 2 e3 означава "2 по 10 на 3-та степен."
3. Всички снимки са на последната страница.
4. Поради използването на не съвсем „нова“ литература, данните в това резюме не са особено „пресни“.
Окото няма да види слънцето,
ако той не беше като
Към слънцето.
Гьоте.
Начинът на микроскопията.
Когато първият микроскоп е създаден в началото на 17 век, едва ли някой (или дори неговият изобретател) е могъл да си представи бъдещите успехи и многобройни приложения на микроскопията. Поглеждайки назад, ние сме убедени, че това изобретение бележи нещо повече от създаването на ново устройство: за първи път човек успя да види невидимото преди.
Приблизително по същото време друго събитие датира от изобретяването на телескопа, което направи възможно да се види невидимото в света на планетите и звездите. Изобретяването на микроскопа и телескопа представлява революция не само в начините за изучаване на природата, но и в самия метод на изследване.
Наистина, натурфилософите от древността са наблюдавали природата, научавайки за нея само това, което окото е видяло, кожата е усетила и ухото е чуло. Човек може само да се изненада колко правилна информация за света около тях са получили с помощта на „голи“ сетива и без провеждане на специални експерименти, както правят сега. В същото време, наред с точни факти и брилянтни предположения, колко неверни „наблюдения“, твърдения и заключения са ни оставили учените от древността и средновековието!
Едва много по-късно е открит метод за изследване на природата, който се състои в провеждането на съзнателно планирани експерименти, чиято цел е да се проверят предположения и ясно формулирани хипотези. Франсис Бейкън, един от неговите създатели, изрази характеристиките на този изследователски метод със следните, сега известни думи: „Да се проведе експеримент означава да се разпита природата.“ Според съвременните идеи бяха първите стъпки на експерименталния метод скромни и в повечето случаи експериментаторите от онова време се справяха без никакви устройства, които „усилват“ сетивата. Изобретяването на микроскопа и телескопа представлява огромно разширяване на възможностите за наблюдение и експеримент.
Още първите наблюдения, извършени с помощта на най-простата и несъвършена технология според съвременните концепции, откриха „цял свят в капка вода“. Оказа се, че познатите обекти изглеждат напълно различни, когато се изследват през микроскоп: повърхностите, които са гладки за окото и на допир, се оказват всъщност грапави, а в „чиста“ вода се движат безброй миниатюрни организми. По същия начин първите астрономически наблюдения с помощта на телескопи позволиха на хората да видят познатия свят на планети и звезди по нов начин: например повърхността на Луната, възпята от поети от всички поколения, се оказа планинска и осеяна с многобройни кратери, а Венера има смяна на фазите, също като Луната.
В бъдеще тези прости наблюдения ще дадат началото на независими области на науката: микроскопия и наблюдателна астрономия. Ще минат години и всяка от тези области ще се развие в множество разклонения, изразени в множество много различни приложения в биологията, медицината, технологиите, химията, физиката и навигацията.
Съвременните микроскопи, които, за разлика от електронните, ще наричаме оптични, са перфектни инструменти, които позволяват получаване на големи увеличения с висока разделителна способност. Разделителната способност се определя от разстоянието, на което два съседни структурни елемента все още могат да се видят отделно. Въпреки това, както показват изследванията, оптичната микроскопия практически е достигнала фундаменталния предел на своите възможности поради дифракция и интерференция ¾ на явления, причинени от вълновата природа на светлината.
Степента на монохроматичност и кохерентност е важна характеристика на вълните от всякакво естество (електромагнитни, звукови и др.). Монохроматичните вибрации ¾ са вибрации, състоящи се от синусоиди с една специфична честота. Когато си представим трептения под формата на проста синусоида, съответно с постоянна амплитуда, честота и фаза, тогава това е известна идеализация, тъй като, строго погледнато, в природата няма трептения и вълни, които са абсолютно точно описани от синус вълна. Въпреки това, както показват проучванията, реалните трептения и вълни могат да се доближат до идеална синусоида с по-голяма или по-малка степен на точност (имат по-голяма или по-малка степен на монохроматичност). Трептенията и вълните със сложна форма могат да бъдат представени като набор от синусоидални трептения и вълни. Всъщност тази математическа операция се извършва от призма, която разлага слънчевата светлина на цветен спектър.
Монохроматичните вълни, включително светлинните вълни, с еднаква честота (при определени условия!) Могат да взаимодействат помежду си по такъв начин, че в резултат на това „светлината да се превърне в тъмнина“ или, както се казва, вълните могат да се намесват. По време на интерференция възниква локално „усилване и потискане“ на вълните една от друга. За да може моделът на вълнова интерференция да остане непроменен във времето (например, когато го гледате с око или снимате), е необходимо вълните да са кохерентни една с друга (две вълни са кохерентни една с друга, ако дават стабилен интерференчен модел, който съответства на равенството на техните честоти и постоянното фазово изместване).
Ако се поставят препятствия по пътя на разпространение на вълните, те значително ще повлияят на посоката на разпространение на тези вълни. Такива препятствия могат да бъдат ръбове на отвори в екрани, непрозрачни обекти, както и всякакви други видове нееднородности по пътя на разпространение на вълната. По-специално, нееднородности могат да бъдат и обекти, които са прозрачни (за дадено излъчване), но се различават по коефициент на пречупване и следователно по скорост на преминаване на вълните вътре в тях. Феноменът на промяна на посоката на разпространение на вълните, когато те преминават близо до препятствия, се нарича дифракция. Дифракцията обикновено е придружена от явления на интерференция.
Границата на микроскопията.
Изображението, получено с помощта на която и да е оптична система, е резултат от интерференцията на различни части от светлинната вълна, преминаваща през тази система. По-специално, известно е, че ограничаването на светлинна вълна от входната зеница на системата (ръбовете на лещите, огледалата и диафрагмите, които изграждат оптичната система) и свързаното с това явление дифракция води до факта, че светлинният точката ще бъде изобразена под формата на дифракционен кръг. Това обстоятелство ограничава възможността за разграничаване на малки детайли от изображението, формирано от оптичната система. Изображението, например, на безкрайно отдалечен източник на светлина (звезда) в резултат на дифракция от кръгла зеница (рамка на зрителната тръба) е доста сложна картина (виж фиг. 1). На тази снимка можете да видите набор от концентрични светли и тъмни пръстени. Разпределението на осветеността, което може да бъде фиксирано, ако се движите от центъра на картината към нейните краища, се описва с доста сложни формули, които се дават в курсовете по оптика. Въпреки това, шарките, присъщи на позицията на първия (от центъра на картината) тъмен пръстен, изглеждат прости. Нека означим с D диаметъра на входната зеница на оптичната система и с l дължината на вълната на светлината, изпратена от безкрайно отдалечен източник.
Ориз. 1. Дифракционно изображение на светеща точка (т.нар. диск на Ейри).
Ако означим с j ъгъла, под който се вижда радиусът на първия тъмен пръстен, тогава, както е доказано в оптиката,
грях й » 1,22 * ( л /Д) .
По този начин, в резултат на ограничаване на вълновия фронт до краищата на оптичната система (входната зеница), вместо да изобразим светеща точка, съответстваща на обект в безкрайност, получаваме набор от дифракционни пръстени. Естествено, това явление ограничава възможността за разграничаване на два близко разположени точкови източника на светлина. Наистина, в случай на два отдалечени източника, например две звезди, разположени много близо една до друга в небесния свод, в равнината на наблюдение се образуват две системи от концентрични пръстени. При определени условия те могат да се припокриват и разграничаването на източниците става невъзможно. Неслучайно, в съответствие с „препоръката“ на формулата, дадена по-горе, те се стремят да изградят астрономически телескопи с големи размери на входната зеница. Границата на разделителна способност, при която могат да се наблюдават два близко разположени източника на светлина, се определя, както следва: за определеност границата на разделителна способност се приема като позицията на дифракционните изображения на два точкови източника на светлина, при която първият тъмен пръстен, създаден от един от източници съвпада с центъра на светлинното петно, създадено от друг източник.
Кратко резюме на съвременната физика на микросвета :
1 . Микросветът се състои от два вида частици, които се различават предимно по размер: от частиците на ултрамикро света ( Например , фотон ) и частици от микросвета ( Например , електрон ). Ултрамикросветът е с три порядъка по-малък от частиците на микросвета . Обикновено 10 на минус осемнадесета степен .
2. Така че имаме три посоки на движение на частиците ( ориз .1 ) И , съответно , три места за полета : гравитационно поле , електрическо и магнитно поле . На тази основа можем да говорим за единен характер на трите полета и т.н , че и трите полета са неотделими едно от друго в микрокосмоса . ( В природата има вещества , създаване на магнитни полета или електрически полета отделно ). Като следствие от това твърдение, ако проводник за електрически ток се въведе в магнитно поле , тогава той не може да бъде повлиян от електрическото поле , който винаги е ортогонален на магнитното поле .
3. Нека обърнем внимание на това , че всяка частица от микросвета има още три степени на свобода , които се използват за въртеливо движение . Вижте фиг. 1 . Казва физикът Хопкинс , че пространството може да се трансформира във време и обратно . Как да разбираме това твърдение ? Знаем закона за запазване на енергията , който гласи : сумата от кинетичната и потенциалната енергия на тялото е постоянна . Движението на частица в пространството на микрокосмоса е осцилаторно . Осцилаторното движение е резултат от добавянето на две движения : транслационни и ротационни . Кинематичната енергия е енергията на постъпателното движение , а потенциалът е съхранената енергия на тяло, неподвижно в пространството по различни начини . В пространството се извършва транслационно движение , и ротационни във времето и тези движения имат математически гранични условия , за които ни разказа физикът Хопкинс .
4. аз вярвам , че всички частици на ултрамикрокосмоса се различават една от друга само по честотата на вибрациите . Например , ултравиолетова и инфра светлина : същият фотон , но с различни честоти . аз вярвам , че честотата е форма на съхранение на енергия , T .е. честотата определя количеството кинетична и потенциална енергия на една частица . Тъй като формулата на Айнщайн отчита само кинетичната енергия на движеща се частица , тогава тази формула се нуждае от корекция . Очевидно , Под маса на частица трябва да разбираме специфичната маса , T . д . маса обем, създаден от честотата на вибрациите : масата на частицата трябва да бъде разделена на произведението на амплитудата на вибрациите и площта на дължината на вълната или математическото очакване на тази вълна.
5. Всяка елементарна частица от микросвета съдържа свой специфичен тип ултра микро частици със собствена честота. Например , един електрон съдържа фотони със същата честота ( под новото име: “ биони ”), но честотата на излъчения фотон се настройва към условията на специфичната орбита на електрона . Фигура 4 представя доказателства за тази хипотеза. : всички електромагнитни вълни трябва да са с еднаква дължина и амплитуда в определена орбита . Но преходът от орбита към друга орбита е придружен от промяна на честотните параметри : T . д . амплитуда и дължина на вълната . Всяка орбита има собствено ниво на потенциална енергия еп gii , като следствие от закона за запазване на енергията . Причина стр д редовното изтичане на кваркова енергия от елементарна частица на микросвета може да причини резонансни явления .
Блок от електрони в орбита има въртящ момент , което е произведение от масата на електрона и орбиталния радиус , което води до въртене на самите орбити . Всяка орбита на електрони в един атом по своята същност е електрическа затворена верига и следователно създава електромагнитно поле около себе си. Следователно скоростта на електроните в орбита е една и съща , като в електрическа верига . Това поле предпазва електроните от приближаване до протоните на ядрото . Посоката на линиите на магнитното поле може да се определи с помощта на правилото на гимлета .
7 . Физическата литература показва това , че електронът има спин 2. Наистина , Когато се освободи фотон, той се завърта на 90 градуса , T . д . от 1 / 2 гърбът се връща в първоначалното си положение , което дава 1 повече / 2 назад . След това той променя ръба на завоя и отново 1 / 2 и 1 / 2 , T . д . общото завъртане е 2 .
7. Нашата Вселена - физически затворено пространство . Ограничава се от физически константи : Например , скоростта на светлината е 300 000 км в секунда или температурната граница е 273 , 16 градуса по Целзий . Следователно той се подчинява на Закона за запазване на енергията и следователно вече съществува от милиарди години . Как може да се обясни този факт? , че движението на планетите по орбити не е спряло ? Ако приемем , че планетите се движат по инерция след импулса на Експлозията , тогава тази енергия за милиарди години ще бъде загубена до известна степен поради срещи с метеорити и слънчевия вятър. Забележка , че частиците от ултрамикро света, когато се движат, извършват колебателни движения около траекторията си на движение, T . д . тяхното движение е колебателен процес с определена честота . Осцилаторният процес в природата е преходът на потенциалната енергия в кинетична енергия и обратно. От това следва, че , че движението на всяко тяло в затворено пространство трябва да използва резерв от потенциална енергия чрез механизма на честотата.
Не знаем защо съществуват температури , ограничения на вакуума и ограничена скорост на светлината . Може би има криоплазма , нещо като черна дупка , свиване ене стр giyu до известна степен , след което настъпва Големият взрив .
8. Експериментално учените не са успели да достигнат скоростта на светлината или температурата от нула Келвин. . Те само ги доближиха до тези граници с асимптотично малко количество . Тези експерименти изискват огромен разход на енергия . Така се установи, че , че в района на малки количества възникват огромни енергийни разходи . Ние знаем от класическата физика формулата на силата Е когато масите си взаимодействат : м 1 М 2 Където r е разстоянието между масите :
F = m 1 *М 2 /r^ 2 . Теглото на протон или електрон е около 0 , 91 * 10 на степен минус 31 кг ( масата е с порядък по-малка ), плътност 6 , 1 * 10 на 17-та степен кг / м ^ 3 . Разстояние между частиците при слабо взаимодействие ( 2 * 10 на минус 1 5 степени ) м и със силно взаимодействие ( 10 на минус 18-та степен ) известен . Въпреки това, когато се изчислява силата на привличане на тези частици, трябва да се вземе предвид фактът , че всяка микрочастица е микроосцилаторна верига . Виж о обяснение на точка 10. Приложението на формулата на класическата физика към изчисленията на взаимодействието на частиците на микросвета ни показва, че , че няма граници между класическата физика и квантовата или релативистката .
9. Заредени обекти , Например , електрони предизвикват не само електростатично поле, но и електрически ток. В тези две явления има съществена разлика. За възникването на електростатично поле са необходими стационарни заряди, по някакъв начин фиксирани в пространството, а за възникването на електрически ток, напротив, е необходимо наличието на свободни, нефиксирани заредени частици, които в електростатичното поле на стационарни заряди дойде в състояние подредено движение по линиите на полето . Например , електрически разряд статично електричество , концентриран в гръмотевичен облак - мълния . Това движение е електричество .
10. Но има и друга причина за появата на електрически ток . Всяка ултра и микро частица от електронен тип има своя собствена честота на вибрация и , следователно , е микроосцилиращ кръг , за които се отнася формулата на Джоузеф Томсън :
f = 1/2 P е корен квадратен от L*C, Където L = 2*EL/I на квадрат и
C = 2* Ec/U на квадрат , където Е 1 c и e 1л е енергията съответно на електрическото поле и магнитния поток . Формулата показва постоянна връзка между L( в Хенри , ) И ° С ( във фаради , които се преобразуват в сантиметри ).
( единица индуктивност в система GHS; 1 см = 1·10 -9 gn ( Хенри ), см , cm ... капацитет, сантиметър - единица капацитет в система GHS = 1·10 -12 е ( фаради ), см . )
Ако размерите на тези величини са в сантиметри , тогава знаменателят на тази формула е обиколката . Следователно , електрическото поле около електрона е серия от коаксиални кръгове . С увеличаване на радиуса на кръга, скоростта на движение на ултрамикро частица трябва да се увеличи от периода , това е честотата на вибрациите на електроните -f постоянен . Последствията от това консумацията на кинетична енергия за по-отдалечени частици се увеличава и способността им да индуцират електрически ток в проводника намалява.
Но нека обърнем внимание на фиг.3 , къде е показано , че векторите E 1 с и Е 1л разделени в пространството и взаимно ортогонални . Това обстоятелство трябва да се има предвид при индуциране на електрически ток в проводник . Ако приложим закона за запазване на енергията към величините Е 1л и Е 1 с , тогава Е 1л е кинетичната енергия на движещ се поток от електрони - аз, А д 1 c е потенциалната енергия на електрическото поле като функция от неговата сила U. Енергия E1 Л И E1c реактивен . В случай на частици от микросвета, техните вектори са ортогонални на координатната ос на OS , но са в различни равнини на ортогонални координати . (° С погледни ориза . 2 ). Двата вектора са разделени в пространството . Следователно не се случва тяхното взаимно унищожаване и честотата на микрочастиците не се разпада с времето .
В електрическите вериги реактивното съпротивление обикновено се означава с X , и общото съпротивление във вериги с променлив ток Z, активно съпротивление - Р а сумата от всички съпротивления се нарича импеданс . Z = R+jX
Големината на импеданса е съотношението на амплитудите на напрежението и тока, докато фазата е разликата между фазите на напрежението и тока.
Ако х >0 се казва, че реактивното съпротивление е индуктивно
Ако х =0 се казва, че импедансът е чисто резистивен (активен)
ЕС дали х <0 говорят, что реактивное сопротивлние является ёмкостным .
В реален колебателен кръг , използвани , Например , в радиотехниката , можем да компенсираме реактивната индуктивна енергия с капацитивна реактивна енергия, защото при капацитивно съпротивление векторът на тока води напрежението, а при индуктивно съпротивление векторът на тока изостава от напрежението с 90 градуса и те са в една и съща равнина, но не по едно и също време. Тъй като една от характеристиките на индуктивността е способността да поддържа тока, протичащ през нея, постоянен, тогава, когато тече товарният ток, фазово изместване между ток и напрежение (токът "изостава" от напрежението с фазов ъгъл). Различните знаци на тока и напрежението през периода на фазовото изместване, като следствие, водят до намаляване на енергията на електромагнитните полета на индуктивностите, която се попълва от мрежата. За повечето промишлени консуматори това означава следното: по мрежите между източника на електроенергия и консуматора, освен активна енергия, която извършва полезна работа, протича и реактивна енергия, която не извършва полезна работа.
От горното следва, че , какво d За съществуването на електрически ток е необходимо да се подаде енергия отвън към проводника във формата електромагнитни полета.
Допълнително обяснение . Капацитет Р нараства с броя на завъртанията на електромагнита .
R = 1/(2 π * C * f), Където е- честота , И ° С- капацитет .
Индуктивност L=N 2 * μ *A/l,
Където Л- индуктивност , Н- брой навивки на проводник, µ - коефициент на магнитна пропускливост на ядрото , А- основен обем , л - средна дължина на ядрото .
f = 1/(2 π * √ (L * C))
Следователно , R = 1/(4π 2 *C*N*√( μ*A/l)).
За да разберем свойствата на фотона, нека проведем прост експеримент. Нека пуснем две топки с еднакво тегло от еднаква височина върху стоманена плоча. Едната топка е от пластелин, а другата е топка- стомана. Лесно се забелязва, че големината на отскока от плочата е различна за тях и е по-голяма за стоманена топка. Големината на отскока се определя от еластичната деформация на материалите на топката. Сега нека насочим лъч светлина към печкатаа , т.е. поток от фотони. От оптиката е известно, че ъгълът на падане на лъча е строго равен на ъгъла на отражение. Когато две тела се сблъскат, те обменят енергия пропорционално на масите си. В случай на фотонен лъч, последният променя само вектора на движение. Не следва ли от този факт, че има необичайно висока стойност на еластична деформация на фотона, т.е. свръхеластичност? В края на краищата ние сме запознати с феномена на свръхпластичността на някои сплави.
11. Каква е ролята на еластичната деформация в микрокосмоса? Знаем, че компресираната пружина има потенциална енергия, чиято величина е по-голяма, толкова по-голяма е еластичната деформация на пружината. Знаем, че по време на колебателния процес потенциалната енергия се трансформира в кинетична и обратно. Известно е също, че всички частици на микросвета са подложени на осцилаторно движение, тоест имат своя собствена честота на трептене, която създава електромагнитно поле около частицата. По този начин всяка частица от микрокосмоса е микроосцилаторна верига като радиотехническа осцилаторна верига. Следователно електромагнитното поле трябва да създаде въртящ момент в частицата:M = r аз *Ф аз , аз - където е определена точка на приложение на този момент. Забележете, че честотата на микрочастицата не се променя с времето. А това е възможно само в случай на свръхпроводимост!
Този въртящ момент завърта частицата около осите X и Y последователно, създавайки еластична деформация на усукване. Тези супереластични деформации връщат частицата в първоначалното й състояние. По този начин се създава осцилаторно движение на частицата с прехода на потенциалната енергия, присъща на еластичната торсионна деформация, в кинетичната енергия на движението на частицата в пространството по остаЗ .
Механизмът на такъв преход може да си представим като усукване на туба с паста. Всъщност промяната в обема води до екструдиране на пастата от отвора на тръбата, разположен перпендикулярно на равнината на усукване на тръбата. Този вътрешен импулс кара частицата да се движи по остаЗ. Появява се високоефективен наномотор. Нещо подобно може да се наблюдава при така нареченото колело за пране. Ако оста на такова колело не е фиксирана, тогава вместо въртящо се колело ще получим транслационно търкалящо се движение. За да реализираме този двигател, е необходимо да създадем материал с необичайно високи стойности на еластична деформация на усукване. Тогава ще се отвори пътят за пътуване със скоростта на светлината.
12. Такива изключително високи свойства на микрочастиците възникват в материали при температури, близки до нула Келвин. Дали материята не се свива периодично в някаква черна дупка, представляваща криоплазма при температура на Келвин? Не е ли тази материя, благодарение на своите свръхестествени свойства, акумулатор на потенциална енергия, която, когато достигне критично ниво, се превръща в кинетична енергия чрез Експлозия?
Квантова оптика. Физика на микросвета. Молекулярна физика.
Топлинно излъчване- електромагнитно излъчване с непрекъснат спектър, излъчвано от нагрети тела поради тяхната топлинна енергия.
ПримерТоплинното излъчване е светлина от лампа с нажежаема жичка.
Силата на топлинното излъчване на обект, който отговаря на критериите за абсолютно черно тяло, се описва с Закон на Стефан-Болцман.
Описана е връзката между излъчвателната и абсорбционната способност на телата Радиационният закон на Кирхоф.
Топлинното излъчване е един от трите основни вида пренос на топлинна енергия.
Равновесното излъчване е топлинно излъчване, което е в термодинамично равновесие с материята.
Основните количествени характеристики на топлинното излъчване са:
- енергийна светимост
е количеството енергия на електромагнитното излъчване в целия диапазон от дължини на вълните на топлинното излъчване, което се излъчва от тяло във всички посоки от единица повърхностна площ за единица време: R = E/(S t), [J/(m 2 s)] = [W /m 2 ] Енергийната светимост зависи от естеството на тялото, температурата на тялото, състоянието на повърхността на тялото и дължината на вълната на излъчване.
- спектрална плътност на осветеност
- енергийна светимост на тяло за дадени дължини на вълните (λ + dλ) при дадена температура (T + dT): R λ, T = f(λ, T).
Енергийната светимост на тяло в определени дължини на вълните се изчислява чрез интегриране на R λ, T = f(λ, T) за T = const:
коефициент на поглъщане- съотношението на погълнатата от тялото енергия към падащата енергия. Така че, ако лъчение от поток dФ inc пада върху тяло, тогава една част от него се отразява от повърхността на тялото - dФ neg, другата част преминава в тялото и частично се превръща в топлина dФ abs, а третата част , след няколко вътрешни отражения, преминава през тялото навън dФ inc : α = dФ абс./dФ надолу.
Закон на Стефан-Болцман- законът за излъчване на черно тяло. Определя зависимостта на мощността на излъчване на абсолютно черно тяло от неговата температура. Изявление на закона:
където е степента на чернота (за всички вещества, за абсолютно черно тяло). Използвайки закона на Планк за радиация, константата може да се определи като
където е константата на Планк, е константата на Болцман и е скоростта на светлината.
Числена стойност J s −1 m −2 K −4.
Законът е открит независимо от J. Stefan и L. Boltzmann при предположението, че плътността на енергията на радиацията е пропорционална на нейното налягане. Потвърдено от Leo Graetz през 1880 г.
Важно е да се отбележи, че законът говори само за общата излъчена енергия. Разпределението на енергията в спектъра на излъчване се описва с формулата на Планк, според която в спектъра има единичен максимум, чието положение се определя от закона на Виен.
Радиационният закон на Кирхоф.
В модерните формулировка 3Законът гласи така:
Съотношението на излъчвателната способност на всяко тяло към неговата абсорбционна способност е еднакво за всички тела при дадена температура за дадена честота и не зависи от тяхната форма и химическа природа.
Известно е, че когато електромагнитното лъчение попадне върху определено тяло, част от него се отразява, част се поглъща, а част може да се предава. Фракцията на радиацията, погълната при дадена честота, се нарича абсорбционна способносттяло. От друга страна, всяко нагрято тяло излъчва енергия по някакъв закон, наречен излъчвателна способност на тялото.
Стойностите на и могат да варират значително при преминаване от едно тяло към друго, но според закона на радиацията на Кирхоф съотношението на емисионните и абсорбционните способности не зависи от природата на тялото и е универсална функция на честотата ( дължина на вълната) и температура:
По дефиниция, абсолютно черно тяло поглъща цялата радиация, падаща върху него, т.е. Следователно функцията съвпада с излъчвателната способност на абсолютно черно тяло, описана от закона на Стефан-Болцман, в резултат на което излъчвателната способност на всяко тяло може да се намери само въз основа на неговата абсорбционна способност.
Реалните тела имат капацитет на поглъщане, по-малък от единица, и следователно коефициент на излъчване, по-малък от този на абсолютно черно тяло. Телата, чиято абсорбционна способност не зависи от честотата, се наричат сиви. Техните спектри имат същия вид като този на абсолютно черно тяло. В общия случай поглъщателната способност на телата зависи от честотата и температурата и техният спектър може значително да се различава от спектъра на абсолютно черно тяло. Изследването на емисионната способност на различни повърхности е извършено за първи път от шотландския учен Лесли, използвайки неговото собствено изобретение - кубът на Лесли.
Фотоелектричен ефект (фотоелектричен ефект) е явлението на взаимодействие на светлината с материята, в резултат на което енергията на фотоните се прехвърля към електроните на веществото. За твърди и течнителата варират външен и вътрешен фотоефект. С външенПри фотоелектричния ефект поглъщането на фотони се придружава от излъчване на електрони извън тялото. С вътрешниПри фотоелектричния ефект електроните, откъснати от атоми, молекули и йони, остават вътре в веществото, но енергиите на електроните се променят. В газовеФотоелектричният ефект се състои от явлението фотойонизация - отстраняване на електрони от атоми и газови молекули под въздействието на светлина.
Качествен изглед на ток-напреженовата характеристикафотоклетка, тоест зависимостта на фототока от напрежението между катода и анода за случай на постоянен светлинен поток, падащ върху катода, е представена на фиг. 1.13.
 |
| Ориз. 1.13. |
Положително напрежениесъответства на ускоряващото електрическо поле, в което попадат електроните, излизащи от катода. Следователно, в областта на положителните напрежения, всички електрони, излъчени от катода, достигат до анода, причинявайки фототок на насищане.
Леко намаляване на фототока при малък положителеннапрежението, което се наблюдава в експериментите, е свързано с контактната потенциална разлика между катода и анода. По-долу, когато обсъждаме законите на фотоелектричния ефект, ще пренебрегнем влиянието на контактната потенциална разлика.
При отрицателно напрежениеЕлектрон, излъчен от катода, навлиза в забавящо електрическо поле, което може да преодолее само ако има определено количество кинетична енергия. Електрон с ниска кинетична енергия, излетял от катода, не може да преодолее спирачното поле и да стигне до анода. Такъв електрон се връща към катода, без да допринася за фототока. Следователно плавното намаляване на фототока в областта на отрицателните напрежения показва, че фотоелектроните, излизащи от катода, имат различни стойности на кинетична енергия.
При някакво отрицателно напрежение, чиято стойност се нарича забавящо напрежение (потенциал), фототокът става равен на нула. Съответното спирачно електрическо поле забавя всички електрони, излизащи от катода, включително електрони с максимална кинетична енергия.
Чрез измерване на забавящото напрежение, тази максимална енергия или максимална скорост на фотоелектроните може да се определи от връзката
| . | (1.54) |
Експериментално са установени следните основни принципи на фотоелектричния ефект:
1. За монохроматична светлина с определена дължина на вълната фототокът на насищане е пропорционален на падащия върху катода светлинен поток.
2.Максималната кинетична енергия на фотоелектроните не зависи от големината на светлинния поток, а се определя само от честотата на излъчване.
3. Всяко катодно вещество има своя собствена гранична честота, така че излъчване с честотата на фотоелектричния ефект не предизвиква фотоелектричния ефект. Тази гранична честота се нарича червена гранична честота на фотоелектричния ефект.По скалата на дължината на вълната тя съответства на дължината на вълната на червената граница, така че фотоелектричният ефект от даден метал предизвиква излъчване само с по-къса дължина на вълната.
(1.55) се нарича Уравнението на Айнщайн за външния фотоелектричен ефект.Тук е максималната енергия на фотоелектроните.
Пряко следствие от това уравнение са вторият и третият закон на фотоелектричния ефект. Наистина, от (1.55) следва, че максималната енергия на фотоелектроните зависи от честотата на радиация, падаща върху метала. Освен това, ако , тогава фотоелектрическият ефект не трябва да се наблюдава. Оттук за честотата и дължината на вълната на червената граница на фотоелектричния ефект получаваме прости формули
от което следва, че тези характеристики се определят изцяло от стойността на работата на изхода на електрона от метала.
Фотон- елементарна частица, квант електромагнитно излъчване (в тесен смисъл - светлина). Това е безмасова частица, която може да съществува само като се движи със скоростта на светлината. Електрическият заряд на фотона е нула. Един фотон може да бъде само в две спинови състояния с проекция на спина върху посоката на движение (спиралност) ±1. Това свойство в класическата електродинамика съответства на кръговата дясна и лява поляризация на електромагнитната вълна. Фотонът, като квантова частица, се характеризира с двойственост вълна-частица; той едновременно проявява свойствата на частица и вълна. Фотоните се означават с буквата , поради което често се наричат гама лъчи (особено високоенергийни фотони); тези термини са практически синоними. От гледна точка на Стандартния модел, фотонът е калибровъчен бозон. Виртуалните фотони са носители на електромагнитна сила, като по този начин осигуряват взаимодействие, например, между два електрически заряда. Фотонът е най-разпространената частица във Вселената. Има поне 20 милиарда фотона на нуклон.
Двойственост вълна-частица, Принцип на неопределеността на Хайзенберг
Фотонът се характеризира с двойственост вълна-частица. От една страна, фотонът демонстрира свойствата на електромагнитната вълна в явленията на дифракция и интерференция, ако характерните размери на препятствията са сравними с дължината на вълната на фотона. Например, последователност от единични фотони с честота, преминаваща през двоен процеп, създава интерференчен модел на екрана, който може да бъде описан с уравненията на Максуел. Експериментите обаче показват, че фотоните се излъчват и поглъщат изцяло от обекти, които имат размери, много по-малки от дължината на вълната на фотона (например атоми), или като цяло, до известно приближение, могат да се считат за точковидни (точно като, например, електроните) . Така фотоните в процесите на излъчване и поглъщане се държат като точковидни частици. В същото време това описание не е достатъчно; идеята за фотон като точкова частица, чиято траектория е вероятностно определена от електромагнитно поле, е опровергана от корелационни експерименти със заплетени състояния на фотони.
Мисловен експеримент на Хайзенбергза определяне на местоположението на електрона (защриховано в синьо) с помощта на гама-микроскоп с висока разделителна способност.
Падащите гама лъчи (показани в зелено) се разсейват от електрона и влизат в ъгъла на отвора на микроскопа θ. Разсеяните гама лъчи са показани в червено на фигурата. Класическата оптика показва, че позицията на електрона може да се определи само до определена стойност Δ х, което зависи от ъгъла θ и дължината на вълната λ на падащите лъчи.
Ключовият елемент на квантовата механика е Принцип на неопределеността на Хайзенберг,което забранява едновременното точно определяне на пространствената координата на частица и нейния импулс по тази координата.
Важно е да се отбележи, че квантуването на светлината и зависимостта на енергията и импулса от честотата е необходимо, за да се удовлетвори принципът на несигурност, приложен към заредена масивна частица. Това може да се илюстрира с известния мисловен експеримент с идеален микроскоп, който определя координатата на електрон чрез облъчването му със светлина и записването на разсеяната светлина (гама микроскоп Хайзенберг). Позицията на електрона може да се определи с точност, равна на разделителната способност на микроскопа. Въз основа на концепциите на класическата оптика:
където е ъгълът на отвора на микроскопа. По този начин несигурността на координатата може да бъде толкова малка, колкото желаете, чрез намаляване на дължината на вълната на падащите лъчи. Въпреки това, след разсейване, електронът придобива някакъв допълнителен импулс, чиято несигурност е равна на . Ако падащото лъчение не беше квантувано, тази несигурност може да се направи произволно малка чрез намаляване на интензитета на лъчение. Дължината на вълната и интензитетът на падащата светлина могат да се променят независимо една от друга. В резултат на това при липса на квантуване на светлината би било възможно едновременно да се определи с висока точност позицията на електрона в пространството и неговия импулс, което противоречи на принципа на неопределеността.
Напротив, формулата на Айнщайн за импулса на фотона напълно удовлетворява изискванията на принципа на неопределеността. Като се вземе предвид фактът, че фотонът може да бъде разпръснат във всяка посока в рамките на ъгъла, неопределеността на импулса, прехвърлен към електрона, е равна на:
След умножаване на първия израз по втория се получава съотношението на неопределеността на Хайзенберг: . Така целият свят е квантован: ако материята се подчинява на законите на квантовата механика, то полето трябва да им се подчинява и обратното.
Експериментите на Ръдърфорд доведоха до заключението, че в центъра на атома има плътно, положително заредено ядро (атомно ядро, откъдето идва и името на модела), чийто диаметър не надвишава 10–14–10–15 m. Това ядро заема само 10–12 част от общия обем на атома, но съдържа всичкоположителен заряд и най-малко 99,95% от неговата маса. Веществото, съставляващо ядрото на атома, трябваше да получи колосална плътност от порядъка на ρ ≈ 10 15 g/cm 3 . Зарядът на ядрото трябва да бъде равен на общия заряд на всички електрони, които изграждат атома. Впоследствие беше възможно да се установи, че ако зарядът на електрона се приеме за единица, тогава зарядът на ядрото е точно равен на номера на даден елемент в периодичната таблица.
Фигура 6.1.3 Разсейване на α частица в атом на Томсън (а) и в атом на Ръдърфорд (б)
Впоследствие Ръдърфорд предложи планетарен модел на атома . Според този модел в центъра на атома има положително заредено ядро, в което е съсредоточена почти цялата маса на атома. Атомът като цяло е неутрален. Електроните се въртят около ядрото, подобно на планетите, под въздействието на кулонови сили от ядрото (фиг. 6.1.4). Електроните не могат да бъдат в покой, тъй като биха паднали върху ядрото.
Ориз. 6.1.4 Показани са кръговите орбити на атома на Ръдърфорд
Атомно ядро- централната част на атома, в която е концентрирана по-голямата част от неговата маса (повече от 99,9%). Ядрото е положително заредено; зарядът на ядрото се определя от химичния елемент, към който принадлежи атомът. Размерите на ядрата на различни атоми са няколко фемтометри, което е повече от 10 хиляди пъти по-малко от размера на самия атом. Атомното ядро се състоина нуклони - положително заредени протони и неутрални неутрони, които са свързани помежду си чрез силно взаимодействие. Броят на протоните в ядрото се нарича негов номер на таксата- това число е равно на поредния номер на елемента, към който принадлежи атомът в естествената серия от елементи в периодичната система. Броят на протоните в ядрото определя структурата на електронната обвивка на неутрален атом и по този начин химичните свойства на съответния елемент. Броят на неутроните в едно ядро се нарича негов изотопно число. Ядра с еднакъв брой протони и различен брой неутрони се наричат изотопи. Наричат се ядра с еднакъв брой неутрони, но различен брой протони изотони. Общият брой нуклони в ядрото се нарича негов масово число() и е приблизително равна на средната атомна маса, посочена в периодичната таблица. Обикновено се наричат нуклиди с еднакво масово число, но различен протонно-неутронен състав изобари. Като всяка квантова система, ядрата могат да бъдат в метастабилно възбудено състояние и в някои случаи животът на такова състояние се изчислява в години. Такива възбудени състояния на ядрата се наричат ядрени изомери. Почти 90% от 2500-те известни атомни ядра са нестабилни. Нестабилното ядро спонтанно се трансформира в други ядра, излъчващи частици. Това свойство на ядрата се нарича радиоактивност. Установено е, че радиоактивните ядра могат да излъчват частици от три вида: положително и отрицателно заредени и неутрални. Тези три вида радиация бяха наречени α-, β- и γ-лъчение. Тези три вида радиоактивно излъчване се различават значително един от друг по способността си да йонизират атомите на материята и следователно по своята проникваща способност. Има най-ниска проникваща способност α радиация. Във въздуха при нормални условия α-лъчите изминават разстояние от няколко сантиметра . β-лъчимного по-малко се абсорбира от веществото. Те могат да преминат през слой алуминий с дебелина няколко милиметра. Имат най-голяма проникваща способност γ-лъчи, способни да преминават през слой олово с дебелина 5–10 cm.
дивизияпредставлява разпадането (разделянето) на атомно ядро на две прибл. равни части (фрагменти), придружени от освобождаване на енергия и, в отдела. случаи, чрез излъчване на един или повече. частици, например неутрони. Някои тежки ядра могат да се делят спонтанно, докато по-леките могат да се делят в случай на сблъсък с други ядра, които имат висока енергия. В допълнение, тежките ядра, като атомите на урана, са способни на делене, когато са бомбардирани от неутрони, и тъй като се излъчват нови неутрони, процесът може да стане самоподдържащ се, т.е. настъпва верижна реакция. По време на такава реакция на делене се освобождава голямо количество енергия. Контролираните верижни реакции възникват в ядрените реактори, докато неконтролираните верижни реакции възникват в атомната бомба. Синтезе сливането на ядрата на два леки атома за образуване на ново ядро, съответстващо на по-тежък атом. Ако това ново ядро е стабилно, тогава енергията се освобождава по време на синтеза, тъй като връзките в него са по-здрави, отколкото в оригиналните ядра. От хим. Реакциите на ядрен синтез се отличават с участието в него не само на електроните на атомите, но и на техните ядра. На единица маса реагиращи вещества в реакцията на ядрен синтез, прибл. 10 пъти повече енергия от реакциите на делене. Синтезът на ядрата се извършва в центъра, областта на Слънцето и други звезди, които са източник на тяхната енергия. Неконтролирана реакция на такъв синтез се осъществява във водородни бомби. Днес се провеждат изследвания за прилагането на контролирани реакции на такъв синтез като източници на енергия.
Елементарна частица- сборен термин, отнасящ се до микрообекти в субядрен мащаб, които не могат да бъдат разчленени на съставни части.
Трябва да се има предвид, че някои елементарни частици (електрон, фотон, кварки и др.) в момента се считат за безструктурни и се считат за първични фундаментални частици. Други елементарни частици (т.нар. съставни частици - протон, неутрон и др.) имат сложна вътрешна структура, но въпреки това, според съвременните концепции, е невъзможно да се разделят на части.
Фундаментална частица- безструктурна елементарна частица, която досега не е била описвана като съставна. Понастоящем терминът се използва предимно за лептони и кварки (6 частици от всеки вид, заедно с античастиците, съставляват набор от 24 фундаментални частици) във връзка с калибровъчни бозони (частици, които носят фундаментални взаимодействия).
Молекулярно-кинетична теорияинтерпретира свойствата на телата, които се наблюдават пряко експериментално (налягане, температура и др.) като общ резултат от действието на молекулите. При това тя използва статистическия метод, като се интересува не от движението на отделни молекули, а само от средните стойности, които характеризират движението на огромна колекция от частици. Оттук и другото му име - статистическа физика.
Термодинамични параметри- температура, плътност, налягане, обем, електрическо съпротивление и други физични величини:
- еднозначно определяне на термодинамичното състояние на системата;
- не отчитат молекулярната структура на телата; И
- описване на техния макроскопичен строеж.
Въз основа на използването на основните принципи на молекулярно-кинетичната теория беше получено основно уравнение на MKT идеален газ, което изглежда така: , където p е налягането на идеален газ, m0 е масата на молекулата, средната стойност на концентрацията на молекулите, квадратът на скоростта на молекулите.
Означавайки средната стойност на кинетичната енергия на транслационното движение на молекулите на идеален газ, получаваме основно уравнение на MKTидеален газ във формата:
В теорията на идеалния газ потенциалната енергия на взаимодействие между молекулите се счита за равна на нула. Ето защо Вътрешната енергия на идеален газ се дава откинетична енергия на движение на всички негови молекули. Средната енергия на движение на една молекула е. Тъй като един киломол съдържа молекули, вътрешната енергия на един киломол газ ще бъде 
Имайки предвид това, получаваме
За всеки газ с маса m, т.е. за произволен брой киломолове вътрешна енергия
| (10.12) |
От този израз следва, че вътрешната енергияе недвусмислена функция на състоянието и следователно, когато системата извършва някакъв процес, в резултат на който системата се връща в първоначалното си състояние, общата промяна на вътрешната енергия е равна на нула. Математически това се записва като идентичност
Втори закон на термодинамикатазаявява, че всички необратими процеси (а такива са почти всички топлинни процеси, във всеки случай всички естествено протичащи процеси) протичат така, че ентропията на участващитепри тях телата се увеличават, клонейки към максимална стойност. Максималната стойност на ентропията се постига, когато системата достигне равновесно състояние.
В същото време вече беше отбелязано по-горе, че преходът към равновесно състояние е много по-вероятен в сравнение с всички други преходи. Следователно се наблюдават само тези промени в състоянието, при които системата преминава от по-малко вероятно към по-вероятно състояние (термодинамичната вероятност се увеличава).
Връзка между термодинамичната вероятност за състоянието на системата и нейната ентропияе създадена през 1875 г. от двама известни учени - Д. Гибс и Л. Болцман. Тази връзка е изразена Формула на Болцман, което изглежда така:
| , | (4.56) |
Където , Р– универсална газова константа, N A– Номерът на Авогадро.
Уравнение на състоянието на идеалния газ(понякога уравнението на Клапейрон или уравнението на Менделеев-Клапейрон) е формула, която установява връзката между налягането, моларния обем и абсолютната температура на идеален газ. Уравнението е:
налягане,
Моларен обем,
Универсална газова константа
Абсолютна температура, K.
Тъй като , където е количеството вещество, и , където е масата, е моларната маса, уравнението на състоянието може да бъде написано:
Може да се види, че това уравнение всъщност е уравнението на състоянието на идеален газ с две корекции. Корекцията взема предвид силите на привличане между молекулите (налягането върху стената намалява, тъй като има сили, които дърпат молекулите на граничния слой навътре), корекцията взема предвид силите на отблъскване (изваждаме обема, зает от молекулите от общия обем).
За молове ван газУравнението на състоянието на дер Ваалс изглежда така:
Къде е обемът,
Изотермалиния на фазова диаграма, изобразяваща процес, протичащ при постоянна температура (изотермичен процес). Уравнението Изотермаидеален газ pV = const, където p е налягането, V е обемът на газа. За истински газ, уравнението Изотермаима по-сложен характер и влиза в уравнението Изотермаидеален газ само при ниски налягания или високи температури.
На фиг. 2.8 схематично показани са газови изотермиВан дер Ваалс за различни температури.
Тези изотерми ясно показват областта, в която налягането се увеличава с увеличаване на обема. Тази област няма физическо значение. В областта, където изотермата прави зигзагообразен завой, изотермата я пресича три пъти, т.е. има три обемни стойности с еднакви стойности на параметрите и . С повишаване на температурата вълнообразното сечение намалява и се превръща в точка (виж точка K на фиг. 2.8). Тази точка се нарича критичен, чиято стойност зависи от свойствата на газа.
Изотерми на реален газ (схематично)
Синьо - изотерми при температури под критичните. Зелените площи върху тях са метастабилни състояния.
Областта вляво от точка F е нормална течност.
Точка F е точката на кипене.
Директен ФГ - равновесие на течна и газообразна фази.
Раздел FA - прегрята течност.
Раздел F′A - разтегната течност (стр<0).
Участък АС е аналитично продължение на изотермата и е физически невъзможен.
Секция CG - преохладена пара.
Точка G е точката на оросяване.
Областта вдясно от точка G е нормален газ.
Площите на фигурата FAB и GCB са равни.
Червеното е критичната изотерма.
К е критичната точка.
Синьо - суперкритични изотерми
Тъй като целият процес протича при постоянна температура T, крива, която изобразява зависимостта на налягането p от обема V, наречена изотерма. При обем V 1 започва кондензацията на газ, а при обем V 2 завършва. Ако V > V 1, то веществото ще бъде в газообразно състояние, а ако V< V 2 - в жидком.
Експериментите показват това Изотермите на всички други газове също имат тази форма, ако температурата им не е много висока.
При този процес, когато газът се превърне в течност, когато обемът му се промени от V 1 на V 2, налягането на газа остава постоянно. Всяка точка от линейната част на изотерма 1-2 съответства на равновесие между газообразното и течното състояние на веществото. Това означава, че със сигурност TИ Vколичеството течност и газ над него остава непроменено. Равновесието е динамично: броят на молекулите, които напускат течностите, е средно равен на броя на молекулите, които преминават от газ в течност едновременно.
Има и такова нещо като критична температура, ако даден газ е при температура над критичната температура (индивидуална за всеки газ, например за въглероден диоксид приблизително 304 K), тогава той вече не може да се превърне в течност, без значение какво налягане е приложено към него. Това явление възниква поради факта, че при критична температура силите на повърхностното напрежение на течността са нула. Ако продължите бавно да компресирате газ при температура над критичната температура, след като той достигне обем, равен на приблизително четири от присъщите обеми на молекулите, които изграждат газа, свиваемостта на газа започва рязко да спада.
Кратка история на изучаването на елементарните частици
Първата елементарна частица, открита от учените, е електронът. Електронът е елементарна частица, която носи отрицателен заряд. Открит е през 1897 г. от J. J. Thomson. По-късно, през 1919 г., Е. Ръдърфорд открива, че сред частиците, избити от атомните ядра, има протони. Тогава са открити неутроните и неутриното.
През 1932 г. К. Андерсън, докато изучава космическите лъчи, открива позитрона, мюоните и К-мезоните.
От началото на 50-те години ускорителите се превърнаха в основен инструмент за изучаване на елементарни частици, което направи възможно откриването на голям брой нови частици. Изследванията показват, че светът на елементарните частици е много сложен и техните свойства са неочаквани и непредвидими.
Определение 1
В тесен смисъл елементарните частици са частици, които не се състоят от други частици. Но в съвременната физика се използва по-широко разбиране на този термин. По този начин елементарните частици са най-малките частици материя, които не са атоми и атомни ядра. Изключение от това правило е протонът. Ето защо елементарните частици се наричат субядрени частици. Преобладаващата част от тези частици са съставни системи.
Елементарните частици участват във всички фундаментални видове взаимодействия - силно, гравитационно, слабо, електромагнитно. Гравитационното взаимодействие, поради малките маси на елементарните частици, често не се взема предвид. Всички съществуващи в момента елементарни частици са разделени на три големи групи:
Всяка елементарна частица има набор от дискретни стойности и квантови числа. Общите характеристики на абсолютно всички елементарни частици са следните:
Бележка 1
Според времето на живот елементарните частици са стабилни, квазистабилни и нестабилни.
Стабилни елементарни частици са: електрон, чийто живот е 51021 години, протон - повече от 1031 години, фотон, неутрино.
Квазистабилните са частици, които се разпадат в резултат на електромагнитни и слаби взаимодействия; времето на живот на квазистабилните елементарни частици е повече от 10-20 s.
Нестабилните елементарни частици (резонанси) се разпадат при силни взаимодействия и времето им на живот е $10^(-22) – 10^(-24)$ s.
Квантовите числа на елементарните частици са лептонни и барионни заряди. Тези числа са строго постоянни стойности за всички видове фундаментални взаимодействия. За лептонните неутрино и техните античастици лептонните заряди имат противоположни знаци. За барионите барионният заряд е 1; за съответните им античастици барионният заряд е -1.
Характерно за адроните е наличието на специални квантови числа: "странност", "красота", "чар". Обичайните адрони са неутрон, протон и π-мезон.
В рамките на различни групи адрони има семейства от частици, които имат подобни маси и подобни свойства по отношение на силното взаимодействие, но се различават по електрическия заряд. Пример за това са протонът и неутронът.
Способността на елементарните частици да претърпяват взаимни трансформации, които възникват в резултат на електромагнитни и други фундаментални взаимодействия, е тяхното най-важно свойство. Този тип взаимна трансформация е раждането на двойка, тоест образуването на частица и античастица едновременно. В общия случай се образува двойка елементарни частици с противоположни барионен и лептонен заряд.
Възможно е образуването на двойки позитрон-електрон и мюонни двойки. Друг вид взаимна трансформация на елементарни частици е унищожаването на двойка в резултат на сблъсък на частици с образуването на краен брой фотони. По правило образуването на два фотона става с общ спин на сблъскващи се частици, равен на нула, и три фотона с общ спин, равен на 1. Този пример е проявление на закона за запазване на паритета на заряда.
При определени условия е възможно образуването на свързана система от позитроний e-e+ и мюоний µ+e-. Това условие може да е ниската скорост на сблъскващи се частици. Такива нестабилни системи се наричат водородоподобни атоми. Продължителността на живота на водородоподобните атоми зависи от специфичните свойства на веществото. Тази функция позволява използването им в ядрената химия за подробно изследване на кондензирана материя и за изследване на кинетиката на бързите химични реакции.
