Мегаобучалка Главная | О нас | Обратная связь  


Исторический процесс изучения микромира




Концепция микромира

 

Следует отметить, что микромир нельзя рассматривать как некий уменьшенный масштаб макропроцессов, т.к. явления микромира подчиняются другим закономерностям и изменяются на основе иных принципов. Представления о строении материи являются одной из главных в научной картине мира. И уходят своими корнями в античную философию. Еще древние мыслители заметили, что окружающий их мир природы с одно стороны подвижен и изменчив, с другой стороны остается одним и тем же. Из этих соображений следовал вывод, что в основе всего окружающего мира лежит некая единая субстанция, из которой все окружающее человека и состоит. Далее каждый из мыслителей выдвигал свою основную субстанцию. Напр., по Фалесу основой основ являлась вода, Анаксимен - воздух, Гераклит - огонь, Оксенофан - земля. В 5 в. до н.э. Эпикуром и Демокритом стала развиваться мысль о том, что наша материя не является бесконечно делимой, что определенная степень деления материи приводит к первичным и далее неразделимым сущностям, которые в тоже время называли началами. Именно эти начала и составляют основу всего окружающего. Надо сказать, что такие рассуждения привели мыслителей к гениальной мысли, что эти сущности представляют собой мельчайшие частички, которые не видимы невооруженному человеческому глазу. Кроме этого, древние мыслители отметили, что существует простое пространство, и что эти мельчайшие частички находятся в движении.



 

На основе этих трех положений древние мыслители создали гигантскую концепцию о строении окружающего мира. Эта концепция распространялась не только на предметы досягаемого мира, но также и на космос. Демокрит считал, что атомы имеют разнообразную форму, они различаются положением и порядком сочетания, а Эпикур, кроме того, наделил атомы свойством тяжести. Более того, они считали, что атомы движутся беспорядочно. При этом сталкиваются и отскакивают друг от друга, но при определенных условиях происходит их сцепление, при этом сцепление происходит в различных сочетаниях атома, в результате чего происходит образование различных вещей. Кроме того, считалось, что вещи гибнут, но атомы из которых состоят эти вещи - вечны. И после гибели вещи, происходит разъединение атомов, которые затем образовывали другие вещи. Примерно такая эволюция взглядов была присуща древним мыслителем. Идея что в основе вещей лежат простейшие микрочастицы, идея прерывности материи является одной из самых глубоких в естествознании. Эта концепция, по которой мир состоит из частичек, получила называние концепции атомизма. Эта идея, явившаяся поначалу гениальной догадкой, в средние века была предана забвению, это связано, прежде всего, с большим влиянием религиозного воззрения на научные идеи. Но в 17-ом веке идея получила новое развитие в Европе и использовалась в качестве гипотезы для объяснения разных физических и химических явлений. А уже в конце 19-го начале 20-го веков, после открытия молекул и атомов, получает практическое подтверждение.

 

В 1860-м году Менделеев открыл зависимость свойств элементов от их атомного веса, тем самым концепция атомизма получила еще одно реальное подтверждение. Самому Менделееву не удалось до конца объяснить наблюдаемую периодичность, и в связи с этим он допустил наличие других возможных объяснений других закономерностей. И действительно позже было найдено электронное и нуклонное объяснение зависимостей. Ни молекулы, ни атомы не могут претендовать на роль первичных частиц. В конце 90-ых гг. 19-го века, при изучении распада радиоактивных веществ были получены данные свидетельствующие о делимости атомов, супруги Кюри и... А в 1897 г. английский физик Томсон открыл электрон, измерил заряд и массу. Далее Резерфорд (физик) и Содди (химик) представили радиоактивность как результат изменения внутренней структуры атомов и превращения одних химических элементов в другие. Проводя дальнейшие исследования, учёные вывели планетарную модель строения атомов. Согласно этой модели, атом состоит из ядра имеющего положительный заряд и вращающихся вокруг него по определенным орбитам отрицательно заряженных электронов. Надо сказать, что в те времена планетарная модель, предложенная Резерфордом, была подвергнута критике. С научной позиции тех времён, предложенная модель говорила о неизменность ядра, т.к. электроны при вращении забирали бы энергию ядра и в конце концов электрон бы упал на ядро. Это была главная сложность, и в начала 20-го века Нильс Бор воспользовался понятием кванта, т.е. мельчайшей порции энергии. Понятие квантов впервые ввел Макс Планк в 1900 г., он показал, что тела излучают свет не непрерывно, а определенными порциями - квантами. Воспользовавшись понятием кванта, Бор предположил, что из всех орбит допускаемый ньютоновской механикой для движения электронов осуществляются не все, а только те орбиты, величина энергии которых кратна постоянной Планка. Из этого следовало, что находясь на основных орбитах электрон не излучает свет, и стало быть не теряет энергии. Если электрон не теряет энергии, то атом существует устойчиво. Тогда как происходит излучение? Оно происходит тогда, когда электрон переходит с одного энергетического на другой, более низкий только в этом случае происходит излучение квантов света. Таким образом, используя понятие кванта, Бор существенно дополнил планетарную модель Резерфорда, с тех пор она стала называться моделью Резерфорда-Бора. Работы Бора и Планка фактически послужили основой для создания новой физической дисциплины - квантовой механики. Появление этой теории нарушило собственную логичность и целостность, так она использовала классическую механику, а с другой стороны использовались совершенно новые правила квантования. Эти правила и подходы долгое время считались искусственными, поэтому подвергались достаточно серьезной критике. После того как планетарная модель была построена, возник вопрос, можно ли объяснить строение не только водорода, но и остальных элементов. Оказалось, что эта модель имеет некоторые ограничения, поэтому модель Бора назвали полуклассчисеской. Но к 1927-му году трудами физика Дебройля, квантовая механика сформировалась как последовательная и стройная физическая теория, с ясными физическими основаниями и своим математическим аппаратом. Это позволило внести некоторые коррективы в существующие представления. Если в классической физике электрон представляется как мельчайшая частица вещества, имеющей четкую траекторию движения, то в квантовой механике электрон трактуется как частица и в тоже время как волна, а точнее как сгусток электромагнитного поля. Поэтому в атоме электроны предстают как размытое облачко, и когда мы говорили о динамических и вероятностных законах, здесь был явный переход от динамического к вероятностному, статистическому подходу к электрону.

 

Элементарные частицы

 

Элементарными частицами называют такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. В соответствии с этим определением атомы и молекулы не являются элементарными частицами. Термин "элементарные частицы" не следует воспринимать слишком буквально. Элементарными частицами следует считать электроны, протоны, нейтроны, фотоны и нейтрино. Нейтрино - это частица была предсказана в 1930 г. физиком Пауэлем. Она уникальна, подвержена действию только слабых сил, ее взаимодействие с веществом ничтожно, поэтому эта частичка может легко проходить сквозь землю. Античастицы отличаются от соответствующих им частиц только зарядом. Все остальные характеристики подобны им. Из этого следует, что в системе частиц и античастиц сумма зарядов равна нулю. Когда говорят о частицах, выделяют стабильные (указанные выше фотоны, нейтрино и т.п.) и нестабильные. В 1932 г. в составе космических лучей был открыт позитрон, имеющий такую же массу как электрон, но противоположный по знаку заряда. В 1936 г. были открыты частицы - мюоны, с положительным и отрицательным зарядом. По своим свойствам они похожи на электроны, но в 200 раз тяжелее. В 1947 г. в космических лучах обнаружены положительные и отрицательные частицы п-мезоны, они в 280 раз тяжелее электрона. С 1949-52 были открыты к-мезоны и гипероны - эти частицы получили название странных частиц, поскольку оказалось, что прямого отношения к образованию вещества эти частицы не имеют.

 

С 1950-х гг. началась новая эра в изучении элементарных (субъядерных) частиц. Это было связано с тем, что удалось создать ускорители заряженных частиц, на которых было получено очень большое число так называемых неустойчивых частиц. Их еще назвали резонансами, т.к. у них очень малое время жизни. Открытие странных частиц внесло определенный вклад в понимание эволюции Вселенной в начальный период. Предполагается, что эти странные частицы существовали на самой ранней стадии эволюции Вселенной.

 

Ускорители частиц. Они сейчас разнообразны и предназначены для разных целей. Обязательно наличие вакуума в ускорителях. Исследования на ускорителях стоят безумных денег, поэтому сначала предсказывают теоретически процессы, и только потом они проверяются на практике. Всем элементарным частицам присущи две основные черты:

все частицы пока существуют остаются неизменными. Все частицы одного сорта остаются абсолютно одинаковыми, т.е. они неразличимы;

все частицы могут рождаться и исчезать, эти процессы, как правило, происходят при взаимодействии частиц. При столкновении двух и более энергетических частиц могут рождаться множество новых. Теоретики при рассмотрении взаимодействия частиц исходят из закона сохранении энергии и закона сохранения импульса при прогнозировании процессов.

Появившееся столь значительное количество элементарных частиц потребовало классификации, все частицы разбиты на 2 класса:

Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, такие частицы назвали адронами.

Частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях - лептоны.

Количество адронов оказалось столь большим, что многие физики сделали предположение, что они имеют сложную структуру. На сегодняшний день можно предположить, что адроны состоят из кварков. Самое необычное свойство кварков заключается в том, что они существуют только внутри адронов и не наблюдаются как самостоятельно существующие частицы. Получается, что обычно частицы определяли путем взаимодействия, использования ускорительной техники, что бы можно было выделить из ядра ту или иную субъядерную составляющую, здесь процесс сложнее. Здесь теоретические модели оказались впереди теории, и теоретики поступили по-другому, они решили определить кварки по наличию самостоятельного заряда. Если нет частиц в протоне (адроне), то будет равномерное отклонение, так направили электрон на протон и электрон значительно отклонился, из этого следует, что заряд в протоне распределен неравномерно. Другой вывод сделали из закона сохранения энергии. Когда провели изменение импульса протона, движущегося с высокой скоростью, обнаружили что полный импульс кварков не равен импульса протона. Это привело к мысли о том, что помимо кварков в ядре есть еще частицы (суммарные количество энергии кварков около 50% от протона), которые не обладают зарядом. Эти частицы названы глюоны, посчитали, что именно они осуществляют взаимодействие между кварками.

 

Между кварками существуют хромоэлектрические силы. Направление физики, которое их изучает, называется хромодинамикой. При удалении заряженных частиц где-то на 10 в минус 13 см. силовые линии между ними искажаются. Оказалось, что сила взаимодействия между кварками с увеличением расстояния между ними не уменьшается, а возрастает. И при расположении кварков на расстоянии порядка 1-го метра, эти хромоэлектрические силы преобразуются в тонкую так называемую глюон-нить (одна, единая связь). Если пойти дальше, то можно представить что эти частицы и нити формируют пространство, и можно предположить, что пространство многомерно. Подобные соображения легли в теорию суперструн. Понятие элементарных частиц неразрывно связано с понятием поля, следуя традициям сложившимся в физике, различают вещество и поле. Поле - это особая форма материи, которая наделена реальными физическими свойствами, такими как энергия. К наиболее известным относятся электромагнитное и гравитационное поля. В классической физике эти два вида материи - вещество и поле, противопоставляются друг другу. На том основании, что вещество это дискретное, а поле это непрерывная субстанция. В микромире полевые и корпускулярные аспекты объединяются и представляют собой различные проявления единой, принципиально новой в сущности микрочастиц. Иначе говоря, на микроуровне электромагнитное поле проявляет корпускулярные свойства и наоборот, частица, напр., электрон может проявлять волновые свойства. Макромир характеризуется, прежде всего, огромными массами и относительно малыми скоростями движения, в микромире малые массы, но высокие скорости движения. Для макромира характерны большие расстояния вплоть до бесконечности, а взаимодействие в микромире имеют размеры сопоставимые с размером ядер. Время, в макромире порядок времени, единицы измерения известны, но в микромире мы имеем дело с планковскоми временами, которые очень малы, коротки. Когда рассматривают здесь времена надо рассматривать с позиции квантовой механики.

 

Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой



Читайте также:



©2015-2020 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (140)

Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку...

Система поиска информации

Мобильная версия сайта

Удобная навигация

Нет шокирующей рекламы



(0.026 сек.)
Поможем в написании
> Курсовые, контрольные, дипломные и другие работы со скидкой до 25%
3 569 лучших специалисов, готовы оказать помощь 24/7