Реферат: Физика микромира 2. Реферат на тему физика микромира

4. Современная физика макро- и микромира. Основные этапы развития физики

Реферат: Микромир концепции современной физики

Контрольная работа по предмету

Концепция современного естествознания

На тему:

«Микромир: концепции современной физики»

Выполнила:

Морозова Анна Евгеньевна 1 курс

Преподаватель:

Коростелева Н.А.

Владимир

2008

Содержание

I. Введение………………………………………………………….….3

II. Микромир: концепции современной физики…………….….4

1. Изложите сущность квантово - механической концепции описания микромира…………………………………………….….4

2. Объясните взгляды М. Планка, Луи де Бройля, Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира…………………………………………………………….7

3. Подчеркните особенности волновой генетики………………..9

III. Заключение…………………………………………………………12

IV. Список использованных источников…………………………13

I. Введение

В этой контрольной работе моя цель - ответить на вопросы по теме: Микромир: концепции современной физики. Вопроса всего три.

Отвечая на них, своей задачей я вижу раскрытие главных понятий квантовой физики с современной точки зрения, описание становления квантовой механики, как полноправного раздела физики, и, наконец, описание возможностей применения этих знаний в других науках, например в биологии (в данном случае в генетике).

При работе над поставленными задачами я использовала такие методы, как отбор литературы, компоновка отобранного материала и внедрение логической цепочки повествования.

Этапы работы: сначала я нашла нужную литературу в областной библиотеке, затем дополнила теми книгами и учебниками, которые находятся в моем личном пользовании, после этого выбрала конкретный материал из этих источников и приступила к написанию работы. По ходу я смотрела недостающие данные в сети Интернет.

II. Ответы на вопросы

1. Изложите сущность квантово - механической концепции описания микромира.

Первым шагом на пути построения новой, квантовой физики и вместе с ней новой физической картины мира явилась гипотеза М. Планка, сформулированная в 1900 году: атомы излучают свет дискретными порциями, квантами. В 1905 году А. Эйнштейн высказал предположение, что свет не только излучается, но и распространяется, а также поглощается веществом дискретными пропорциями, квантами (фотонами). В 1913 г. Н. Бор и А. Зоммерфельд предложили модель атома водорода, построенную на основе соединения классических представлений с квантовыми постулатами: существуют стационарные орбиты, находясь на которых электрон не излучает. Атом излучает только тогда, когда электрон перескакивает с одной стационарной орбиты на другую, причем частота энергии связана с разностью энергий двух соответствующих орбит и величиной постоянной Планка: Е – Е = νh.;

Наконец в 1924 г. Луи де Бройль формулирует общий принцип, важный для построения новой физической теории, принцип корпускулярно-волнового дуализма: с движением каждой частицы связан волновой процесс, с каждым волновым процессом связаны корпускулярные проявления. Связь корпускулярных и волновых свойств выражается формулой λ=۟h/p. По существу, это было попытка синтезировать две физические картины мира – корпускулярную и полевую. В 1926 г. Э. Шредингер вводит свое знаменитое уравнение, характеризующее изменение во времени квантового состояния, выражаемого так называемой волновой функцией (пси-функцией).

В условиях обострившегося мировоззренческого кризиса А. Эйнштейн, Л де Бройль и Э. Шредингер отказались поддерживать направление, которое вело к квантовой механике. После создания основ квантовой теории обнаружились новые парадоксы, коренившиеся в ее необычных принципах. Если рассматривать явление интерференции, то можно выявить один из типичных парадоксов, возникавших в силу специфической связи корпускулярных и волновых свойств квантовых объектов. Физики вынуждены были сделать вывод, что каждый электрон обладает волновыми свойствами.

Вернемся к пси-функции. Она отражает реальное состояние микрообъекта. Вид этой функции в каждом конкретном случае может быть определен в зависимости от характера взаимодействия, в котором участвует микрообъект. Знание волновой функции в свою очередь дает возможность определить при помощи ряда постулируемых правил значения тех или иных физических величин. Постулат А: Каждой физической величине (координате, импульсу, энергии и т. д.) соответствует определенный оператор, т. е. специфическое преобразование, совершаемое над волновой функцией и позволяющее определить значение физической величины по заданному виду пси-функции. Постулат Б: Результатом всякого измерения, выполняемого над микрочастицей, может быть лишь одно из собственных значений оператора измеряемой физической величины.

Теоретики, занимавшиеся развитием и систематизацией формального аппарата квантовой механики, обратили внимание на то, что в соответствии с принципами теории волновая функция, изображающая квантовомеханическое состояние объекта, изменяется двумя различными способами. Физики не смогли прийти к единому мнению относительно того, каким реальным изменениям в физической ситуации соответствует скачкообразное изменение функции состояния (редукция волновой функции). Были предложены различные истолкования редукции, однако большинство из них по тем или иным основаниям оказались неудовлетворительными. Споры вокруг этой проблемы продолжаются и по сей день…

Усилиями ряда ученых к 1927 г. Новая физическая теория, получившая наименование квантовой, приобрела относительно завершенную форму. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств (корпускулярно-волновой дуализм). Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или к конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления. Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим.

2. Объясните взгляды М. Планка, Луи де Бройля, Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира.

М. Планк предположил, что излучение тела испускается дискретно, небольшими сгустками энергии (квантами). Планк установил, что все кванты, связанные с определенным светом частотой ν, имеют одинаковую энергию. И все же Планк думал, что в пространстве эта энергия распространяется непрерывно.

А. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается квантами, но и распространяется в виде отдельных неделимых квантов, то есть имеет прерывную структуру. Он говорил, что стоит признать корпускулярную структуру света.

Луи де Бройль высказал идею о том, что материя обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Также он пришел к выводу, что двойственная природа света должна быть распространена не только на фотоны, но и на частицы вещества – электроны.

Э. Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи – уравнение Шредингера. Это уравнение является основным законом в Квантовой механике, как второй закон Ньютона в классической механике.

Варнером Гейзенбергом было впервые выведено соотношение неопределенностей. Согласно ему мы не можем одновременно измерить координату и импульс тела с абсолютной точностью. Если удастся измерить положение тела с малой погрешностью, то погрешность импульса будет велика, и наоборот. Источник этих погрешностей заключен не в приборах, а в природе вещей.

Сущность принципа дополнительности Н. Бора в физике такова. В любом опыте с микрообъектами наблюдатель получает информацию не о "свойствах объектов самих по себе", но о свойствах объектов в связи с конкретной ситуацией, включающей в себя, в частности, и измерительные приборы. Информацию об объекте, полученную при некоторых определенных условиях, надо рассматривать как дополнительную к информации, полученной при других условиях. Причем сведения, полученные при разных условиях, нельзя простым образом складывать, суммировать, комбинировать в некую единую картину; они отражают разные (дополняющие стороны) единой реальности, отвечающие исследуемому объекту. Свое прямое выражение принцип дополнительности находит, в частности, в идее корпускулярно-волнового дуализма и в соотношениях неопределенностей.

3. Подчеркните особенности волновой генетики.

Обычная генетика, несмотря на все успехи, которые были, зашла в какой-то степени в тупик. Волновая генетика работает только с веществом ДНК. Все манипуляции, которые происходят в генетике, начинаются с того, что молекулы ДНК режутся, переставляются местами и так далее. От этого получаются всякие эффекты, в частности, когда помещают чужие гены в ДНК, например, растения или животного, и смотрят, что получается. Получаются, казалось бы, неплохие вещи. Но на самом деле все это заканчивается очень плохо.

Это вроде бы неожиданный эффект; если основываться на законах классической генетики и модели так называемого триплетного генетического кода, все должно быть в порядке. Оказывается, нет. Почему возникают такие неожиданные эффекты? Потому что модель генетического кода, казалось бы, признанная и апробированная, перестает работать. Сам по себе генетический код, по-видимому, идеален, поскольку мы живы, - иначе нас бы не было; но модель его, сформированная в наших знаниях, неполная. Сейчас наступила ситуация, когда прежние взгляды изжили сами себя, и эта модель, имевшая гигантский успех в начале 60-х годов прошлого века, стала тормозом, более того, стала вредить. Потому что, основываясь только на этой модели работы генетического аппарата, биологи не могли предсказать эффектов, о которых сказано выше. Сейчас сотни растений являются трансгенными - возникают такие вещества-метаболиты, которые невозможно предсказать с точки зрения классических представлений о модели генетического кода.

Оказывается, генетический код устроен сложнее, чем мы предполагали. Это выражается в том, что ДНК является текстом, но не в метафорическом, а в буквальном смысле. Поэтому при манипуляциях с молекулами ДНК трансгенные инженеры должны учитывать этот фактор. Эти тексты ДНК обладают смысловой нагрузкой. Внедряя ДНК в чужеродные гены, мы получаем совершенно неожиданные эффекты с позиций старых взглядов на генетику. Это один момент. А сейчас она стала не только тормозом, но и вредит людям. Поэтому трансгенные манипуляции, видимо, надо каким-то образом блокировать.

ДНК является своего рода аудио-видео записью, где текст и изображение свернуто в этой структуре. Дело в том, что это изображение особое - голографическое, потому что для построения сложного организма со сложной пространственной упаковкой, структурой требуется управление этим. Для того, чтобы построить организм человека, растения, животного, нужен некий план – с этим все согласны. Волновая генетика доказывает, что наши хромосомы (или хромосомы любых высших биосистем, многоклеточных организмов) устроены таким образом, что они являются жидкокристаллическими голограммами. Этот совокупный генетический материал является жидкокристаллическим хромосомным континуумом. Такие жидкие кристаллы ДНК в составе хромосом своей топологией создают многочисленные динамично меняющиеся голограммы или голографические решетки.

Следствия колоссальные. Когда голограмму прочитывает сам организм – хромосомы сами себя считывают, (они излучают лазерный свет разных длин волн) – возникают образы, которые являются электромагнитными световыми голографическими конструкциями. В соответствии с этим образом идет построение организма. Чтобы построить такую сложную структуру как человек, нужен план двух векторов – словесный и геометрический. Надо создать какие-то структуры, которые бы моделировали строение руки, глаза, носа, ноги, печени, почек, сердца. Классическая генетика об этом ничего не знает. Волновая генетика предлагает очень простое решение проблемы, которое базируется на экспериментах, что ДНК является голограммой. И поэтому при проигрывании – прочтении хромосомного аппарата - возникают два образа: звуковой или текстовый и геометрический, т.е. образ будущего человека.

Если не учитывать такие волновые принципы кодирования генетической информации в голографической форме, это приведет к трагическим последствиям. Когда вводится чужеродный ген, меняется не только текст, но и структура упаковок в составе хромосом. Изменяется голограмма, образы; возникает совершенно новая незапланированная программа, которая приводит к биосинтезу чужеродных веществ, которые отравляют предмет эксперимента (например растение). Что предлагает волновая генетика в отличие от классической генетики? Основываясь на таких теоретических построениях, которые имеют физико-математическое обоснование, сконструировали лазерную аппаратуру (фактически квантовый биокомпьютер), который моделирует волновые текстовые голографические и квантовые нелокальные процессы. Не сказано о еще одной ипостаси: любой генетический аппарат (в т.ч. и человека) имеет такую особенность – квантовую нелокальность, когда все клетки организма и все его хромосомы связаны мгновенно. Но это особо сложный разговор. Что дает такая теоретическая проработка? Нет ничего более практичного, чем теория: она позволили сконструировать лазерную аппаратуру, дающую такие возможности, о которых официальная генетика, эмбриология не подозревали. Это, пожалуй, основное на сегодняшний день достижение.

I. Заключение

К настоящему времени квантовой теорией оказалась заложена основа грядущих масштабных и глубоких изменений во всех сферах общества, которые ожидают нас в недалеком будущем.

Эти неординарные научные достижения были вызваны тем, что в последнее время произошел стремительный переход квантовой механики непосредственно в сферу практического применения. Прежде всего, это касается такого перспективного для практических приложений квантового ресурса, как “запутанные состояния”

Одно из основных достижений квантовой теории последних лет состоит в том, что был сделан переход к количественному описанию квантовой запутанности. Были введены различные меры запутанности, появилась возможность теоретически рассчитывать эти величины и сопоставлять полученные значения с результатами физических экспериментов.

Еще одно достижение квантовой теории состоит в том, что была теоретически доказана и экспериментально подтверждена возможность “манипуляции” квантовой запутанностью. Меру запутанности системы можно изменять, как усиливая ее (очищение запутанности), так и уменьшая (разбавление запутанности).

В контрольной работе я разобралась в специфике поведения объектов в микромире и выяснила особенности их описания с помощью квантовой механики; затем изложила основные идеи классиков квантовой механики как науки; и, наконец, показала возможности применения знаний квантовой механики для изучения гена в современной генетике.

Список использованных источников:

1. Бейзер А. Основные представления современной физики. М., 1973

2. Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины. М., 1985.

3. Орир Дж. Физика. М., 1981

4. Концепции современного естествознания. Под ред. Лавриненко В.Н. и Ратникова В.П. М., 2004.

5. Интернет - www.vokrugsveta.ru

www.referatmix.ru

Реферат - Физика микромира 2

--PAGE_BREAK-- 2. Рождение и развитие представлений о квантах При переходе к исследованию микромира оказались разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства. Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Плавком. Как известно, в конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила название «ультрафиолетовой катастрофы». В соответствии с расчетами по формуле классической электродинамики интенсивность теплового излучения абсолютно черного тела должна была неограниченно возрастать, что явно противоречило опыту. В процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях – квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энергии – квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h: E = hy, ставшим впоследствии знаменитым (где hy – квант энергии, у – частота). Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как неоднократно подчеркивал М. Планк, то все же 14 декабря 1900 г., в день опубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики этот день считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятие элементарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря 1900 г. следует рассматривать и как день рождения всей атомной физики и начало новой эры естествознания. Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его был А. Эйнштейн. В 1905 г. он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете. Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почти дерзким, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового излучения черного тела. А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господствующие в оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света. Квантовая теория света, или фотонная теория А. Эйнштейна, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. [5, C. 120-124] И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, или фотонов. Их энергия определяется элементарным квантом действия Планка и соответствующим числом колебаний. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии. Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, что каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота достаточно велика для преодоления сил связи электрона с веществом. Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена. Открытое в 1923 г. американским физиком А.Х. Комптоном явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило квантовую теорию света. Эта теория относится к наиболее подтвержденным экспериментально физическим теориям. Но волновая природа света была уже твердо установлена опытами по интерференции и дифракции. Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте – корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности – присущая ему порция энергии – вычислялась через чисто волновую характеристику – частоту у (Е == hy). Как и все великие естественно-научные открытия, новое учение о свете имело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение о непрерывности природных процессов, которое было основательно поколеблено М. Планком, Эйнштейн «отбросил» в гораздо более обширной области физических явлений. Представление о квантах электромагнитного поля – фотонах – один из наиболее фундаментальных вкладов в разработку квантовой теории. Уже поэтому А. Эйнштейн должен рассматриваться как один из величайших ее создателей. Теория А. Эйнштейна, развивающая взгляды М. Планка, позволила Н. Бору разработать модель атома. продолжение --PAGE_BREAK--3. Теория атома Н. Бора В 1913 г. великий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров, устранив тем самым противоречия, которые возникали при планетарной модели атома Э. Резерфорда. Модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 г., напоминала солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электроны – отрицательный. Вместо сил тяготения, действующего в Солнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический заряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической системе Менделеева, уравновешивается суммой зарядов электронов – атом электрически нейтрален. Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро. [3, C. 98-102] Следующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных частот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла. Модель атома Н. Бора, разрешавшая эти противоречия, базировалась на планетарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теории строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая;

2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Становится понятным, почему атомы химических элементов не испускают излучения, если их состояние не изменяется: объясняются и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответствует переход электрона из одного состояния в другое. Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее же распространение теории на многоэлектронные атомы и молекулы столкнулось с непреодолимыми трудностями. Чем подробнее теоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их орбиты, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспериментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эти расхождения главным образом были связаны с волновыми свойствами электрона. Длина волны движущегося в атоме электрона равна примерно 10"<metricconverter productid=«8 см» w:st=«on»>8 см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Движение частицы, принадлежащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите (траектории) только в том случае, если длина волны частицы пренебрежимо мала по сравнению с размерами системы. Другими словами, следует учитывать, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимости от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизвестны. Следовательно, точно описать структуру атома на основании представления об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других – меньше. Описание распределения плотности электронного заряда было дано в квантовой механике: плотность электронного заряда в определенных точках дает максимум. Кривая, связывающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой электрона. Траектории, вычисленные в теории Н.Бора для одноэлектронного атома водорода, совпали с кривыми максимальной средней плотности заряда, что и обусловило согласованность с экспериментальными данными. Теория Н.Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что классическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных. -Создавалось впечатление, что постулаты Н. Бора отражают какие-то новые, неизвестные свойства материи, но лишь частично. Ответы на эти вопросы были получены в результате развития квантовой механики. Выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. [1, C. 139-141] Процессы в атоме, в принципе, нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений. продолжение --PAGE_BREAK--4. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике Представления А. Эйнштейна о квантах света, послужившие в <metricconverter productid=«1913 г» w:st=«on»>1913 г. отправным пунктом теории Н. Бора, через 10 лет снова оказали плодотворное воздействие на развитие атомной физики. Они привели к идее о «волнах материи» и тем самым заложили основу новой стадии развития квантовой теории. В <metricconverter productid=«1924 г» w:st=«on»>1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Л. де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе «Свет и материя» он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи. Д. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем лицам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. В <metricconverter productid=«1926 г» w:st=«on»>1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Английский физик П. Дирак обобщил его. Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира. Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-математический облик и получили благодаря немецкому физику М. Борну символическое значение как «волны вероятности». Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтверждении. Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в <metricconverter productid=«1927 г» w:st=«on»>1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвисоном и Л. Джермером. В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Еще более важным было открытие новых элементарных частиц, предсказанных на основе системы формул развитой волновой механики. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств. Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления. ” Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом, и принципе дополнительности Н. Бора. Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заключается в следующем. Допустим, ставится задача определить состояние движущейся частицы. Если бы можно было воспользоваться законами классической механики, то ситуация была бы простой: следовало лишь определить координаты частицы и ее импульс (количество движения). Но законы классической механики для микрочастиц применяться не могут: невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью установить место и величину движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. В своей книге «Физика атомного ядра» В. Гейзенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей. Он пишет, что никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется. [4, C. 225-228] Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы. С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностей представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужно иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и, в принципе, не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклонения лучей. Существование элементарного кванта действия служит препятствием для установления одновременно и с одинаковой точностью величин «канонически связанных», т.е. положения и величины движения частицы.

Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н.Бор дал следующую формулировку: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообьектом„М. Борн образно заметил, что волны и частицы – это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию. С теоретической точки зрения, микрообъекты, для которых существенным является квант действия М. Планка, не могут рассматриваться так же, как объекты макромира, ведь для них планковская константа h из-за ее малой величины не имеет значения. В микромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. [1, C. 105-107] Обе «картины» законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете обоих аспектов можно получить общую картину микромира.

продолжение --PAGE_BREAK--

www.ronl.ru

Реферат на тему Физика микромира

собенностей взаимодействия рентгеновских лучей с веществом (мы здесь не будем касаться подробностей этого вопроса) коэффициент преломления их практически во всех материалах близок к единице, а точнее - несколько меньше единицы. Даже лучшие полированные поверхности не могут обеспечить зеркального отражения рентгеновских лучей (длины волн рентгеновского излучения практически всегда меньше средних размеров неоднородностей поверхности). Это обстоятельство препятствует созданию зеркального рентгеновского микроскопа. Несмотря на перечисленные затруднения, в СССР и за границей были успешно проведены эксперименты в области рентгеновской микроскопии, используя некоторые специальные приемы. Правда, результаты этих работ пока не получили технической реализации. Кроме того, они в настоящее время не дают возможности надеяться на какое-либо продвижение в сторону дифракционного предела, соответствующего диапазону рентгеновского излучения. Вместе с тем проблема рентгеновской микроскопии является в настоящее время настолько актуальной, что в технике получили развитие некоторые «обходные» приемы, основывающиеся на сочетании методов рентгеновской проекции с радиотехническими (в том числе телевизионными) устройствами, позволяющими получить дополнительное увеличение (10(30*) и приемлемое разрешение (порядка нескольких десятков микрон). И хотя это чрезвычайно далеко от потенциальных возможностей рентгеновской микроскопии, подобные устройства находят применение в науке и технике. Электроны и электронная оптика. Подлинная революция в микроскопии произошла в 20-х годах нашего века, когда возникла идея использовать в ней потоки частиц - электронов. На основе этой идеи возникла и быстро развилась новая область науки ? электронная микроскопия, позволившая осуществить наиболее глубокий прорыв в области видения и изучения сверхмалых объектов. Мы привыкли к тому, что видение объекта, формирование его изображения связаны с поступлением в прибор (а в конечном счёте в глаз) световых волн от этого предмета, того, что мы называем излучением. Как же можно получить изображение объекта, причём даже с гораздо более высокой разрешающей способностью, используя не световое излучение, а поток электронов? Другими словами, как возможно видение предметов на основе использования не волн, а частиц? Забегая несколько вперед, скажем, что электроны проявляют волновые свойства отнюдь не в меньшей мере, чем «настоящие», привычные волны, например, радио или световые. Но об этом ниже... Вместе с тем электроны ведут себя как настоящие частицы, обладающие массой, траекторией движения, энергией и другими свойствами, присущими различным предметам. Так в первую очередь ведут себя электроны во многих приборах и устройствах, широко применяющихся не только в науке и технике, но и в быту ( в электронных лампах, кинескопах и других электронных приборах радиоприёмников и телевизоров. Современная физика весьма подробно знает «анкетные данные» электрона. Это отрицательно заряженная частица (e=4,8e-10 CGSE) с массой 9,1e-28 г, но физики тщательно обходят вопросы, которые иногда хочется задать чрезмерно любопытным, например о форме электрона, а о его размерах обычно говорят с оговорками. Звучит эта оговорка примерно так: «классический радиус электрона составляет ( 10(-13 см, а в рамках релятивистской теории это вообще точечная частица». Если не касаться определённой группы ситуаций, в которых электроны ведут себя не по правилам «здравого смысла» (об этом ниже), то это частицы, поведение которых можно описать и весьма точно рассчитать по законам механики и теории электромагнетизма, как и любого другого объекта. Правда, в этих случаях, т. е. тогда, когда ещё не проявляются закономерности так называемой квантовой механики, приходится учитывать проявление эффектов теории относительности (релятивистских эффектов) и в первую очередь возрастание массы электрона с ростом скорости его движения. Во многих практических применениях электронных потоков, например в вакуумных приборах, электроны ведут себя как вполне «нормальные» частицы. Под действием известной силы, например, создаваемой электрическим полем между электродами, электрон приобретает ускорение, пропорциональное силе и обратно пропорциональное его массе. Движущиеся потоки электронов эквивалентны электрическим токам, поэтому могут эффективно взаимодействовать с внешними магнитными полями. Таким образом, электрические и магнитные поля могут существенно влиять на траектории и скорости электронных потоков, и с помощью таких полей можно управлять движением электронов. Наука, занимающаяся нахождением траекторий движения электронов в электрических и магнитных полях, а также расчётом элементов и устройств, способных формировать нужные поля, называется электронной оптикой (обратите внимание ( электронной оптикой ). Более подробный анализ анкетных данных электрона обнаруживает необычность ряда его свойств. Действительно, если подходить к электрону с обычными мерками и считать, что он занимает объём V и обладает массой m, то «плотность вещества в электроне» (((m/V)=(9,1e-28)/(4/3(((r(3)(10(11 г/см(3 (!). Здесь мы считаем электрон шариком с радиусом r порядка 10(-13 см. Масса, заряд и некоторые другие постоянные, характеризующие электроны, известны уже с весьма высокой точностью[3]. Вопрос о том, каким образом электрон удерживается как целое и не разлетается под действием сил расталкивания, выходит далеко за рамки этого реферата( Если предметам, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, достаточно трудно сообщить большую скорость (например, порядка нескольких километров в секунду), то электрон даже в поле с U=1В приобретает скорость V=(2(e/m(U)(0,5(6e7 см/сек. Таким образом, электроны легче разогнать до больших скоростей, чем «остановить», т. е. заставить находиться в покое. Электроны в обычной медицинской рентгеновской трубке тормозятся в поверхностном слое антикатода, проходя при этом путь в несколько ангстрем. Отрицательное ускорение на пути s (например, при U(100 кв.) при этом будет весьма велико: (((v(2)/(2(s)(10(23 см/сек(2 (!). Наконец, укажем, что, как правило, в наших приборах для их нормальной работы необходим электронный поток, содержащий внушительное число частиц (например, электронному току в 1A соответствует поток электронов в 10(19 частиц в секунду!). Итак, положение с электронами выглядит своеобразно: 1) есть объект, которым мы умеем управлять и свойства которого научились использовать; 2) мы достаточно хорошо знаем свойства этого объекта и научились проводить измерение даже точнее, чем для многих других объектов, с которыми встречаемся в повседневной жизни и которые можем видеть невооружённым глазом; 3) никто никогда не видел электронов, но все знакомы с результатами его действий; 4) с точки зрения «здравого смысла» и на основе сопоставления результатов очень хорошо поставленных экспериментов электрон является далеко не тривиальным объектом: плотность электронного вещества фантастически велика, он является сверх прочным объектом, способным «противостоять» действию сверхбольших инерциальных и электрических (кулоновских) сил. Электроны ( волны!? Нечего удивляться, что столь «странная личность», какой является электрон, ведёт себя уже совсем необычно в ряде ситуаций. Эти ситуации проявляются, во-первых, тогда, когда электронов много или вернее, когда их много в единице объёма и, во-вторых, когда электроны взаимодействуют с атомами и молекулами вещества. Эти и ряд других ситуаций характерны для явлений, рассматриваемых квантовой механикой. Из этой удивительной области мы упомянем только то, что в ряде ситуаций электрон ведёт себя как волна. Что это значит? Мы знаем, что, например, световые волны при взаимодействии с пространственной периодической структурой претерпевают дифракцию. Точно так же при соблюдении определённых условий волны могут интерферировать. Аналогичные свойства наблюдаются у электронов. Так, например, в определённых условиях электронный поток, взаимодействующий с периодической пространственной структурой кристалла, образует дифракционную картину, которую можно зафиксировать на фотопластинке. Известно большое число фактов, когда электроны проявляют волновые свойства. Более того, советские учёные В. Фабрикант, Л. Биберман и Н. Сушкин продемонстрировали волновые свойства отдельных электронов! Итак, анкетные данные электрона выглядят странно и необычно. Не вдаваясь в тонкости вопроса о волновых свойствах электронов (как и других микрочастиц!), скажем, что электрону, движущемуся со скоростью v(см/сек), соответствует длина волны (=h/(m(v), где m ( масса электрона, а h= 6,6e-27 эрг(сек ( знаменитая константа Планка. Так как v=(2(e/m(U), то (=(12,25/U(0,5)A(; здесь U выражено в киловольтах. Так, например, при U=100 кв. (=0,037 A(. Таким образом, если использовать электроны в микроскопии, то дифракционный предел, обусловленный волновыми свойствами электронов, лежит значител

скачать работу

Физика микромира

referat.resurs.kz

Введение

План работы

Введение 2

Вопрос № 1: «Изложите сущность квантово-механической концепции описания микромира». 3

Вопрос № 2: «Объясните взгляды М. Планка, Луи Де Бройля, Э.Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира». 5

Вопрос № 3: «Особенности волновой генетики». 9

Заключение 11

Список использованных источников 12

Изучение объектов микромира в нашей жизни, как раньше, так и в настоящее время, играют не маловажную роль. С давних пор людей интересовали вопросы, на которые они не могли дать адекватные ответы, например, самый маленький объект на Земле до XIX в. считался атом, пока не началось более детальное и «смелое» исследование, которое доказало, что в состав атома входят намного меньшие по размерам частицы-электроны. Поэтому считаю изучение данной темы актуальной и в наше время, так как приборы совершенствуются и возможно когда-нибудь ученые докажут что есть объекты намного меньшие размеров электрона.

Главной целью этой работы я считаю изучение природы микромира, расширения понятия Микромир и применение явлений в квантовой физике.

Главной задачей является отслеживание путей открытия различных объектов и понятие их основных критериев, доказательств на которых основывались ученые, выдвигая гипотезы на всеобщее обсуждение.

Вопрос № 1: «Изложите сущность квантово-механической концепции описания микромира».

В конце XIX начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи. История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона — отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Опыты английского физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что в атомах существуют ядра — положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10-12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10-8 см).

По причине несовершенства наших измерительных приборов в атомной физике были получены необычные экспериментальные результаты. На этой основе была построена специальная математическая теория – квантовая механика, способствующая расчету полученных экспериментальных результатов, а также предсказанию новых.

Появление квантовой механики в начале ХХ века стимулировало огромный поток дискуссий по поводу природы микрочастиц и силовых полей.

Явления, которые наблюдались в микромире, были столь необычными, что микрочастицам был приписан особый статус квантовых явлений, в корне отличающихся от явлений, происходящих в привычной для всех классической физике. Одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

В 1900г. Появилась работа немецкого физика Макса Планка, он пришел к выводу, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых пропорциях – квантах. Такое представление противоречило классическому мировоззрению.

Можно описать поведение микрообъектов благодаря работам немецкого физика В. Гейзенберга установившего принцип неопределенности (Невозможно знать одновременно точно координаты и импульс частицы, их можно определить только с некоторой степенью вероятности.), и датского физика Н. Бора сформулировавшего принцип дополнительности (Волновые и корпускулярные описания микрообъекта не исключают, а дополняют друг друга и только вместе дают полное описание объекта.).

Но, несмотря на успехи квантовой механики, в настоящий момент она едва ли может претендовать на полноту и универсальность описания физических явлений.

studfiles.net

Физика микромира

Содержание:· Путь микроскопии 3

· Предел микроскопии 5

· Невидимые излучения 7

· Электроны и электронная оптика 9

· Электроны — волны!? 12

· Устройство электронного микроскопа 13

· Объекты электронной микроскопии 15

· Виды электронных микроскопов 17

· Особенности работы с электронным микроскопом 21

· Пути преодоления дифракционного предела электронной микроскопии 23

· Список литературы 27

· Рисунки 28

Примечания:

1. Символ означает возведение в степень. Например, 23 означает «2 в степени 3».

2. Символ e означает запись числа в показательной форме. Например, 2e3 означает «2, умноженное на 10 в 3 степени».

3. Все рисунки находятся на последней странице.

4. Вследствие использования не совсем «свежей» литературы данные в этом реферате не отличаются особой «свежестью».

Глаз не видел бы Солнца,

если бы он не был подобен

Солнцу.

Гёте.

Путь микроскопии.

Когда на пороге XVII столетия был создан первый микроскоп, вряд ли кто-либо (и даже его изобретатель) мог представить будущие успехи и многочисленные области применения микроскопии. Оглядываясь назад, мы убеждаемся, что это изобретение знаменовало собой нечто большее, чем создание нового устройства: впервые человек получил возможность увидеть ранее невидимое.

Примерно к этому же времени относится еще одно событие ¾ изобретение телескопа, позволившее увидеть невидимое в мире планет и звезд. Изобретение микроскопа и телескопа представляло собой революцию не только в способах изучения природы, но и в самом методе исследования.

Действительно, натурфилософы древности наблюдали природу, узнавая о ней только то, что видел глаз, чувствовала кожа, слышало ухо. Можно лишь удивляться тому, как много правильных сведений об окружающем мире получили они, пользуясь «невооруженными» органами чувств и не ставя специальных экспериментов, как это делают сейчас. Вместе с тем наряду с точными фактами и гениальными догадками как много ложных «наблюдений», утверждений и выводов оставили нам ученые древности и средних веков!

Лишь значительно позднее был найден метод изучения природы, заключающийся в постановке сознательно планируемых экспериментов, целью которых является проверка предположений и четко сформулированных гипотез. Особенности этого метода исследования Фрэнсис Бэкон - один из его создателей - выразил в следующих, ставших знаменитыми, словах: «Ставить эксперимент - это учинять допрос природе».Самые первые шаги экспериментального метода по современным представлениям были скромны, и в большинстве случаев экспериментаторы того времени обходились без каких-либо устройств, «усиливающих» органы чувств. Изобретение микроскопа и телескопа представляло собой колоссальное расширение возможностей наблюдения и эксперимента.

Уже первые наблюдения, проведённые с помощью самой простой и несовершенной по современным представлениям техники, открыли «целый мир в капле воды». Оказалось, что знакомые предметы выглядят совсем по-иному, если их рассматривать в микроскоп: гладкие на взгляд и ощупь поверхности оказываются в действительности шероховатыми, в «чистой» воде движутся мириады мельчайших организмов. Точно так же первые астрономические наблюдения с помощью телескопов дали возможность человеку по-новому увидеть привычный мир планет и звёзд: например, поверхность Луны, воспетой поэтами всех поколений, оказалась гористой и испещрённой многочисленными кратерами, а у Венеры была обнаружена смена фаз, как и у Луны.

В дальнейшем эти простейшие наблюдения дадут жизнь самостоятельным областям науки ¾ микроскопии и наблюдательной астрономии. Пройдут годы, и каждая из этих областей разовьется в многочисленные разветвления, выражающиеся в целом ряде самых различных применений в биологии, медицине, технике, химии, физике, навигации.

Современные микроскопы, которые в отличие от электронных мы будем называть оптическими, представляют собой совершенные приборы, позволяющие получать большие увеличения с высокой разрешающей способностью. Разрешающая способность определяется расстоянием, на котором два соседних элемента структуры могут быть ещё видимы раздельно. Однако, как показали исследования, оптическая микроскопия практически достигла принципиального предела своих возможностей из-за дифракции и интерференции ¾ явлений, обусловленных волновой природой света.

Степень монохроматичности и когерентности является важной характеристикой волн любой природы (электромагнитных, звуковых и др.). Монохроматические колебания ¾ это колебания, состоящие из синусоидальных волн одной определённой частоты. Когда мы представляем колебания в виде простой синусоиды соответственно с постоянными амплитудой, частотой и фазой, то это является определённой идеализацией, так как, строго говоря, в природе не существует колебаний и волн, абсолютно точно описываемых синусоидой. Однако, как показали исследования, реальные колебания и волны могут с большей или меньшей степенью точности приближаться к идеальной синусоиде (обладать большей или меньшей степенью монохроматичности). Колебания и волны сложной формы можно представить в виде набора синусоидальных колебаний и волн. По сути дела, эту математическую операцию осуществляет призма, разлагающая в цветной спектр солнечный свет.

Монохроматические волны, в том числе и световые, одной и той же частоты (при определённых условиях!) могут взаимодействовать между собой таким образом, что в результате «свет превратится в темноту» или, как говорят, волны могут интерферировать. При интерференции происходят местные «усиления и подавления» волн друг другом. Для того чтобы картина интерференции волн оставалась неизменной с течением времени (например, при рассматривании её глазом или фотографировании), необходимо, чтобы волны были между собой когерентны (две волны когерентны между собой, если они дают устойчивую картину интерференции, чему соответствуют равенства их частот и неизменный сдвиг фаз).

Если на пути распространения волн поместить препятствия, то они будут существенно влиять на направление распространения этих волн. Такими препятствиями могут быть края отверстий в экранах, непрозрачные предметы, а также любые другие виды неоднородностей на пути распространения волн. В частности, неоднородностями могут быть также и прозрачные (для данного излучения) предметы, но отличающиеся по коэффициенту преломления, а значит, и по скорости прохождения волн внутри них. Явление изменения направления распространения волн при прохождении их вблизи препятствий называют дифракцией. Обычно дифракция сопровождается интерференционными явлениями.

Предел микроскопии .

Изображение, получаемое при помощи любой оптической системы, есть результат интерференции различных частей световой волны, прошедшей через эту систему. В частности, известно, что ограничение световой волны входным зрачком системы (краями линз, зеркал и диафрагм, составляющих оптическую систему) и связанное с ним явление дифракции приводит к тому, что светящаяся точка будет изображена в виде дифракционного кружка. Это обстоятельство ограничивает возможность различать мелкие детали изображения, формируемого оптической системой. Изображение, например, бесконечно удалённого источника света (звезды) в результате дифракции на круглом зрачке (оправе зрительной трубы), представляет собой довольно сложную картину (см. рис. 1). На этой картине можно увидеть набор концентрических светлых и тёмных колец. Распределение освещённостей, которое можно зафиксировать, если двигаться от центра картины к её краям, описывается довольно сложными формулами, которые приводятся в курсах оптики. Однако закономерности, свойственные положению первого (от центра картины) тёмного кольца, выглядят просто. Обозначим через D диаметр входного зрачка оптической системы и через l длину волны света, посылаемого бесконечно удалённым источником.

Рис. 1. Дифракционное изображение светящейся точки (так называемый диск Эйри).

Если обозначить через j угол, под которым виден радиус первого тёмного кольца, то как доказывается в оптике

sin j » 1,22*(l/D).

Таким образом, в результате ограничения волнового фронта краями оптической системы (входным зрачком) вместо изображения светящейся точки, соответствующей бесконечно удаленному объекту, мы получаем набор дифракционных колец. Естественно, что это явление ограничивает возможность различения двух близко расположенных точечных источников света. Действительно, в случае двух удаленных источников, например двух звезд, расположенных очень близко друг к другу на небесном своде, в плоскости наблюдения образуются две системы концентрических колец. При определенных условиях они могут перекрываться, и различение источников становится невозможным. Не случайно поэтому в соответствии с «рекомендацией» формулы, приведенной выше, стремятся строить астрономические телескопы с большими размерами входного зрачка. Предел разрешения, при котором могут наблюдаться два близко расположенных источника света, определяют следующим образом: для определенности в качестве предела разрешения принимают такое положение дифракционных изображений двух точечных источников света, при котором первое тёмное кольцо, создаваемое одним из источников, совпадает с центром светлого пятна, создаваемого другим источником.

Рис. 2. Кривая распределения интенсивности в дифракционной картине от двух точечных источников света.

d ¾ расстояние между центральными максимумами, M ¾ увеличение оптической системы.

На рис. 2 приведён график, характеризующий распределение интенсивности света при наложении дифракционных картин двух близко расположенных точечных источников света для случая, соответствующего критерию Релея. По оси абсцисс отложена величина, пропорциональная расстоянию от центра (см. рис. 1). Сплошная тонкая крива характеризует распределение интенсивности света, создаваемое первым источником; пунктирная кривая относится ко второму из разрешаемых источников. Первые максимумы по высоте (т.е. интенсивности) заметно выше последующих, соответствующих интенсивности света в кольцах, удалённых от центра (см. рис. 1). Сплошная толстая кривая характеризует суммарное распределение интенсивности света.

Теория показывает, что в случае разрешения по критерию Релея угол q, под которым видны два исследуемых источника света, равен:

q » 0,61*(l/D). Часто используется величина А, обратная предельному углу q:

А=(1/q)=D/(0,61*l),

носящая название разрешающей силы оптической системы.

Приведённые основные закономерности обусловлены волновой природой света и ограничивают возможность разрешения источников с помощью любых оптических систем, в том числе в астрономии и микроскопии. Следует подчеркнуть, что приведённая формула соответствует случаю самосветящихся объектов, посылающих некогерентные волны. Как известно, с помощью микроскопов часто рассматривают объекты, освещаемые посторонним источником; это значит, что отдельные точки объекта рассеивают световые волны, исходящие из одной и той же точки источника, и свет, идущий от разных точек объекта, оказывается поэтому в значительной мере когерентным. Определение разрешающей способности микроскопа в случае когерентного освещения, проводимое по методу Аббе, приводит к аналогичному результату (некоторое различие в численных коэффициентах несущественно, поскольку вообще понятие разрешающей способности несколько условно).

Предельную разрешающую способность микроскопа часто называют дифракционным пределом, поскольку она определяется явлениями дифракции на входном зрачке. Правда, ряд остроумных ухищрений позволил «заглянуть» несколько дальше этого предела. Здесь следует упомянуть метод, основанный на применении иммерсионных систем (в котором пространство между предметом и объективом заполняется специальными средами) и позволяющий повысить разрешающую способность примерно в 1,5 раза; метод тёмного поля, основанный на явлении рассеяния света на малых частицах и позволяющий регистрировать наличие сверхмалых частиц, когда их размеры лежат за пределом разрешающей способности микроскопа; метод фазового контраста, при помощи которого можно изучать полностью прозрачные объекты.

Невидимые излучения.

Пользуясь современным языком теории информации, можно сказать, что за попытку проникнуть за дифракционный предел приходится платить ценой потери информации о деталях изучаемого объекта. Действительно, методы субмикроскопии позволяют лишь судить о наличии микрообъектов в поле зрения микроскопа, но не об их форме и других деталях.

Весьма заметный качественный скачок в методах микроскопии был сделан физиками, которые стали использовать в микроскопии инфракрасное, ультрафиолетовое и другие невидимые глазом излучения. Применение этих излучений для освещения объектов наблюдения было связано с их способностью поглощать, отражать, пропускать и преломлять падающее на них излучение. Поэтому, вообще говоря, при использовании излучений различных участков спектра эти объекты выглядят по-разному. Следовательно, подбирая соответствующее освещение, можно получить новую информацию о предмете, так как характеристики поглощения, отражения, пропускания и преломления реальных неорганических и органических веществ зависят от длины волны.

Наряду с этим следует отметить, что использование в микроскопии ультрафиолетового излучения (более коротковолнового по сравнению с видимым) позволило повысить предел разрешающей способности микроскопа. Это легко понять, если вспомнить, что теоретический предел разрешающей способности пропорционален длине волны источника излучения. Если при l » 5200 ¾ 5800 A°[1] (жёлто-зелёная область, где глаз обладает наибольшей чувствительностью) теоретический предел разрешающей способности при n=1 (где n - показатель преломления) составляет около 2000 A°, то при использовании ультрафиолетового излучения (l » 3000 A°) теоретический предел разрешающей способности достигает примерно 1200A°. Ясно, что в таких ультрафиолетовых микроскопах используются специальные оптические элементы.

Все приборы, использующие невидимые глазом излучения, состоят из осветителя (источника освещения), оптических элементов (линз, зеркал, призм и т. п.), пригодных для работ в данном участке спектра, и элементов, преобразующих «невидимое изображение» в видимое. В последнее время стали успешно использовать для получения информации о строении объектов радиоизлучение (миллиметрового и субмиллиметрового), длины волн которого значительно больше длин волн видимого излучения.

Остановимся несколько подробнее на некоторых общих физических закономерностях, свойственных получению изображения в микроскопии.

Получение большого увеличения в принципе осуществимо путём использования соответствующих оптических элементов. Однако если предел разрешающей способности прибора уже достигнут и детали изображения нельзя различить, то дальнейшее увеличение исследуемого предмета теряет практический смысл. Поэтому существует термин «полезное увеличение микроскопа». С вопросом увеличения связан также и вопрос об искажениях в микроскопе (как и в других оптических приборах). Эти искажения возникают из-за отклонения оптических поверхностей элементов (линз и т. п.) от идеальной формы, неточного расположения элементов и т. п. Кроме этого, искажения (хроматическая аберрация) возникают и из-за зависимости коэффициента преломления материалов, из которых изготавливаются оптические элементы, от длины волны света (дисперсии света в материалах). Таким образом, мы видим, что «проникнуть глубже» в мир малых объектов путём использования больших увеличений нельзя. И только использование более коротковолновых излучений, т. е. излучений с меньшими длинами волн, чем у видимого света, должно в принципе привести к повышению разрешающей способности. Тем самым пресловутый дифракционный предел может быть «отодвинут», и открывается возможность наблюдения и исследования новых классов невидимых объектов и новых деталей уже известных объектов.

Большие надежды возлагались и возлагаются на диапазон рентгеновских лучей (некогда таинственных X- лучей). Напомним, что рентгеновское излучение, создаваемое в рентгеновских трубках путем разгона электронов электрическим полем и их последующего торможения на положительно заряженном электроде (антикатоде), так же как и видимый свет, является электромагнитным излучением. Оно характеризуется длинами волн на четыре-пять порядков меньшими, чем у видимого света. Например, в медицинской диагностике применяется рентгеновское излучение с l»0,17 ¾ 0,10A°, а при просвечивании материалов (толстые стальные и другие изделия) ¾ с l » 0,05 A°. Отсюда видно, что использование рентгеновского излучения в обычном оптическом микроскопе вместо видимого могло бы дать соответствующее, легко оцениваемое теоретически повышение разрешающей способности прибора.

Воспользуемся формулой для определения предела разрешающей способности прибора d»(0,61*l)/(n*sinj). Для рентгеновских лучей коэффициент преломления n среды очень близок к единице. Поэтому, если воспользоваться рентгеновским излучением с l » 0,1A° (это соответствует ускоряющему напряжению около 120 кв.), то дифракционный предел составит приблизительно 0,05A°. Однако на пути реализации такой заманчивой возможности существуют принципиальные трудности, связанные с особенностями рентгеновского излучения и его взаимодействия с веществом. Первая и наиболее существенная трудность заключается в том, что рентгеновские лучи практически невозможно фокусировать, получать их зеркальное отражение, а также другие явления, лежащие в основе процесса формирования изображений в оптической микроскопии. Для создания линз, призм и других подобных оптических элементов в этом случае нужны материалы с коэффициентом преломления, большим единицы[2]. Из-за особенностей взаимодействия рентгеновских лучей с веществом (мы здесь не будем касаться подробностей этого вопроса) коэффициент преломления их практически во всех материалах близок к единице, а точнее - несколько меньше единицы. Даже лучшие полированные поверхности не могут обеспечить зеркального отражения рентгеновских лучей (длины волн рентгеновского излучения практически всегда меньше средних размеров неоднородностей поверхности). Это обстоятельство препятствует созданию зеркального рентгеновского микроскопа.

Несмотря на перечисленные затруднения, в СССР и за границей были успешно проведены эксперименты в области рентгеновской микроскопии, используя некоторые специальные приемы. Правда, результаты этих работ пока не получили технической реализации. Кроме того, они в настоящее время не дают возможности надеяться на какое-либо продвижение в сторону дифракционного предела, соответствующего диапазону рентгеновского излучения. Вместе с тем проблема рентгеновской микроскопии является в настоящее время настолько актуальной, что в технике получили развитие некоторые «обходные» приемы, основывающиеся на сочетании методов рентгеновской проекции с радиотехническими (в том числе телевизионными) устройствами, позволяющими получить дополнительное увеличение (10¸30*) и приемлемое разрешение (порядка нескольких десятков микрон). И хотя это чрезвычайно далеко от потенциальных возможностей рентгеновской микроскопии, подобные устройства находят применение в науке и технике.

pda.coolreferat.com

ФИЗИКА МИКРОМИРА

Е.В.Широков

ФИЗИКА МИКРОМИРА

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

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

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

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

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

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

АТОМНАЯ ФИЗИКА

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

Схема опыта Резерфорда

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

Изображение Н.Бора на датской банкноте в 500 крон.

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

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

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

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

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

14N + 4He → 17O + p

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

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

Есв = ZМpс2 + (A-Z)Мnс2 − Мяс2,

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

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

ε = Есв/A

Зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов

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

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

Цепная реакция деления

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

2H + 2H → 3He + n

Термоядерная реакция

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

N-Z диаграмма атомных ядер.

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

n → p + e- + антинейтрино e.

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

p → n + e+ + νe

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

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

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

N(t) = N0e-λt,

где N − число радиоактивных ядер в образце в данный момент, N0 − число радиоактивных ядер в некий начальный момент времени, а λ − так называемая постоянная распада, характеризующая вероятность распада. Постоянная распада не слишком удобна для практического применения, поэтому чаще пользуются другой величиной, T1/2 – периодом полураспада, характеризующим время, за которое число активных ядер уменьшается в 2 раза. Постоянная распада и период полураспада связаны соотношением

T1/2 = ln2/λ.

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

ФИЗИКА ЧАСТИЦ

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

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

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

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

n → p + e-,

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

Прогресс в экспериментальном изучении нейтрино прежде всего связан с именем выдающегося физика (итальянца по происхождению, в 1950 г. переехавшего в СССР) Бруно Понтекорво. В 1944 г. Понтекорво, проводя теоретическое изучение возможных свойств нейтрино, предложил эффективный метод регистрации этой частицы. В качестве источника, по мнению Понтекорво, мог стать процесс, в котором интенсивно происходили бы распады радиоактивных ядер. Чуть позже Понтекорво предложил использовать ядерный реактор, как искусственный источник нейтрино. Уже в начале 50-х годов были начаты работы по регистрации нейтрино (тогда предполагалось, что у нейтрино нет античастицы). Первым экспериментом по регистрации (анти)нейтрино стал опыт Фредерика Райнеса (Frederick Reines)) и Клайда Коуэна (Clyde L. Cowan, Jr.), которым в 1957 г. удалось зарегистрировать реакторные антинейтрино. Следующим этапом изучения этой частицы стала регистрация солнечных нейтрино, осуществлённая Рэймондом Дэвисом (Raymond Davis Jr.) в 1967 г. в шахте Хоумстейк (США). Уже тогда стало ясно, что взаимодействие нейтрино с веществом происходит так редко, что для его эффективной регистрации требуются большие объёмы регистрирующего вещества и долгое время проведения измерений. Один из самых успешных нейтринных экспериментов на установке Kamiokande (Япония) за несколько лет работы с огромным баком вместимостью в несколько десятков тысяч тонн воды дал результат в виде нескольких нейтрино в год! Причём помимо времени для проведения подобных экспериментов требуются и большие финансовые затраты. По меткому выражению Б.Понтекорво, «Физика элементарных частиц − дорогая наука..». С чем связан современный интерес к нейтрино? Высочайшая проникающая способность этих частиц позволяет получать информацию об объектах, недоступных для изучения другим способом. Круг применения тут огромен − от информации о процессах в удалённых галактиках и галактических скоплениях, до нейтринной геолокации Земли. В настоящее время вводятся в действие крупные проекты по регистрации астрофизических нейтрино − нейтринные телескопы большого объёма, где в качестве регистрирующего вещества используется морская вода или лёд. Предполагается сооружение двух телескопов объёмом по 1 км3 в Северном (Средиземноморье) и Южном (Антарктика) полушариях.

Нейтринный телескоп ANTARES

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

λ = ћc/E,

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

fa02.png (970 bytes)

Именно поэтому единица энергии, используемая в ядерной физике и физике частиц, именуется «электронвольт», это энергия, которую приобретает электрон при прохождении разницы потенциалов в 1 Вольт. Конечно, в современных ускорителях ускорение осуществляется с помощью переменного электромагнитного поля, «раскачивающего» частицы на разных участках. Максимальная энергия электронов, достигнутая в электронных ускорителя на сегодняшний день составляет 100 ГэВ (1011 эВ), а в протонных − 3.5 ТэВ (3.5·1012 эВ). Последнее значение соответствует энергии протонов, достигнутой на крупнейшем современном протонном ускорителе − Большом Адронном Коллайдере (LHC) в ЦЕРНе.

Схематическое изображение комплекса ускорителей в ЦЕРН на географической карте.

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

Вопросы для самопроверки

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

На головную страницу

nuclphys.sinp.msu.ru

Реферат: Физика микромира 2. Реферат на тему физика микромира

4. Современная физика макро- и микромира. Основные этапы развития физики

Похожие главы из других работ:

5. Физика

4. Объекты микромира и эффект Комптона

4. Современные представления об элементарных частицах. Структура микромира

4. Какова специфика микромира по сравнению с изучением мега- и макромира. Поясните принципы соответствия и дополнительности

3. Современная история энергосбережения

Современная физика о проблеме кварков

1 Объекты микромира

2 Концепции микромира и квантовая механика

1.2 Учение микромира на новом уровне

2. СОВРЕМЕННАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ

Современная картина трения

5. Современная наука о броуновском движении

2. Современная силовая электроника

1. Физика микрочастиц

1.2 Современная теория электромагнитной индукции

Реферат: Микромир концепции современной физики

Реферат - Физика микромира 2

Реферат на тему Физика микромира

Введение

Вопрос № 1: «Изложите сущность квантово-механической концепции описания микромира».

Физика микромира

ФИЗИКА МИКРОМИРА

ФИЗИКА МИКРОМИРА

Смотрите также