На переднем крае физики микромира

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭКОНОМИКИ И ФИНАНСОВ»

КАФЕДРА СИСТЕМ ТЕХНОЛОГИЙ И ТОВАРОВЕДЕНИЯ

Контрольная работа по курсу

«КОНЦЕНЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

Вариант №15

Тема работы

«На переднем крае физики микромира»

Санкт-Петербург  2011

Содержание

1. Основные вехи на пути в субъядерный мир

1.1. Квантово-механическая концепция описания микромира

1.2. Элементарные частицы и кварковая модель атома

2. Фундаментальные взаимодействия в природе и их характеристика

3. Современные представления об иерархии структурных элементов микромира

3.1. Характеристики субатомных частиц

3.2. Лептоны

3.3. Адроны

3.4. Частицы-переносчики взаимодействий

4. Список использованной литературы              19

1. Основные вехи на пути в субъядерный мир

1.1. Квантово-механическая концепция описания микромира

При переходе к исследованию микромира обнаружилось, что физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем.

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. Планком. 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: Е = hy, ставшим впоследствии знаменитым (где hy — квант энергии, у — частота).

То есть 14 декабря 1900 г. следует рассматривать как день рождения всей атомной физики и начало новой эры естествознания.[1]

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.

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. 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.

Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э.Милликена. Открытое в 1923 г. американским физиком А.X.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).

В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Луи 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. Л. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам.

Согласно де Бройлю, любому телу с массой т, движущемуся со скоростью v, соответствует волна  = h/mv . Фактически аналогичная формула была известна раньше, но только применительно к квантам света — фотонам.

В 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.

Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало 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. 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. 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.

Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку: «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего»[2].

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов.

1.2. Элементарные частицы и кварковая модель атома

Дальнейшее развитие идей атомизма было связано с исследованием элементарных частиц. Частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома, называют элементарными. К ним относят и те частицы, которые получают в условиях эксперимента на мощных ускорителях. В настоящее время открыто более 350 микрочастиц.

Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа. Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, — фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны — легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны — средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы — тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

В 1967 г. американский физик М. Телл-Манн высказал гипотезу о существовании кварков — частиц с дробным электрическим зарядом.

Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса — фермионы (названные в честь Э. Ферми) и бозоны (названные в честь Ш. Бозе).

Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма. В настоящее время считают, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц.[3] Шесть частиц — это кварки с экзотическими названиями «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Остальные шесть — лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино).

2. Фундаментальные взаимодействия в природе и их характеристика

Огромное разнообразие природных систем и структур, их особенности и динамизм обусловливаются взаимодействием материальных объектов, т.е. их взаимным действием друг на друга. Именно взаимодействие — основная причина движения материи, поэтому взаимодействие, как и движение, универсально, т.е. присуще всем материальным объектам вне зависимости от их природы происхождения и системной организации. Особенности различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов.

Взаимодействующие объекты обмениваются энергией и импульсом — основными характеристиками их движения. В классической физике взаимодействие определяется силой, с которой один материальный объект действует на другой.

Долгое время считалось, что взаимодействие материальных объектов, находящихся даже на большом расстоянии друг от друга, передается через пустое пространство мгновенно. Такое утверждение соответствует концепции дальнодействия. К настоящему времени экспериментально подтверждена другая концепция — концепция близкодействия: взаимодействия передаются посредством физических полей с конечной скоростью, не превышающей скорости света в вакууме. Эта, по существу, полевая концепция в квантовой теории поля дополняется утверждением: при любом взаимодействии происходит обмен особыми частицами — квантами поля.

Наблюдаемые в природе взаимодействия материальных объектов и систем весьма разнообразны. Однако, как показали физические исследования, все взаимодействия можно отнести к четырем видам фундаментальных взаимодействий: гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому.

Гравитационное взаимодействие проявляется во взаимном притяжении любых материальных объектов, имеющих массу. Оно передается посредством гравитационного поля и определяется фундаментальным законом природы—законом всемирного тяготения, сформулированным И.Ньютоном: между двумя материальными точками массой т1 и т2, расположенными на расстоянии r друг от друга, действует сила F, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними:

,

где G — гравитационная постоянная.

Законом всемирного тяготения описываются падение материальных тел в поле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т.п.

В соответствии с квантовой теорией поля переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравитоны — частицы с нулевой массой, кванты гравитационного поля.

Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими зарядами и передается посредством электрического и магнитного полей. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное — при их движении. Изменяющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, является источником переменного магнитного поля.

Благодаря электромагнитному взаимодействию существуют атомы и молекулы, происходят химические превращения вещества. Различные агрегатные состояния вещества, трение, упругость и т.п. определяются силами межмолекулярного взаимодействия, электромагнитными по своей природе. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера и др., и в обобщенном виде — электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля. Получение, преобразование и применение электрического и магнитного полей, а также электрического тока служат основой для создания разнообразных современных технических средств: электроприборов, радиоприемников, телевизоров, осветительных и нагревательных приборов, компьютеров и т.д.

Согласно квантовой электродинамике, переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны — кванты электромагнитного поля с нулевой массой. Во многих случаях они регистрируются приборами в виде электромагнитной волны разной длины. Например, воспринимаемый невооруженным глазом видимый свет, посредством которого отражается основная доля (около 90%) информации об окружающем мире, представляет собой электромагнитную волну в довольно узком диапазоне длин волн (примерно 0,4—0,8 мкм), соответствующем максимуму солнечного излучения.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Оно определяется ядерными силами, обладающими зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и другими свойствами. Сильное взаимодействие отвечает за стабильность атомных ядер. Чем сильнее взаимодействие нуклонов в ядре, тем стабильнее ядро, тем больше его удельная энергия связи. С увеличением числа нуклонов в ядре и, следовательно, размера ядра удельная энергия связи уменьшается и ядро может распадаться, что и происходит с ядрами элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева.

Предполагается, что сильное взаимодействие передается глюонами — частицами, «склеивающими» кварки, входящие в состав протонов, нейтронов и других частиц.

В слабом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных частиц, взаимодействие нейтрино с веществом и другие процессы. Слабое взаимодействие проявляется главным образом в процессах бета-распада атомных ядер многих изотопов, свободных нейтронов и т.д. Принято считать, что переносчиками слабого взаимодействия являются вионы — частицы с массой, примерно в 100 раз большей массы протонов и нейтронов. Вионы обнаружены в 1983 г.

Для количественной характеристики фундаментальных взаимодействий обычно используют безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия (табл. 1).[4]

Таблица 1

Из таблицы видно, что гравитационное взаимодействие гораздо слабее других фундаментальных взаимодействий. Радиус действия его неограничен. Оно не играет существенной роли в микропроцессах и в то же время является доминирующим для материальных объектов с большими массами (планет, звезд, галактик и т.п.). Электромагнитное взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, хотя его радиус действия также неограничен. Для сильного и слабого взаимодействий характерно короткодействие. Сильное взаимодействие проявляется только в пределах размеров ядра (10-15 м), а слабое — на гораздо меньшем расстоянии — 10-18 м.

Одна из важнейших задач современного естествознания — создание единой теории фундаментальных взаимодействий, объединяющей не только электромагнитное и слабое, но и сильное, и слабое взаимодействия. Решение такой довольно сложной задачи потребует синтеза естественно-научных знаний о материальных объектах разных масштабов — от элементарных частиц до Вселенной. Единая теория фундаментальных взаимодействий обеспечит концептуальное обобщение знаний об окружающем мире.

Предполагается, что при относительно больших энергиях взаимодействия частиц (до 1019 ГэВ) или при чрезвычайно высокой температуре материи все четыре фундаментальных взаимодействия характеризуются одинаковой силой, т.е. представляют собой одно взаимодействие, определяемое «суперсилой». Возможно, такие экстремальные условия существовали в начальный момент зарождения Вселенной. При расширении Вселенной и быстром охлаждении образовавшегося вещества единое взаимодействие разделилось на четыре принципиально отличающиеся друг от друга взаимодействия, определившие структурную организацию материи.

3. Современные представления об иерархии структурных элементов микромира

3.1. Характеристики субатомных частиц

Исторически первыми экспериментально обнаруженными элементарными частицами были электрон, протон; а затем нейтрон. Казалось, что, этих частиц и фотона (кванта электромагнитного поля) достаточно для построения известных форм вещества — атомов и молекул. При таком подходе вещество строилось из протонов, нейтронов и электронов, а фотоны осуществляли взаимодействие между ними. Однако, вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее. Было установлено, что каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком заряда. Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (например, фотон). По мере развития экспериментальной ядерной физики к этим частицам добавились еще свыше 300 частиц.

Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин, время жизни частицы, магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др.

Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеющая нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми массами. Электрон — самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из полученных в ускорителях элементарных частиц (Z-частица) обладает массой в 200 000 раз большей массы электрона.

Электрический заряд меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице заряда — заряду электрона (-1).

Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда.

Важная характеристика частицы — спин — собственный момент импульса частицы. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин ½, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0, 3/2, 2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частицы со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 360°. Частица со спином 2 приобретает прежний вид после оборота на 720° и т.д. Частица со спином 2 принимает прежнее положение через пол-оборота (180°). Частиц со спином более 2 возможно вообще не существует.

В зависимости от спина все частицы делятся на две группы: бозоны — частицы с целыми спинами 0, 1 и 2; фермионы — частицы с полуцелыми спинами (1/2, 3/2).[5]

Частицы характеризуются и временем жизни. По этому признаку частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы — это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 10-24 с.

Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между определенными комбинациями величии, характеризующих начальное и конечное состояния системы. Арсенал законов сохраняется в квантовой физике больше, чем в классической физике. Он пополнился законами сохранения различных четностей (пространственной, зарядовой), зарядов (лептонного, барионного и др.), внутренних симметрии, свойственных тому или иному типу взаимодействий. При этом оказалось, чем интенсивнее взаимодействие, тем больше ему отвечает законов сохранения, т.е. тем более оно симметрично. В квантовой физике законы сохранения всегда являются законами запрета. Но если какой-то процесс разрешен законами сохранения, то он обязательно происходит реально.

Вершиной развития представлений о законах сохранения в квантовой физике является концепция спонтанного нарушения симметрии, т.е. существования устойчивых асимметричных решений для некоторых типов задач. В 60-х гг. экспериментально было подтверждено так называемое нарушение комбинированной четкости. Иначе говоря, обнаружилось, что в микромире имеются абсолютные различия между частицами и античастицами, между «правым» и «левым», между прошлым и будущим (стрела времени, или необратимость микропроцессов, а не только макропроцессов).

Выделение и познание характеристик отдельных субатомных частиц — важный, но только начальный этап познания их мира. На следующем этапе нужно еще понять, какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в структуре материи.

Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы - переносчики взаимодействий.

Рассмотрим свойства этих основных типов частиц.

3.2. Лептоны

Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2. Среди лептонов наиболее известен электрон. Электрон — это первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным (в собственном смысле этого слова) объектом, т.е. он не состоит из каких-то других частиц.

Другой хорошо известный лептон — нейтрино. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно. Как мы уже отмечали, нейтрино почти неуловимы. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино — это некие «призраки» физического мира!

Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Мюон — одна из первых известных нестабильных субатомных частиц, открытая в 1936 г. Во всех отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х гг. был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название «тау-лептон». Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

Значительно расширился список лептонов в 60-х гг. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и may-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем, а общее число лептонов — шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные — в слабом и электромагнитном (см. таблицу 2).[6]