Микромир. Концепция современной физики

Микромир – часть мира, объекты которого составляют материальный мир на самом низшем уровне. Характеризуется  очень маленькими расстояниями от 10-8 до 10-16 м., маленькой массой, меньше 10-10 кг. и небольшим временем жизни до 10-24 с. Это мир молекул, атомов, ядер и элементарных частиц.

Основными объектами микромира  являются:

• Элементарные частицы
• Атом
• Ядро атома
• Молекулы

Явления микромира описываются  законами квантовой механики.

Элементарные  частицы – это объекты микромира, которые невозможно расщепить на составные части. В более широком понимании этого слова, элементарные частицы - это неделимые частицы материи, не являющиеся атомами или ядрами атомов (исключение протон). По этой причине иногда такие частицы называют субъядерными.

Несмотря на свою неделимость, некоторые частицы (протон, нейтрон) имеют сложную внутреннюю структуру  и в классификации получили название «Составные частицы». Другие частицы,  такие как, например электрон, фотон или  кварки, считаются бесструктурными и получили название «Фундаментальные частицы». Всего открыто более 350 частиц.

Взаимодействие элементарных частиц (кроме гравитационного) описывается теоретической конструкцией получившей название «стандартная модель».  Согласно этой теории всё вещество состоит из 24 фундаментальных частиц. Кроме этого существуют и другие альтернативные теории, например «Теория струн».

Атом – это объект микромира, представляющий собой наименьшую частицу химического элемента, сохраняющую его свойства.  Атомы состоят из элементарных частиц и имеют сложную внутреннюю структуру. В центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена  почти вся масса. Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны, которые образуют электронные  оболочки. Это электронное облако не имеет четко определённых границ, поэтому размеры атома чисто условны и равны примерно 10-8см.

Ядро атома – это центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (99,9%). Состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, связанных между собой силами ядерного взаимодействия. Протон и нейтрон в ядре принято называть нуклоном.

Размеры атомного ядра равны  примерно  10^-12  -  10^-13 см. Масса примерно в 4 х 10³ раз больше массы всех электронов, входящих состав атома, и не равна сумме масс протонов и нейтронов ядра («дефект масс»). Плотность  ядерного вещества значительно больше, чем у обычных веществ и составляет примерно 10¹⁴ г/см3. Атомные ядра изучает ядерная физика.

Вакуум (физический)

Вакуум физический, среда, в которой нет частиц вещества или поля. В технике В. называют среду, в которой содержится "очень мало" частиц; чем меньше частиц находится в единице объёма такой среды, тем более высок В. Однако полный В. — среда, в которой совсем нет частиц, вовсе не есть лишённое всяких свойств "ничто". Отсутствие частиц в физической системе не означает, что она "абсолютно пуста" и в ней ничего не происходит.

Современное понятие В. оформилось в рамках квантовой теории поля. В микромире, который описывается квантовой теорией, имеет местокорпускулярно-волновой дуализм: любые частицы (молекулы, атомы, элементарные частицы) обладают некоторыми волновыми свойствами и любым волнам присущи некоторые свойства частиц (корпускул). В квантовой теории поля все частицы, в том числе и "корпускулы" световых волн, фотоны, выступают на одинаковых основаниях — как кванты соответствующих им физических полей: фотон — квант электромагнитного поля; электрон и позитрон — кванты электронно-позитронного поля; мезоны — кванты мезонного, или ядерного, поля и т.д. С каждым квантом связаны присущие частицам физические величины: масса, энергия, количество движения (импульс), электрический заряд, спин и др. Состояние системы и её физические характеристики полностью определяются числом составляющих её частиц — квантов — и их индивидуальными состояниями. В частности, у любой квантовой системы имеется вакуумное состояние, в котором она вовсе не содержит частиц (квантов). В таком состоянии энергия системы принимает наименьшее из возможных значений, а её заряд, спин и прочие характеризующие систему квантовые числа равны нулю. Эти факты интуитивно понятны: поскольку в вакуумном состоянии нет материальных носителей физических свойств, то, казалось бы, для такого состояния значения всех физических величин должны равняться нулю. Но в квантовой теории действует принцип неопределённостей (см. Неопределённостей соотношение), согласно которому только часть относящихся к системе физических величин может иметь одновременно точные значения; остальные величины оказываются неопределёнными. (Так, точное задание импульса частицы влечёт за собой полную неопределённость её координаты.) Поэтому во всякой квантовой системе не могут одновременно точно равняться нулю все физические величины.

К величинам, которые не могут  быть одновременно точно заданы, относятся, например, число фотонов и напряжённость  электрического (или магнитного) поля: строгая фиксация числа фотонов  приводит к разбросу (флуктуациям) в  величине напряжённости электрического поля относительно некоторого среднего значения (и наоборот). Если число фотонов в системе в точности равно нулю (вакуумное состояние электромагнитного поля), то напряжённость электрического поля не имеет определённого значения: поле всё время будет испытывать флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряжённости будет равно нулю. Таким флуктуациям подвержены и все другие физические поля — электронно-позитронное, мезонное и т.д.

В квантовой теории поля флуктуации интерпретируются как рождение и уничтожение виртуальных частиц (то есть частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются), или виртуальных квантов данного поля. Наличие флуктуаций не сказывается на значениях полного электрического заряда, спина и др. характеристик системы, которые, как уже говорилось, равны нулю в состоянии В. Однако виртуальные частицы точно так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные. Например, виртуальный фотон способен породить виртуальную пару электрон-позитрон, аналогично рождению реальным фотоном реальной электрон-позитронной пары (см.Аннигиляция и рождение пар). Благодаря флуктуациям В. приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах, и, следовательно, состояние В. обладает всеми правами "настоящих" физических состояний.

Рассмотрим систему, состоящую  только из одного реального электрона. Реальных фотонов в такой системе  нет, но флуктуации фотонного В. (этот термин и означает отсутствие реальных фотонов) приводят к возникновению "облака" виртуальных фотонов  возле этого электрона, а вслед  за ними — виртуальных пар электрон-позитрон. Такие пары проявляют себя подобно  связанным зарядам в диэлектрике: под действием кулоновского поля реального электрона они поляризуются и экранируют (то есть эффективно уменьшают) заряд электрона. По аналогии с диэлектриком, эффект экранирования заряда виртуальными частицами называется поляризацией вакуума.

В результате поляризации В электрическое поле заряженной частицы на малых расстояниях от неё слегка отличается от кулоновского. Из-за этого, например, смещаются энергетические уровни ближайших к ядру электронов в атоме (см. Сдвиг уровней). Поляризация В. влияет и на поведение заряженных частиц в магнитном поле. Характеризующий это поведение магнитный момент частицы в итоге отличается от своего "нормального" значения, определяемого массой и спином частицы (см. Магнетон). Поправки как к уровням энергии, так и к магнитному моменту, составляют доли процента, и теоретически вычисленные значения с очень высокой точностью согласуются с измеренными на опыте.

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. Энергия квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h :

Е= h у.

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 физики. 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 потоке 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. 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= Ну).

Как и все великие естественнонаучные открытия, новое учение о свете  имело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение о непрерывности  природных процессов, которое было основательно поколеблено М. Планком, Эйнштейн исключил из гораздо более  обширной области физических явлений.

Развивая представления  М. Планка и А. Эйнштейна, французский  физик Луи де Брошь в 1924 г.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:

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.