Роль законов сохранения в развитии физического знания. Законы сохранения и принципы симметрии. Правила отбора физики элементарных частиц

Сегодня физика представляет собой комплекс дисциплин, объединенных идеей сохранения фундаментальных физических величин.

Идея сохранения первоначально возникла в античности как чисто философская догадка о существовании постоянного, неизменного начала при наличии внешне разнообразных изменений, происходящих в мире. Она сформировалась в понятиях неуничтожимой и несотворимой материи и вечного движения.

Законы сохранения - это физические законы, утверждающие постоянство во времени физических величин, относящихся к изолированной системе, т.е. к системе, взаимодействием которой с другими системами можно пренебречь.

Важнейшие законы сохранения универсальны, т.е. справедливы для любых изолированных систем. Это законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического, барионного и лептонного зарядов.

Рассмотрим кратко некоторые из них.

Идея неуничтожимости и несотворимости материи и вечного движения в ХIХ веке была сформулирована в виде закона сохранения массы и энергии. Дальнейшая эволюция этих законов сохранения связана с открытием теории относительности.

Согласно этой теории, инертная масса тела завbсит от ее скорости. Она характеризует не только количество материи, но и ее движения. Соответственно сохраняется так называемая полная энергия Е. Полная энергия Е обобщает понятия кинетической энергии классической механики. Полная энергия Е связана с массой соотношением Эйнштейна: Е=Мс2.

Таким образом, закон сохранения энергии в теории относительности объединяет законы сохранения массы и энергии классической механики.

Утверждение о сохранении энергии не зависит ни от формы, в которой она проявляется (механическая, тепловая, электромагнитная, ядерная и т.д.), ни от конкретной системы, к которой она относится (элементарные частицы, макроскопические тела, звезды, галактики и т.д.). Такая универсальность делает законы сохранения важной составной частью любой физической теории и полезным инструментом при исследовании новых явлений.

Столкнувшись с кажущимся нарушением какого-либо закона сохранения, современная физика тщательно анализирует возможные альтернативные объяснения этого явления, прежде чем отказаться от закона сохранения. Например, именно на таком пути в 1931 г. было предсказано существование нейтрино как альтернатива несохранению энергии при b-распаде.

Дж. Чедвик в 1914 г. обнаружил, что электроны, испускаемые при b-распаде атомных ядер, имеют непрерывный энергетический спектр. Это явление находилось в явном противоречии с теорией квантов, требовавшей, чтобы при квантовых переходах между стационарными состояниями ядер выделялась дискретная порция энергии (постулат Н. Бора). Поскольку при испускании a-частиц и g-квантов это требование выполнялось, возникло предположение, что при b-распаде нарушается закон сохранения энергии.

В 1930 году Паули высказал гипотезу о существовании электрически нейтральной, сильно проникающей частицы, которая испускается при b-распаде вместе с электроном. Она получила название нейтрино.

Все законы сохранения почерпнуты из опыта. Все они являются обобщением и количественной формулировкой эмпирически найденных закономерностей. Квантовая физика, в частности физика атома и элементарных частиц, дала новый класс таких закономерностей – правил отбора. Они есть строгие и приближенные. Их специфика состоит в том, что на опыте совсем не наблюдаются или наблюдаются с малой вероятностью некоторые реакции и переходы, не запрещаемые никакими уже известными физическими принципами или законами сохранения. В связи с этим и выдвигается новый закон сохранения (точный или справедливый лишь для некоторых типов взаимодействий), запрещающий такие реакции. Таково происхождение, в частности, законов сохранения барионного и лептонного зарядов, странности, изотопического спина, “очарования” и др.

Рассмотрим для примера суть законов сохранения барионного заряда, лептонного заряда и изотопического спина.

Барионный заряд, или говорят барионное число, обозначается символом В. Это одна из внутренних характеристик элементарных частиц, отличная от нуля для барионов и равная нулю для всех остальных частиц.

Барионы – это группа “тяжелых” элементарных частиц с массой, не меньше массы протона. К барионам относятся нуклоны (протон и нейтрон), гипероны и барионные резонансы – это короткоживущие возбужденные состояния барионов. Единственный стабильный барион – это протон. Все остальные барионы нестабильны, и путем последовательных распадов превращаются в протон и легкие частицы, т.е. частицы, масса которых значительно меньше массы протона.

Барионный заряд барионов полагают равным единице. Барионный заряд антибарионов равен минус единице. Барионный заряд системы частиц равен разности между числами барионов и антибарионов в системе. В любом процессе, т.е. при всех видах взаимодействия элементарных частиц (сильном, электромагнитном и слабом), выполняется закон сохранения барионного заряда. Этот закон гласит: разность между числом барионов и антибарионов в любых реакциях остается неизменной.

Точность сохранения барионного заряда характеризуется стабильностью протона. Экспериментальное время жизни его превышает 1030лет.

Лептонный заряд или лептонное число – это особое квантовое число, характеризующее лептоны. Обозначается буквой L. Лептоны – это класс элементарных частиц, не обладающих сильным взаимодействием. Это означает, что лептоны участвуют лишь в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях. К лептонам относятся электрон, мюон, тяжелый лептон /t/, нейтрино и соответствующие им античастицы.

Введение лептонного заряда позволяет простейшим образом интерпретировать установленный на опыте закон сохранения числа лептонов. Согласно этому закону, разность числа лептонов и числа антилептонов в замкнутой системе остается постоянной при любых происходящих в системе процессах.

Ни одного случая нарушения закона сохранения лептонного заряда не обнаружено. Однако точность, с которой проверен этот закон, невелика. Поэтому не исключено, что закон сохранения лептонного заряда является приближенным и в определенных условиях нарушается.

Если бы этот закон оказался нестрогим, то могли бы существовать переходы между нейтрино и антинейтрино в вакууме.

Лептонный заряд, в отличие от электрического заряда, с точки зрения современных данных не является источником какого-либо дальнодействующего поля.

Роль лептонного заряда в физике элементарных частиц полностью еще не раскрыта.

Рассмотрим теперь суть закона сохранения изотопического спина.

Существующие в природе частицы, обладающие сильным взаимодействием, называются адронами. Их можно разбить на группы “похожих” частиц. В каждую такую группу входят частицы с примерно равными массами и одинаковыми внутренними характеристиками. Исключением является электрический заряд, а следовательно и магнитный момент.

Такие группы адронов называются изотопическими мультиплетами. Оказывается, что сильное взаимодействие для всех частиц, входящих в один и тот же изотопический мультиплет, одинаково, т.е. не зависит от электрического заряда. В этом и состоит симметрия сильного взаимодействия, которая называется изотопической инвариантностью.

Простейшим примером частиц, которые могут быть объединены в один изотопический мультиплет, являются протон и нейтрон. Опыт показывает, что сильное взаимодействие протона с протоном, нейтрона с нейтроном и протона с нейтроном одинаково, если они находятся в одинаковых состояниях.

Протон и нейтрон рассматриваются как два разных зарядовых состояния одной частицы – нуклона. Они образуют изотопический дублет. П-мезоны (П+, П-, По) образуют изотопический триплет и т.д. Величина J, определяющая число частиц в изотопическом мультиплете, называется изотопическим спином. Число же частиц в изотопическом мультиплете определяется формулой: n = 2J + 1.

Переход от одной частицы к другой из того же изотопического мультиплета не меняет величины изотопического спина.

Изотопический спин сохраняется в сильном взаимодействии.

Открытие приближенных, не универсальных законов сохранения привело к исследованию точности, с которой установлены на опыте законы сохранения. Например, проверка закона сохранения электрического заряда состояла в поисках запрещенного только этим законом распада электрона на нейтрино и g-квант.

За несколько месяцев наблюдений за электронами атомов йода в кристалле NaJ не произошло ни одного распада. Это соответствует тому, что электрон не теряет своего заряда по крайней мере за 3,5х10²³ лет.

Аналогично, закон сохранения барионного заряда проверялся в поисках запрещенного только им распада протона на П+-мезон и g-квант. Здесь точность еще выше: протон не теряет барионного заряда минимум 10³⁰ лет. На опыте не наблюдалось ни одного перехода, нарушающего закон сохранения лептонного заряда.

Физическая теория связывает каждый закон сохранения с фундаментальным принципом симметрии. Так, закон сохранения энергии связан с однородностью времени, а импульса – с однородностью пространства, т.е. с тем свойством пространства, что начало отсчета в нем можно выбирать произвольно. Это означает, что никакие физические эффекты не зависят от такого выбора. Аналогично с произвольностью выбора пространственных осей, т.е. отсутствием выделенных направлений в пространстве, связан закон сохранения момента импульса. Экспериментальная проверка этих законов сохранения есть проверка соответствующих фундаментальных свойств симметрии пространства-времени.

Другие универсальные законы сохранения – электрического, барионного и лептонного зарядов – связаны не со свойствами симметрии пространства-времени, в котором находятся частицы, а с внутренними симметриями самих частиц.

Химические системы

Химия – наука о веществах, их свойствах, строении и взаимных превращениях.

Исторически химия возникла для получения человеком веществ, необходимых для его жизнедеятельности. Для решения этой задачи необходимо было научиться производить из одних веществ другие, т.е. осуществлять качественные их превращения. А поскольку качество – есть совокупность свойств веществ, то следовало узнать, от чего зависят эти свойства. Это и послужило причиной появления теоретической химии.

Предмет химии – химические элементы и их соединения, а также закономерности, которым подчиняются различные химические реакции.

Химические реакции – это процессы образования из простых по составу веществ более сложных, переход одних сложных веществ в другие и разложение сложных веществ на более простые по составу вещества.

Современная химия занимается получением веществ с заданными свойствами и выявлением способов управления свойствами вещества. В этом заключается основная проблема химии и системообразующее начало ее как науки.

По признаку изучаемых объектов (веществ) химию принято делить на неорганическую и органическую. Объяснением сущности химических явлений и установлением их общих закономерностей на основе физических принципов и экспериментальных данных занимается физическая химия, включающая квантовую химию, электрохимию, химическую термодинамику, химическую кинетику. Самостоятельными разделами являются также аналитическая и коллоидная химия.

Сочетание химии с другими смешными естественными науками представляют собой биохимия, геохимия, фотохимия и др.

Мы подчеркивали, что материя существует в двух физических формах – вещество и поле.

Вещества – это различные виды движущейся материи, масса покоя которых не равна нулю. Все вещества корпускулярны. Процессы, протекающие в химическом веществе или в смесях различных веществ, представляют собой химические реакции.

При протекании химических реакций всегда образуются новые вещества. Например, при нагревании магния (серебристо-белый металл) в молекулярном кислороде (бесцветный газ) образуется оксид магния (белый порошок):

2Mg+O₂ = 2MgO

Химические реакции всегда сопровождаются физическими эффектами: поглощением и выделением энергии, например, в виде теплопередачи, изменением агрегатного состояния реагентов, изменением окраски реакционной смеси и др. Именно по этим физическим эффектам часто судят о протекании химических реакций.

В химических процессах (химических реакциях) получаются новые вещества с отличными от реагентов свойствами, но никогда не образуются атомы новых элементов.

К условиям протекания химических процессов относятся прежде всего термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются наличием катализаторов и других добавок к реакциям, а также влиянием растворителей и иных условий.

В химии различают простые и сложные вещества. Простые вещества состоят из атомов одного вида элемента, т.е. они одноэлементны. Сложные вещества состоят из атомов резных элементов, т.е. они многоэлементны. Сложные вещества иначе называются химическими соединениями. Этот термин означает, что вещества могут быть получены с помощью химических реакций соединения из простых веществ – химического синтеза или разделены на элементы в свободном виде (простые вещества) с помощью химических реакций разложения – химического анализа.

Примеры

2Hg + O₂ = 2HgO

простые химическое

вещества соединение

 

 

2HgO = 2Hg + O₂

химическое простые

соединение вещества

Мельчайшие химические частицы, являющиеся пределом химического разложения любого вещества, являются атомы. Простое вещество (если оно не является одноатомным, как, например, гелий He) разлагается на атомы одного вида, сложное вещество – на атомы разных видов. Атомы неделимы химическим путём.

Масса атомов разных видов составляет порядка 10^-24 – 10^-22г, размеры (диаметр) атомов колеблется в пределах 1*10^-10 - 5 *10^-10м. Поэтому атомы считают мельчайшими химическими частицами.

Химический элемент – это вид атомов с определённым положительным зарядом ядра. Все химические элементы указаны в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Каждому элементу отвечает свой порядковый (атомный) номер в Периодической системе. Значение порядкового номера элемента и значение заряда ядра атома того же элемента совпадают. Значит, химический элемент – это совокупность атомов с одинаковым порядковым номером.

В Периодической системе химических элементов на сегодняшний день имеется 109 элементов с порядковыми номерами от 1 до 109. Из них в природе найдено 88. Такие элементы, как технеций Tc, прометий Pm, астат At и франций Fr с порядковыми номерами 43, 61, 85, 87 и все элементы, следующие за ураном U (порядковый номер 92), впервые получены искусственно.

Из химических элементов наиболее распространены в земной оболочке кислород и кремний. Эти элементы вместе с элементами алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, водород и титан составляют более 99% массы земной оболочки (за земную оболочку принимается литосфера – твердая земная кора, распространяющаяся на глубину до 17км, гидросфера – вода морей и океанов и атмосфера – воздушная оболочка, распространяющаяся на высоту до 15км).

Химические соединения, состоящие из атомов не менее двух элементов, имеют в качестве наименьших составных частей молекулы – электрически нейтральные группы атомов, или ионы – электрически заряженные атомы или группы атомов. Большинство химических сложных веществ состоит не из молекул, а из ионов. Например, ионными соединениями являются все соли.

Пример. Хлорид натрия NaCl состоит из ионов Na⁺ и Cl^-.

Химические соединения образуются за счёт химических связей. Различают три основных типа химической связи: ковалентную, ионную и металлическую.

Ковалентная связь осуществляется за счет образования электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих обоим атомам. Ионная связь представляет собой электростатическое притяжение между ионами, образованными путем полного смещения электронной пары к одному из атомов. Металлическая связь есть связь между положительными ионами в кристаллах металлов, осуществляемая за счёт притяжения электронов, свободно перемещающихся по кристаллу.

Химическая связь представляет собой такое взаимодействие, которое связывает отдельные атомы в молекулы, ионы, кристаллы, т.е. структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука.

Природа химической связи, согласно современным представлениям, объясняется взаимодействием электрических полей, создаваемых электронами и ядрами атомов, которые участвуют в образовании химического соединения.

Каждый химический элемент имеет свой символ. Символы химических элементов являются интернациональными обозначениями элементов. Они помещены в Периодическую систему элементов Д.И. Менделеева. Современные символы химических элементов ввёл в 1813г шведский химик Берцелиус.

Каждое вещество обозначается присущей только ему химической формулой.

Химическая формула – это изображение качественного и количественного состава вещества при помощи символов химических элементов, а также числовых, буквенных и других знаков. Например, формула H₂O показывает, что вода включает элементы водород H и кислород O в соотношении их атомов 2:1.

Любая химическая реакция записывается в виде уравнения химической реакции, например,

2Na + Cl₂ = 2NaCl

Подбор коэффициентов в уравнении химической реакции основан на том, что сумме атомов каждого элемента не изменяется при протекании химической реакции.

Важнейшая особенность химических реакций связана с тем, что их протекание сопровождается изменениями энергии. Большая часть энергии, производимая в современном обществе, получается в ре­зультате химических реакций, главным образом при сгорании угля, нефтепродуктов и природного газа.

С целью оптимального осуществления хода химического процесса необходимо знать общие законы, определяющие превращения энергии при химическом взаимодействии веществ. Для установления взаимных связей между явлениями и обобщения экспериментального материала в практике химии широкое распространение нашел термодинамический метод. Прежде чем перейти к изложению основ химической термодинамики, постараемся дать определение исходных понятий и объекта приложения термодинамического метода - термодинамической системы.

Под системой понимают тело или группу тел, мысленно выделенных из окружающей среды. Представим себе, что требуется определить теплоту сгорания жидкого бензола. Опыт осуществляют в калориметрической бомбе, которую можно рассматривать как систему.

В зависимости от рассматриваемого явления система может быть сложной и различного размера, но всегда она должна состоять из большого числа частиц, т.е. быть макроскопической. Только для макроскопических систем можно оперировать такими понятиями, как температура, давление, теплота, и некоторыми другими. Исходя из характера взаимодействия различных систем с окружающей средой, их подразделяют на открытые, закрытые и изолированные системы.

Открытой системой называется система, которая может обмениваться с окружающей средой энергией и веществом. К открытой системе, например, можно отнести стакан с водным раствором сахара. В результате постепенного испарения воды из раствора в окружающую среду и теплообмена, будет изменяться как масса системы, так и ее энергия.

Закрытой системой называют систему, в которой отсутствует обмен веществом с окружающей средой, но возможен обмен энергией с ней. Примером такой системы может служить раствор сахара, помещенный в стакан, закрытый пробкой. Когда стакан закрыт пробкой, процесс в растворе будет осуществляться при постоянном объеме. Если температура раствора Т₁ будет отличаться от температуры T₂ окружающей среды, то при T₁ больше T₂ часть энергии от раствора будет передаваться в окружающую среду, и наоборот, при Т₁ меньше T₂ энергия системы будет увеличиваться за счет перехода какой-то части энергии из окружающей среды в раствор. Масса системы при этом изменяться не будет.

Изолированной системой называют такую, объем которой остается постоянным, и которая не обменивается энергией и веществом с окружающей средой. К этому типу систем можно будет отнести водный раствор сахара, помещенный в закрытый сосуд, стенки которого изготовлены из идеального теплоизоляционного материала. Понятие "изолированная система" является понятием идеальным (абстрактным), так как на практике не существует материала, который абсолютно не проводил бы теплоту.

Система может быть гомогенной (однородной) или гетерогенной (неоднородной).

Система называется гомогенной, если она состоит из одной фазы. Гетерогенная система обязательно содержит несколько фаз.

Совокупность всех химических и физических свойств системы называется состоянием системы. Обычно рассматривают те свойства. которые могут быть однозначно выражены через функции температуры. давления и концентрации веществ системы. Такие свойства называются термодинамическими (теплоемкость, внутренняя энергия, энтальпия и т. п.), они являются частью общих свойств (физических и химических) системы. Для полного описания состояния системы достаточно знать наименьшее число термодинамических свойств, которые наиболее легко определяются экспериментальным путем (давление Р, объем V, температура Т и концентрации (C₁) компонентов). Параметры состояния системы связаны между собой соотношением, которое называется уравнением состояния. Если система состоит из одного вещества и в качестве параметров выбраны давление, объем и температура, то уравнение состояния в общем виде можно записать так:

f(P, V, T)=0

Для n моделей идеального газа уравнением состояния является уравнение Менделеева-Клапейрона:

PV=nRT

Применяя основные понятия, рассмотрим энергетику химических процессов.