Возникновение и развитие квантовой физики

 В 1900 г. М. Планк сформулировал квантовую гипотезу: излучение энергии происходит не непрерывно, а дискретно, определенными порциями — квантами (e). Более того, e не является любой величиной, а именно, e=hn, где h — определенная константа, a n — частота света. Это вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии, дискретного, квантового характера излучения, что не укладывалось в рамки представлений классической физики.

Формулировка гипотезы квантов энергии была началом, новой эры в развитии теоретической физики. С большим успехом эту гипотезу начали применять для объяснения других явлений, которые не поддавались описанию на основе представлений классической физики.

Существенным новым шагом в развитии квантовой гипотезы было введение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г. Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта. В 1909 г. Эйнштейн показывает, что свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Становилось все более очевидно, что корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя объяснить с позиций классической физики.

 

Теория атома Резерфорда - Бора.

В 1911 г. Резерфорд сформулировал планетарную модель атома. По модели Резерфорда, атом состоит из положительного ядра гораздо меньших размеров, нежели атом, порядка 10^-13 см. Вокруг ядра вращаются электроны. Общий заряд атома равен нулю. Резерфорд полагал также, что число электронов в атоме должно быть равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Но модель Резерфорда не объясняла многих выявленных к тому времени закономерностей излучения атомов, вид атомных спектров и др.

В 1913 г.  датский физик Н. Бор взял за основу модель атома Резерфорда и дополнил ее новыми гипотезами, которые известны как постулаты Бора:

1. В любом атоме существует несколько стационарных орбит электрона, двигаясь по которым, электрон не излучает электромагнитной энергии.

2. При переходе из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии. При переходе электрона на более далёкую от ядра орбиту, происходит увеличение энергии атома, а при переходе электрона на более близкую к ядру орбиту происходит уменьшение энергии атома.

Фундаментальные физические взаимодействия

Все действующие в природе силы можно свести четырем фундаментальным взаимодействиям. Именно эти взаимодейст­вия в конечном счете отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел, про­цессов.

Гравитация

Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от дру­гих фундаментальных взаимодействий:

1. малая интенсивность. Гравитаци­онное взаимодействие в 10³⁹ раз меньше силы взаимодействия элект­рических зарядов.

2. универсальность. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каж­дая частица испытывает на себе действие гравитации и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества.

3. дальнодействующая сила. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике.                                     

Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось.

Электромагнетизм

1. По величине электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать (полярные сияния, вспышки молнии и др.).

2. Не универсально. С электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

3. Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника.

Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру ато­мов и отвечает за подавляющее большинство физических и химичес­ких явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяже­ния, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

Слабое взаимодействие

Слабое взаимодействие ответственно за распа­ды частиц, и поэтому с его проявлением столкнулись с открытием радиоактивности и исследованием бета-распада.

У бета-распада обнаружилась странная особен­ность. Исследования приводили к выводу, что в этом распаде как будто нарушается закон сохранения энергии. Казалось, что часть энергии куда-то исчезала. В. Паули предположил, что при бета-распаде вместе с электроном вылетает, унося с собой недостающую энергию, еще одна частица. Она – нейтральная и обла­дает необычайно высокой проникающей способностью, вследствиечего ее не удавалось наблюдать. Ферми назвал эту частицу-невидимку «нейтрино». Как же они возникали? Было высказано предположение, что электроны и нейтрино не существуют в ядре в «готовом виде», а каким-то образом образуются из энергии радиоактивного ядра. Дальнейшие исследования показали, что входящие в состав ядра нейтроны, вне ядра, через несколько минут распадаются на протон, электрон и нейтрино, т.е. вместо одной частицы появляется три новые. Анализ приводил к выводу, что известные силы не могут вызвать такой распад. Он, видимо, порождался какой-то иной, неизвестной силой. Исследования показали, что этой силе соответствует некоторое слабое действие.

Особенности:

1. Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного.

2. Слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого 10^-16 см.

3. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии.

 

Сильное взаимодействие

К представлению о существовании сильного взаимодействия физика пришла в ходе изучения структуры атомного ядра. Какая-то сила должна удерживать положительно заряженные протоны в ядре, не позволяя им разлетаться под действием электростатического отталкивания. Гравитация слишком слаба и не может это обеспечить. Очевидно, что необходимо какое-то взаимодействие, причем, более сильное, чем электромагнитное. Впоследствии оно было обнаружено.

Особенности:

1. По своей величине сильное взаимодействие существенно превосходит все остальные фундаментальные взаимодействия.

2. Как и в случае слабого взаимо­действия, радиус действия новой силы оказался очень малым: сильное взаимодействие проявляется на расстоянии, определяемом размерами ядра, т.е. примерно 10^-13 см.

3. Сильное взаимодействие испытывают не все частицы. В сильном взаимодействии участвуют обычно толь­ко тяжелые частицы.

Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц.

Классификация элементарных частиц