Экспериментальные данные о спектрах излучения Основные положения квантовой механики Физика атома Цепная ядерная реакция деления. Биологическое действие ионизирующих излучений

Оптика и строение атома. Элементы физика атома

Атомистическая теория - современная теория строения вещества -зародилась еще в Древней Греции. Древнегреческие мыслители интересовалисьна первый взгляд отвлеченным вопросом: можно ли делить вещество бесконечнона все меньшие и меньшие части, или же оно состоит из некоторых неделимыхчастиц, не поддающихся дальнейшему делению? Основное направление мыслидревнегреческих философов, следовавших взглядам Платона и Аристотеля,основывалось на представлении о непрерывности материи. Однако некоторыедревнегреческие философы, особенно Демокрит, не соглашались с такой точкойзрения и считали, что материя состоит из мельчайших неделимых частиц,которые Демокрит называл атомами, что и значит “неделимые”.

Классификация элементарных частиц.

Физики выяснили, что главные свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в различных видах взаимодействия, поэтому классификация частиц строится с учетом именно этого фактора. Элементарные частицы принято условно делить на четыре класса: лептоны, мезоны, барионы и частицы‑переносчики взаимодействия.

Первый класс - класс лептонов - состоит из частиц, участвующих в слабом взаимодействии и в электромагнитном, если они имеют электрический заряд. Лептоны имеют спин равный 1/2 и лептонный заряд, который, подобно электрическому заряду сохраняется при реакциях взаимопревращения частиц (т.е. суммарное число лептонов при этом не меняется). К лептонам относят шесть типов частиц, отличающихся массами, временем жизни, электрическим зарядом и разновидностями лептонного эаряда: электроны, мюоны, тау-лептоны, электронные нейтрино, мюонные нейтрино и тау-нейтрино. Среди лептонов наиболее известен электрон. Другой хорошо известный лептон - нейтрино. Нейтрино является наиболее распространенной частицей во Вселенной, она легко проникает через вещество. Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название тау‑нейтрино. Это очень тяжелая частица, ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном она ведет себя подобно электрону и мюону. В 60-х годах было установлено, что существует еще два типа нейтрино: электронное нейтрино и мюонное нейтрино.

Второй класс - класс барионов - состоит из частиц, обязательно участвующих в сильном ядерном взаимодействии, некоторые из них могут также участвовать и в слабом, и в электромагнитном взаимодействии. Спин барионов равен 1\2, они имеют барионный заряд, который сохраняется при реакциях. К барионам относятся протон, нейтрон и еще около двухсот частиц, отличающихся массами, временем жизни, электрическим зарядом.

Третий класс – класс мезонов. По видам взаимодействий он сходен с классом барионов, но спин и барионный заряд данных частиц равен нулю. К классу мезонов относится до сотни частиц. Самые известные из них, это – пионы, каоны, эта-мезоны.

Мезоны и барионы часто называют общим названием – адроны. Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях элементарных частиц, где они ускоряются до больших скоростей и сталкиваются с неподвижными частицами, что приводит к различным реакциям их взаимопревращения. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Такое множество адронов наводило на мысль, что адроны не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину, появились конкретные идеи о том, как их систематизировать, решающий шаг здесь был сделан в 1963 г., когда была предложена теория кварков.

Четвертый класс частиц состоит из частиц – переносчиков взаимодействий. Эти частицы не являются непосредственно строительным материалом вещества, а обеспечивают четыре фундаментальных взаимодействия, т.е. образуют своего рода "клей", не позволяющий веществу распадаться на части. Четвертый класс состоит из: фотонов – переносчиков электромагнитного взаимодействия, глюонов – переносчиков сильного взаимодействия, бозонов - переносчиков слабого взаимодействия. Высказывается мнение, что возможно существование и переносчиков гравитационного взаимодействия – гравитонов, но поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляется, то обнаружить гравитоны экспериментально будет очень сложно.

Согласно современным теориям, все виды взаимодействия между частицами объясняют передачей энергии, импульса, момента импульса с помощью частиц‑переносчиков взаимодействия. Впервые данный подход был использован для объяснения электромагнитного взаимодействия, эта теория известна как квантовая теория электромагнитного поля или квантовая электродинамика (КЭД). Для описания взаимодействия с помощью частицы-переносчика в теории используется не только понятие реального фотона (кванта видимого нами света), но вводится понятие виртуального (скоротечного, призрачного, не наблюдаемого экспериментально) фотона, который "видят" только взаимодействующие частицы. В основе КЭД лежит описание электромагнитного поля с использованием понятия передачи взаимодействия за счет испускания и поглощения таких виртуальных фотонов заряженными частицами, а также использование явления взаимного уничтожения (аннигиляции) электронно-позитронной пары с возникновением фотонов и явления порождения фотонами такой пары. Эта теория удовлетворяет принципам квантовой теории и теории относительности. Правильность теории КЭД была проверена на двух эффектах, которые предсказала КЭД и которые не объясняла обычная квантовая механика. Первый касался энергетических уровней атома водорода, согласно КЭД, уровни должны быть слегка смещены относительно положения, которое они занимали бы в отсутствие виртуальных фотонов. Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают с высочайшей точностью - более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих физических теорий. После подобного триумфа, КЭД была принята как модель для квантового описания и других фундаментальных взаимодействий с помощью соответствующих частиц-переносчиков.

Согласно теории и результатам экспериментов каждой частице, кроме фотона, соответствует античастица, которая отличается только противоположным электрическим зарядом и магнитным моментом. Например, электрону соответствует антиэлектрон или позитрон, протону - антипротон. При взаимодействии частицы и античастицы (например, при столкновении частиц с большой кинетической энергией) происходит аннигиляция или исчезновение этих частиц и появление нескольких фотонов или каких-либо других частиц. При взаимодействии элементарных частиц могут возникать также временные виртуальные частицы – так называемые короткоживущие резонансы.

4.3.Гипотеза строения элементарных частиц из кварков.

В настоящее время не существует  законченной теории, объясняющей все характеристики частиц и все виды реакций, но разработана хорошая гипотеза для классификации частиц. Эта классификация основана на представлении о существовании суперэлементарных частиц – кварков, из которых как бы «состоят» частицы. Под термином «состоят» не следует понимать их простое объединение, т.к. например масса покоя частицы может быть намного меньше масс кварков, из которых она «состоит», этот термин только обозначает тот факт, что при реакциях происходит переобъединение кварков в другие частицы с сохранением суммарных характеристик системы частиц.

Гипотеза строения элементарных частиц из более фундаментальных частиц ‑ кварков была предложена Гелл-Манном и Цвейгом в 1964 году. Кварки несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо ± 1 / 3 или ± 2 / 3 от заряда электрона. Все кварки имеют спин 1/2, поэтому они относятся к фермионам. Чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны, Гелл-Манн и Цвейг ввели три сорта (аромата) кварков: u (от up- верхний), d (от down- нижний), s (от strange - странный) и три соответствующих антикварка. Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы - барионы, более легкие пары кварк - антикварк образуют мезоны. Например, протон состоит из двух u- и одного d-кварков (uud), а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это "трио" кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий "клей". Оказалось, что сильное взаимодействие представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон "прилипает" к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая - на скрепление двух трио кварков друг с другом. Но выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять аромат кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е гг. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков, поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны. Проблему удалось решить за счет введения трех новых ароматов (сортов) кварков. Они получили названия: c -кварк (от charm - очарование); b -кварк (от beauty - прелесть); впоследствии был введен еще один аромат - t ( от top - верхний). Кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием. Переносчики сильного взаимодействия - глюоны (цветовые заряды).

Для описания всех  известных (в настоящее время) характеристик частиц оказалось достаточным иметь всего 36 кварков. Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков с помощью глюонов, носит название квантовой хромодинамики. Гипотеза кварков позволила предсказать существование новых частиц, которые были позднее обнаружены экспериментально, но обнаружить экспериментально сами кварки пока еще не удалось. Хотя и существуют некоторые недостатки у кварковой теории, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами - точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, и предполагается, что между этими двумя различными семействами должна существовать взаимосвязь. Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий и с учетом существования для каждой частицы античастицы) на конец ХХ века равно 48 (лептонов (6х2) = 12, кварков (6х3)х2 =36). По современным представлениям, законченная теория строения материи должна включать кроме самой теории элементарных частиц и теорию фундаментальных взаимодействий.

Атомистическая теория Дальтона Джон Дальтон (1766 - 1844) большую часть своей жизни преподавал в школе и колледже в Манчестере. Возможно потому, что сам Дальтон не былхимиком, он подошел к ее проблемам с иных позиций, чем химики его времени. Его атомистическая теория, опубликованная в период 1803-1807 гг., прочноосновывалась на экспериментальных наблюдениях. Она оказалась стольуспешной, что с этого времени заняла господствующее положение в науке ипочти не потребовала дальнейшего пересмотра.
Ионизация атомов и молекул в клетках