Концепции современного естествознания


ЛЕКЦИЯ 8. Представление об элементарных частицах и их свойствах



страница9/64
Дата30.07.2018
Размер2.74 Mb.
ТипУчебное пособие
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   64
ЛЕКЦИЯ 8. Представление об элементарных частицах и их свойствах.

Первые модели атома.

Английский физик Дж.Томсон (1856-1940), исследуя прохождение электрического тока через разреженные газы, открыл в 1897 г. электрон, и определил его заряд. Томсон показал, что электрон - один из составных элементов атома, один из элементарных кирпичиков, из которых построено вещество. Он предложил в 1903 г. одну из первых моделей атома, согласно которой атом представляет собой сферическую положительно заряженную сферу, «набитую» электронами, подобно “булке с изюмом”. Извлечь электроны из атома сравнительно легко. Это можно сделать нагреванием, трением или бомбардировкой атома другими электронами.

Однако большую часть массы атома составляют не электроны, а ядро атома. Существование ядра было открыто Э.Резерфордом (1871-1937), который бомбардировал золотую фольгу α- (альфа) частицами и обнаружил, что есть места, где частицы отскакивают от чего-то массивного, а есть места, где частицы свободно пролетают насквозь.

Резерфорд создал на основе этого открытия планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома расположено ядро, которое сосредоточивает в себе основную массу атома, а вокруг ядра по круговым орбитам обращаются электроны, подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. Атом Резерфорда, согласно известным законам электродинамики, должен постоянно излучать энергию, поэтому электроны должны были бы приближаться к ядру, упасть на него и его разрушить, т. е. такой атом не может быть стабильным. Однако атом очень устойчив, и разрушить его крайне трудно. Эта проблема некоторое время не находила своего решения.



Фотоэлектрический эффект.

В 1888-1890 гг. русским физиком А.П.Столетовым был исследован фотоэлектрический эффект. Свет может «выбивать» из металла электроны. Мы можем подсчитать число этих электронов, определить их скорость и энергию. Если бы освещаем металл светом той же длины волны, но из более мощного источника, то следовало бы ожидать, что энергия испускаемых электронов будет больше. Однако, ни скорость, ни энергия электронов не изменяются при возрастании интенсивности света. Это явление оставалось непонятным до открытия кванта энергии М.Планком. Опираясь на идею кванта, А.Эйнштейн разработал в 1905 году теорию фотоэффекта.



Ультрафиолетовая катастрофа.

В конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила название «ультрафиолетовой катастрофы». Экспериментальное исследование спектра теплового излучения абсолютно черного тела дало результаты, несовместимые с расчетами, проведенными в рамках классической электродинамики. По расчетам получалось, что в ультрафиолетовом конце спектра излучения интенсивность должна неограниченно возрастать, что коренным образом противоречило опыту.

Отметим, что любое нагретое тело испускает излучение определенной длины волны в зависимости от своего химического состава. Это можно видеть по разным спектрам излучений, полученным от разных химических элементов.
Открытие кванта энергии М.Планком.

Пытаясь решить проблему «ультрафиолетовой катастрофы», М. Планк (1858-1947) был вынужден допустить, что противоречие возникает из-за неправильного понимания классической физикой самого механизма излучения. В 1900 г. он выдвинул гипотезу о том, что излучение и поглощение энергии происходит не непрерывно, а дискретно - порциями (квантами). Планк назвал эти порции энергии фотонами. Энергия фотона определяется по формуле E = , где ν – частота излучения, а h - коэффициент пропорциональности, или постоянная Планка.

На основе идеи Планка удалось решить не только проблему «ультрафиолетовой катастрофы», но и другие вышеперечисленные проблемы. Сразу стало понятно, что квантовая теория света дает объяснение и фотоэлектрическому эффекту. Поток фотонов падает на металлическую пластинку. Фотон ударяется об атом и выбивает из него электрон. Вырванный электрон будет в каждом случае иметь одинаковую энергию. Поэтому понятно, что увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов. В этом случае из металлической пластинки вырывается большее число электронов, но энергия каждого отдельного электрона не изменяется.

Энергия световых квантов различна для лучей разных цветов, т. е. волн разной частоты. Так, энергия фотонов красного света вдвое меньше энергии фотонов фиолетового света. Рентгеновские же лучи состоят из фотонов гораздо большей энергии, чем фотоны белого света. Если мы будем выбивать электроны волной большей частоты, то энергия выбиваемых электронов возрастет.
Модель атома Н.Бора.

Датский физик Нильс Бор (1885-1962) создал свою модель на основе открытия Планка, которое позволило ему разрешить затруднения планетарной модели атома Резерфорда.

Согласно модели атома водорода Бора, в центре атома расположено массивное ядро, вокруг которого по стационарным орбитам вращаются электроны. Атом излучает энергию не постоянно, а порциями (квантами) и только в возбужденном состоянии. В этом случае мы наблюдаем переход электронов с внешней орбиты на внутреннюю. В случае же поглощения атомом энергии имеет место переход электронов с внутренней орбиты на внешнюю.

Вышеперечисленные открытия, как и многие другие, нельзя было понять и объяснить с точки зрения классической механики. Нужна была новая теория, которая была создана в 1925-1927 гг. и получила название квантовой механики.

После того, как физики установили, что атом не является последним кирпичиком мироздания, а сам состоит из более простых частиц, начался поиск элементарной частицы.

Элементарной частицей в настоящее время называют такую частицу, которая меньше атомного ядра (начиная с протона, электрона, нейтрона). На сегодняшний день известно более 400 элементарных частиц.

Как мы уже знаем, первой открытой в 1897 году Дж.Томсоном элементарной частицей был электрон. В 1919 году Э.Резерфорд открыл протон, положительно заряженную тяжелую частицу, входящую в состав атомного ядра. В 1932 году английский физик Дж. Чэдвик открыл нейтрон - тяжелую частицу, не имеющую электрического заряда и тоже входящую в состав атомного ядра. В 1932 году П. Дирак предсказал первую античастицупозитрон, по массе равный электрону, но обладающий противоположным (положительным) электрическим зарядом. Обнаружен позитрон был в том же 1932 году американским физиком К.Андерсоном в космических лучах.

В 1936 году были открыт мюон и его античастица - также в космических лучах.

В 1955 году в опытах на ускорителе элементарных частиц был зарегистрирован антипротон.

В 1956 году был зарегистрирован антинейтрон.

На сегодняшний день обнаружены античастицы практически у всех известных частиц.



Частица и античастица должны иметь одинаковые массы и время жизни в вакууме, но отличаться противоположными значениями какого-либо признака (например, электрического или барионного заряда). Если все свойства частицы и античастицы совпадают, то такая частица называется истинно нейтральной, например, фотон, нейтральный пион и др.

С 50-х годов ХХ века основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали сверхмощные ускорители – адронные коллайдеры.

Все частицы делятся на частицы вещества и частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий.

Исходными частицами, из которых построены все остальные частицы и все вещество во Вселенной, являются лептоны (и их античастицы) и кварки (и антикварки), из которых построены адроны.

Вещество Вселенной состоит из 2-х лептонов (электрона и электронного нейтрино) и 2-х адронов: протона и нейтрона, из которых состоят атомы. Все остальные частицы возникают лишь в ускорителях и в явлениях, порождаемых космическими лучами.



Частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий – это фотоны, гравитоны, промежуточные векторные бозоны, глюоны. Они переносят электромагнитное, гравитационное, слабое и сильное взаимодействие. Все эти частицы экспериментально обнаружены, кроме гравитона, который пока еще является гипотетической частицей.

Каталог: doci -> kafedri -> phil
phil -> Примерная тематика докладов аспирантов по философии науки в 2015-2016 уч г. Общие проблемы философии науки «Венский кружок»
phil -> Примерная тематика рефератов аспирантов по истории науки в 2015-2016 уч г
phil -> Вопросы к экзамену по дисциплине «Философские проблемы науки и техники»
phil -> Кандидатский экзамен по истории и философии науки
phil -> Чернов С. А. Начала философии. Ч. 2 – Учеб пособие – спбгут спб, 2005
phil -> Ш37 Рецензент
phil -> Вопросы к зачёту по дисциплине «Философские проблемы науки и техники»
phil -> Русская философия о роли личности в истории государства


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   ...   5   6   7   8   9   10   11   12   ...   64


База данных защищена авторским правом ©znate.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница