Физические основы классической механики. Основы электромагнетизма

Модель атома Резерфорда была значительным шагом вперед. Однако предложенная Резерфордом модель строения атома и даже оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики.

В самом деле, движение электрона по орбите, как и всякое криволинейное движение, есть движение с ускорением. Согласно законам классической электродинамики, криволинейное движение, есть движение с ускорением. Согласно законам классической электродинамики, криволинейное движение должно сопровождаться излучением света соответствующей частоты. Следовательно, при движении электрона вокруг ядра атом должен непрерывно излучать энергию. Но уменьшение энергии приводит к уменьшению радиуса орбиты электрона - электрон должен двигаться по спирали, приближаясь к ядру. А так как скорость движения электронов остается неизменной, то должна увеличиться и круговая частота излучения, т.е. спектр излучения должен быть сплошным. Непрерывно приближаясь к ядру, электрон через малое время должен упасть на ядро, т.е. в модели Резерфорда атом является неустойчивой системой. В действительности же атомы являются весьма устойчивыми системами и имеют линейчатые, а не сплошные спектры излучения.

Выход из затруднительного положения был предложен в 1913г. великим физиком нашего века Н.Бором. Он ввел идеи квантовой теории в ядерную модель Резерфорда и разработал теорию атома водорода, полностью подтвержденную экспериментально. В основе боровской теории атома лежат два основных положения - постулата:

1. Электроны могут двигаться в атоме только по определенным орбитам, находясь на которых они, несмотря на наличие у них ускорения, не излучают.

Эти орбиты соответствуют стационарным состояниям электронов в атоме и определяются условием* me vn rn = nh/2, где rn - радиус n-й орбиты; Vn - скорость электрона на этой орбите; me - масса электрона; meVnrn - момент импульса электрона на этой орбите; n - целое число (n0).

2. Атом излучает и поглощает квант электромагнитной энергии при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Энергия кванта равна разности энергий стационарных состояний электрона до (Е2) и после (E1) перехода: hv = E₂-E₁ (h -постоянная планка, равная 6,62 10³⁴ Джс; v - частота излучения)/*

Таким образом, частота электромагнитных волн, излучаемых атомом, определяется не частотой обращения электронов в атоме, а разностью энергий стационарных состояний атома.

Полная энергия электрона в атоме слагается из кинетической энергии при его движении по орбите и потенциальной энергии притяжения электрона к ядру.

Значение полной энергии электрона, находящегося на размещенной орбите, называется энергетическим уровнем атома.

Минимальной энергией атом обладает при движении электрона по ближайшей к ядру орбите; максимальной энергией - при удалении электрона из атома.

Частота колебаний соответствующего излучения при переходе электрона с одной разрешенной орбиты на другую определяется по формуле:

v = E₂-E₁ / h;

Итак, атом может излучать и поглощать энергию только вполне определенными порциями, которые соответствуют некоторым определенным длинам волн. Этим и объясняется природа линейных спектров.

Рождение теории Бора ознаменовало начало нового этапа в развитии современной физики, однако эта теория обладала рядом недостатков. Сам Бор первым заметил и подчеркнул слабые стороны предложенной им теории: искусственность планетарной модели, своеобразие понятий стационарных состояний, т.е. сочетание классических и квантовых понятий, теория Бора явилась промежуточным звеном между классическими представлениями и новыми идеями волновой механики, которые сформировались к 1923 году.

Дальнейшее развитие атомной физики связано с именем французского физика Луи де Бройля. В 1924 году он высказывает мысль о том что корпускулярно-волновой дуализм присущ не только излучению, но и частицам, например электронам; де Бройль предположил, что движение электрона или какой-либо другой частицы, обладающей массой покоя, связано с волновым процессом. Этому процессу соответствует волна (волна де Бройля), длина которой:

= h /m v,

где m v - модуль импульса движущейся частицы.

Основываясь на гипотезе де Бройля, можно объяснить постулат Бора: стационарными являются лишь те орбиты, на которых укладывается целое число волн де Бройля, т.е. 2rn = n .

Т.к. частицы вещества обладают волновыми свойствами, то можно наблюдать их интерференцию и дифракцию. Именно с этой стороны гипотеза де Бройля и получила экспериментальное подтверждение в целом ряде опытов, обнаруживших дифракцию электронов, протонов, нейтронов, атомов (опыты К.Девиссона и Л. Джермера в 1927 г. - рассеяние электронов на монокристалле никеля; опыты советского ученого П.С. Тартаковского - наблюдение дифракции электронов при прохождении ими тонкой алюминиевой фольги).

Идеи де Бройля и выявленные на опыте волновые свойства частиц вещества послужили толчком к созданию принципиально новой теории, описывающей поведение микрочастиц о учетом их волновых свойств. Этой теорией стала квантовая (волновая) механика, основой которой были созданы в 1925-1926 г.г. В. Гейзенбергом и В. Шредингером.

Для того, чтобы описать поведение любой частицы, нужно определить ее координату X, импульс Р, энергию Е и т.д. В классической физике нет каких-либо ограничений, запрещающих с любой степенью точности одновременно измерить, например, координату Х и импульс Р_х. В квантовой механике положение принципиально иное. Так как движущаяся частица обладает корпускулярно-волновым дуализмом, то одновременное точное определение координаты Х и импульса Р_х невозможно. Законы квантовой механики получили вероятностную трактовку: они определяют вероятность появления того или иного события. Движение микрочастиц в квантовой механике описывается с помощью некоторой функции координат и времени - волновой функции (пси-функции), являющейся основной характеристикой частицы. Конкретный вид -функции (ее математическое выражение) определяется состоянием частицы, характером действующих на нее сил. Физический смысл имеет не сама -функция, а квадрат ее модуля ||², характеризующий вероятность пребывания частицы в определенной точке пространства. Зная, как меняется -функция от точки к точке, можно судить о том, где вероятнее всего встретить частицу. Исходя из этого частицу удобно представить как бы "размазанной" в определенной области пространства в виде своеобразного облака переменной плотности. В атомной физике пользуются понятием электронного облачка, распределенного в атоме или молекуле. Плотность электронного облака является непосредственной мерой вероятности пребывания электрона в определенной точке.

Итак, в современных моделях атома используют понятие электронного облака, а не орбиты электрона. Форма, размеры и ориентация в пространстве электронного облака однозначно определяется четырьмя квантовыми числами:

- главное квантовое число n определяет среднее расстояние электрона от ядра атома, т.е. размеры электронного облака. Для атома водорода, это число характеризует и энергию электрона. Главное квантовое число принимает значения п = 1, 2, 3, ....;

- орбитальное квантовое число 1 определяет значение момента импульса электрона и характеризует форму электронного облака. Оно принимает значения 1 = 0,1,2, .... n -1;

- магнитное квантовое число m определяет положение облака в пространстве и принимает значения m = 0, ±1, ±2, ..., ±1;

- спиновое квантовое число S, характеризующее собственный механический момент электрона, принимает одно из двух значений либо S = *±1/2, либо S = -1/2, других значений быть не может.

Квантовые свойства электронов, установленные теоретически, подтверждены экспериментально при изучении спектров, магнитных и электрических свойств атомов.

Состояние электрона в атоме о заданными квантовыми числами л и 1 обозначают так: Is, 2s, 2p, 3s и т.д. Здесь цифры 1,2,3, ... определяют значения главного, а буквы s,p,d - орбитального квантовых чисел. Символам s,p,d соответствуют значения 1 = 0,1,2, ...

Общее число всевозможных состояний электрона в атоме равно 2n². Это следует из принципа В. Паули (швейцарский физик): в одном м том же атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковым набором четырех квантовых чиcел: n, 1, m,* а. Другими словами, в одном м том же состоянии не могут находится одновременно два электрона. Электроны, занимающие совокупность состояний с одинаковым значением главного квантового числа n, образуют электронную оболочку. Различают следующие оболочки: К(п=1), L(n=2), M(n=3), N(n=4). В каждой оболочке атома электроны распределяются по подоболочкам, соответствующим определенному значению орбитального квантового числа 1. В зависимости от 1 электрон находится в подоболочке с символами s, p, d, f и т.д.

Проследим, как происходит заполнение оболочек. В атоме водорода один электрон, он находится в К-оболочке (п=1), у следующего элемента - гелия - два электрона и оба находятся в К-оболочке. В соответствии с принципом Паули на К-оболочке не может быть больше двух электронов.

Следовательно, для гелия она уже заполнена. У атома лития три электрона, два из них находятся на К-оболочке, третий на L (п=2). На L-оболочке может находится 2п² = 8 электронов (рис. 16), заполнение L-оболочки заканчивается неоном. Рассуждения для п = 3,4.. можно продолжить. Итак, периодичность таблицы Менделеева совпадает с периодичностью заполнения электронных оболочек, следовательно, периодичность заложена в самой структуре атомов.

Советским физиком Д.Д. Иваненко и немецким ученым В. Гейзенбергом в 1932 г. была предложена протон-нейтронная модель, согласно которой ядро любого химического элемента состоит из двух видов частиц: протонов и нейтронов, которые получили название нуклонов. Справедливость этой модели доказана экспериментально, и в настоящее время она является общепризнанной. Количество протонов в ядре определяет заряд ядра + Ze. Значение Z совпадает с атомным номером соответствующего химического элемента в Периодической системе Менделеева. Количество нейтронов в ядре обозначают N. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом А ядра; А=*

Атомы, ядра которых состоят из одинакового числа протонов, но из различного числа нейтронов, называются изотопами. Существование изотопов было установлено еще в 1910 году английским физиком Ф. Содди. Все химические элементы представляют собой природные смеси изотопов. Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек. Поэтому у изотопов данного элемента одинаковы как химические свойства, так и те физические свойства, которые определяются главным образом строением электронной оболочки. Но физические свойства, обусловленные структурой ядра заметно отличаются (массовое число; плотность, радиоактивность).

Большинство ядер представляют собой устойчивые образования, хотя между протонами, входящими в состав ядра, действуют силы кулоновокого отталкивания. Устойчивость ядер свидетельствует о том, что в ядрах действуют специфические силы притяжения, называемые ядерными силами. Взаимодействие между нуклонами в ядре является примером сильных взаимодействий - взаимодействий через ядерные силы. Ядерные силы обладают рядом отличительных свойств:

1) они являются силами притяжения;

2) это короткодействующие силы, их действие проявляется на расстоянии порядка 10^-15 м (это расстояние - радиус действия ядерных сил);

3) ядерные силы обладают свойством зарядовой независимости (ядерные силы, действующие между протоном и нейтроном, между двумя протонами или между двумя нейтронами одинаковы);

4) ядерные силы не являются центральными как, например, гравитационные и кулоновские силы;

5) ядерные силы обладают свойством насыщения (каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов).

Следствием этого свойства является почти линейная зависимость энергии связи в ядре от массового числа. Кроме того, удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении числа нуклонов остается примерно постоянной.

Энергия связи является мерой устойчивости ядра. Она равна той энергии, которую нужно затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны:

Есв. = m с², где m = [ Z m_p + (A-Z) m_n - Мя ]

- дефект массы (разность между суммой масс протонов и нейтронов, находящихся в свободном состоянии, и массой ядра, составленного из этих частиц).

Наиболее устойчивы ядра легких элементов. У самых тяжелых элементов, ядра которых состоят из большого числа нуклонов, ядерные силы не обеспечивают достаточной устойчивости ядра. Такие ядра радиоактивны.

Радиоактивность - самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотоп другого химического элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер.

Радиоактивность, наблюдающаяся у изотопов, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность изотопов, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Принципиального различия между искусственной и естественной радиоактивностью нет.

Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. французским ученым А. Беккерелем. Большой вклад в изучение радиоактивных веществ внесли Пьер Кюри и Мария Складовская-Кюри. Радиоактивные вещества являются источником трех видов излучения:

-лучи (ядра атома гелия);

-лучи (поток электронов);

-лучи (электромагнитное излучение очень малой длины волны).

Итак, нуклоны в ядре прочно связаны ядерными силами. Но, до настоящего времени, законченной теории ядерных сил нет. В 1936 г. японский физик X.Юкава высказал гипотезу: в ядрах протоны и нейтроны с чудовищной быстротой как бы обмениваются частицами, которые обладают массой в 200-300 раз большей, чем электрон. Эти частицы назвали -мезонами (-мезон открыт в космическом излучении в 1947 году).

Строение нуклона в настоящее время представляется следующим: в центре находится ядро-керн, радиус которого 0,3 10^-15 м. Керн окружен "облаком", состоящим из мезонов. Носителем ядерных сил являются п-мезоны: существуют ⁺ - положительный, ^- - отрицательный и нейтральный ^о-мезоны.

Элементарные частицы.

По смыслу термин "элементарная" частица означает "простейшая", "далеко неделимая" частица. Однако частицы, называемые элементарными, не вполне отвечают этому определению. Ряд экспериментальных фактов указывает на существование структуры элементарных частиц, например, нуклонов. Исторически первой экспериментально обнаруженной элементарной частицей является электрон (ДЖ. ДЖ. Томсон, 29 апреля 1897 г. исследование катодных лучей). На сегодня известно порядка 400 элементарных частиц. Хотя в настоящее время дать строгое определение элементарной частице невозможно, мы все-таки, попытаемся его дать.

Элементарными называют такие частицы, которые нельзя считать соединением других, более "простых" частиц. Взаимодействуя с другими частицами, они должны вести себя как единое целое.

Все элементарные частицы претерпевают взаимопревращения друг в друга. Большинство из них нестабильны. Исключение составляют фотон, электрон, нейтрино. сое частицы имеют античастицы, которые отличаются от частиц знаком электрического заряда, направлением спина. При столкновении частицы и античастицы они аннигилируют, т.е. превращаются в гамма-кванты. Возможен и обратный процесс. Пара частиц рождается фотоном, взаимодействующим о полем ядра. Это является доказательством взаимного превращения вещества и поля.

Различают четыре вида взаимодействия элементарных частиц друг с другом: сильное (ядерное), электромагнитное, слабое, гравитационное. Каждому взаимодействию соответствует свое поле.

К важнейшим характеристикам, определяющим свойства элементарных частиц, относятся их масса, электрический заряд, спин, время жизни. В настоящее время существует гипотеза, согласно которой большинство элементарных частиц являются комбинацией кварков и антикварков. Однако, кварки в свободном состоянии не обнаружены, несмотря на многочисленные поиски. Сейчас трудно судить о том, точна ли гипотеза кварков. Важно одно, что положено начало созданию единой теории, объединяющей четыре фундаментальных взаимодействия.

Современная физическая картина мира.

Познание мира человеком есть диалектически сложный и противоречивый процесс, творческий по своему характеру. До 1873 г. господствовала механическая картина мира, которая сменилась релятивистской физической картиной мира. Первым шагом на пути построения новой научной физической картины мира явилась гипотеза М. Планка: атомы излучают свет дискретными порциями, квантами. А. Эйнштейном было высказано предположение, что свет не только излучается, но и распространяется, а также поглощается веществом дискретными порциями, квантами. Следующим шагом явилась модель атома водорода, предложенная в 1913 г. Н. Бором. Эта модель построена.на основе соединения классических представлений с квантовыми постулатами.

Наконец в 1924 г. Луи де Бройль сформулировал общий принцип, важный для построения новой физической теории, принцип корпус-кулярно-волнового дуализма. По существу, это была попытка синтезировать две физические картины мира: ньютоновскую (корпускулярную) и максвелловскую (полевую-волновую). Окончательно новая физическая теория, получившая название квантовой, приобрела завершенную форму благодаря трудам Э. Шредингера.

В течение ряда десятилетий физики считали своей главной задачей проникновение в структуру материи. Исследование электронной оболочки атома, а на этой основе и свойств твердого тела стало эпохальным для физики XX века. Проникновение в структуру атомного ядра, а затем и в структуру ряда типов частиц стало продолжением научного штурма общих принципов структурной организации материи.

Итак, обобщим имеющиеся сведения с точки зрения современной физики на структурные формы материи, закономерности их взаимодействия, основываясь на неисчерпаемости материи и возможности ее познания.

С точки зрения современной физики обобщать эти сведения начнем с элементарных частиц, т.к. на ранней стадии развития Вселенной именно они образовывались первыми. На сегодняшний день известно несколько сотен (порядка 400) элементарных частиц. Многочисленными исследованиями установлено, что истинно элементарными частицами, не проявляющими внутренней структуры, на сегодняшний день можно считать лишь фотоны и лептоны. Наличие большого числа элементарных частиц наводит на мысль, что не все они являются простейшими. В 1964 г. независимо друг от друга М. Гелл-Ман и Дж. Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой большинство известных элементарных частиц построены из так называемых фундаментальных - "первичных" частиц-кварков. Опыты по рассеянию нейтрино и электронов сверхвысоких энергий на нуклонах подтвердили кварковую структуру протонов и нейтронов. Но "расщепить" нуклоны на кварки не удалось. К сожалению, кварки не наблюдаются в свободном состоянии.

Рассуждения об элементарных частицах в конце концов приводят нас к строению атомов и молекул, поскольку именно из них построен весь окружающий нас мир и мы сами. Атом обусловливает индивидуальность любого химического элемента. В ядро атома входят протоны и нейтроны. Электронные оболочки атомов связывают их в молекулу. Ядра атомов тяжелых элементов могут самопроизвольно превращаться в ядра более легких атомов. Этот процесс может идти и в обратном направлении. Из ядер атомов легких элементов могут образовываться ядра атомов более тяжелых элементов. Это происходит при термоядерных реакциях, которые протекают, например, в недрах звезд. Первоначальная задача физики элементарных частиц заключалась в том, чтобы найти элементарные структурные единицы материи.

Развитие представлений об эволюции Вселенной из сверхплотного состояния подсказало другую постановку вопроса: что, если фундаментальные структурные единицы материи возникли в процессе расширения Вселенной, в сложной динамике так называемого большого взрыва? Богатое разнообразие элементарных частиц, возникающих в ходе взаимодействия при высоких энергиях, практически не существует в естественных взаимодействиях при малых энергиях. Однако такое разнообразие могло существовать в начале большого взрыва и, возможно, при том состоянии Вселенной, которое получило название сингулярность, т.е. состояние сверхплотного сжатия и гигантских температур. И, вероятно, от него ведут свое начало сегодняшние стабильные элементарные частицы, составляющие строительный материал Вселенной в теперешнем ее состоянии.

Особенностью элементарных частиц является их взаимопревращаемость друг в друга. Взаимопревращению элементарных частиц, по современным данным, соответствуют четыре типа взаимодействий: слабое, сильное (ядерное), электромагнитное, гравитационное. Каждому типу взаимодействий соответствует свое поле, и кванты этого поля, т.е. взаимодействия, являются обменными, иначе говоря, частицы в процессе взаимодействия обмениваются между собой квантами соответствующих полей. Это качество легло в основу возможности объяснения различных видов взаимодействия элементарных частиц как различные проявления единого взаимодействия. В настоящее время создана единая теория слабых и электромагнитных взаимодействия в микромире: слабое, сильное, электромагнитное, там называемое "великое объединение". Более смелые мечты ученых связаны с поисками возможного суперобъединения, которое включало бы и гравитационное. В этом случае в единую теорию структуры материи наряду с кварками, лептонами и другими элементарными частицами вошли бы и гравитоны.

Таким образом, изучение свойств микрочастиц и их взаимодействий помогает понять эволюцию Вселенной, начиная с момента ее расширения до наших дней. С точки зрения современной физики, все многообразие видов материи может быть сведено к существованию двух основных ее видов: вещества и поля.

Физические поля обладают свойством связывать элементарные частицы в атомы, молекулы, макротела, планеты и т.д.

Всякое изменение, происходящее в окружающем мире, представляет движение материи. Источником же движения являются четыре типа физических взаимодействий. При движении частица обладает и волновыми свойствами. Таким образом, на данном этапе развития физика утверждает, что корпускулярно-волновой дуализм присущ всем формам материи.

Итак, в мире ничего иного не существует, кроме движущейся материи, существующей вечно. Познание мира есть процесс бесконечный. Элементарное и сложное в строении вещества - понятия относительные, и предназначение Человека состоит в том, чтобы исследовать и понять свою Вселенную.

Литература

1. А.Д. Власов, Б.П. Мурин Единица физических величин в науке и технике, (справочник), 1987.

2. В.Ф. Дмитриева Физика //Высшая школа, -М., 1994 (издание третье, исправленое).

3. Р.А. Мустафаев, В.Г. Кривцов Физика, //Высшая школа, -М. 1989.

4. Т.И. Носова, С.Е. Каменецкий и др. Механика (пособие для учителей). //Просвещение, - М., 1971.

5. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика //Высшая школа, -М., 1987.

6. Рымкевич П.А. Курс физики. //Высшая школа, -М., 1975.

7. И.В. Савельев Курс общей физики, т.1. Механика. Молекулярная физика. Изд.: Наука, 1977г.; 1989г.

8. Л.Р. Стоцкий Физические величины и их единицы (Справочник). //Просвещение, -М., 1984.

Т.И. Трофимова Курс физики. //Высшая школа,- М.,1985. 1994.

Размещено на Allbest.ru