Дальнейшее развитие концепции атомизма
После того, когда физики установили, что атом не Д. является последним кирпичиком мироздания и сам он построен из более простых, элементарных частиц, идея поиска таких частиц заняла главное место в их исследованиях. По-прежнему мысль физиков была устремлена на то, чтобы свести все многообразие сложных свойств тел и явлений природы к простым свойствам небольшого числа первичных, фундаментальных частиц, которые впоследствии были названы элементарными. В строгом смысле слова такие частицы не должны содержать в себе какие-либо другие элементы. Однако в обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона. Наиболее известными элементарными частицами являются электрон, фотон, пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны и нейтрино. Позже были открыты частицы с весьма экзотическими названиями: странные частицы, мезоны со скрытым "очарованием ", "очарованные " частицы, ипсилион-частицы, разнообразные резонансные частицы и многие другие. Общее их число превышает 350. Поэтому вряд ли все такие частицы можно назвать подлинно элементарными, не содержащими других элементов. Это убеждение усиливается в связи с гипотезой о существовании кварков, из которых, по предположению, построены все известные элементарные частицы.
По-видимому, все частицы, которые в настоящее время считаются элементарными, являются специфическими формами существования материи, которые не объединены в ядра и атомы, вследствие чего их часто называют субъядерными частицами.
|
|
|
Исторически электрон был первой элементарной частицей, открытой еще в конце прошлого века известным английским физиком Дж. Дж. Томсоном (1856- 1940). В 1919 г. Э. Резерфорд, бомбардируя атомы a-частицами, открыл протоны. В начале века был открыт фотон, в 1932 г. такая необычная частица, как лишенный заряда нейтрон, спустя четыре года - первая античастица - позитрон, которая по массе равна электрону, но обладает положительным зарядом. В дальнейшем при исследовании космических лучей были обнаружены многие другие элементарные частицы, в частности мюоны и различные типы мезонов.
С начала 50-х годов основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. С их помощью удалось открыть такие античастицы, как антипротон и антинейтрон. С того времени физики стали выдвигать гипотезы о существовании антивещественного и даже антиматериального мира. В 1970 и 1980-е годы поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили даже о семействах элементарных частиц, которые назвали "странными", "очарованными" и "красивыми".
|
|
|
Одна из характерных особенностей элементарных частиц состоит в том, что они имеют крайне незначительные массы и размеры. Масса большинства из них - порядка массы протона, т. е. 1,6х10-24 г, а размеры порядка 10-16 см. Другое их свойство заключается в способности рождаться и уничтожаться, т. е. испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами. Мы уже приводили пример превращения пары электрон и позитрон в два фотона:
e- + e+ ®2g
Подобные же взаимопревращения происходят и с другими элементарными частицами, поэтому термин "аннигиляция", означающий буквально исчезновение или превращение в ничто, не совсем подходит для ха”-рактеристики взаимопревращения элементарных частиц.
По интенсивности, с которой происходят взаимодействия между элементарными частицами, их делят на сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
| Сильное взаимодействие является наиболее интенсивным и именно оно обусловливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах. Электромагнитное взаимодействие менее интенсивно но своему характеру и определяет специфику связи между электронами и ядрами в атоме, а также между атомами в молекуле. Слабое взаимодействие - наименее интенсивно, оно вызывает медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в частности распад так называемых квазичастиц. Гравитационное взаимодействие происходит на чрезвычайно коротких расстояниях и вследствие крайней малости масс частиц дает весьма малые эффекты, но его сила значительно возрастает при взаимодействии болыаих масс. |
|
|
|
Приведенная классификация взаимодействий имеет относительный характер, так как существенно зависит от энергии частиц. Во всяком случае, она относится а лишь к взаимодействию частиц, обладающих не слишком большой энергией.
По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они, за исключением фотона, могут быть отнесены к двум группам.
• К первой относятся адроны, для которых характерно наличие сильного взаимодействия, но они могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействиях.
• Ко второй группе принадлежат лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.
Помимо общих групповых характеристик, элементарные частицы обладают также специфическими, индивидуальными признаками, которые характеризуются их квантовыми числами. К ним относят массу частицы, время ее жизни, спин и электрический заряд. По массе частицы делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и нестабильные частицы. К стабильным частицам относят электрон, протон, фотон и нейтрино. Квазистабильные частицы распадаются вследствие электромагнитного и слабого взаимодействия. Нестабильные частицы распадаются за счет сильного взаимодействия. Спин характеризует собственный момент количества движения частицы и измеряется целым или полуцелым значением, кратным постоянной Планка. Так, у протона и электрона он равен 1/2, а у фотона 0. Электрические заряды элементарных частиц являются кратными наименьшего заряда, присущего электрону.
|
|
|
Кварковая модель адронов
Большое число элементарных частиц и в особенности адронов уже в начале 1950-х годов побудило физиков занятье поиском закономерностей в распределении их масс и других квантовых чисел. Эти поиски привели американского физика М. Гелл-Мана (р. 1929) к гипотезе, что все адроны являются комбинациями кварков.
По современным представлениям кварки - гипотетические материальные объекты, из которых состоят все адроны, т.е. частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К ним относятся все мезоны и барионы, а также многочисленные нестабильные (резонансные) элементарные частицы. Согласно новой гипотезе, мезоны состоят из кварка и антикварка, барионы (тяжелые частицы, такие, как протон, нейтрон и им подобные) - из трех кварков. Гипотеза кварков стала необходимой для объяснения динамики различных процессов, в которых участвуют адроны. Но хотя она теоретически необходима, никакого экспериментального подтверждения, несмотря на многочисленные поиски с помощью ускорителей высоких энергий, в космических лучах и окружающей среде, их не было найдено. Это заставило физиков предположить, что здесь мы встречаемся с принципиально новым явлением природы, которое называют удержанием кварков. Однако это мнение не является общепринятым и встречает различные возражения.
На пути создания непротиворечивой теории элементарных частиц возникает немало трудностей, связанных, например, с получением бесконечно большого значения для некоторых физических величин, неясностью механизма определения массы "истинных" .элементарных частиц и рядом других проблем. В последние годы наметилась тенденция преодоления этих трудностей путем отказа, от представления об элементарных частицах как о точечных образованьях и признания их конечной протяженности, а также принятия новой геометрии на весьма малых расстояниях. По-видимому перспективным является также учет влияния гравитации на таких расстояниях. Новые пути исследования открываются также включением гравитационного взаимодействия в общую структуру взаимодействия элементарных частиц.
Атомистическая концепция опирается на представление о дискретном строении материи, согласно которому объяснение свойств физического тела можно в конечном итоге свести к свойствам составляющих его мельчайших частиц, которые на определенном этапе познания считаются неделимыми. Исторически такими частицами сначала признавались атомы, затем элементарные частицы, теперь кварки. Трудности, которые возникают при таком подходе, с общей, мировоззренческой точки зрения связаны, во-первых, с абсолютизацией аспекта дискретности, неограниченной делимости материи, во-вторых, с полной редукцией сложного к простому, при которой не учитываются качественные различия между ними.
Поэтому с философской точки зрения особенно интересными представляются новые подходы к изучению строения материи, которые основываются не на поиске последних, неделимых и фундаментальных ее частиц, а скорее на выявлении их внутренних связей для объяснения целостных свойств других материальных образований. Такая точка зрения высказывалась еще В. Гейзенбергом (1901-1976), но пока не получила дальнейшего развития. По-видимому, на объединении концепций атомизма и дискретности, с одной стороны, и непрерывности, целостности и системного подхода - с другой, следует ждать дальнейшего прогресса в познании фундаментальных физических свойств материи. Во всяком случае редукционистская тенденция, связанная с попытками сведения свойств и закономерностей разнообразных сложных объектов и явлений к простым свойствам составляющих их элементов, в настоящее время наталкивается на серьезные трудности, преодоление которых возможно путем поиска альтернативных путей исследования.
| Основные понятия и термины | |
| Адроны | Фотон |
| Антинейтроны | Антипротоны |
| Кварк | Атом |
| Молекула | Планетарная модель атома |
| Электрон | Редукция |
Литература
Основная:
Марков М. А. О природе материи. - М.,1976.
Физический энциклопедический словарь. - М., 1983.
Дополнительная:
Коккедэ Я. Теория кварков. / Пер. с англ. - М., 1971.
Подумайте и ответьте
Когда гипотеза об атомах вошла в естествознание и для чего она была использована?
Какие новые открытия в физике опровергли представление об атомах как последних, неделимых частицах материи?
Когда возникла революция в естествознании и к каким новым выводам она привела?
Охарактеризуйте строение атома по модели Э. Резерфорда.
Что принципиально нового внес в эту модель Н. Бор?
Какие новые частицы были открыты непосредственно после создания квантовой механики?
Какие частицы стали называться элементарными и где вначале они были открыты?
Какими общими свойствами обладают элементарные, частицы?
Какие частицы называются кварками и почему они не существуют в свободном состоянии?
Что такое вещество и антивещество?
Что называют аннигиляцией элементарных частиц?
Какие реакции называются ядерными? Приведите примеры.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 423; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!