Основные типы взаимодействий в природе
В исследованной области энергий, которая соответствует предельному пространственному разрешению порядка от 10-15 до 10-16 см проявляются четыре типа взаимодействий:
- сильное проявляется на расстояниях порядка размера ядра от 10-13см и менее. Причиной сильного взаимодействия являются ядерные силы, которые в ядре действуют между нейтроном и протоном и обеспечивает стабильность ядра. В нём участвует большинство известных в настоящее время частиц,
- электромагнитное, в котором участвуют все электрически заряженные (и некоторые нейтральные) частицы; на расстояниях порядка размера ядра оно слабее сильного взаимодействия. Именно с электромагнитными взаимодействиями связано и существование, и физические свойства атомно-молекулярных систем,
- слабое проявляется на расстояниях, не превышающих 10-16 см; оно является причиной распада некоторых видов субатомных частиц,
(в настоящее время установлено, что на расстояниях менее 10-16 см проявляется единое электрослабое взаимодействие),
- гравитационное, которое действует на всех расстояниях, но по сравнению с прочими на соответствующих им расстояниях оно исчезающе мало. Так его величина на 36 десятичных порядков меньше, чем у электростатического взаимодействия, скажем, двух протонов. Его роль важна в макромире, особенно в космических масштабах.
Частицы и волны в классической механике
Классической механикой принято называть раздел физики, изучающий законы движения макроскопических тел. В классической механике принято различать:
|
|
|
- движения локализованных масс. Их принято называть корпускулярными системами. Поступательное движение отдельной корпускулы с очень большой точностью можно описать на основе механики материальной точки, расположенной в центре масс.
- движения сплошных сред возникают при возмущении пространственно непрерывно распределённой среды. Такие движения имеют периодический волновой характер.
Таким образом, корпускула это пространственно локализованная масса (в пределе доходящая до материальной точки), а волна это движение непрерывной среды с признаками периодичности в пространстве и во времени.
Корпускулярно-волновая природа излучения
Волновые свойства света были экспериментально установлены ещё в 17-м столетии. О волновой природе света неопровержимо свидетельствуют чисто волновые явления дифракции - огибания небольших пространственных препятствий световой волной, а далее интерференции – возникновения пространственно чередующихся областей взаимного усиления (в фазе) и взаимного ослабления (в противофазе) налагающихся когерентных волн, исходящих из двух или нескольких точек пространства (кольца Ньютона, зоны Френеля и т. д.). Механические волны распространяются в сплошной среде, и для световой волны по аналогии также постулировали гипотетическую сплошную среду, которую назвали эфиром.
|
|
|
Во 2-й половине 19 века открыли электромагнитное поле, и стало ясно, что световая волна представляет его колебания, а эфир - не более, чем гипотетическая модель непрерывной среды. Ожидаемые свойства эфира не подтвердились. Оказалось, что оптический видимый диапазон длин волн охватывает лишь очень малую часть огромной шкалы электромагнитного спектра, он в длинноволновой области переходит в радиочастотный диапазон, а в коротковолновой – в рентгеновское, а далее в -излучение.
Волновая теория, вытекающая из электродинамики, до мельчайших особенностей объяснила все геометрические закономерности распространения излучения в пространстве, и в терминах механики это означает, что кинематика света подчиняется волновым законам.
На рубеже 19-20 веков были экспериментально открыты факты, которые не укладывались в волновую концепцию света. Все такие явления затрагивают взаимодействие излучения и вещества – законы поглощения и испускания (абсорбции и эмиссии) света. Рентгеновское излучение, имеет ту же природу, что и видимый свет. Это обычное электромагнитное поле, но отличается от оптического диапазона очень малыми длинами волн, наименьшими из известных в то время. При описании свойств коротковолнового излучения не удалось ограничиться лишь волновыми законами, и пришлось ввести корпускулярные представления о структуре электромагнитного поля.
|
|
|
Среди первичных явлений, необъяснимых без корпускулярной модели оказались фотоэффект, термодинамика равновесного излучения абсолютно чёрным телом, и рассеяние рентгеновского излучения веществом (эффект Комптона). Для количественного описания экспериментальных фактов потребовалось ввести представления об элементарных частицах электромагнитного излучения – фотонах, а переносимые ими порции энергии были названы квантами. Особенность фотонов состоит в том, что их масса покоя нулевая.
Возникла, как показалось на первый взгляд, противоречивая ситуация.
С одной стороны движущееся электромагнитное поле - непрерывная среда, а с другой структурно-дискретное образование – поток частиц-фотонов.
Кинематика поля оказалась волновой, а динамика - корпускулярной.
|
|
|
Эта двойственная ситуация получила название корпускулярно-волнового дуализма. Однако природа едина, а причину противоречий следует искать лишь в логической и фактической неполноте исходных приёмов построения нашего знания - тех первоначальных разделов классической теории (механики и термодинамики), на основе которых делались попытки интерпретации фактов, выходящих за пределы их компетенции.
Физически обоснованные представления о том, что световая материя состоит из отдельных частиц, появлялись ещё в 17 веке. Сам гениальный Ньютон полагал, что свет состоит из частиц – корпускул, и это "вопреки"(!) опытам - его же собственным по интерференции света и великого Гюйгенса по двойному лучепреломлению света. Это пример поразительной интуиции учёного. Cтавшие основой вычислений в квантовой механике процедура симметризации полиномов принадлежат также Ньютону !!!
С одной стороны из классической электродинамики вытекает, что электромагнитное поле переносит энергию, а следовательно, обладает и массой, и импульсом. Энергия и масса электромагнитного поля связаны между собой хорошо известным соотношением, которое впервые из волновой теории электромагнитного поля Максвелла вывел Хевисайд.
После уже Эйнштейн ввёл её в специальной теории относительности в качестве универсального соотношения для любых форм материи:
. (1.1)
С другой стороны электромагнитное поле имеет зернистую структуру, и квант его энергии согласно Планку равен
. (1.2)
Отсюда для световой частицы - фотона получается равенство 
, и следует выражение для длины волны светового излучения:
. (1.3)
Импульс фотона определяется привычным соотношением
,
и отсюда получается важнейший результат - обратно пропорциональная связь между длиной волны поля и импульсом его элементарной частицы:
. (1.4)
Волны материи.
Такая корпускулярно-волновая двойственность не есть исключительная особенность одного лишь электромагнитного излучения (материи с нулевой массой покоя).
Исследуя оптико-механические аналогии, Луи-Де Бройль предположил, что и материя с ненулевой массой покоя (т. е. уже не излучение, а вещество !!!), наряду с обычными для локализованной материи, привычными корпускулярными формами механического движения, участвует также и в непрерывном волновом процессе, у которого длина волны также подчиняется формуле 1.4, т.е. обратно пропорциональна импульсу.
В механике величина V означает скорость перемещения центра массы, а волновая картина Де-Бройля заставляет рассматривать её как скорость переноса энергии. Движение частицы уподобляется группе волн, и перемещение частицы подобно движению волнового пакета, а V приходится рассматривть как групповую скорость. Так возникает двойственный взгляд на природу движения материального объекта. Если излучение распространяется со скоростью света, то групповая скорость волн материи отождествляется с обычной механической скоростью, и длина волны материи равна:
=h/mV. (1.5)
Фазовая скорость в такой группе волн (волн материи - волн Де-Бройля) по расчётам превышает скорость света, и это противоречит специальной теории относительности. Поэтому волны материи нельзя считать обычными волновыми процессами. Тем не менее, знаменитые опыты Девиссона и Джермера по рассеянию пучка электронов на монокристалле никеля выявили у электронов свойства и дифракции и интерференции, а позднее были обнаружены точно такие же свойства и у других частиц, включая и адроны (протоны и нейтроны). Подходящими для наблюдения дифракции частиц пространственно периодическими структурами – дифракционными решётками оказались кристаллические решётки твердых тел. Их периоды имеют атомные размеры. Условия, в которых наблюдалась дифракция электронов, оказались сопоставимы с аналогичным условиям для рентгеновских лучей.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 207; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!