ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 93
Скачиваний: 0
менты находились в различных состояниях движения, по разному связывались друг с другом. Движение, изменение состояний окру жающих предметов не затрагивало структу ры исходных кирпичиков материи, считалось, что во всех процессах, явлениях они остаются сами собой. Но как только по мере накопле ния наблюдений и опытных данных исследо ватель сталкивался с фактами, указывающи ми на изменение структуры, сложное строение тех микрообъектов, которые считались элемен тарными, он неизбежно направлял все свои усилия на поиски новых претендентов на ти тул «элементарные». При этом, как само собой разумеющееся, предполагалось, что критерий элементарности сохраняет силу в своем преж нем виде, автоматически переносится на но вые, более мелкие объекты.
Так было, например, когда обнаружилось, что молекулы состоят из атомов. Такая же тенденция, естественно, сохранилась и после того, как было установлено сложное строение атома и были открыты более мелкие частицы, чем атом, его составные элементы — электро ны, протоны и нейтроны. Вот тогда атом пере стали считать элементарным и критерий эле ментарности, включающий в себя как обяза тельный признак неизменности и бесструктур ное™, был перенесен на эти новые частицы. Как известно, такая попытка привела к кризи су в физике. Проникнув внутрь атома, ученые совершенно неожиданно для себя перешагну ли тот рубеж, за которым веками сложившие ся представления о движении, о сущности ве щей, основанные на повседневном опыте,
32
оказались непригодными. Электрон оказался настолько своеобразной частицей, что все при вычные мерки к нему не подходили. Естест венно, что в итоге и рухнул старый, казавший ся незыблемым, надежным, критерий элемен тарности.
Чтобы разобраться в ранее недоступных явлениях микромира, пришлось раз и на всегда отказаться от привычных, простых и по нятных и благодаря этому многим весьма до рогих, старых представлений. Ломка была весьма болезненной. Новые представления
пробивали себе |
право на существование в |
|
ожесточенной, острой борьбе. Не |
обходилось |
|
и без эксцессов, |
всевозможных |
попыток со |
хранить старое, несколько подправив его. Та кого рода рецидивы прошлого нет-нет да и по
являются еще |
и в |
наше время. |
Однако не |
|
опровержимые |
опытные данные, |
убедительно |
||
и недвусмысленно |
указывали |
на |
необходи |
мость построения новой теории — теории мик роявлений, теории движения микрообъектов. Такая теория была создана и одержала пол ную безоговорочную победу, позволила чело веку заглянуть в загадочный мир микроявле ний, разгадать и понять многие его сокровен ные тайны.
Для того чтобы хотя бы в какой-то степени уяснить себе весьма сложный путь рождения новой теории, получить представление о ее основных идеях, нам придется вкратце оста новиться на тех интереснейших событиях, ра-. зыгравшйхся на рубеже XIX и XX вв., кото рые привели к ее созданию, тем более что эти
3. А. Богуш, Л. Мороз |
33 |
события неразрывно связаны с открытием первых элементарных частиц.
Изучение природы электричества натолк нуло ученых па предположение, что носителя ми его являются мельчайшие одинаковые электрические частицы. Эти частицы были обнаружены в 1897 г. в виде катодных лучей, испускаемых отрицательно заряженным ка тодом разрядной трубки. Оказалось, что эти лучи представляют собой потоки мельчайших частичек с минимальным отрицательным элек трическим зарядом и ничтожной массой. Это был электрон — первая элементарная части ца с массой 9,1 -10 28 г и электрическим заря дом 4,8- 10“ 10 CGSE. Примерно в это же вре мя изучение электромагнитных волн и спект ров теплового излучения приводит к новым представлениям о свете. В 1900 г. немецкий физик Макс Планк, чтобы объяснить распре деление энергии по различным частотам в сплошном спектре теплового излучения, вы двигает предположение о существовании к о р- п у с к у л, частиц света, к в а н т о в света. Че рез несколько лет, в 1905 г. Альберт Эйнштейн, развивая эту гипотезу, устанавливает связь волновых характеристик света, частоты и дли ны волны с корпускулярными его свойствами,
энергией и количеством |
движения |
частицы |
||
света |
— ф о т о н а . |
С этого времени |
и начи |
|
нается |
история второй |
элементарной части |
||
цы — фотона. |
|
|
|
|
Имеющий свою довольно долгую историю |
||||
в развитии учения |
о свете спор о том, волны |
это или частицы, решился на основе компро мисса, на основе синтеза, казалось, совершен
34
но несовместимых друг с другом точек зрения: с в е т — э т о и ч а с т и ц ы и в о л н ы .
Вопрос о механизме испускания квантов света — фотонов потребовал выяснения вну треннего строения атома — источника света. Идея создания первой удачной модели атома принадлежит известному датскому физику Нильсу Бору и опирается на знаменитые опы
ты |
английского ученого Эрнста |
Резерфорда. |
В |
1911 г. Резерфорд пришел к |
выводу, что |
почти вся масса атома сосредоточена в нич
тожной |
по размерам |
центральной |
области |
|
атома |
— ядре, |
вокруг которого |
движутся |
|
э л е к т р о н ы . |
Ядро |
простейшего |
атома — |
атома водорода — несет на себе единичный
положительный заряд |
и |
представляет собой |
||||
третью |
элементарную |
частицу — п р о т о н . |
||||
Масса |
его в 1837 |
раз |
больше |
массы элек |
||
трона. |
того |
чтобы |
обосновать |
устойчивость |
||
Для |
||||||
атома, |
Бор |
предположил, |
что электроны дви |
жутся вокруг ядра не произвольно, а по впол не определенным замкнутым орбитам. Каж дой орбите электрона соответствует опреде ленная энергия и момент вращения. В дру гих состояниях электроны находиться не мо
гут. |
Обычно |
электрон |
движется по орбите с |
||
наименьшей |
энергией |
Е0 и никакого |
излуче |
||
ния |
не испускает. Электрон |
может |
перей |
||
ти с этой орбиты на |
более |
высокую |
(более |
удаленную от ядра) орбиту с большей энерги ей Еи если он получит определенное количе ство энергии, в точности равное разнице Е х—
— Е0. |
Оказавшись |
иа более высокой орбите |
(£ 1), |
электрон сам |
по себ$ может перейти на |
35
более низкую (/Го), высвобождая при этом из лишек энергии в виде кванта света — фотона с энергией Е\—Е0. Эта энергия по гипотезе Эйн штейна однозначно определяет и частоту ис пускаемого света (о, а именно
О) = |
( 1) |
где к — постоянная, введенная еще Планком, равная 1,05 • 10~27 эрг • сек (элементарный механический момент). Все эти предположе ния блестяще подтвердились на многочислен ных экспериментах и остаются справедливыми
ипоныне.
Несмотря на замечательные успехи этой мо дели атома, у физиков оставалось чувство
явной неудовлетворенности, недовольства та ким состоянием, когда наука должна базиро ваться на предположениях, обосновать кото рые никак нельзя. Возникает потребность в создании общей теории, из которой предполо жения Планка, Эйнштейна, Бора и других вы текали бы как закономерные следствия. Осно вания для поисков такой теории уже были заложены в том, что все эти предположения никак не укладывались в рамки старой тео рии и даже, наоборот, в корне ей противоре чили. Уже из модели Бора следовало, что источник новых идей нужно искать в новых представлениях о законах движения микрообъ ектов, резко отличающихся, по-видимому, от
36
ранее известных законов движения макро объектов — больших тел. Спасительная идея была найдена французским физиком Луи де Бройлем, который предположил, что корпу скулярно-волновая двойственность — общее свойство, присущее всей материн. Иначе гово ря, частицам присущи волновые свойства. Опыты по рассеянию электронов на кристал лической решетке показали, что рассеянные электроны действительно дают на экране свое образную картину, которую можно объяснить только тем, что электрон обладает волновыми свойствами. Длина волны X определяется формулой
к |
(2) |
X |
|
ту] |
|
где т — масса электрона; |
V — его ско- |
рость. |
|
Значение этого открытия сейчас трудно пе реоценить. Оно является блестящим подтвер ждением основного положения марксистсколенинской философии о единстве материаль ного мира.
На этом завершается тот период бурных событий в физике, который подготовил почву для создания новой теории — т е о р и и д в и
ж е н и я м и к р о о б ъ е к т о в , известной |
ны |
не всем к в а н т о в о й , или в о л н о в о й , |
ме |
ха н и к и .
Вначале 20-х годов нашего столетия необ ходимость создания теории движения микро объектов стала настолько назревшей и неот ложной, что за решение этой сложной и труд-
37
пой задачи почти одновременно взялись фи зики-теоретики разных стран. Появление кван товой механики, созданной немецким фи зиком Вернером Гейзенбергом и австрийским теоретиком Эрвином Шредингером, францу зом Луи де Бройлем и англичанином Полем Дираком, явилось подлинной революцией в развитии физики. Разрозненные гипотезы и предположения, выдвинутые ранее Планком, Бором, Эйнштейном и другими учеными, в зна чительной мере носившие характер удачных догадок, получили в новой теории строгое тео ретическое обоснование. Квантовая механика на основе принципиально нового статистиче ского (вероятностного) описания микрообъек тов объединила в себе волновые и корпуску лярные представления как о свете, так и о веществе. Она, естественно, объяснила харак терную для микромира квантованмость — дискретность набора допустимых значений физических величин, в частности, допустимые в теории Бора значения энергий и моментов атома. Построение последовательной теории атомов и молекул, находящееся в изумитель ном согласии с данными опыта, явилось бле стящим триумфом квантовой механики. Лишь па основе квантовой механики оказалось воз можным проникнуть в тайну периодического закона химических элементов, гениально пред угаданного русским ученым Дмитрием Ивано вичем Менделеевым.
Сегодня трудно назвать какую-либо об ласть современной физики (как,впрочем,и дру гих точных наук), на которой в той или иной мере не сказалось бы плодотворное влияние
38
идей квантовой теории. Достаточно, напри мер, вспомнить современную спектроскопию и электронную оптику, квантовую теорию твер дого тела и полупроводников, радиофизику и квантовую химию, ядерную физику и кванто вую электронику. В этом смысле можно ска зать, что в наши дни квантовая механика все больше становится наукой инженерной.
Говоря о роли квантовой механики в фи зике элементарных частиц, мы укажем здесь еще на одно весьма важное и характерное со
отношение этой теории, на так |
называемое |
|
с о о т н о ш е н и е |
н е о п р е д е л е н н о |
|
с т ей, раскрывающее |
специфические особен |
|
ности микрочастиц. |
|
|
Весьма существенным в применении к эле |
||
ментарным частицам |
является |
соотношение |
неопределенности между энергией и временем. Суть его сводится к тому, что чем большее время существует данная микросистема, тем точнее определяется ее энергия. Следует от метить, что эти соотношения носят вполне определенный количественный характер и оказываются, в частности, принципиально важными при описании короткоживущих ча стиц, время жизни которых определяется нич тожными промежутками времени.
Однако сама по себе квантовая механика не сумела дать полное и исчерпывающее опи
сание даже такой, казалось |
бы, самой .про |
||||
стой |
элементарной частицы, |
какой является |
|||
электрон. На помощь пришла |
созданная не |
||||
сколько ранее |
т е о р и я о т н о с и т е л ь н о |
||||
с т и |
Альберта |
Эйнштейна |
— вторая |
сторона |
|
революционных |
изменений |
в |
физике |
начала |
39