Открытие явления радиоактивности и квантовая теория

    При распаде ядер одного и того же изотопа  испускаются β-частицы с разным значением энергии. Наибольшее значение энергии β-частиц является величиной, характерной для данного изотопа. Оно называется верхней границей β-спектра. Верхние границы β-спектра различных изотопов лежат в интервале от нескольких десятков кэВ до 15МэВ. Для большинства β-активных изотопов верхняя граница β-спектра заключена между несколькими кэВ и 2МэВ.

    Движущиеся  β-частицы отклоняются электрическим  и магнитным полями в сторону, противоположную отклонению α-частиц. Проходя через вещество, β-частицы  подобно α-частицам возбуждают и  ионизуют атомы среды. Однако в силу большей скорости и меньшего заряда β-частицы претерпевают на единице пути меньше соударений, чем α-частицы. Поэтому длина пробега у β-частиц больше, а вызванная ими плотность ионизации меньше, чем для α-частиц той же энергии. Длина пробега в воздухе для β-частиц средней энергии (порядка одного МэВ) составляет несколько метров. β-частицы, пролетая в электрическом поле ядер встречных атомов, заметно отклоняются в сторону от первоначального направления. Поэтому пучок β-лучей сильно рассеивается в веществе.

    β⁺-частицы (позитроны), отличаясь от электронов знаком заряда, отклоняются электрическим и магнитным полями в ту же сторону, что и α-частицы. β⁺- и β^--частицы тормозятся и рассеиваются в веществе одинаково.

    γ-лучи. γ-излучение представляет собой жесткое электромагнитное излучение, распространяющееся со скоростью света. Фотоны γ-излучения не обладают зарядом и поэтому не отклоняются электрическим и магнитным полями. Энергия γ-фотонов имеет значения, достигающие нескольких МэВ.

    γ-излучение  взаимодействует с веществом  значительно слабее, чем β-излучение, и проходит в воздухе пути в сотни метров, а в твердых телах—сантиметры или десятки сантиметров, в зависимости от их плотности и энергии γ-фотонов.

    В отличие от α - и β-частиц γ-фотоны поглощаются в одном или нескольких актах взаимодействия с атомами вещества, вызывая при этом появление вторичных электронов. Вторичные электроны производят ионизацию атомов окружающей среды.

    Кинетическая  энергия α- и β-частиц и энергия  γ-фотонов в конечном счете переходит  в тепловую энергию. Это проявляется  в повышении температуры среды, поглотившей излучение.

    2. Квантовая теория

    2.1 История развития квантовой механики

    Квантовая теория родилась в 1900 г., когда Макс Планк предложил теоретический  вывод о соотношении между  температурой тела и испускаемым этим телом излучением. Вывод, который долгое время ускользал от других ученых. Как и его предшественники, Планк предположил, что излучение испускают атомные осцилляторы, но при этом считал, что энергия осцилляторов (и, следовательно, испускаемого ими излучения) существует в виде небольших дискретных порций, которые Эйнштейн назвал квантами. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения. Хотя выведенная Планком формула вызвала всеобщее восхищение, принятые им допущения оставались непонятными некоторое время, так как противоречили классической физике. В 1905 г. Эйнштейн воспользовался квантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта – испускания электронов поверхностью металла, на которую падает ультрафиолетовое излучение. Попутно Эйнштейн отметил кажущийся парадокс: свет, о котором на протяжении двух столетий было известно, что он распространяется как непрерывные волны, при определенных обстоятельствах может вести себя и как поток частиц.

    Квантовая гипотеза Планка состояла в том, что  для элементарных частиц, любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями. Эти порции состоят из целого числа квантов с энергией  таких, что эта энергия пропорциональна частоте ν с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:

    Ε = h*v

    где h — постоянная Планка.

    Примерно  через восемь лет Нильс Бор  распространил квантовую теорию на атом и объяснил частоты волн, испускаемых атомами, возбужденными  в пламени или в электрическом  заряде. Эрнест Резерфорд показал, что  масса атома почти целиком сосредоточена в центральном ядре, несущем положительный электрический заряд и окруженном на сравнительно больших расстояниях электронами, несущими отрицательный заряд, вследствие чего атом в целом электрически нейтрален.

    Бор предположил, что электроны могут находиться только на определенных дискретных орбитах, соответствующих различным энергетическим уровням, и что «перескок» электрона с одной орбиты на другую, с меньшей энергией, сопровождается испусканием фотона, энергия которого равна разности энергий двух орбит. Частота, по теории Планка, пропорциональна энергии фотона. Таким образом, модель атома Бора установила связь между различными линиями спектров, характерными для испускающего излучение вещества, и атомной структурой. Несмотря на первоначальный успех, модель атома Бора вскоре потребовала модификаций, чтобы избавиться от расхождений между теорией и экспериментом. Кроме того, квантовая теория на той стадии еще не давала систематической процедуры решения многих квантовых задач.

    Новая существенная особенность квантовой теории проявилась в 1924 г., когда де Бройль выдвинул радикальную гипотезу о волновом характере материи: если электромагнитные волны, например свет, иногда ведут себя как частицы (что показал Эйнштейн), то частицы, например электрон при определенных обстоятельствах, могут вести себя как волны. В формулировке де Бройля частота, соответствующая частице, связана с ее энергией, как в случае фотона (частицы света), но предложенное де Бройлем математическое выражение было эквивалентным соотношением между длиной волны, массой частицы и ее скоростью (импульсом). Существование электронных волн было экспериментально доказано в 1927 г. Клинтоном Дж. Дэвиссоном и Лестером Г. Джермером в Соединенных Штатах и Дж. П. Томсоном в Англии.

    В свою очередь это открытие привело к созданию в 1933 г. Эрнестом Руской электронного микроскопа.

    Под впечатлением от комментариев Эйнштейна  по поводу идей де Бройля Шрёдингер  предпринял попытку применить волновое описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не связанной с неадекватной моделью атома Бора. В известном смысле он намеревался сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая накопила немало примеров математического описания волн. Первая попытка, предпринятая им в 1925 г., закончилась неудачей. Скорости электронов в теории Шрёдингера были близки к скорости света, что требовало включения в нее специальной теории относительности Эйнштейна и учета предсказываемого ею значительного увеличения массы электрона при очень больших скоростях.

    Одной из причин постигшей Шрёдингера неудачи  было то, что он не учел наличия специфического свойства электрона, известного ныне под  названием спина (вращение электрона  вокруг собственной оси наподобие  волчка), о котором в то время  было мало известно. Следующую попытку Шрёдингер предпринял в 1926 г. Скорости электронов на этот раз были выбраны им настолько малыми, что необходимость в привлечении теории относительности отпадала сама собой. Вторая попытка увенчалась выводом волнового уравнения Шредингера, дающего математическое описание материи в терминах волновой функции. Шрёдингер назвал свою теорию волновой механикой. Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными наблюдениями и оказали глубокое влияние на последующее развитие квантовой теории.

    Незадолго до того Вернер Гейзенберг, Макс Борн и  Паскуаль Иордан опубликовали другой вариант квантовой теории, получивший название матричной механики, которая  описывала квантовые явления  с помощью таблиц наблюдаемых  величин. Эти таблицы представляют собой определенным образом упорядоченные математические множества, называемые матрицами, над которыми по известным правилам можно производить различные математические операции. Матричная механика также позволяла достичь согласия с наблюдаемыми экспериментальными данными, но в отличие от волновой механики не содержала никаких конкретных ссылок на пространственные координаты или время. Гейзенберг особенно настаивал на отказе от каких-либо простых наглядных представлений или моделей в пользу только таких свойств, которые могли быть определены из эксперимента.

    Шрёдингер показал, что волновая механика и  матричная механика математически  эквивалентны. Известные ныне под  общим названием квантовой механики, эти две теории дали долгожданную общую основу описания квантовых явлений. Многие физики отдавали предпочтение волновой механике, поскольку ее математический аппарат был им более знаком, а ее понятия казались более «физическими». Операции же над матрицами – более громоздкими.

    Вскоре  после того, как Гейзенберг и Шрёдингер разработали квантовую механику, Поль Дирак предложил более общую теорию, в которой элементы специальной теории относительности Эйнштейна сочетались с волновым уравнением. Уравнение Дирака применимо к частицам, движущимся с произвольными скоростями. Спин и магнитные свойства электрона следовали из теории Дирака без каких бы то ни было дополнительных предположений. Кроме того, теория Дирака предсказывала существование античастиц, таких, как позитрон и антипротон, – двойников частиц с противоположными по знаку электрическими зарядами.

    2.2 Особенности квантовой теории

• Обычно квантовая механика формулируется для нерелятивистских систем. Рассмотрение частиц с релятивистскими энергиями в рамках стандартного квантовомеханического подхода, предполагающего фиксированное число частиц в системе, наталкивается на трудности, так как при достаточно большой энергии частицы могут превращаться друг в друга. Эти трудности устраняются в квантовой теории поля, которая и является самосогласованной теорией релятивистских квантовых систем.
• Важным свойством квантовой механики является принцип соответствия: в рамках квантовой механики доказывается, что в пределе больших величин действия (квазиклассический предел) и в случае, когда квантовая система взаимодействует с внешним миром (декогеренция), уравнения квантовой механики редуцируются в уравнения классической физики (см. Теорема Эренфеста). Таким образом, квантовая механика не противоречит классической физике, а лишь дополняет её на микроскопических масштабах.
• Некоторые свойства квантовых систем кажутся непривычными (невозможность одновременно измерить координату и импульс, несуществование определённой траектории частицы, вероятностное описание, дискретность средних значений наблюдаемых величин). Это вовсе не значит, что они неверны: это означает, что наша повседневная интуиция никогда не сталкивалась с таким поведением, т. е. в данном случае «здравый смысл» не может быть критерием, поскольку он годится только для макроскопических систем. Квантовая механика — самосогласованная математическая теория, предсказания которой согласуются с экспериментами. В настоящее время огромное число приборов, используемых в повседневной жизни, основываются на законах квантовой механики, как например — лазер или сканирующий туннельный микроскоп.
• Классическая механика оказалась неспособной обьяснить движение электронов вокруг атомного ядра. Например: согласно ей, электрон, вращающийся с большой скоростью вокруг атомного ядра, излучает энергию. Следовательно, его кинетическая энергия уменьшается. Таким образом, классическая механика показывает, что электрон должен столкнуться с ядром, чего не происходит. Для понятия того, что происходит на уровне элементарных частиц была создана новая теория, цель которой была замена законов Ньютона. Чтобы обьяснить то, что происходит на уровне атома не следовало руководствоваться здравым смыслом. Квантовая теория — это совершенно новый взгляд на систему, позволяющий с оргомной точностью описать необычное поведение электронов и фотонов.

    Заключение

    Итак, гениальная гипотеза Планка была подтверждена многочисленными фактами. Появившаяся  в это время теория атома Бора принесла ей новое, блестящее подтверждение, показав, до какой степени само строение материи связано с существованием квантов.

    Открытие радиоактивности оказало огромное влияние на развитие науки и техники, Оно ознаменовало начало эпохи интенсивного изучения свойств и структуры веществ. Новые перспективы, возникшие в энергетике, промышленности, военной области медицине и других областях человеческой деятельности благодаря овладению ядерной энергией, были вызваны к жизни обнаружением способности химических элементов к самопроизвольным превращениям. Однако, наряду с положительными факторами использования свойств радиоактивности в интересах человечества можно привести примеры и негативного их вмешательства в нашу жизнь. К числу таких можно относится ядерное оружие во всех его формах, затонувшие корабли и подводные лодки с атомными двигателями и атомным оружием, захоронение радиоактивных отходах в море и на земле, аварии на атомных электростанциях и др. 
 
 
 
 
 
 

    Список  использованной литературы

1. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. М.: Академический Проект, 2000.
2. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики. М: Наука, 1979.
3. http://www.phys.onu.edu.ua/files/student/3course/2term/vvedenie.pdf
4. Бом Д. Квантовая теория. М.: Наука, 1965.
5. Льоцци М. История физики. М: Мир, 1970