Курс лекций по "Конценции современного естествознания"

18. Модели  строения атома, классификац.  эл. частиц.:

Результаты, полученные при исследовании свойств электрона и явлений радиоактивности, дали возможность строить конкретные модели А. В модели А., предложенной Дж. Томсоном  в 1903, А. представлялся в виде положительно заряженной сферы, в к-рой расположены незначительные по размеру (по сравнению с А.) отрицательные электроны. Томсоновская модель давала известное объяснение самой возможности испускания, рассеяния и поглощения света А. При смещении электронов из положения равновесия возникает «упругая» сила, стремящаяся восстановить равновесие. Эта сила пропорциональна величине смещения электрона из равновесного положения, и, следовательно, дипольному моменту. Под действием электрических сил в падающей электромагнитной волне А. поляризуется, величина электрического момента диполя колеблется с той же частотой, что и электрическая сила в световой волне; колеблющиеся электроны, в свою очередь, испускают свет той же частоты. Так происходит рассеяние электромагнитных волн атомами вещества. Из величины ослабления лучей в толще вещества можно узнать общее число рассеивающих электронов, а зная число А. в единице объёма, можно определить число электронов в каждом А. Однако вскоре выяснилось, что модель Томсона неудовлетворительна. Опыты Резерфорда по поглощению и рассеянию α-частиц атомами различных веществ доказали её несостоятельность. Исходя из своих опытов, Резерфорд создал модель А., получившую название планетарной. Сама идея о некотором сходстве между возможным строением А. и солнечной системы была высказана еще Менделеевым. Согласно планетарной модели, строение А. представляется в следующем виде. В центре А. находится положительно заряженное ядро, масса которого почти равна массе А.  Величина заряда ядра возрастает от одного химического элемента к другому на элементарную единицу заряда, равную заряду электрона (но с положительным знаком). Численно заряд ядра А., выраженный в единицах элементарного заряда, равен номеру соответствующего элемента в периодической системе. Вокруг ядра движутся электроны, подобно планетам вокруг солнца; число электронов также равно номеру А., так что их совокупный заряд нейтрализует положительный заряд ядра. Электроны должны двигаться потому, что иначе они упали бы на ядро. Различие между А. и планетной системой состоит в том, что в последней действуют силы тяготения, а в А. — электрич. силы (кулоновские).Дальнейшее изучение рассеяния α-частиц различными элементами показало, что при больших углах рассеяния (близких к 180°) наблюдается отклонение измеренного числа рассеянных частиц от вычисленного по формуле Резерфорда, особенно значительное в случае лёгких элементов. Естественная радиоактивность тяжёлых ядер, а также доказанная в дальнейшем возможность искусственного осуществления различных ядерных превращений свидетельствуют о сложном строении не только А., но и атомных ядер.При ближайшем рассмотрении планетарной модели А. физики натолкнулись, однако, на принципиальные трудности. Действительно, согласно допущению Резерфорда, электроны движутся вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца, т.е. по обычным законам механики. Согласно же электронной теории, электроны при ускоренном движении должны излучать электромагнитную энергию. В данном случае, при движении их по круговым или эллиптическим орбитам, они должны были бы потерять в ничтожную долю секунды всю свою кинетическую энергию и упасть на ядро. Если принять (вместе с классической электродинамикой), что частота излучаемого электроном света равна частоте колебаний электрона в А. (т. е. числу оборотов, совершаемых им по своей орбите в одну секунду) или имеет кратное ей значение, то излучаемый свет по мере приближения электрона к ядру должен был бы изменять свою частоту. Но это противоречит опыту. Еще в 60-х гг. 19 в. было установлено, что А. вещества в газообразн. состоянии (т. е., когда связи между А. слабы, и их можно рассматривать как независ. друг от друга) излучают характерный для данного вещ-ва спектр, состоящий из отдельных дискретн. линий. Другими словами, А. излучает световые волны вполне опред. длины, типичные для данного химич. элемента. Этому факту постоянства спектров в корне противоречит вывод, неизбежно вытекающ. из гипотезы Резерфорда, что каждый А. по мере приближения электрона к ядру должен испускать свет с изменяющ. длиной волны, т. е., по существу, сплошной спектр. Устойчивое состояние А. с этой точки зрения оказывается невозможным. Но опыт учит, что А. может оставаться в устойчивом состоянии миллиарды лет. Остаётся допустить, что обычные законы механики и электродинамики неприменимы к внутриатомным про-сам. Таким образом, к началу второго десятилетия 20 в. физика, опираясь на периодич. закон Менделеева, твёрдо установила, что А.— сложная сис-ма.

Элементарные  частицы, в точном значении этого термина, - это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.

Элементарные частицы современной  физики не удовлетворяют строгому определению  элементарности, поскольку большинство  из них по современным представлениям являются составными системами. Общее свойство этих систем заключается в том. Что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами. Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл английский физик Томсон в 1897 году. Первой открытой антицастицей был позитрон - частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей амер. физиком Андерсоном в 1932 г. В соврем. физике в группу элементарн. относятся более 350 частиц, в основном нестабильных. Микроскопич. массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц. Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаим-вии с другими частицами. Различн. процессы с элементарн. частицами заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с различной интенсивностью протекания взаимодействия элементарных частиц делят на несколько классов: сильное, электромагнитное и слабое. Кроме того, все элементарн. частицы обладают гравитац. вз-вием. Сильное вз-вие элементарн. частиц вызывает про-сы, протекающие с наиб. по сравнению с другими про-сами интенсивностью и приводит к самой сильной связи элементарн. частиц. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. Электромагнитное взаимодействие отличается от других участием элмаг. поля. Элмаг. поле (в квантовой физике - фотон) либо излучается, либо поглощается при вз-вии, либо переносит вз-вие между телами. Элмаг. вз-вие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещ-ва, и тем самым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таких микросис-м. Слабое вз-вие элементарн. частиц вызывает очень медленно протекающие про-сы с элементарн. частицами, в том числе распады квазистабильных частиц. Слабое вз-вие гораздо слабее не только сильного, но и элмаг. вз-вия, но гораздо сильнее гравитац. Гравитационное вз-вие элементарн. частиц явл. наиб. слабым из всех известных. Гравитац. вз-вие на характерных для элемент. частиц расстояниях дает чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элемент. частиц.

Эл. частицы - первичные, неразложимые частицы, из которых состоит вся материя. К ним относятся протоны, нейтроны, электроны, фотоны и т. д. - всего около 350 частиц.

Эл. частицы участвуют во всех видах  взаимодействий - сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном.

Сильное взаимод-е наз-ет процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью, и приводит к самой сильной связи частиц.

Электромагнитное взаимодействие ответственно ха связь электронов с ядрами, атомов в молекулах, обусловленные им процессы менее интенсивны.

Слабое взаимодействие вызывает переходы между разными типами кварков и определяет бета-распады нуклонов в ядрах.

Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях порядка 10^-13 см дает малые эффекты, но может быть существенным на расстояниях порядка 10^-33 см.

Характеристики  элементарных частиц, принимающие дискретные значения, принято называть квантовыми числами. Различают спиновое, орбитальное, магнитное и др. квантовые числа.

Классификация эл. частиц. Адроны - общее название для частиц, наиболее активно участвующих в сильных взаимодействиях.  Название происходит от греческого слова «сильный, крупный». Все адроны делятся на 2 большие группы: барионы и мезоны.

Барионы - это ардоны с полуцелым спином.(самые известные - протоны и нейтроны).

Мезоны - ардоны с целым спином. Их барионный заряд=0. Адронов насчитывается около 350.

Момент, измеренный в единицах (Планка), наз-ся спином.