Современная квантовая теория

Кратко о событиях в физике, которые способствовали развитию квантовой теории как нового этапа развития квантовой механики.

Первой частицей, с которой началось создание квантовой механики, был электрон. Но уже к 1908 г. стали говорить о фотоне. На современном уровне фотон — это кванты электромагнитного поля. Он не имеет массы покоя, нет системы отсчета, в которой он находится в покое, т. е. не движущегося фотона не существует. Он движется со скоростью света. Фотоны излучаются атомами, ядрами атомов, при распадах некоторых частиц, торможении и ускорении заряженных частиц, а также в процессах аннигиляции, т. е. взаимодействия частиц со своими античастицами. Фотоны различаются по свойственной им длине электронно-магнитной волны. В 1910;1912 гг. было обнаружено космическое излучение. Поднятый на высоту 4,5—5,2 км электроскоп на воздушном шаре разряжался с одинаковой скоростью днем и ночью. Сегодня известно, что космические лучи состоят в основном из потока протонов (90%), ядер гелия (7%) и ядер более тяжелых химических элементов. Они идут из глубин Вселенной и от Солнца, среди космических частиц имеются частицы с очень высокой энергией (до 1021 эВ). Физики утверждают, что человеческое тело ежесекундно «пронизывают» приблизительно 20 000 частиц, которые свободно проходят через магнитную сферу Земли и ее атмосферу.

Важным событием было открытие в 1932 г. позитрона (е+), античастицы электрона. Американский физик К. Д. Андерсон (р. 1905) на фотографии космических лучей обнаружил трек, след частицы, аналогичной электрону, но с положительным зарядом и спином, равным ½. К. А. Андерсон открыл позитрон случайно. Но до этого времени уже существовало теоретическое предсказание этой частицы. В 1928 г. П. Дирек создал релятивистское уравнение для электрона, которое учитывало принципы релятивистской механики. Описание физических явлений, происходящих в системе частиц (например, электрон-фотон с релятивистско-полевой точки зрения) осуществляется с помощью записи определенной функции (лагранжиан системы). Лагранжиан — это функция, которая определяет форму уравнения движения частиц в системе полевого пространства. В уравнении П. Дирака получалось четыре решения: два решения с положительной энергией (+E, +½), (+Е, -½) и два других решения, которые давали нечто невразумительное: (-Е, + ½) и (-E, -½). В первых решениях речь шла о положительной энергии. В двух других — об отрицательной энергии для античастицы электрона. Энергия в релятивистской механике пропорциональна массе (Е=тс2).Следовательно, отрицательной энергии соответствует отрицательная масса (-m). П. Дирак построил «теорию дырок». В этой теории состояние с отрицательной энергией и отрицательным зарядом трактовалось как дырочное состояние с положительной массой, энергией и зарядом. Эта теория утверждала, что в физическом мире частицам соответствуют античастицы.

Открытие позитрона вызвало оживленную дискуссию о возможном существовании антивещества и антимиров. Античастицы — это двойники обычных частиц, из которых состоит наш мир. Они различаются только противоположным зарядом и направлением спина у частиц, не имеющих заряда типа нейтрона. Известен принцип зарядового сопряжения: замена частиц на античастицы не изменяет сильного и электромагнитного взаимодействия, но изменяет слабое взаимодействие. Это означает, что возможен мир с веществом из античастиц и соответствующими силами физического взаимодействия.

Большую роль в развитии квантовой теории сыграло открытие нейтрона и доказательство существования протона.

Нейтрон был открыт в 1932 г. в результате облучения альфа-частицами пластинки из бериллия. Это не имеющая заряда частица. По массе нейтрон больше массы протона приблизительно на 2,5 массы электрона.

Нейтрон является нестабильной частицей. Внутри ядра нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино: n -> p + е— +(антинейтрино). Распад нейтрона в ядре атома объясняется, как потом было установлено, физической природой бета-излучения (в-) как потока электронов с высокой энергией. В ядре атома нет электронов, но распад нейтронов в ядре приводит к возникновению электронов с энергией значительно более высокой, чем энергия электронов на орбите атома.

Вне ядра атома нейтрон также является нестабильным: распадается на протон, электрон и нейтрино, приблизительно за 12—16 мин. Отсутствие заряда нейтрона объясняет его легкую способность проникать в ядра атомов. На ядрах нейтрон может рассеиваться или захватываться ими. Различают быстрые и медленные (тепловые) нейтроны, энергия первых — от 0,1 до 50 МэВ, вторых — от 0,025 до 0,5 эВ. В природе есть естественные замедлители скорости движения нейтрона (графит, тяжелая вода). Медленные (тепловые) нейтроны захватываются ядрами и создают избыток нейтронов в ядре, что ведет к распаду ядра на две равные половины (осколки, фрагменты). Этот процесс называется ядерным делением. При этом высвобождаются нейтроны, которые при взаимодействии с осколками и фрагментами ядра вызывают цепную реакцию деления ядер как продуктов первичного распада. Если эти осколки или фрагменты не оказываются ядрами стабильных химических элементов, процесс ядерного деления высвобождает огромную энергию. Например, при делении 1 г урана-238 выделяется энергия 22 000 кВт/ч.

Эта способность нейтронов используется при производстве электроэнергии и тепла на атомных станциях. Первая атомная станция в мире была простроена в СССР в 1954 г., затем в Великобритании — в 1956 г.

Нейтронное излучение губительно для всего живого. Попадая свободно в ткани организма, нейтроны вызывают разрушение ядер атомов химических элементов, из которых он состоит. Способность нейтронов проникать глубоко в ядра атомов химических элементов используется в создании новых методов «просвечивания» вещества. Нейтронография, как и рентгеноскопия, позволяет на основе «рассеивания» нейтронов в веществе увидеть расположение атомов кристаллов: длина дебройлевской волны нейтрона существенно меньше длины волны рентгеновского излучения.

К 30-м годам ХХ в. было доказано существование протона. В переводе с греческого означает первый. Существование его было подтверждено в результате проведения искусственной ядерной реакции превращения азота в кислород. Атомы азота облучались ядрами гелия, т. е. альфа-частицами. В результате получался кислород и протон.

Масса покоя протона — 1,6 726 485 * 10−27кг. Это стабильная частица. В 50-х годах ХХ в. было доказано существование антипротона и антинейтрона.