МИКРОХРОНОСМикроэволюция

МИКРОЧАСТИЦЫ

Найдено 1 определение:

МИКРОЧАСТИЦЫ

от греч. ?????? – малый) – частицы очень малой массы (в частности, нулевой), для движения и взаимодействия к-рых существенна дискретность (атомизм) действия. К М. относятся элементарные частицы, атомные ядра, атомы, молекулы, квазичастицы. Динамика М. исследуется квантовой механикой, свойства больших коллективов М. – квантовой статистикой, превращения элементарных М. – их рождение и аннигиляция – квантовой теорией полей. Квантовая теория была создана в процессе преодоления ограниченности и недостаточности понятий классич. физики о материальных частицах, их движении и взаимодействии; о физич. полях, связывающих частицы друг с другом; о системах частиц – атомах, молекулах, макроскопич. телах. Рождение и развитие теории М. явилось революцией в физике, химии и др. науках о природе; на этой основе произошли коренные изменения в технике. Эта радикальная ломка науч. понятий и представлений имеет непосредств. отношение к философии, к картине мира в целом. Естественно, что смысл теории М. по-разному понят различными филос. направлениями; существенно различными представляются и перспективы теории М. Вместе с тем физика М. ставит задачу дальнейшей разработки многих филос. категорий. Понятие частиц в доквантовой ф и з и к е. Ограниченность и противо-речивость понятия частицы и поля в классич. физике. Классич. физика к началу 20 в., основываясь на законах ньютоновой механики, на открытых в 19 в. законах сохранения и превращения энергии, периодич. системе химич. элементов Менделеева, законах электромагнитного поля, наконец, на принципах физич. статистики и кинетики, пришла к единой физич. картине явлений природы. Все физич. явления стали рассматриваться как результат движения и взаимодействия электронов, атомов, молекул и электромагнитных полей. Это был отход от господствовавшего в естествознании 18 в. метафизич. мировоззрения, к-рое исходило из существования независимых неизменных субстанций; в физике начало формироваться учение о строении единой движущейся материи. К концу 19 в. стало ясно, что специфич. свойства тел могут быть объяснены только путем раскрытия природы образующих их частиц – атомов и молекул – и их взаимодействий. Понятия атома и молекул приобрели определенность и конкретность. Открытие радиоактивности и изотопов привело к убеждению в сложности структуры атома: атом оказался системой электрически заряженных частиц. Однако представления о простейших известных в начале 20 в. частицах материи – электронах и протонах – оставались метафизическими; предполагалось, что они являются изначально и вечно существующими "кирпичиками" мироздания. Из факта атомизма заряда – существования наименьшего электрич. заряда у любых элементарных частиц (что означало невозможность разделения электрона на субэлектроны, несущие долю элементарного заряда) делали вывод, что электроны и протоны вообще не могут испытывать превращений. Спор шел только о том, имеет ли электрон конечный размер порядка 10-13см ("электрон-шарик"), или же он является точечной частицей, лишенной размера. Обе эти т. зр. заключали в себе глубокие противоречия и приводили к неразрешимым трудностям. Этими противоречиями не ограничивались трудности классич. физики. В последней четверти 19 в. было доказано, что наряду с дискретными частицами вещества существуют поля, к-рые представлялись как "чистая" непрерывность. Эти противоположные по осн. своим свойствам формы материи выступают в классич. физике как связанные друг с другом чисто внешним образом: заряженный электрон создает вокруг себя поле, перемещающееся вместе с ним и воздействующее на др. электроны, изменяя их движение; наряду с такими полями, всегда связанными со своими источниками – заряженными частицами, существует и свободное поле излучения, распространяющееся независимо от породивших его источников. Поле создается каждым электроном в отдельности, причем поля просто накладываются друг на друга (суммируются). Согласно классич. физике, двум осн. формам материи – частице вещества и полю – присущи две различные формы движения. Движение частицы представлялось как непрерывный перенос ее по траектории с опред. скоростью (импульсом) в каждой точке; изменение скорости частицы происходит под действием поля в точке пространства, занимаемой в данный момент частицей, т.е. действие поля на частицу строго л о к а л ь н о; отсюда следовало, что изменение состояния движения частицы в данный момент (а также ее действия на др. частицы) не зависит от структуры поля в о в с е й системе, в к-рую входит частица. Изменения же состояния поля распространяются в виде волны, к-рая характеризуется амплитудой, частотой и фазой и представляет собой согласованный в конечной области процесс. Исходя из таких представлений о движении и взаимодействии, классич. физика не была в состоянии объяснить возникновение устойчивых сложных разнокачеств. систем из немногих видов "простейших" частиц; свойства различных систем – молекул, кристаллов – объясняли существованием специфич. сил, действующих в данной системе, но объяснить происхождение этих сил на основе изложенных представлений было невозможно. Невозможно было и понять законы взаимодействия заряженных частиц и полей – законы излучения. Согласно классич. физике, излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении заряженных частиц – электронов. Поскольку поле является абс. непрерывным и обладает бесконечным числом возможных движений (степеней свободы), энергия движения колеблющихся электронов должна превращаться в энергию электромагнитых волн любых частот; ускоренно движущийся электрон при любых условиях должен излучать электромагнитые волны любых длин волн. Но это противоречит фактам. Известно, что атом испускает прерывный (линейчатый) спектр, характерный именно для атома данного элемента. Распределение энергии в спектре излучения нагретого тела также не соответствовало классич. законам теплового излучения. На основе классич. представлений невозможно объяснить образование и длит. существование атомов. В самом деле, атом испытывает миллионы столкновений в секунду и тем не менее сохраняет свою индивидуальность и структуру, не разваливаясь на составные части – ядро и электроны. Эти факты представляли собой загадку с т. зр. классич. механики, допускающей возможность больших изменений любой системы в результате суммирования множества сколь угодно слабых воздействий; а согласно классич. электродинамике, атом, как система заряженных частиц – электронов, обращающихся вокруг ядра, должен был бы потерять всю свою энергию в ничтожную долю секунды, излучив ее в виде электромагнитных волн. Классич. закономерности движения и взаимодействия не давали объяснения и образованию из одинаковых атомов более сложных и качественно отличных систем – молекул. Наконец, нельзя было понять и возможности формирования упорядоченных макросистем – кристаллов – из скопления атомов и молекул, не говоря уже о причинах существования разнокачеств. твердых тел – металлов, полупроводников, диэлектриков – и уяснения связи их свойств со структурой. Стало ясно, что нужна радикальная ломка старых понятий и представлений об элементарных формах материи, о движении и взаимодействии. Этот процесс начался в нач. 20 в. Формирование квантовых идей. В 1900 Планк открыл новый закон теплового излучения тел, соответствующий опыту, сделав предположение, явно противоречащее классич. представлению о волновой природе света, а именно, что свет испускается атомами в виде отд. "порций", или квантов, причем энергия порции света пропорциональна частоте излучения. В 1905 Эйнштейн, анализируя закономерности фотоэлектрич. эффекта (вырывания электронов на поверхности металла падающим на нее светом), сделал дальнейший шаг: он предположил, что свет не только испускается квантами, но и состоит из отд. "частиц" – фотонов, энергия к-рых пропорциональна частоте световых волн, а импульс обратно пропорционален длине волны; коэффициент пропорциональности h, введенный Планком, – один и тот же для всех видов излучения. Но дискретность излучения явно противоречила представлениям о чисто волновой природе света. В 1913 Н. Бор на основе этих идей построил первую модель атома, к-рая представляла собой чисто внешнее соединение законов классич. физики с новыми, противоречащими им квантовыми законами движения и излучения. Бор предположил, что существуют два различных типа состояний движения атома: стационарные состояния и переходы между ними. В стационарных состояниях электроны движутся вокруг ядра только по строго опред. орбитам, обладая на каждой из них лишь опред. значением энергии; движение по орбите происходит по законам классич. механики, но при этом, вопреки классич. электродинамике, электрон не излучает электромагнитных волн. Излучение происходит лишь при переходах (мгновенных перескоках) электрона с одной стационарной орбиты на другую, причем атом теряет (или поглощает) энергию, равную разности значений энергии стационарных состояний. Др. словами, энергия излучаемого кванта зависит не только от того, с какой орбиты "соскочил" электрон, но и от того, на какую орбиту он "перескочил". Эти положения несовместимы с идеями классич. механики, а также с положением классич. физики, что частота электромагнитной волны не связана с количеством уносимой ею энергии. Несмотря на эти внутр. противоречия, модель атома Бора дала возможность объяснить спектр излучения простейшего атома – водорода. С помощью дополнит. допущений удалось также разгадать порядок застройки электронных оболочек при переходе к более тяжелым атомам. Однако модель Бора не могла правильно объяснить излучение сложных атомов, она не указывала также пути к объяснению образования молекул. Стало ясно, что классич. представления о движении вообще не применимы к М. Современные физические представления о микрочастице. Теория движения микрочастиц (квантовая механика). Двойст-венная природа движения М. Совр. теория движения и взаимодействия М. – квантовая механика – была создана в 1924–27 трудами Л. де Бройля, Э. Шредингера, В. Гейзенберга, П. Дирака, Н. Бора, М. Борна и др. Осн. чертой движения M. является его двойственная корпускулярно-волновая природа" Согласно квантовой механике, любая М. – это не только корпускула, она обладает также волновыми свойствами, а любому волновому процессу присуща также дискретность. Эта неразрывная связь корпускулярных и волновых свойств выражена в соотношениях де Бройля, связывающих энергию ? и импульс р отд. М. с волновыми характеристиками движения – частотой ? и длиной волны ?: Е = h?, p = h / ?. Величина h, связывающая корпускулярные и волновые характеристики движения М., – универсальная физич. постоянная, наз. постоянной Планка, или квантом действия (действие – это величина, равная произведению энергии на время или импульса на координату); численно квант действия – величина чрезвычайно малая; он равен 6,6210-27 эрг·сек. Соотношения де Бройля, представляющие собой исходный пункт квантовой теории, рассматриваются как универсальные соотношения, справедливые для М. любой природы. Опыт полностью подтверждает соотношения де Бройля. Электрон (вообще М.), с одной стороны, движется и действует подобно корпускуле: в столкновениях он участвует как целое, обладая опред. энергией и импульсом; вместе с тем при движении электронов обнаруживаются такие типичные волновые явления, как интерференция и дифракция. Если пропустить пучок электронов одинаковой энергии через тонкую кристаллич. пластинку, то на экране позади пластинки (или на фотопластинке) появятся интерференционные кольца или полосы, с помощью к-рых можно определить длину "электронной волны". Если пластинку вырезать из другого кристалла, с иным расположением атомов, то картина дифракции изменится. Это означает, что движение электрона зависит от структуры поля во всей области движения. При этом каждый электрон, попадая на фотопластинку, действует на нее локально, в одной точке, подобно корпускуле, но движется так, что попадает с наибольшей вероятностью в места максимума интенсивности волны. Поэтому, хотя каждая М. обладает свойствами и волны, и корпускулы, волновые свойства непосредственно обнаруживаются в результате многих одинаковых опытов над совокупностью М., находящихся в совершенно одинаковых условиях; волновые свойства М. проявляются статистически. Т.о., волновые и корпускулярные черты движения М. проявляются совместно, неразрывно. Двойств. природу обнаруживает также электромагнитное излучение. Дифракция и интерференция света (и радиоволн) служат убедит. доказательством его волновой природы и позволяют определить длину световых волн. Вместе с тем взаимодействие излучения с частицами вещества доказывает, что излучению присущи также свойства частиц, что его можно рассматривать как газ фотонов, каждый из к-рых обладает опред. энергией и импульсом. Естественно, возникает вопрос о природе волны, связанной с движением любой M., a также о том, чем обусловлена универсальность кванта действия. Этот вопрос стал в центре принципиальных дискуссий, о к-рых будет сказано далее. Изложенные факты свидетельствуют о том, что классич. разделение материи на абсолютно прерывную форму (вещество) и абсолютно непрерывную (поле) лишено оснований. Различие между частицей вещества (напр., электроном), имеющей массу покоя, и фотоном, не имеющим массы покоя, проявляется в том, что фотон также действует как целое, но ему нельзя приписать в процессе распространения опред. локализацию, т.е. он дискретен только энергетически, но не пространственно. Фотон "локализуется" лишь в момент испускания или поглощения, т.е. при рождении или исчезновении. Далее, при достаточно большой массе частицы вещества длина ее дебройлевской волны становится настолько малой, что волновые черты движения фактически исчезают. Напротив, у фотонов очень малой энергии (напр., радиоволн) исчезают черты дискретности. Поэтому в пределе, с к-рым имели дело в классич. физике, вещество выступает как чисто дискретная форма материи, а поле – как чисто непрерывная. Волновая природа движения электронов обнаруживается не только в явлениях дифракции. Она убедительно подтверждается и т.н. туннельным эффектом, суть к-рого заключается в следующем. Электрон, связанный с опред. атомом и вместе с тем находящийся под воздействием внешнего поля, "вытягивающего" его из данного атома, может "просочиться", преодолевая связывающее его поле, сквозь т.н. потенциальный барьер и уйти из данного атома даже в том случае, если внешнее поле – слабое. Для классич. частицы такое поведение немыслимо, это противоречило бы закону сохранения энергии. Локализация электрона за пределами потенциального барьера обусловлена его волновой природой: электрон находится под воздействием поля во всей области его возможного движения; изменение его состояния движения зависит не от напряженности поля в данной точке, а от структуры поля в области его возможной локализации. Поэтому электронная волна может оказаться и за пределами барьера. Туннельный эффект лежит в основе многих явлений, напр. альфа-радиоактивности (альфа-частица просачивается через удерживающее ее поле ядерных сил). Туннельный эффект сказывается и при конденсации атомов в твердое тело (кристалл); при приближении атомов на их внешние (валентные) электроны действует электрич. поле соседних ядер, и (если структура кристаллич. решетки этому благоприятствует) эти электроны, перескакивая от атома к атому, начинают мигрировать по всему объему тела. Происходит делокализация внешних электронов атома, они становятся частью всего кристалла. Таковы важнейшие факты, свидетельствующие о двойственной природе М. С т. зр. классич. физики, наличие волновых и корпускулярных свойств в движении одного и того же объекта исключается. Обычная частица движется по траектории, обладая в каждой точке опред. скоростью, ее действие всегда локально; к волне понятие траекторного движения неприменимо. С другой стороны, у классич. волнового процесса энергия распределена по всему пространству; частица же действует всегда только как целое. Очевидно, двойств. природа М., наличие у нее и волновых и корпускулярных свойств означает, что М. нельзя рассматривать ни как обычную частицу, ни как обычную волну. Обладая относит. индивидуальностью, М. вместе с тем в каждый момент как бы "чувствует" влияние системы в целом. Соотношения неопределенностей. В силу двойственной, корпускулярно-волновой природы движение вещества М. кардинально отличается от движения массивной (классич.) частицы. М. не обладает одновременно опред. значениями координаты и импульса (скорости), она не движется по траектории с опред. скоростью в каждой ее точке. В общем случае и координата и импульс М. (равно как и др. динамич. ее характеристики) в известной мере неопределенны. Согласно квантовой механике, между неопределенностью координаты ?q и неопределенностью импульса ?p М. всегда имеет место соотношение: ?q?p ? h. Это означает, что чем определеннее значение координаты М. (т.е. чем меньше ?q), тем более неопределенным является импульс в направлении этой координаты (тем больше ?p), и наоборот. Соотношение неопределенностей координаты и импульса проявляется в том, что любое взаимодействие электрона с к.-л. массивной частицей (напр., атомным ядром), локализующее электрон в малой области пространства, создает неопределенность импульса. Поэтому электрон, выходя из этой области после взаимодействия, может иметь различное значение импульса. Чем меньше область пространства, в к-рой электрон локализуется, тем более неопределенным делается его импульс. Напротив, свободный, ни с чем не связанный (нелокализованный) электрон обладает опред. значением импульса. Имеет место также соотношение неопределенностей для изменения энергии M. ?E и времени ?t, когда такое изменение происходит. Из соотношений неопределенностей следует, что невозможно одновременно измерить с любой точностью значение импульса и координаты. Чем точнее данным классом приборов (напр., микроскопом) можно измерить координату, тем менее точно измеряется импульс, и наоборот. Такой результат обусловлен тем, что в процессе измерения координаты М. создаются условия, в к-рых "размывается" ее импульс, он делается более или менее неопределенным; в процессе измерения импульса "размывается" координата. Однако не следует сводить понятие "неопределенность величины" к "неточности измерения". Как уже отмечено, любое взаимодействие электрона со значительно более массивной частицей, напр. атомным ядром, ограничивающее область локализации электрона, создает неопределенность его импульса, хотя ядро и не является прибором. Неопределенность величин не является специфич. особенностью характеристик М.; она имеет место и в макроскопич. теории волн. Новым в квантовой теории является, во-первых, то, что понятие неопред. величины применяется к осн. сопряженным параметрам движения частицы: координате и импульсу, энергии и времени; во-вторых, что соотношение неопределенностей связано с существованием "атома действия" h. Если бы h равнялся нулю, то соотношения неопределенностей для М. утратили бы смысл. Но в этом случае перестали бы существовать также соотношения де Бройля, т.е. должна была бы исчезнуть двойств. природа движения. Практически это проявляется у достаточно массивных частиц, для движения к-рых несуществен атомизм действия. Т.о., неопределенность динамич. величин, характеризующих состояние М., является следствием корпускулярно-волновой природы движения М. Неопределенности координат и импульса М. означают не только ограничение применимости классич. понятий для описания движения М., но и дальнейшее развитие этих понятий. Понятие "местонахождения" (координаты) М. следует понимать как место ее локализации при внешнем воздействии на нее. Вне взаимодействия с классич. объектом нельзя говорить об опред. локализации М. Понятие размера (длины, объема) приобретает содержание лишь тогда, когда речь идет о микросистеме, об объекте, имеющем опред. структуру (в частности, и о структуре М.). Изменяется и понятие импульса. Эта величина может иметь опред. значение только у свободной М., не связанной с к.-л. системой, т.е. нелокализованной. Электрон, принадлежащий опред. атому или молекуле, локализованный вблизи ядра, не обладает опред. импульсом. Это значит, что такой электрон действует только как невыделенная часть атома, т.е. не обладает динамич. индивидуальностью. Только при освобождении электрона из атома, происходящем в результате сильного столкновения электрона с внешним агентом, он приобретает динамич. индивидуальность – "свое" значение импульса; но при этом теряется его локализация, отграниченность, т.е. пространств. индивидуальность. Величина неопределенности к.-л. физич. величины (импульса, координаты, энергии) может быть охарактеризована с помощью статистич. разброса ее возможных точных значений, появляющихся при изменении состояния М. в результате ее взаимодействия с классич. объектом, в частности при измерении. Напр., если неопределенность координаты электрона равна ?q, то при последующем точном измерении координаты ее значения будут лежать в нек-ром интервале между q и q + ?q. Такой разброс значений будет получен на опыте, если точно измерить координаты множества электронов, находящихся в таком же состоянии, как и данный электрон. При этом вероятность получить то или иное точное значение координаты, вообще говоря, будет различна. Вопрос о смысле соотношения неопределенности также вызвал дискуссию (см. раздел II). Состояние М. Волновая ф у н к ц и я. Из соотношения неопределенностей следует, что понятие состояния М. коренным образом отличается от понятия состояния движения массивной (классич.) частицы. Состояние движения классич. частицы в каждый момент задается значениями ее координаты и скорости. В противоположность этому, для М. эти величины в той или иной мере неопределенны. Соответственно оказываются неопределенными и др. механич. величины, являющиеся функциями координаты и импульса. Напр., атомарному электрону можно приписать (с достаточным приближением) опред. значение лишь трех величин – энергии, момента количества движения и одной из проекций момента. Остальные же динамич. характеристики атомарного электрона – координата, импульс, кинетическая энергия, потенциальная энергия – остаются неопределенными; вероятности возможных значений этих величин, получающихся при точном измерении, распределяются по строго опред. законам, характерным для данного состояния. Следовательно, состояние электрона вообще описывается не числами, задающими координату и скорость в данный момент времени, а нек-рой функцией, квадрат абс. значения к-рой характеризует закон распределения вероятностей возможных значений к.-л. физич. величины, чаще всего координаты. Эта функция носит название волновой функции (или п с и - ф у н к ц и и). Волновая функция дает полную информацию о возможных (потенциальных) значениях любых динамич. величин в данном состоянии. Напр., с помощью волновой функции можно рассчитать закон распределения вероятностей возможных значений координат М. в данном ее состоянии, закон распределения вероятностей возможных значений импульса и др. величин. Характерным свойством М. является то, что она подчиняется т. наз. принципу суперпозиции состояний, согласно к-рому М. может рассматриваться как находящаяся одновременно в различных состояниях, описываемых различными волновыми функциями (интерференция состояний). При наложении (суммировании) этих функций возникает интерференция. Законом движения M. – законом изменения ее состояний – является уравнение Шредингера, связывающее изменение волновой функции М. во времени с внешними условиями, – ходом потенциала внешнего поля, действие к-рого испытывает М., с взаимодействиями М. с др. частицами системы, в к-рую она входит. Уравнение Шредингера играет в квантовой механике такую же роль, как закон Ньютона в классич. механике. Решая это уравнение, находят вид волновой функции. Важно подчеркнуть, что новый способ характеристики состояний движения М. в квантовой механике влечет за собой необходимость применения для этой цели иных математич. понятий, чем в классич. физике. Состояния М. описываются функциями, а связь физич. величин друг с другом в каждом состоянии характеризуется т.н. операторами – способами преобразования функций. Замечат. особенность движения М. заключается в том, что совокупность возможных состояний М. (возможных волновых функций) находится в соответствии с фиксированными физич. условиями во всей области, в к-рой М. существует, – законом изменения поля, в к-ром она движется, а также с наличием др. частиц, входящих в данную систему. В этом отношении М. кардинально отличается от макрочастицы, состояния к-рой в каждый момент могут быть любыми. Если физич. условия, в к-рых существует М., меняются достаточно быстро и неупорядоченно, то приписать М., входящей в такую систему, опред. квантовое состояние, характеризуемое опред. волновой функцией, невозможно. Особый интерес представляют связанные состояния электрона, принадлежащего опред. атому или молекуле. Совокупность стационарных связанных состояний, в к-рых может находиться электрон в атоме или молекуле, образует прерывный ряд; они квантованы. Энергия этих состояний может принимать лишь опред. значения (дискретные уровни энергии); дискретными являются также и возможные значения момента количества движения. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое значение энергии и момента (или соответств. им квантовые числа) изменяются скачком. Дискретность (квантованность) ряда возможных состояний обусловлена тем, что состояние связанного электрона в каждый момент как бы "согласовано" со структурой поля в атоме в целом. В квантовании состояний связанного электрона также проявляется его двойственная природа. С этой т. зр. интересен описанный выше туннельный эффект (напр., когда атом подвергается воздействию внешнего электрич. поля, стремящегося вытянуть его из атома). Это означает, что изолиров. атом связывается этим внешним полем с другой системой – источником поля. При этом атомарный электрон как бы "коллективизируется" этой большой системой, его состояние определяется уже не только внутриатомными взаимодействиями, но условиями, характерными для общей системы, например кристалла в целом. Еще одна особенность стационарных квантовых состояний, неизвестная классич. физике, – это наличие в квантовых системах нулевой энергии – минимального значения энергии, к-рой может обладать такая система. Отнять эту энергию от системы можно, только разрушив ее. Существует два различных типа изменений состояния М., в зависимости от характера воздействия на них: 1) квантовые переходы M. из одного возможного стационарного состояния в другое, происходящие при сообщении (или отнятии) М. энергии, но при сохранении внешнего поля, в к-ром частицы движутся; 2) изменения всей совокупности возможных состояний, происходящие при изменении внешнего поля. Примером квантового перехода является переход атомарного электрона из одного стационарного состояния атома в другое под воздействием излучения. Примером второго типа изменений является изменение всего спектра состояния атома, возникающее при его помещении в электрич. или магнитное поле. Отличительная особенность квантового перехода M. из одного состояния в другое заключается в том, что он зависит не только от начального состояния М., но также и от конечного. Переход из начального состояния в конечное тем вероятнее, чем сильнее "перекрываются" оба состояния, чем больше они "резонируют" – как в смысле пространств. перекрытия, так и в смысле близости типа волновых функций, характеризующих оба состояния. Поэтому понятие резонанса имеет большое распространение в теории движения М. При квантовых переходах атома изменяется "динамич. структура" его электронной оболочки, сопровождающаяся во мн. случаях поглощением или излучением фотона. Взаимодействие М. Системы М. Указанные выше особенности движения М. проявляются и в характере их взаимодействия, и в особенностях систем М. Система М. (квантовая система) не может рассматриваться как совокупность отдельных М., сохраняющих свою индивидуальность. Приписать индивидуальное движение каждому электрону, входящему в состав атома или молекулы, строго говоря, невозможно. Осн. положением квантовой механики многих частиц и квантовой статистики является принцип тождественности одинаковых М., входящих в одну и ту же систему. Этот принцип резко отличает систему М. от системы макрочастиц. Согласно принципу тождественности, две (или несколько) одинаковых М., входящих в одну систему и находящихся в одном и том же состоянии движения, ни в чем не проявляют индивидуальных различий. Поэтому перестановка мест двух электронов ("обмен координатами") в атоме не может рассматриваться как реальное изменение; существенно лишь число М. в данном состоянии (оно наз. числом заполнения), а не то, какие М. находятся в данном состоянии. Между тем в классич. теории газов перестановка мест двух молекул считается реальным эффектом, к-рый должен учитываться. В принципе тождественности проявляется ограничение индивидуальности М., о к-ром шла речь выше. Во взаимодействии М. играет роль их спин – собств. момент количества движения. Однако спин нельзя рассматривать как меру вращения М., ибо М. есть ни твердая корпускула, ни жидкая капелька. Наиболее существ. проявлением спина М. является наличие у М. магнитного момента, пропорционального спину; М., обладающая ненулевым спином, представляет собой элементарный магнитик, т.е. опред. образом ориентируется в магнитном поле. Поэтому можно сказать, что микроскопически магнетизм есть прежде всего квантовое явление, характерное для М. Величина спина характерна для данной М., она является одним из основных ее параметров; спин элементарных частиц [в единицах ћ=h/2? ]; может быть либо полуцелым – у электронов, протонов, нейтронов, нейтрино и др., либо целочисленным (1 или 0) – у фотонов или пи-мезонов. В зависимости от спина M. подчиняется одному из двух различных типов статистики (статистика Ферми – Дирака и Бозе – Эйнштейна). Для М., подчиняющихся статистике Ферми (или фермионов), имеет место принцип Паули, согласно к-рому в каждом состоянии системы может находиться только одна М. Это значит, что возможные состояния электрона в атоме или кристалле зависят не только от действующих на него полей атомных ядер и др. электронов, но и от того, в каких состояниях находятся др. электроны. Число же М., подчиняющихся статистике Бозе (бозонов), в каждом состоянии может быть любым. Принцип Паули представляет собой закономерность совершенного нового типа, неизвестного классич. физике. Он отражает согласование состояния М. с состояниями др. таких же М. Отношение между одинаковыми М., выражаемое принципом Паули, является не динамич. взаимодействием, а отношением нового типа, специфичного для микрообъектов. Именно это согласование движения многих М. дало возможность понять, как происходит формирование опред. структуры микросистем, согласованность их с движениями в системе, в частности образование слоистой структуры электронной оболочки атомов, обусловливающей периодичность системы атомов химич. элементов, оболочечной структуры атомных ядер и т.д. Квантовая механика многих М. раскрывает возможность образования разнокачественных объектов, напр. образование молекул из атомов, природу химич. связей. Она впервые объяснила самую возможность "насыщения" связей, т.е. образование системы только из опред. числа частиц. Старая проблема, – почему возможна молекула водорода из двух одинаковых атомов, но не из трех, – к-рая была неразрешимой в классич. физике, нашла разрешение в квантовой теории. Именно было показано, что при взаимодействии пары внешних электронов в обоих атомах, спины к-рых направлены противоположно, вследствие согласования состояний происходит "обобществление" этих электронов, к-рые начинают совместно двигаться вокруг обоих ядер, т.е. оба атома как бы непрерывно обмениваются этими электронами, связывающими их воедино в молекулу (т.н. "обменное" взаимодействие). К наиболее интересным принципиальным выводам квантовой теории систем относится мысль, что связанная М., входящая в к.-л. систему, динамически не идентична такой же М., но свободной или входящей в систему др. типа; напр., свободный атом существенно отличается от атома, входящего в состав молекулы или кристалла; движения электронов в свободном атоме отличаются от движения электронов в таком же атоме, как части молекулы. Поэтому важнейшая задача, возникающая при решении проблем квантовой механики, заключается в установлении специфичности м а т е р и а л ь -н о г о н о с и т е л я того или иного свойства систем или явления. На основе квантовой механики и статистики была создана совр. физика твердого тела, объяснившая многообразие форм твердых тел – металлов, полупроводников, диэлектриков. Квантовая механика является теоретич. основой теории атома, молекулы. Эти огромные успехи физики явились результатом революционного преобразования картины движения М. и их взаимодействия, произведенного квантовой механикой. Теория превращения М. (квантовая теория поля). Основные представления квантовой теории поля. Квантовая механика исследует только закономерности движения "готовых" М. Ее осн. положения применимы к взаимодействиям сравнительно малой энергии, при к-рых число взаимодействующих М. сохраняется. Но при больших энергиях взаимодействия простейших М. (элементарных, или фундаментальных частиц) – электронов, протонов, мезонов и др. – происходят их превращения, т.е. исчезновение данных М. и рождение новых, причем число М. изменяется. Большинство элементарных частиц нестабильно и спонтанно распадается на др. частицы до тех пор, пока продуктами распада не оказываются стабильные М. – протоны, электроны, фотоны и нейтрино (и их античастицы). Пара элементарных М. – частица и ее античастица, – связываясь друг с другом, аннигилирует, превращаясь в др. частицы (иногда они до аннигиляции образуют короткоживущие системы). При столкновениях элементарных частиц, образующих при этом неустойчивые и очень быстро распадающиеся системы, происходит рождение новых частиц (или пар); если энергия взаимодействующих частиц очень велика, может произойти множественное рождение, причем спектр рождающихся частиц может быть различным. Превращения элементарных частиц не рассматривается как распад их на составные части, как, напр., диссоциацию молекулы или деление ядра. Строго говоря, и в последнем случае частицы, входящие в более сложные системы (напр., нуклоны, образующие ядро), не идентичны свободным частицам (см. выше); различие свободных и связанных частиц проявляется, в частности, в наличии дефекта массы у связанной, системы. Однако такой факт, как множественное рождение, доказывает, что превращение элементарных частиц есть рождение новых М., к-рое может происходить по многим "каналам", причем во всех известных опытах превращения имеет место появление элементарных же частиц. Это и дает основание говорить об их "элементарности", хотя это не означает отсутствия структуры. В совр. теории взаимодействия элементарных частиц подразделяют на слабые, обусловливающие гл. обр. распад неустойчивых частиц, и сильные и электромагнитные, ответственные за превращения при их столкновениях. Гравитационные взаимодействия не учитываются современной квантовой теорией поля. Пути превращения элементарных частиц не однозначны в том отношении, что при одной и той же энергии столкновения данных частиц возможны различные элементарные реакции. Однако это не означает, что превращения могут быть любыми. Помимо законов сохранения энергии, импульса, момента и спина, электрич. заря

Оцените определение:
↑ Отличное определение
Неполное определение ↓

Источник: Философская Энциклопедия. В 5-х т.

Найдено схем по теме МИКРОЧАСТИЦЫ — 0

Найдено научныех статей по теме МИКРОЧАСТИЦЫ — 0

Найдено книг по теме МИКРОЧАСТИЦЫ — 0

Найдено презентаций по теме МИКРОЧАСТИЦЫ — 0

Найдено рефератов по теме МИКРОЧАСТИЦЫ — 0