Презентация на тему Концепция современного естествознания

в себе свойства и частицы, и волны.
Противоречие с

классической физикой: отличие частицы от волны заключается в том, что она всегда обнаруживается как неделимое целое, в то же время волну можно разделить на части (пример - дифракция электрона).

точных значений координаты и импульса
Δp Δx ≥ h/2

и энергии и времени
ΔE Δt ≥ h/2
Эти соотношения называются соотношениями неопределенности.
Принцип неопределенности Гайзенберга (1927 г.).
произведение неопределенностей двух сопряженных переменных не может быть по порядку величины меньше постоянной Планка.

описания микрообъектов. Оно отражает вероятностный характер поведения микрочастиц, в

результате чего вместо классической траектории для микрочастицы следует использовать распределения вероятности обнаружения частицы в разных точках пространства.
Соотношение неопределенностей является конкретным выражением более общего положения – принципа дополнительности Бора.

быть получены точные данные либо о его энергиях и

импульсах, либо о поведении в пространстве и времени. Эти две взаимоисключающие картины – энергетически-импульсная и пространственно-временная, -получаемые при взаимодействии объекта с соответствующими макроскопическими измерительными приборами, дополняют друг друга.

может быть однозначно определено c помощью одного понятия, а

требует для своего определения по крайней мер двух взаимоисключающих дополнительных понятий.
На вопрос, какое понятие дополнительно к понятию истинности, Бор ответил: «ясность».

объект не является полностью независимым. Состояние микрообъекта чувствительно к

любому неконтролируемому воздействию порядка кванта действия (постоянной Планка). Это выражается в неклассической концепции неконтролируемого и неустранимого случайного воздействия окружения.
Прибор является макроскопическим окружением для микрообъекта и сам является источником некоторого состояния микрообъекта, которое обнаруживается в измерении.

измерения характеристик квантовых объектов. При точном измерении координаты микрочастицы

ее импульс благодаря взаимодействию с макроскопическим измерительным прибором претерпевает неконтролируемое изменение.
Речь идет не о погрешности измерения, а о принципиальном ограничении на информацию о квантовом объекте, выраженную языком классической физики.

моделируется сам объект с помощью его установленных характеристик.
В

квантовой механике моделируется не сам объект, а его состояние, которое задается вероятностями тех или иных значений характеристик микрообъекта.
Недетерминистский статистический подход к описания микрообъектов.

и простыми механистическими моделями, когда мы выходим за рамки

повседневного опыта;
В природе приоритетную роль играют вероятностные, статистические законы; закономерности динамического типа носят подчиненный характер;
Мы пытаемся представить цельный, но не представимый из-за своей многомерности микрообъект, изучая его отдельные, но воспринимаемые нами проекции, дополняя одну проекцию другими (принцип дополнительности).

от логики «или-или» в пользу логики «и-и» (электрон может

обладать и волновыми, и корпускулярными свойствами и находиться одновременно в разных местах);
Невозможность экранирования исследователя от объекта изучения (электрон обнаруживает волновые или корпускулярные свойства в зависимости от выбранной исследователем аппаратуры для наблюдения);
Неклассическая рациональность воспринимает объективность с учетом взаимоотношения исследователя и системы, не разрушая представлений об объективности научного знания,

водорода – состоит из одного протона. Ядра всех остальных

атомов состоят их двух видов частиц – протонов и нейтронов – которые называются нуклонами.
Протон (p)обладает зарядом +е и массой m=1.67* 10-27 кг , Е0= 938,28 МэВ, mp=938.28 МэВ/с2. Для сравнения масса покоя электрона mе=0.511 МэВ, следовательно, mp= 1836 mе.
Нейтрон (n) не обладает зарядом, m=1.68*10-27 кг , Е0= 939,57 МэВ.
У протона и нейтрона спин равен ½.

он самопроизвольно распадается и превращается в протон, испуская электрон

(е-) и антинейтрино (ν*).
Период полураспада, т.е. время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов, равен примерно 16 мин.
Схему распада можно написать следующим образом
n → p + e- + ν* .
Масса нейтрона превышает суммарную массу частиц в правой части схемы распада на 1.5 mе ( масса нейтрино равна нулю), следовательно, энергия 0.78 МэВ выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

протонов, входящих в состав ядра. Z определяет заряд ядра,

который равен +Ze, а также номер химического элемента в периодической системе Менделеева.
Число нуклонов ( т.е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре обозначается буквой А и называется массовым числом ядра.
Для обозначения ядер применяется символ ZAX, где под X подразумевается химический символ данного элемента.
Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами (водород имеет три изотопа)

всегда меньше суммы масс входящих в него частиц. Это

обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом.
Есв = с2 { [ Zmp+ (A – Z ) mn ] – mя }.
Энергия связи в ядре атома гелия:
Есв=(2*938.3+2*939.6)-3726.0≈28 МэВ
Энергия связи, приходящаяся на один нуклон Есв / А, называется удельной энергией связи нуклонов в ядре.
Ядерные взаимодействия называются сильными

процесса:
1) деление тяжелых ядер на несколько более легких

ядер;
2) слияние легких ядер в одно ядро.
Оба процесса должны сопровождаться выделением большого количества энергии.

Удельная энергия связи в зависимости от числа нуклонов в ядре

и Ф.Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются

элементы из середины периодической системы. Один из возможных путей деления
92 235U + n ? 55 140Cs + 37 93Rb +2n
с последующими превращениями осколков деления. Испускание при делении ядер U и Pt нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной реакции.
Процесс деления ядер урана или плутония под действием захватываемых ядрами нейтронов лежит в основе действия ядерных реакторов и атомной бомбы.

друг к другу на весьма близкое расстояние (~ 10-13

м ).
Для преодоления кулоновского отталкивания ядра должны иметь очень большую кинетическую энергию, соответствующую температурам порядка нескольких миллионов Кельвинов.
12d + 13H ? 24He + n
Процесс синтеза легких ядер называется термоядерной реакцией. Термоядерные реакции протекают в недрах Солнца и других звезд (земных условиях - при взрывах водородных бомб).

Примером может служить распад изотопа урана 92238U→ 90234Tr +

24Не.
Существует три разновидности β-распада: испускание электрона (распад нейтрона), позитрона или захват ядром одного из электронов К-оболочки.
При β-распаде имеют место слабые взаимодействия частиц .
При исследовании β-распада было обнаружено нарушение закона сохранения энергии, что и привело к предположению о существовании новой частицы (нейтрино) , для которой заряд и масса равны нулю.

имеет радиус действия порядка 10-13 м;
электромагнитное взаимодействие, радиус действия

не ограничен;
слабое взаимодействие, ответственно за все виды β-распада и некоторые другие распады элементарных частиц, короткодействующее;
гравитационное взаимодействие, универсальное, радиус действия не ограничен.

электромагнитных взаимодействиях;
лептоны – участвуют в слабых взаимодействиях, заряженные лептоны

также участвуют в эл.магн. взаимодействиях. Все лептоны имеют спин, равный ½ и т.н. лептонный заряд. (e, μ, τ,ν).
адроны – участвуют в сильных взаимодействиях
мезоны – нестабильные частицы, спин равен 0; (π+,π-,π0, Κ+, Κ-, Κ0, Κ0*, η).
барионы делятся на нуклоны ( р, n ) и гипероны ( Λ, Σ-, Σ0, Σ+, Ξ0, Ξ-, Ω-). Спин равен ½ . Кроме протона, все барионы нестабильны, обладают специфическим свойством, называемым барионным зарядом, который подчиняется закону сохранения.

Из уравнения Дирака следует, что полная энергия свободного электрона

может принимать не только положительные, но и отрицательные значения E = √(p2c2 + m2c4).
Между положительным значением ( mc2 ) и отрицательным ( -mc2 ) лежит область энергий, которая не может реализоваться.
В классической механике область возможных отрицательных энергий отбрасывается как недостижимая.

изменяться не только непрерывно, но и скачком, поэтому существование

запрещенной зоны не может воспрепятствовать частице перейти в состояние с отрицательной энергией ( и следовательно, с отрицательной массой).
Согласно Дираку, вакуум – это такое состояние, в котором все имеющиеся уровни с отрицательной энергией уже заняты электронами, а уровни с положительными энергиями свободны.

Е≥ 2mec2, то электрон перейдет в «обычное» состояние с

положительной энергией, а образовавшаяся вакансия должна вести себя как электрон с положительным зарядом (отсутствие частицы с отрицательным зарядом и отрицательной массой может восприниматься как частица с положительным зарядом и положительной массой).
Первая из предсказанных теоретически частиц - позитрон.

Андерсоном в составе космических лучей.
При встрече электрона

с позитроном происходит аннигиляция: частицы превращаются в два (или три) γ-кванта
e+ + e- ? γ + γ
Рождение электрон-позитронной пары возможно, если энергия γ-кванта превышает 2mec2 = 1.02 МэВ. Для выполнения законов сохранения импульса в процессе рождения пары должна присутствовать еще одна частица (ядро), которая воспринимает избыток импульса
γ + X ? X + e+ + e-

этом минимально возможная энергия не равна нулю. Квантовый объект

с минимальной энергией находится в состоянии нулевых колебаний. Нулевые колебания являются фундаментальным свойством всех квантовых систем вплоть до физического вакуума.
В квантовой теории поля вакуум представляется не пустотой, а нулевым состоянием квантовых полей.
Флуктуации вакуума проявляются как непрерывный процесс рождения и исчезновения виртуальных частиц.
Под действие достаточно сильных полей виртуальные частицы могут превращаться в реальные.

элементарные частицы построены из трех частиц, называемых кварками. Этим

частицам приписываются дробные квантовые числа, дробный электрический заряд и цвет (желтый, синий, красный)
U (up) q=+2/3 B=1/3 S=0
D (down) q=-1/3 B=1/3 S=0
S (strange) q=-1/3 B=1/3 S=1
Мезоны образуются из пары кварк-антикварк, а барионы – из трех кварков (p = uud, n = udd)
Глюоны – частицы, являющиеся переносчиками взаимодействия между кварками.
На данный момент можно считать элементарными лептоны, кварки, а также частицы, обеспечивающие четыре фундаментальных взаимодействия (гравитон, фотон, W и Z бозоны, глюоны).