Краткая история изучения элементарных частиц

Первой элементарной частицей, открытой учеными, был электрон. Электрон - это элементарная частица, носящая отрицательный заряд. Он был открыт в 1897 году Дж. Дж. Томсоном. Позднее, в 1919 году Э. Резерфордом было обнаружено, что среди выбитых из атомных ядер частиц есть протоны. Затем были открыты нейтроны и нейтрино.

В 1932 году К. Андерсоном при изучении космических лучей были открыты позитрон, мюоны, К-мезоны.

С начала 50-х годов основным инструментом изучения элементарных частиц стали ускорители, что позволило обнаружить большое количество новых частиц. Исследования показали, что мир элементарных частиц очень сложен, а их свойства носят неожиданный, непредсказуемый характер.

Элементарные частицы в физике микромира

Определение 1

В узком понимании, элементарные частицы – это такие частицы, которые не состоят из других частиц. Но, в современной физике используется более широкое понимание этого термина. Так, элементарные частицы – это мельчайшие частицы материи, не являющиеся атомами и атомными ядрами. Исключение из этого правила составляет протон. Именно поэтому элементарные частицы получили название субъядерных частиц. Преобладающая часть этих частиц являются составными системами.

Элементарные частицы принимают участие во всех фундаментальных видах взаимодействия – сильном, гравитационном, слабом, электромагнитном. Гравитационное взаимодействие, ввиду малых масс элементарных частиц, часто не учитывается. Все существующие на данный момент элементарные частицы разделяются на три большие группы:

• бозоны. Это элементарные частицы, переносящие электрослабые взаимодействия. К ним относится квант электромагнитного излучения фотон, имеющий массу покоя, равную нулю, чем обусловливается то, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме является предельной скоростью распространения физического воздействия. Скорость света одна из фундаментальных физических постоянных, ее значение равно 299 792 458 м/с.
• лептоны. Эти элементарные частицы принимают участие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. На данный момент существует 6 лептонов: электрон, мюон, мюонное нейтрино, электронное нейтрино, тяжелый τ-лептон и соответствующее нейтрино. Все лептоны имеют спин ½. Каждому лептону соответствует античастица, которая имеет ту же массу, тот же спин и другие характеристики, но отличается знаком электрического заряда. Существуют позитрон, являющийся античастицей электрона, мюон, положительно заряженный и три антинейтрино, имеющие лептонный заряд.
• адроны. Эти элементарные частицы принимают участие в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны – это тяжелые частицы, масса которых в 200 000 раз больше массы электрона. Это самая многочисленная группа элементарных частиц. Адроны в свою очередь подразделяются на барионы – элементарные частицы со спином ½, мезоны, имеющие целочисленный спин. Кроме того, существуют так называемые резонансы. Так называют короткоживущие возбужденные состояния адронов.

Свойства элементарных частиц

Любой элементарной частице присущ набор дискретных значений и квантовых чисел. Общими характеристиками абсолютно всех элементарных частиц являются следующие:

• масса
• время жизни
• электрический заряд

Замечание 1

По времени жизни элементарные частицы являются стабильными, квазистабильными, нестабильными.

Стабильными элементарными частицами являются: электрон, время жизни которого составляет 51021 лет, протон – более 1031 лет, фотон, нейтрино.

Квазистабильные – это частицы, которые распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействий, время жизни квазистабильных элементарных частиц составляет более 10-20 с.

Нестабильные элементарные частицы (резонансы) распадаются в ходе сильного взаимодействия и их время жизни составляет $10^{-22} – 10^{-24}$ с.

Квантовыми числами элементарных частиц являются лептонный и барионный заряды. Эти числа являются строго постоянными величинами для всех видов фундаментальных взаимодействий. Для лептонных нейтрино и их античастиц лептонные заряды имеют противоположные знаки. Для барионов барионный заряд равен 1, для соответствующих им античастиц барионный заряд составляет -1.

Характерным для адронов является присутствие особых квантовых чисел: «странности», «красоты», «очарования». Обычными адронами являются нейтрон, протон, π-мезон.

Внутри разных групп адронов существуют семейства частиц, имеющих близкую по значению массу и сходные свойства по отношению к сильному взаимодействию, но отличающиеся электрическим зарядом. Примером этого является протон и нейтрон.

Способность элементарных частиц к взаимовпревращениям, которые происходят в результате электромагнитных и других фундаментальных взаимодействий, является их важнейшим свойством. Таким видом взаимопревращений является рождение пары, то есть образование частицы и античастицы одновременно. В общем случае, происходит образование пары элементарных частиц с противоположными барионными и лептонными зарядами.

Возможен процесс образования позитронно-электронных пар, мюонных пар. Еще одним видом взаимных превращений элементарных частиц является аннигиляция пары в результате столкновения частиц с образованием конечного числа фотонов. Как правило, происходит образование двух фотонов при суммарном спине сталкивающихся частиц, равном нулю, и трех фотонов при суммарном спине, равном 1. Данный пример является проявлением закона сохранения зарядовой четности.

При некоторых определенных условиях возможно образование связанной системы позитрония е-е+ и мюония µ+е-. таким условием может быть невысокая скорость сталкивающихся частиц. Такие нестабильные системы получили название водородоподобных атомов. Время жизни водородоподобных атомов зависит от конкретных свойств вещества. Эта особенность дает возможность использования их в ядерной химии для подробного изучения конденсированного вещества и для исследования кинетики быстрых химических реакций.

Окружающие нас физические тела, даже одинаковые, в конечном счете, различимы. Мы часто говорим: «похожи, как две капли воды», хотя при этом уверены, что и две капли воды, как бы они ни были похожи, можно отличить. Но по отношению к электронам слово «сходство» не подходит. Здесь речь идет о полной тождественности.

У каждого шарика из кучи совершенно одинаковых все-таки есть что-то свое - хотя бы место, которое шарик занимает среди остальных. С электронами иначе. В системе из нескольких электронов невозможно выделить какой-то один: поведение каждого ничем не отличается от остальных. Кое-что похожее встречается и в нашем мире. Например, две волны с одинаковой длиной, амплитудой и фазой настолько тождественны, что после наложения их совершенно бессмысленно спрашивать, где находится одна и где другая. Или вообразите вихри, которые мчатся навстречу один другому. После их столкновения могут образоваться новые вихри, и невозможно установить, какой из «новорожденных» вихрей возник из первого и какой из второго.

Получается, что электрон своим характером больше напоминает не физическое тело, а процесс. Например, волновые движения. Впрочем, по ряду причин, о которых будет сказано ниже, нельзя вообразить электрон и лишь как волну.

Орел и решка

Что же такое, в конце концов, электрон? Прежде чем ответить на этот вопрос, вспомним сначала об увлекательной игре «орел и решка». Дело в том, что очень важное для нас в дальнейшем понятие вероятности возникает из анализа азартных игр.

Бросьте монету десять, двадцать, сто раз. Повторите многократно серию из ста бросаний. Вы заметите, что число выпадений «орла» и «решки» будет почти точно повторяться во всех (или почти во всех) сериях. Значит, мы имеем дело с определенной закономерностью. Зная ее, можно оценить вероятность того, что может случиться, а может и не случиться. Скажем, выигрыш в лотерее.

Но какое все это имеет отношение к микромиру? Самое прямое. Объект исследования механики - вероятность различных событий, например вероятность появления вспышек в том или ином месте экрана.

Поскольку это есть вероятность того, где и когда что-то может произойти, необходимо знать их распределение в пространстве и во времени. Исследованием таких распределений (физики их называют волновыми функциями) и занимается квантовая механика.

Что такое болезнь?

Быть может, у вас возникнет сомнение: как это объектом исследования физики могут быть нефизические тела. Однако вспомните, что объект, например, социологии или экономики - общество или определенные общественные отношения, которые не могут быть названы предметами. А объект такой науки, как медицина,- болезнь. Не микробы и не человек, а именно болезнь, то есть нарушения нормальных функций человеческого организма. Это тоже не предмет. Что касается классической механики, то и ее объекты - материальные точки - нельзя считать реальными предметами, ибо они не обладают всей совокупностью свойств, присущих физическим телам (например, цветом, вкусом, запахом). Это лишь идеализация физического тела, предмета. Правда, здесь нетрудно увидеть соответствие между тем, что исследует наука, и тем, что находится в окружающем нас мире: механика изучает материальные точки, которым соответствуют во внешнем мире физические тела.

А что же соответствует объектам микромира: атомам, атомным ядрам, а также электронам и другим элементарным частицам? Оказывается, не физические тела, не комочки вещества, как-то разбросанные в пространстве, а определенные вероятностные связи между явлениями. Микромир - это не новый мир с удивительными по своим свойствам предметами, а мир новых, неизвестных ранее связей между физическими явлениями.

Не буква, а смысл

Опять законный вопрос: а разве связи между явлениями существуют вне физических тел? Нет, конечно. Связи между явлениями проявляются и существуют только в самих явлениях и не могут существовать как что-то обособленное. Но изучать их можно и отвлекаясь от явлений. Именно это и делает с успехом квантовая механика. Явления, которые она изучает, происходят с самыми обычными телами - экранами, счетчиками. Однако в теории эти тела не фигурируют. Связи между явлениями, которые исследует квантовая механика, столь сложные, что приходится прибегать к абстрактным понятиям (таким, как волновая функция, распределение вероятностей и т. д.)

Правомерны ли такие абстракции? Можно ли говорить об объективном существовании связей между явлениями, считая их как бы независимыми от явлений? Да, мы очень часто поступаем подобным образом. Вспомним, что мы можем говорить о содержании книги, совершенно не интересуясь свойствами типографской краски и бумаги, на которой она напечатана. Просто в данном случае важно не то, как оттиснуты буквы, и не форма этих букв, а связь между ними.

Что творится в микромире?

Как уже говорилось, элементарные частицы больше схожи не с предметами, а с физическими процессами, явлениями. Это одна из причин своеобразия микромира. Любой предмет обладает определенной степенью постоянства; он, пусть хотя бы в течение ограниченного промежутка времени, может считаться неизменным. Совсем другое дело - процессы, явления. К примеру, волны постоянно складываются друг с другом (интерферируют), меняют свою форму; при всяком взаимодействии с посторонними телами или другими волнами облик их не остается неизменным. Что-то в этом роде происходит и с микрообъектами.

Проведем мысленный эксперимент

Пусть на мишень падают два электрона. После соударения с ней они отскакивают в разные стороны. Если измерить толчок, который испытала при этом мишень, то можно, пользуясь законом сохранения количества движения, определить сумму (количеств движения) электронов после отскока. Подождем, пока электроны разойдутся на достаточно большое расстояние, и измерим импульс одного из них. Тем самым, поскольку сумма импульсов известна, определяется также импульс второго электрона. А теперь заметьте - это очень важно! - что состояние, при котором импульс электрона имеет определенное значение, и состояние без определенного значения импульса представляют собой, с точки зрения квантовой механики, различные состояния. Выходит, при действии на один электрон (а измеряя импульс, на частицу никак нельзя не подействовать) одновременно изменяется состояние другого электрона?

Телепатия у электронов?

Не может этого быть! В самом деле: ведь электроны находятся далеко друг от друга, и не взаимодействуют; каким же образом при действии на один из них меняется состояние другого? Как тут не подумать, что мы имеем здесь дело с передачей воздействия от одного тела к другому чуть ли не сверхъестественным способом, то есть с чем-то вроде телепатии у электронов.

Можно, правда, усомниться, что состояние второго электрона на самом деле изменилось, пока мы находим импульс первого.

Ведь оба электрона обладали какими-то определенными импульсами и до того, как мы начали измерение. В результате, мы лишь узнали импульс второго электрона, но состояния его никоим образом не меняли.

На первый взгляд, эти рассуждения вполне логичны. Увы, в основе квантовой механики лежит особая логика. Как она утверждает, до опыта по измерению импульса первого электрона оба электрона вообще не имели определенного импульса.

Чтобы разобраться, в чем дело, зададим вроде бы нелепый вопрос: существовал ли каждый из электронов в отдельности? Другими словами, система-то из двух электронов была, но состояла ли она из отдельных электронов?

Этот вопрос вовсе не такой бессмысленный, каким он поначалу кажется. Отдельный электрон в квантовой механике описывается отдельным вероятностным распределением. В этом случае мы можем сказать, что электрон имеет такую-то вероятность находиться в данном месте и другую вероятность находиться в каком-то ином месте. То же можно сказать о импульсе, энергии и других параметрах частицы.

Вероятности, характеризующие электрон, со временем меняются, независимо от того, что происходит с другими электронами (если он с ними не взаимодействует). В этом лишь случае и можно говорить, что существует отдельный электрон, а не их система как единое целое, не распадающееся на части. Но с электронами в нашем эксперименте (читателю придется поверить мне на слово) дело обстоит иначе.

Электроны появляются и исчезают

В вероятностном распределении, описывающем системы после отскока наших электронов от мишени, нельзя выделить независимые части, которые соответствовали бы отдельным электронам. Однако после постановки опыта по измерению импульса возникает совсем другая ситуация. По результатам полученных данных можно составить новое вероятностное распределение, которое распадается на две независимые части, так что каждую можно рассматривать как отдельный электрон.

Этим самым парадокс «электронной телепатии» устраняется. Состояние второго электрона отнюдь не меняется в результате измерения, проведенного над первым электроном: ведь этих электронов до опыта просто не было. Разговор о появлении и исчезновении электронов звучит нелепо, если рассматривать электроны как физические тела, но вполне согласуется с представлениями о них как о вероятностных распределениях, которые не обладают устойчивостью физических тел и меняются от опыта к опыту.

Как усидеть электрон

И все-таки не так-то просто отказаться от того, чтобы считать электрон обычным телом. В самом деле, ведь измеряют же физики положение электрона, его импульс, энергию. Эти величины характеризуют и состояние обычных физических тел. А если так, то, значит, все же можно в каком-то смысле охарактеризовать электрон теми же свойствами, как и физическое тело, например, положением в пространстве?

Увы, нет. Ибо как это сделать? Определить положение электрона в пространстве можно, например, с помощью сцинтиллирующего экрана. Он покрыт особым веществом, которое дает вспышку при попадании на экран электрона. Появление вспышки истолковывается как весть о том, что электрон находится там в этот момент. Однако, в отличие от обычных физических тел, электрон, с точки зрения физика, не имеет определенного положения как до, так и после вспышки. Более того, пока нет экрана, невозможно говорить о положении электрона в определенной точке пространства: из квантовой механики следует, что в отсутствие экрана электрон описывается «размазанной» по большой области волновой функцией. Появление экрана скачком изменяет состояние электрона; в результате волновая функция мгновенно стягивается в одну точку, в которой и происходит вспышка.

Фигаро здесь, Фигаро там…

Это стягивание носит название «редукции волнового пакета». Только в результате редукции электрон переходит в новое состояние, в котором он на одно мгновение приобретает определенное положение в пространстве. В следующий момент волновой пакет снова расплывается, и электрон опять не имеет определенного положения.

То же самое (с несущественными для нас сейчас отличиями) можно сказать и о других параметрах (например, об импульсе, энергии, моменте количества движения). Таким образом, все классические параметры характеризуют не электрон сам по себе, а лишь процесс его взаимодействия с измерительным прибором. Они появляются у электрона лишь в момент измерения в результате редукции волнового пакета. Сам же по себе электрон (а значит, и его поведение) характеризуется лишь вероятностными свойствами, записанными в волновой функции. Так, в эксперименте с попаданием электрона на экран вероятность вспышки была отлична от нуля во всех точках определенной области пространства, эту вероятность можно было вычислить заранее, и она не зависела от того, будет ли там находиться экран или нет.

Быстрее света

Поразительный процесс - редукция волнового пакета. Из-за него электрон и другие частицы микромира и нельзя представить как волновое движение в каком-либо физическом поле. Дело в том, что эта редукция (например, в приведенном выше примере - стягивание волновой функции к одной точке экрана) происходит мгновенно. Таким образом, редукция, волнового пакета не может быть физическим процессом, N происходящим в каком-либо поле. Мгновенные действия на расстоянии противоречат фундаментальным предпосылкам, лежащим в основе теории поля. Известно, например, что всякая передача энергии (и информации) в электромагнитном поле происходит со скоростью света. Согласно теории относительности, скорость света - предельная скорость передачи физического воздействия (и сообщений) в нашем мире.

Тем не менее, редукция волнового пакета не имеет в своей основе ничего таинственного. Наверняка каждый из вас сталкивался с ней в повседневной жизни. Предположим, вы купили лотерейный билет. У вас появляется определенный шанс выиграть по этому билету, скажем, . Весьма незначительная вероятность, что это произойдет, мгновенно обращается либо в нуль, либо в единицу, когда несколько поворотов тиражного барабана решат этот вопрос так или иначе.

Заметьте, что, вообще говоря, это становится ясным еще до того, как вы узнаете результаты розыгрыша. Налицо мгновенная редукция распределения вероятностей, происходящая в самый момент розыгрыша и не связанная с передачей какого-либо действия в пространстве.

60% живого и 40% мертвого

В квантовой механике строго различаются факты, которые уже произошли, и факты, которые предсказываются теорией. Они даже описываются по-разному: первые - в терминах классической физики, а для вторых используется квантово-механическое описание, то есть язык вероятностных распределений. Это обстоятельство приводит к любопытным недоразумениям.

Представьте себе, что в космос отправлена ракета с каким-либо животным на борту, например с . В ракете есть электронное устройство, которое включается автоматически в определенный момент и выпускает один электрон. Этот электрон, отразившись от мишени, попадает на экран, причем, если на правую, скажем, половину, то срабатывает взрывное устройство, которое уничтожает кошку, при попадании же на левую половину экрана ничего не происходит, и кошка возвращается на Землю живой и невредимой. Что произошло в действительности - можно узнать только после того, как ракета вернулась обратно и есть возможность вскрыть контейнер с кошкой. Посмотрим, что же может сказать квантовая механика по поводу судьбы кошки до того, как содержимое контейнера было вскрыто.

Вывод ее будет приблизительно таким: состояние кошки представит собой суперпозицию (наложение) живого и мертвого состояния, причем кошка будет, скажем, на 60 процентов жива и на 40 процентов мертва.

Где у нас ошибка

С первого взгляда, подобное предсказание выглядит совершенно нелепым. Действительно, о какой суперпозиции живого и мертвого может идти речь? Как можно жить на 60 процентов и можно ли быть мертвым на 40 процентов? Предсказание покажется еще более странным после того, как контейнер будет вскрыт. Там, ясное дело, найдут либо живую кошку, либо ее останки, а отнюдь не какой-нибудь промежуточный результат.

На основе аналогичных рассуждений венгерский физик и философ Л. Яноши приходит к выводу, что квантовая механика не описывает правильно того, что происходит в действительности.

Не ворожить, а рассчитывать

Но Яноши не учитывает одного важного обстоятельства. Квантовая механика и не претендует на точное описание того, что происходит; она говорит лишь о том, какие выводы следуют из фактов, которые уже точно известны. В воображаемом эксперименте с кошкой нам заведомо известно лишь, что в определенный момент включается определенное электронное устройство. Сделать на основе этого заключение о том, какие именно события последуют дальше, нельзя; можно лишь предсказать вероятности возможных исходов. Это и делает квантовая механика. В нашем случае ее предсказания имеют следующий смысл: у кошки есть 60 шансов из 100 остаться живой.

Это все, что можно сказать заранее, не вскрывая вернувшегося контейнера. Еще раз: задача квантовой механики состоит не в том, чтобы предсказывать последовательность действительно происходящих событий, а просто находить, как меняются с течением времени вероятности совершения этих событий.

Нелегко - потому что непривычно

Немало удивительного таит в себе микромир. Необычен он сам, непривычны его законы. Именно этим объясняется сложность квантовой механики - многое в ней трудно понять, пользуясь привычными представлениями. Ничего не поделаешь: чем глубже человек познает природу, тем более сложные закономерности открывает. И тогда приходится отбрасывать привычные представления. Это трудно. Но иначе нельзя.

· Путь микроскопии 3

· Предел микроскопии 5

· Невидимые излучения 7

· Электроны и электронная оптика 9

· Электроны - волны!? 12

· Устройство электронного микроскопа 13

· Объекты электронной микроскопии 15

· Виды электронных микроскопов 17

· Особенности работы с электронным микроскопом 21

· Пути преодоления дифракционного предела электронной микроскопии 23

· Список литературы 27

· Рисунки 28

Примечания:

1. Символ ­ означает возведение в степень. Например, 2 ­3 означает «2 в степени 3».

2. Символ e означает запись числа в показательной форме. Например, 2 e3 означает «2, умноженное на 10 в 3 степени».

3. Все рисунки находятся на последней странице.

4. Вследствие использования не совсем «свежей» литературы данные в этом реферате не отличаются особой «свежестью».

Глаз не видел бы Солнца,

если бы он не был подобен

Солнцу.

Гёте.

Путь микроскопии.

Когда на пороге XVII столетия был создан первый микроскоп, вряд ли кто-либо (и даже его изобретатель) мог представить будущие успехи и многочисленные области применения микроскопии. Оглядыва­ясь назад, мы убеждаемся, что это изобретение знаменовало собой нечто большее, чем создание нового устройства: впервые человек по­лучил возможность увидеть ранее невидимое.

Примерно к этому же времени относится еще одно событие ¾ изобретение телескопа, позволившее увидеть невидимое в мире пла­нет и звезд. Изобретение микроскопа и телескопа представляло собой революцию не только в способах изучения природы, но и в самом ме­тоде исследования.

Действительно, натурфилософы древности наблюдали природу, узнавая о ней только то, что видел глаз, чувствовала кожа, слышало ухо. Можно лишь удивляться тому, как много правильных сведений об окружающем мире получили они, пользуясь «невооруженными» орга­нами чувств и не ставя специальных экспериментов, как это делают сейчас. Вместе с тем наряду с точными фактами и гениальными до­гадками как много ложных «наблюдений», утверждений и выводов ос­тавили нам ученые древности и средних веков!

Лишь значительно позднее был найден метод изучения при­роды, заключающийся в постановке сознательно планируемых экспе­риментов, целью которых является проверка предположений и четко сформулированных гипотез. Особенности этого метода исследования Фрэнсис Бэкон - один из его создателей - выразил в следующих, став­ших знаменитыми, словах: «Ставить эксперимент - это учинять допрос природе».Самые первые шаги экспериментального метода по совре­менным представлениям были скромны, и в большинстве случаев экс­периментаторы того времени обходились без каких-либо устройств, «усиливающих» органы чувств. Изобретение микроскопа и телескопа представляло собой колоссальное расширение возможностей наблю­дения и эксперимента.

Уже первые наблюдения, проведённые с помощью самой простой и несовершенной по современным представлениям техники, открыли «целый мир в капле воды». Оказалось, что знакомые предметы выгля­дят совсем по-иному, если их рассматривать в микроскоп: гладкие на взгляд и ощупь поверхности оказываются в действительности шерохо­ватыми, в «чистой» воде движутся мириады мельчайших организмов. Точно так же первые астрономические наблюдения с помощью теле­скопов дали возможность человеку по-новому увидеть привычный мир планет и звёзд: например, поверхность Луны, воспетой поэтами всех поколений, оказалась гористой и испещрённой многочисленными кра­терами, а у Венеры была обнаружена смена фаз, как и у Луны.

В дальнейшем эти простейшие наблюдения дадут жизнь само­стоятельным областям науки ¾ микроскопии и наблюдательной ас­трономии. Пройдут годы, и каждая из этих областей разовьется в мно­гочисленные разветвления, выражающиеся в целом ряде самых раз­личных применений в биологии, медицине, технике, химии, физике, на­вигации.

Современные микроскопы, которые в отличие от электронных мы будем называть оптическими, представляют собой совершенные при­боры, позволяющие получать большие увеличения с высокой разре­шающей способностью. Разрешающая способность определяется рас­стоянием, на котором два соседних элемента структуры могут быть ещё видимы раздельно. Однако, как показали исследования, оптиче­ская микроскопия практически достигла принципиального предела своих возможностей из-за дифракции и интерференции ¾ явлений, обусловленных волновой природой света.

Степень монохроматичности и когерентности является важной характеристикой волн любой природы (электромагнитных, звуковых и др.). Монохроматические колебания ¾ это колебания, состоящие из синусоидальных волн одной определённой частоты. Когда мы пред­ставляем колебания в виде простой синусоиды соответственно с по­стоянными амплитудой, частотой и фазой, то это является опреде­лённой идеализацией, так как, строго говоря, в природе не существует колебаний и волн, абсолютно точно описываемых синусоидой. Однако, как показали исследования, реальные колебания и волны могут с большей или меньшей степенью точности приближаться к идеальной синусоиде (обладать большей или меньшей степенью монохроматич­ности). Колебания и волны сложной формы можно представить в виде набора синусоидальных колебаний и волн. По сути дела, эту математи­ческую операцию осуществляет призма, разлагающая в цветной спектр солнечный свет.

Монохроматические волны, в том числе и световые, одной и той же частоты (при определённых условиях!) могут взаимодействовать между собой таким образом, что в результате «свет превратится в темноту» или, как говорят, волны могут интерферировать. При интер­ференции происходят местные «усиления и подавления» волн друг другом. Для того чтобы картина интерференции волн оставалась не­изменной с течением времени (например, при рассматривании её гла­зом или фотографировании), необходимо, чтобы волны были между собой когерентны (две волны когерентны между собой, если они дают устойчивую картину интерференции, чему соответствуют равенства их частот и неизменный сдвиг фаз).

Если на пути распространения волн поместить препятствия, то они будут существенно влиять на направление распространения этих волн. Такими препятствиями могут быть края отверстий в экранах, не­прозрачные предметы, а также любые другие виды неоднородностей на пути распространения волн. В частности, неоднородностями могут быть также и прозрачные (для данного излучения) предметы, но отли­чающиеся по коэффициенту преломления, а значит, и по скорости про­хождения волн внутри них. Явление изменения направления распро­странения волн при прохождении их вблизи препятствий называют дифракцией. Обычно дифракция сопровождается интерференцион­ными явлениями.

Предел микроскопии.

Изображение, получаемое при помощи любой оптической сис­темы, есть результат интерференции различных частей световой волны, прошедшей через эту систему. В частности, известно, что огра­ничение световой волны входным зрачком системы (краями линз, зер­кал и диафрагм, составляющих оптическую систему) и связанное с ним явление дифракции приводит к тому, что светящаяся точка будет изо­бражена в виде дифракционного кружка. Это обстоятельство ограни­чивает возможность различать мелкие детали изображения, форми­руемого оптической системой. Изображение, например, бесконечно удалённого источника света (звезды) в результате дифракции на круг­лом зрачке (оправе зрительной трубы), представляет собой довольно сложную картину (см. рис. 1). На этой картине можно увидеть набор концентрических светлых и тёмных колец. Распределение освещённо­стей, которое можно зафиксировать, если двигаться от центра кар­тины к её краям, описывается довольно сложными формулами, кото­рые приводятся в курсах оптики. Однако закономерности, свойствен­ные положению первого (от центра картины) тёмного кольца, выглядят просто. Обозначим через D диаметр входного зрачка оптической сис­темы и через l длину волны света, посылаемого бесконечно удалён­ным источником.

Рис. 1. Дифракционное изображение светящейся точки (так называемый диск Эйри).

Если обозначить через j угол, под которым виден радиус первого тёмного кольца, то как доказывается в оптике

sin j » 1,22 * ( l /D) .

Таким образом, в результате ограничения волнового фронта краями оптической системы (входным зрачком) вместо изображения светящейся точки, соответствующей бесконечно удаленному объекту, мы получаем набор дифракционных колец. Естественно, что это явле­ние ограничивает возможность различения двух близко расположенных точечных источников света. Действительно, в случае двух удаленных источников, например двух звезд, расположенных очень близко друг к другу на небесном своде, в плоскости наблюдения образуются две сис­темы концентрических колец. При определенных условиях они могут перекрываться, и различение источников становится невозможным. Не случайно поэтому в соответствии с «рекомендацией» формулы, приве­денной выше, стремятся строить астрономические телескопы с боль­шими размерами входного зрачка. Предел разрешения, при котором могут наблюдаться два близко расположенных источника света, опре­деляют следующим образом: для определенности в качестве предела разрешения принимают такое положение дифракционных изображений двух точечных источников света, при котором первое тёмное кольцо, создаваемое одним из источников, совпадает с центром светлого пятна, создаваемого другим источником.

Фундаментальные открытия в области физики конца XIX - начала ХХ вв. обнаружили, что физическая реальность едина и обладает как волновыми свойствами, так и корпускулярными. Исследуя тепловое излучение, М. Планк пришел к выводу, что в процессах излучения энергия отдается не в любых количествах и непрерывно, а лишь определенными порциями - квантами.

Квант - мельчайшая постоянная порция излучения.

Эйнштейн распространил гипотезу Планка о тепловом излучении на излучение вообще и обосновал новое учение о свете - фотонную теорию. Структура света является корпускулярной. Световая энергия концентрируется в определенных местах, и поэтому свет имеет прерывистую структуру - поток световых квантов, т.е. фотонов. Фотон - особая частица (корпускула). Фотон - квант энергии видимого и невидимого света, рентгеновского и гамма-излучений, обладающий одновременно свойствами частицы и волны, не имеющий массы покоя, имеющий скорость света, при определенных условиях порождает пару позитрон+электрон. Эта теория Эйнштейна объясняла явление фотоэлектрического эффекта - выбивание из вещества электронов под действием электромагнитных волн. Наличие фотоэффекта определяется частотой волны, а не ее интенсивностью. За создание фотонной теории А. Эйнштейн получил в 1922 году Нобелевскую премию. Эта теория была экспериментально подтверждена через 10 лет американским физиком Р.Э. Милликеном.

Парадокс: свет ведет себя и как волна, и как поток частиц. Волновые свойства проявляются при дифракции и интерференции, корпускулярные - при фотоэффекте.

Новая теория света привела Н. Бора к разработке теории атома. В ее основе 2 постулата:

1. В каждом атоме имеется несколько стационарных орбит электронов, движение по которым позволяет электрону существовать без излучения.

2. Когда электрон переходит из одного стационарного состояния в другое, атом излучает или поглощает порцию энергии.

Такая модель атома хорошо объясняла атом водорода, однако многоэлектронные атомы она не объясняла, т.к. теоретические результаты расходились с данными экспериментов. Эти расхождения впоследствии были объяснены волновыми свойствами электронов. Это означало, что электрон, будучи частицей, не твердый шарик и не точка, он имеет внутреннюю структуру, которая изменяется в зависимости от его состояния. Модель атома, изображающая его структуру в виде орбит, по которым движутся точечные электроны, на самом деле создана для наглядности, ее нельзя понимать буквально. (Это - аналогия отношений, а не предметов.) В действительности не существует таких орбит, электроны распределены в атоме не равномерно, а таким образом, что усредненная плотность заряда в каких- то точках больше, а в каких-то меньше. Орбитой электрона формально называется кривая, которая связывает точки максимальной плотности. Невозможно наглядно представить процессы, происходящие в атоме, в виде механических моделей. Классическая физика не может объяснить даже простейшие опыты по определению структуры атома.

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль в своей работе «Свет и материя» высказал идею о волновых свойствах всей материи. Австрийский физик Э. Шрёдингер и английский физик П. Дирак дали ее математическое описание. Эта идея позволила построить теорию, охватывающую корпускулярные и волновые свойства материи в их единстве. Кванты света при этом становятся особым строением микромира.

Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм привел к созданию квантовой механики. В ее основе лежат два принципа: принцип соотношения неопределенностей, сформулированный В. Гейзенбергом в 1927 г.; принцип дополнительности Н. Бора. Принцип Гейзенберга гласит: в квантовой механике нет таких состояний, в которых местоположение и количество движения имели бы вполне определенное значение, нельзя одновременно знать оба параметра - координату и скорость, то есть невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастицы.

Н. Бор сформулировал принцип дополнительности следующим образом: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего». Противоре-чия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов - это результат неконтролируемого взаимодействия микрочастиц с приборами: в одних приборах квантовые объекты ведут себя как волны, в других - как частицы. Из-за соотноше-ния неопределенностей корпускулярная и волновая модели описания кванто-вого объекта не противоречат друг другу, т.к. никогда не предстают одновре-менно. Таким образом, в зависимости от эксперимента объект показывает либо свою корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Дополняя друг друга, обе модели микромира позволяют получить его общую картину.

Введение

В XX в. естествознание развивалось невероятно быстрыми темпами, что обусловливалось потребностями практики. Промышленность требовала новых технологий, в основе которых лежало естественнонаучное знание.

Естествознание - наука о явлениях и законах природы. Современное естествознание включает множество естественнонаучных отраслей: физику, химию, биологию, физическую химию, биофизику, биохимию, геохимию и др. Оно охватывает широкий спектр вопросов о разнообразных свойствах объектов природы, которую можно рассматривать как единое целое.

Огромное ветвистое древо естествознания медленно произрастало из натурфилософии - философии природы, представляющей собой умозрительное истолкование природных явлений и процессов. Поступательное развитие экспериментального естествознания привело к постепенному перерастанию натурфилософии в естественнонаучные знания, и как результат -- феноменальные достижения во всех областях науки и, прежде всего, в естествознании, которыми так богато ушедшее XX столетие.

Физика - микромир, макромир, мегамир

В недрах натурфилософии зарождалась физика - наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира.

Физика - основа естествознания. В соответствии с многообразием исследуемых форм материи, и ее движения она подразделяется на физику элементарных частиц, ядерную физику, физику плазмы и т. д. Она знакомит нас с наиболее общими законами природы, управляющими течением процессов в окружающем нас мире и во Вселенной в целом.

Цель физики заключается в отыскании общих законов природы и в объяснении конкретных процессов на их основе. По мере продвижения к этой цели перед учеными постепенно вырисовывалась величественная и сложная картина единства природы.

Мир представляет собой не совокупность разрозненных, независимых друг от друга событий, а разнообразные и многочисленные проявления одного целого.

Микромир . В 1900г. немецкий физик Макс Планк предложил совершенно новый подход - квантовый, основанный на дискретной концепции. Он впервые ввел Квантовую гипотезу и вошел в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории . С введением квантовой концепции начинается - этап современной физики, включающий не только квантовые, но и классические представления.

На основании квантовой механики объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц - появились новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.

В первые десятилетия XX в. исследовалась радиоактивность, и выдвигались идеи о строении атомного ядра.

В 1938г. сделано важное открытие: немецкие радиохимики О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили деление ядер урана при облучении их нейтронами. Это открытие способствовало бурному развитию ядерной физики, созданию ядерного оружия и рождению атомной энергетики.

Одно из крупнейших достижений физики XX в. - это, безусловно, создание в 1947г. транзистора выдающимися американскими физиками Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли.

С развитием физики полупроводников и созданием транзистора зарождалась новая технология - полупроводниковая, а вместе с ней и перспективная, бурно развивающаяся отрасль естествознания - микроэлектроника.

Представления об атомах и их строении за последние сто лет изменились радикально. В конце XIX -- начале XX вв. в физике были сделаны выдающиеся открытия, разрушившие прежние представления о строении материи.

Открытие электрона (1897г.), затем протона, фотона и нейтрона показали, что атом имеет сложную структуру. Исследование строения атома становится важнейшей задачей физики XX века. После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 году нейтрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц.

В том числе: позитрон, (античастица электрона); мезоны -- нестабильные микрочастицы; различного рода гипероны -- нестабильные микрочастицы с массами больше массы нейтрона; частицы резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10 -22 -10 -24 с); нейтрино -- стабильная, не имеющая электрического заряда частица, обладающая почти невероятной проницаемостью; антинейтрино -- античастица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком лептонного заряда, и др.

Элементарные частицы в настоящее время обычно разделяют на следующие классы:

• 1. Фотоны -- кванты электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаимодействия, но участвуют в электромагнитном.
• 2. Лептоны (от греч. leptos -- легкий), к числу которых относятся электроны, нейтрино; все они не обладают сильным взаимодействием, но участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд -- также и в электромагнитном взаимодействии.
• 3. Мезоны -- сильно взаимодействующие нестабильные частицы.
• 4. Барионы (от греч. barys -- тяжелый), в состав которых входят нуклоны (нестабильные частицы с массами, большими массы нейтрона), гипероны, многие из резонансов.
• 5. Приблизительно в 1963-1964 годах появилась гипотеза о существовании кварков -- частиц, из которых состоят барионы и мезоны, являющиеся сильно взаимодействующими и по этому свойству объединенными общим названием адронов.
• 6. Кварки имеют весьма необычные свойства: обладают дробными электрическими зарядами, что не характерно для других микрочастиц, и, по-видимому, не могут существовать в свободном, не связанном виде. Число различных кварков, отличающихся друг от друга величиной и знаком электрического заряда и некоторыми другими признаками, достигает уже нескольких десятков.

Мегамир. Теория Большого Взрыва. В 1946-1948 гг. Г. Гамов разработал теорию горячей Вселенной (модель Большого Взрыва). Согласно этой модели вся Вселенная 15 млрд. лет назад (по другим оценкам 18 млрд. лет) была сжата в точку с бесконечно большой плотностью (не меньше чем 10 93 г/см 3). Такое состояние называется сингулярностью , законы физики к нему не применимы .

Причины возникновения такого состояния и характер пребывания материи в этом состоянии остаются неясными. Это состояние оказалось неустойчивым, в результате произошел взрыв и скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной.

В момент Большого Взрыва Вселенная мгновенно нагрелась до очень высокой температуры более 10 28 К. Уже через 10 -4 с после Большого Взрыва плотность во Вселенной падает до 10 14 г/см 3 . При такой высокой температуре (выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут .

Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 секунды после взрыва, несмотря на очень высокую температуру, была огромной: в 4000 миллионов раз больше, чем у воды.

В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд. градусов (10 9 К). Плотность вещества также снизилась, но еще была близкой к плотности воды. При этой, хотя и очень высокой, температуре начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелого водорода (дейтерия) и ядра гелия.

Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Только по истечении нескольких сотен тысяч лет начали образовываться атомы, главным образом водорода и гелия.

Силы гравитации превращали газ в сгустки, ставшие материалом для возникновения галактик и звезд.

Таким образом, физика XX века давала все более глубокое обоснование идеи развития.

Макромир. В макрофизике можно выделить достижения в трех направлениях: в области электроники (микросхемы), в области создания лазеров и их применения, области высокотемпературной сверхпроводимости.

Слово “лазер” представляет собой аббревиатуру английской фразы “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, переводимой как усиление света в результате вынужденного (индуцированного) излучения . Гипотеза о существовании индуцированного излучения была высказана в 1917 г. А Эйнштейном.

Советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длинной волны =1,27 см.

Первым квантовым генератором был рубиновый твердотельный лазер. Также были созданы: газовые, полупроводниковые, жидкостные, газодинамические, кольцевые (бегущей волны).

Лазеры нашли широкое применение в науке - основной инструмент в нелинейной оптике , когда вещества прозрачные или нет для потока обычного света меняют свои свойства на противоположные.

Лазеры позволили осуществить новый метод получения объемных и цветных изображений, названный голографией, широко применяются в медицине, особенно в офтальмологии, хирургии и онкологии, способные создать малое пятно, благодаря высокой монохроматичности и направленности.

Лазерная обработка металлов . Возможность получать с помощью лазеров световые пучки высокой мощности до 10 12 -10 16 вт/см 2 при фокусировки излучения в пятно диаметром до 10-100 мкм делает лазер мощным средством обработки оптически непрозрачных материалов, недоступных для обработки обычными методами (газовая и дуговая сварка).

Это позволяет осуществлять новые технологические операции, например, просверливание очень узких каналов в тугоплавких материалах, различные операции при изготовлении пленочных микросхем, а также увеличения скорости обработки деталей.

При пробивании отверстий в алмазных кругах сокращает время обработки одного круга с 2-3 дней до 2 мин.

Наиболее широко применяется лазер в микроэлектронике, где предпочтительна сварка соединений, а не пайка.