KCE_L_06

Контрольныевопросы:

Что такое температура ? Почему невозможна тепловая смерть Вселенной ? Что такое энтропия ?

Литература:

19, 20, 21, 22

ЛЕКЦИЯ	6. КОНЦЕПЦИИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ. ЯДЕРН
	АЯ ФИЗИКА. СТРОЕНИЕ МАТЕРИИ. (МИКРОМИР)
Как уже было сказано выше, на рубеже Х1Х и ХХ веков началась чет-
вертая	революция в физике, и связана она была с тем, что классическая

физика не могла объяснить ряд открытий, сделанных и конце Х1Х века. Это были прежде всего открытые немецким физиком К. Рентгеном неизвестные лучи ( Рентген так и назвал их - Х- лучи), а также открытое французским физиком А. Беккерелем явление радиоактивности. Беккерель работал с солями урана и заметил, чтоони, как и Х-лучи, зачерняют фотопластинку.

Исследования Беккереля были продолжены французскими учеными супругами П. и М. Кюри, обнаружившими в урановой руде, из которой они получали чистый уран, два новых химических элемента. Первый супруги назвали радием, что по латыни означает «лучистый» ( его излучение было действительно гораздо интенсивнее излучения урана), а второй Мария Кюри, урожденная Склодовская, назвала в честь своей родины Польши полонием.

За эти открытия А. Беккерель и супруги П. и М. Кюри были удостоены Нобелевской премии.

В 1900 г. немецкий физик М. Планк, работая над проблемой излучения абсолютно черного тела, пришел к выводу, что энергия излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями. Такую порцию энергии он назвал квантом. Одновременно Планк вывел формулу, связывающую энергию (Е) с частотой излучения или поглощения (ν) и вычислил коэффициент пропорциональности, впоследствии названный константой Планка (h): E=hν. Заметим, что классическая физика вообще не могла объяснить природу излучения и его взаимодействия с веществом. За свои пионерские работы М. Планк был удостоен Нобелевской премии.

Итак, в начале ХХ века физикам стало ясно, что, что атом не является неделимой частицей, кирпичиком мироздания. Возникла проблема внутреннего строения атома, появилось несколько моделей. Первая принадлежала У. Томсону (он же лорд Кельвин).

2 1

Атом был представлен в виде шарика, внутри которого равномерно распределены положительные и отрицательные заряды. Модель просуществовала недолго : величайший экспериментатор ХХ века

Э. Резерфорд, впоследствии лауреат Нобелевской премии, отец ядерной физики, опытным путем выяснил, чтовся масса атома сосредоточена в его центре, который заряжен положительно, он назвал этот центр ядром; окружение ядра заряжено отрицательно. На основе этих экспериментальныхданных Резерфордпредложил «планетарную» модель строенияатома: подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца, вокруг положитель-

но заряженного ядра вращаются отрицательно заряженные электроны. Модель была красива и эффектна, но она противоречила законам классической физики, согласнокоторым электроныдолжны были упасть на ядро. Автор третьей модели датский физик Нильс Бор ( лауреатНобелевской премии, которого справедливо считают отцом

квантовой механики) принял за основу модель Резерфорда, но при этом осуществил дерзкуюсменупарадигм. Он выдвинул постулаты, в основе которых лежало смелое утверждение: в микромире не работают законы классической физики. Согласно первому постулату, когда электрон находится на постоянной, стационарной орбитали(так Резерфорд назвалтраекториюдвиженияэлектрона ), атом не излучает и не поглощает энергию, Излучение или поглощение энергии осуществляются при резких перескоках электрона с одной орбитали на другую (это второй постулат). По существу, постулаты Бора являются

парадигмами квантовоймеханики - раздела физики, изучающего внутреннее строение атома. Квантовая механика описывает МИКРОМИР. Боровская модель атома была экспериментально подтверждена

линейчатымиатомными спектрами, лежащимив основемощногосовре-

менного аналитического метода – спектрального анализа. Именноэтим методом сначала на Солнце, а затем и в составе Земнойатмосферы был открытхимическийэлементгелий. Линейчатые атомные спектры получают при сжигании вещества и фотографировании пламени: оказалось, что каждый химическийэлементдает индивидуальную, специфическуюкартинку, напоминающую штрихкод, причем каждая линия соответствует частоте перескока электрона с одной орбитали на другую, что и подтверж-

даломодель Бора.

Основныепринципыквантовоймеханики.

Следующей ступенью изучения микромира было открытие французским физиком Луи де Бройлем, лауреатом Нобелевской премии, принципа корпускулярно – волнового дуализма. Корпускула - латинское название любой частицы, дуализм - этодвойственность. Следовательно, корпуску-

2 2

лярно – волновой дуализм - это двойственность волны и частицы. Следует заметить, что за 20 лет до этого мало кому известный служащий патентного бюро в г. Берне А. Эйнштейн получил свою первую Нобелевскую премию за объяснение фотоэффекта, открытого русским физиком А. Г.Столетовым – явления выбивания электронов с поверхности металла пучком света, Еще в Х1Х веке Дж. Максвелл предсказал, что свет - это электромагнитная волна. Но согласно классической физике, волна не может выбивать электроны, она может только отразиться от поверхности металла. А. Эйнштейн предположил, что свет является не только электромагнитной волной, но и потоком частиц, которые Эйнштейн назвал фотонами. Л. де Бройль

распространил	этот принцип	на все частицы и волны, а именно : любую
волну можно	представить как поток частиц, и соответственно любому
потоку частиц	можно сопоставить волну.
Принцип Л. де Бройля		был экспериментально подтвержден откры-

тым вскоре явлением дифракции электронов. К тому времени (конец 20тых годов ХХ века) уже было точно установлено, что электрон является

частицей, и	У. Томсон	измерил его	массу и заряд.	Эффект
дифракции характерен только для волн - это			явление огибания	волной

препятствий. Таким образом, при определенных условиях электрон может вести себя как частица, тогда как при других условиях проявлять свойства волны.

Двойственность волны и частицы математически выражена в виде волновой функции (ψ - функция), предложенной австрийским физиком Э. Шредингером, лауреатом Нобелевской премии, при выведении им ос-

новного уравнения квантовой механики. Квадрат волновой функции ра-

вен вероятности нахождения микрочастицы в данной точке.

Заметим, что на микроскопическом уровне нельзя точно предсказать результат эксперимента, а можно лишь рассчитать вероятность различных результатовопыта, т.е. вмикромире всеявленияносятвероятностныйхарактер, тогда как макромир построенна принципелапласовскогодетерминизма.

Принципдополнительности Н. Бора: получениеэкспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, ведет к неизбежной потере информациио других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координата микрочастицы и ее импульс, энергия частицы и соответствующий момент времени. Следуя Бору, с физической точки зрения принцип дополнительности объясняют влиянием физического прибора, являющегося макрообъектом, на состояние микрообъекта. Фундаментальным принципом квантовой механики являетсятакже принцип неопределенности, открытый немецким физиком В. Гайзенбергом,

2 3

лауреатом Нобелевской премии: любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых ее координаты и импульс одновременно принимают вполне определенные, точные значения.

Таким образом, к концу 30-тых годов ХХ века здание квантовой механики было построено. Потребовалось на это менее 30 лет. Следующим этапом познания микромира было создание ядерной физики, т.е. установление внутренней структуры атомного ядра. Как уже было сказано выше, отцом ядерной физики был Э. Резерфорд, открывший внутри атомного ядра положительно заряженные частицы – протоны. В 1932 г. английский физик Дж.Чедвиг, впоследствии лауреат Нобелевской премии, открыл в атомном ядре незаряженные частицы, масса которых была почти равна массе протона, и назвал их нейтронами. Немного раньше, в 1928 г. выдающийся английский физик - теоретик П. Дирак, впоследствии лауреат Нобелевской премии, предсказал существование положительно заряженного антипода электрона. Вскоре эта частица была экспериментально обнаружена и названа позитроном. Это была первая из многочисленных открытых далее элементарных частиц. К середине ХХ века их было открыто уже более трехсот. Название «элементарные частицы» говорило о том, что их считали пределом деления. Казалось, что мельче уже ничего не существует. Однако в 1964 г. американским физиком М. ГеллМаном было высказано предположение о существовании частиц, несущих дробный заряд, меньший заряда электрона. Их назвали кварками. Кварки -

гипотетические частицы, из которых, как предполагается, могут состоять всевсеэлементарныечастицы, участвующиевсильныхвзаимодействиях

(адроны). Различают шесть видов (или, как их называют физики, шесть «ароматов») кварков, этих мельчайших (правда, гипотетических) кирпичиков мироздания, из которых состоят протоны и нейтроны.

Строениематерии.
Изложенный выше материал	позволяет выстроить схему строения
материи, которая, как уже было	показано, существует в двух формах

– вещества и поля. Как уже было сказано выше, поле передается с помощью волны. Вещество состоит из молекул, которые в свою очередь

состоят из атомов, атомы – из ядра и электронной оболочки,				ядро –	из
протонов, нейтронов и элементарных частиц, а мельчайшими				(правда,
гипотетичес-	кими)	кирпичиками мироздания являются кварки. И здесь
следует вспомнить		о корпускуляр новолновом	д уал изме Л.		де
Бр ойля:	кажд ой микрочастице соответствует		волна.	Глубокий
физический	( и философский ) смысл этого принципа состоит в том,
что он говорит о		единстве материи, двух ее форм – вещества и поля.
		2 4

Подведем некоторые итоги. Физика микромира была построена менее чем за полвека, ее творили ученые многих стран, и почти все их достижения были отмечены высшей наградой в научном мире – Нобелевской премией.

Контрольныевопросы:

Что такое квант ? Кто ввел этот термин в науку? В чем сущность постулатов Бора ?

Что такое корпускулярноволновой дуализм ?

Литература

4,7,10, 11, 13,21

ЛЕКЦИЯ 7. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА . РАДИОАКТИВНОСТЬ. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ.

Радиоактивность, открытая А. Беккерелем, - это способность ядер атомов тяжелых химических элементов (начиная с 83 номера таблицы Д. И. Менделеева, т.е. расположенных после висмута) к распаду с выделением энергии и образованием ядер других химических элементов. Э. Резерфорд экспериментально доказал, что излучение, испускаемое радиоактивными элементами, неоднородно: одна группа лучей отклонялась к отрицательно

заряженной пластине	(их Резерфорд назвал альфа – лучами, очень скоро
было установлено, что	это поток положительно заряженных ядер атомов

гелия). Другая часть лучей отклонялась к положительно заряженной пластине (бета – лучи, оказавшиеся потоком электронов). Превращения эле-

ментов, сопровождающиеся испусканием альфа-		и бета -	лучей,
были названы соответственно альфа	- и бета –	распадом. Лучи, не
отклоняющиеся в магнитном поле,	Резерфорд назвал гамма – лучами,
они оказались самым высокоэнергетическим (и коротковолновым)			видом
из всех известных в природе разновидностей		электромагнитного

излучения. В 1940 г. советские ученые Г.Н.Флеров и К.А. Петржак обнаружили спонтанное деление ядер, сопровождающееся испусканием

гамма - излучения и	не приводящее к превращению элементов.			Оно
характерно только для	самых тяжелых ядер, начиная с тория.			Все
сказанное выше относится к естественнойрадиоактивности.
В 1934 г. французские ученые супруги Ирен		и Фредерик	Жолио
– Кюри (будущие лауреаты Нобелевской премии,		дочь и зять	М.	и П.

Кюри)	открыли	искусственную радиоактивность, которая позволила
получать не существующие в природе			радиоактивные	изотопы,	а
также	новые	химические элементы,	которых нет в	природе.	Все
химические элементы,
		2 5

стоящие в таблице Д. И. Менделеева после урана, получены методом искусственной радиоактивности, т.е. путем бомбардировки известных химических элементов альфа - частицами или нейтронами.

Цепныеядерныереакции.

Эти реакции были открыты в 1939 г. итальянским ученым Э. Ферми, бежавшим в США от итальянского фашизма. Выяснилось, что при попадании в ядро одного нейтрона оно делится на две – три части, при этом выделяется огромная энергия. При делении ядер урана-235, кроме осколков, вылетают два – три свободных нейтрона, которые при благоприятных условиях могут попасть на другие ядра урана и вызвать их деление.

Незадолго до смерти великий экспериментатор Э. Резерфорд написал в одной из статей : «Вряд ли когда - либо работы по ядерной физике смогут найти практическое применение». Даже гении иногда ошибаются. Через несколько лет, в 1942 г. заработал первый, построенный Э. Ферми в США, ядерный реактор. Это была основа для будущих атомных электростанций, атомных ледоколов и подводных лодок. Но работы по ядерной физике принесли человечеству не только пользу. Полным ходом сначала в США и Германии, а затем в Советском Союзе начались разработки, связанные с ядерным оружием. В США эти работы

возглавил бежавший		из	фашистской	Германии	Р. Оппенгей
мер, в СССР	- И. В. Курчатов. Есть сведения о том, что немецкие
ученые, оставшиеся в фашистской Германии,				во главе с	В. Гайзенбергом
саботировали	созда-	ние	ядерного оружия в Германии, направив
технические разработки		по	тупиковому пути. В 1945		США сбросили

ядерные бомбы над городами Хиросимой и Нагасаки. По существу, это было первое испытание ядерного оружия, никакой стратегической необходимости в этих бомбардировках не было. Вскоре (в 1949 г.) ядерная бомба появилась в СССР, в 1953 г. в нашей стране была создана и испытана первая термоядерная бомба. Мир вступил в эпоху гонки ядерных вооружений, что грозило не только тотальной гибелью человечества и вообще всего живого, но также создало серьезные экологические проблемы захоронения ядерных отходов. Кроме того, человечество еще не научилось грамотно работать с ядерной энергией. Трагическим примером этого является Чернобыльская катастрофа – самая крупная техногенная авария ХХ века. Тем не менее, за АЭС, несомненно, стоит будущее, поскольку запасы углеводородов на Земле кончаются ( об этом будет сказано позже), а запасы радиоактивных элементов в недрах достаточновелики.

Чем же опасна радиоактивностьдля живых организмов ? Преждевсего, огромной энергией, разрушающейэритроциты (красные кровяныеклет-

2 6

ки), в результате чего развивается лейкемия; кроме того, уничтожаются половые клетки, что приводит к бесплодию. Наконец, радиоактивное излучение вызывает неконтролируемый рост клеток, т.е. раковые опухоли.

Как защититься от радиоактивного заражения ? Во-первых, обращатьсяс радиоактивными веществами имеют право только специально обученные для этого люди, прошедшие соответствующую подготовку. Транспортировать эти вещества следует только в свинцовых контейнерах, а работать с ними - в специально предназначенных для этого костюмах.

Степень поражения живого организма зависит от дозы облучения, т.е. отношения радиоактивной энергии, попавшей на живой организм, к его массе. Соответственно, при одинаковых величинах энергии, чем больше масса, тем меньше опасность гибели организма.

Таким образом, открытие и исследование явления радиоактивности принесло человечеству не только несомненную пользу - познавательную и прак-

тическую (АЭС), но		нанесло			и очевидный	вред	в виде		создания
ядерного оружия		и	последующего радиоактивного					загрязнения
окружающей среды.
Контрольныевопросы: Чтотакое
радиоактивность ? Кто является отцом
ядерной	физики	?
Почему	радиоактивность			опасна для живых организмов ?
Литература:
4, 7, 16, 21
ЛЕКЦИЯ		8.	ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ А.ЭЙНШТЕЙНА
(МЕГАМИР) Как уже было сказано в разделе о микромире,								новая физика
родилась на рубеже Х1Х и ХХ веков, посколькуклассическая									наука не
могла объяснить результаты ряда экспериментов, проведенных в Х1Х
	веке. Из стремления объяснить рентгеновское излучение и
радиоактивность			возникли квантовая механика и ядерная физика.
Теория относительности					А. Эйнштейна	выросла		из	попытки
объяснить результаты опыта				американскогофизика			А. Майкельсона
по определению скорости света относительно						неподвижного эфира,

существование которого предположил Дж. Максвелл. Результаты опыта Майкельсона, за которые он получил Нобелевскую премию, были

неожиданными : оказалось, что скорость света не зависит	от
скорости источника, что она является мировой константой	и

постоянна вовсех инерциальных системах отсчета и чтоее нельзя превысить. т. е. скорость света – это максимальная скорость пе-

2 7

редачи сигнала.		В итоге		эти	результаты		показали,		что эфира не
существует. Результаты				опыта Майкельсона				стали		первым	из
«китов», на которых				основывается				специальная			теория
относительности.		Вторым
«китом» стал принцип относительности Г.							Галилея, который А. Эйнш-
тейн	переформулировал			так : все инерциальные системы отсчета
экви-	валентны	друг	другу в		отношении		постановки		в	них	любых
физических экспериментов, и ни одна из них								не имеет		преимуществ
перед	другими
(относительно которой эфир был						бы неподвижен).
А. Эйнштейн был величайшим теоретиком, и при работе над теорией
относительности		он	использовал			прием	мысленного			эксперимента.

Описание «корабля Эйнштейна». Результатом логических рассуждений и

математических выкладок		явилась смена парадигм: Эйнштейн
пришел	к выводу, что при больших скоростях, соизмеримых со скоростью
света	(а это скорости	мегамира, объектами которого	являются

звезды, галактики и Вселенная), не работает парадигма Ньютона об абсолютности и независимости пространства и времени. Отсюда следовало, что пространство и время взаимосвязаны, и время является четвертой координатой, т.е. пространство как минимум четырехмерно. Из этого вытекало три следствия :

1)	при	больших		скоростях,		соизмеримых	со	скоростью		света,
	расстояние сокращается,				отрезок укорачивается и			при скорости света (
	если бы она оказалась достижимой), стягивается в точку ;
2)	при больших скоростях				время замедляется		(пример Эйнштейна			«пара-
	докс близнецов») ;
3) масса		тела	не зависит от скорости тела. Отсюда следует, что
	никакое тело с массой, отличной от нуля, нельзя разогнать до скорости
	света, т.к. для этого потребуется бесконечная энергия. Далее А.
	Эйнштейн нашел связь между массой и энергией : масса тела есть мера
	содержащейся в нем энергии. Так появилась знаменитая формула Е = mc2
	, где Е –	энергия		покоя	частицы, m - его масса покоя,				с - скорость
	света. Экспериментальное подтверждение специальной теории
	относитель-
ности пришло			из	микромира.		Выяснилось,	что	при	опытах		с

элементарными частицами, которые в специальных ускорителях разгоняют до очень больших скоростей, для хорошего согласия экспериментальных и расчетных данных следует учитывать эффект возрастания массы, так называемые релятивистские поправки к массе. Сказанное свидетельствует о том, что специальная теория относительности

описывает не только	мегамир,	но	также и микромир.		В макромире же
скорости слишком	низки,	а	массы	слишком	велики, чтобы
экспериментально наблюдать релятивистские эффекты.
			2 8

Общаятеория относительности.

Описанная выше специальная теория относительности никак не учитывает гравитацию. Эйнштейн предположил, что массы, вложенные в четырехмерное пространство – время, искривляют его и что все объекты – и частицы, и лучи света – будут двигаться не по прямым, а по геодезическим линиям (геодезическая линия на сфере – это дуга). Чем массивнее тело и выше его плотность, тем больше оно искривляет окружающее его пространство – время, и тем большую силу притяжения испытывают соседние тела. Кроме того, массы создающие гравитационное поле, изменяют течение времени : чем сильнее гравитация, тем медленнее течет время.

Общая теория относительности нашла		экспериментальное под-
тверждение при	эксперименте со звездным лучом света,
проходящего мимо Солнца	и наблюдаемого	во время солнечного

затмения. Оказалось, что луч проходит не по прямой, а подуге, посколькуСолнце, являясь огромной гравитационной массой, искривляет

пространство вокруг себя. Добавим еще, что описанное здесь словами
упрощенное представлениеотеорииотносительности А. Эйнштейн
представил, используя сложнейший математическийаппарат. Часть этого
аппарата, необходимая при работе над общей теорией относительности,
была разработана еще в Х1Х веке русским математиком	Н.И.
Лобачевским и немецким ученым

Б. Риманом. Это была геометрия на сфере.
Может показаться, что все изложенное					выше противоречит здраво-
му смыслу. Это происходит потому, что в мегамире						(как и в микромире)
мы не можем обратиться к спасительной наглядности:						мы живем в макро-
мире,	и очень	трудно	представить		себе	четырехмерное
искривленное пространство			и	замедляющееся время, а также

микрочастицу, которая одновременно является волной. Но в древности людям так же сложно было представить себе, что шарообразная Земля несется вокруг Солнца, это тоже казалось противоречащим здравому смыслу, однако в результате оказалось верным. Классическая физика оказывается справедливой как предельный частный случай, когда скорости намного меньше скорости света, а массы намного меньше масс в мегамире.

Таким образом, создание А. Эйнштейном теории относительности

расширило представления человечества об окружающем мире	и создало
теоретический фундамент современной астрономии.
Контрольныевопросы: Чей опыт послужил толчком для создания
теории относительности? В чем суть основной парадигмы	А.
Эйнштейна ?
2 9

Что такое «парадокс близнецов» ?

Литература:

6, 7, 17, 18, 21

ЛЕКЦИЯ 9. СТРОЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ. (МЕГАМИР). СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

Во-первых, определим, что такое Вселенная. Это место вселения человека. Строго говоря, мы можем делать какие-либо выводы не обо всей Вселенной, а о той ее части, которая доступна для эмпирического наблюдения. Эта часть называется Метагалактикой. Но термин «Вселенная»

более	привычен, поэтому в дальнейшем		мы будем его употреблять, под-
разумевая		Метагалактику.
На основании общей теории относительности А. Эйнштейн вывел
космологическое уравнение, предполагая,			что Вселенная однородна, изот-
ропна	и	стационарна, т.е. объем и радиус ее постоянны. Разумеется,
при этом		возможны различные движения внутри самой системы.

Однако вскоре, в 1922 г. стационарный мир Эйнштейна был подвергнут серьезной критике. Российский математик и геофизик А.А. Фридман

проанализировал

космологическое

уравнение

Эйнштейна и показал,

что стационарный мир является только

частным

решением

этого

уравнения, что искривленное

пространство не может быть стационарным,

а в

более общем случае

возможны

нестационарные

решения, т.е.

фридмановские миры должны были либо

расширяться, либо сжиматься.

Однако

какой

из

вариантов

фридмановского

решения

верен,

расширяется ли Вселенная или сжимается?

На этот вопрос ответил в

1929 г. американский астроном Э. Хаббл.

Напомним,

что

согласно

эффекту Допплера спектры излучения

удаляющихся

объектов

должны быть сдвинуты в красную сторону

(красный сдвиг),

а

спектры приближающихся –

в фиолетовую (фиолето-

вый сдвиг). Хаббл обнаружил, что чем дальше от нас находится галактика, тем больше ее линейчатый атомный спектр водорода (а это основной составляющий компонент звезд) смещен в красную сторону. Иными словами, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она удаляется. А это, в свою

очередь, означало, что Вселенная	не стационарна, что она непрерывно
расширяется, и расстояния междугалактиками все время растут.
Открытие красного смещения	и на его основании расширения Все-

ленной было одним из величайших открытий ХХ века. Если использовать метод моделирования и попытаться представить себе расширяющуюся Вселенную, то это будет постоянно раздувающийся шар с нанесенными на неготочками. Принадувании такогошара расстояниемеждудвумя любы-

3 0