Особенности физических явлений в микромире

Дискретность. Основные параметры элементарных частиц, такие как масса и заряд, для каждого рода частиц являются неизменными и строго определенными.

Принцип тождественности частиц является характерной чертой микромира и атомизма.

Атомы и ядра являются сложными частицами. Однако, поскольку они состоят из вполне определенных элементарных частиц, их параметры также обладают квантовыми (дискретными) свойствами. Ядро, состоящее из протонов и нейтронов, характеризуется рядом параметров. Изменяться эти параметры могут только скачкообразно (дискретно). Это совершенно понятно для таких параметров как масса и заряд. Однако и внутренне энергетическое состояние ядра изменяется только дискретно. Состояние с наименьшей возможной энергией называется основным или нормальным (основным). Остальные состояния с большими энергиями называются возбужденными. Дискретность состояний сложных частиц является одной из важнейших особенностей микромира. Она доказана прямыми опытами Франка и Герца по упругому и неупругому рассеянию электронов, опытами Штерна и Герлаха по измерению магнитных моментов атомов и другими.

Корпускулярно-волновой дуализм. Новым отличительным свойством, обнаруженным у частиц микромира, является одновременное наличие у одной и той же частицы как корпускулярных, так и волновых свойств. Впервые дуализм был обнаружен у квантов электромагнитного излучения, а позднее у электронов и других элементарных частиц.

Согласно теории М. Планка энергия кванта электромагнитного излучения определяется соотношением:

	E = hν,	(1.4)

С позиций классической механики свойства частицы и свойства волны несовместимы. В поисках выхода Луи де Бройль выдвигает гипотезу, согласно которой каждой частице с импульсом p можно поставить в соответствие некоторую волну с длиной λ, частотой и волновым числом k = 2π / λ. Соотношение де Бройля можно записать в следующем виде:

λp = h.

(1.5)

Дальнейшее развитие вопроса о дуализме привело к созданию квантовой теории поля, которая обобщает выводы о корпускулярной и волновой природе частиц.

Соотношения неопределенностей. Доказанный экспериментально корпускулярно волновой дуализм проявил сложности в описании состояния системы частиц. По законам классической механики всякая частица в любой момент времени занимает строго определенное место в пространстве и обладает определенным импульсом. Волновые свойства вносит значительные ограничения в возможность такого описания системы микрочастиц. Эти свойства вносят неопределенность в описание параметров частиц.

Квантовая механика показала, что неопределенности в координате (Δx) и в импульсе (Δp) связаны соотношением неопределенности Гейзенберга:

Δx∙Δp ≥ ћ.

(1.6)

Это соотношение показывает, что в квантовой механике утрачивается привычное представление о траектории.

Кроме соотношения неопределенности для координаты и импульса, в квантовой физике существует связанное с ним соотношение неопределенности для энергии E и времени t:

ΔE∙Δt ≥ ћ.

(1.7)

Энергия системы, находящейся в возбужденном состоянии в течение времени Δt, не может иметь точного значения. Неопределенность величины энергии ΔE называется шириной возбужденного уровня. Время Δt, в течение которого атом находится в возбужденном состоянии, называется средним временем жизни. Чем меньше среднее время жизни атома в данном состоянии, тем больше неопределенность в энергии этого состояния.

Связь ядерной физики и квантовой механики очевидна.