Фундаментальные взаимодействия

В XX веке физики пришли к выводу о том, что все многообразие явлений во Вселенной определяют четыре взаимодействия:

1) гравитационное;

2) электромагнитное;

3) сильное (ядерное);

4) слабое.

Гравитационное взаимодействие – универсальное. Оно действует между всеми телами во Вселенной, от элементарных частиц до галактик, но особенно значительно проявляется при взаимодействии массивных тел. Гравитационное взаимодействие связывает Вселенную в единое целое.

Электромагнитные силы действуют между электрически заряженными частицами и телами. Благодаря этим силам взаимодействуют ядра и электроны, а также атомы и молекулы между собой, а значит, и все окружающие человека тела.

Слабое взаимодействие определяет процессы распада частиц. Сильное взаимодействие, в частности, связывает между собой протоны и нейтроны в единое ядро. Слабое и сильное взаимодействия являются короткодействующими, иными словами, действуют только на ничтожных расстояниях, порядка ядра атома.

Можно сравнить между собой энергии всех четырех взаимодействий. Примем за единицу сильное взаимодействие двух протонов на расстоянии примерно 10^–15 м. Тогда отношение будет следующим:

сильное: электромагнитное: слабое: гравитационное = 1: 10^–2: 10^–14: 10^–38.

Таким образом, сильное взаимодействие огромно по величине, но действует на сверхмалых расстояниях. Наоборот, гравитационное взаимодействие является ничтожным по сравнению с другими, но действует на колоссальных расстояниях, а при взаимодействии массивных тел может принимать огромные значения. Электромагнитное и слабое взаимодействия занимают промежуточное значение между этими двумя крайними состояниями.

Рассмотрим взаимодействие двух атомных ядер. Между ними действуют ядерные силы. На достаточно малых расстояниях сближение двух ядер может привести к их слиянию в одно ядро. Иными словами, может произойти синтез ядер. Ядра заряжены положительно, и значит, между ними действуют силы электрического отталкивания. Следовательно, чтобы произошел синтез двух ядер, чтобы ядра преодолели электрическое отталкивание, они должны обладать достаточной кинетической энергией – энергией движения. Мерой этой энергии является температура. Синтез ядер происходит при огромной температуре – порядка 10 млн. градусов. Поэтому он называется термоядерным синтезом. Более вероятным является синтез легких ядер с малым электрическим зарядом.

Термоядерный синтез ‒ ядерный синтез, происходящий в разогретом веществе.

При термоядерных реакциях выделяется несопоставимо бóльшая энергия, чем при химических. Например, выделение энергии при синтезе 1 г ядер водорода эквивалентно сгоранию 10 т бензина.

Важнейшие положения темы № 3 «Корпускулярно-волновые свойства

микрочастиц»

В конце XIX века одной из важнейших проблем физики была проблема излучения абсолютно черного тела. Ее решил Макс Планк. Его гипотеза привела к рождению квантовой механики, которая означала разрыв с основаниями классической физики.

Гипотеза Планка. Абсолютно черное тело испускает и поглощает энергию определенными порциями.

Эти порции энергии Планк назвал квантами. Энергия кванта прямо пропорциональна частоте излучения: E = hν, где Е – энергия излучения, ν – частота света. Величина h называется постоянной Планка.

Идею Планка развил Альберт Эйнштейн. Он пришел к выводу, что свет не только излучается и поглощается, но и распространяется в пространстве отдельными порциями. Эти кванты электромагнитного поля стали называться фотонами.

Альберт Эйнштейн, Нильс Бор и Луи де Бройль смогли объединить две точки зрения на природу света, казавшиеся несовместимыми:

1) свет представляет собой электромагнитные волны;

2) свет ‒ поток летящих фотонов.

Свет имеет двойственную, корпускулярно-волновую природу: обладает одновременно и волновыми свойствами непрерывных электромагнитных волн, и квантовыми свойствами дискретных фотонов. Впоследствии эту двойственность физики распространили на все частицы вещества. Такое толкование природы микрочастиц получило название корпускулярно-волнового дуализма. Его философским выражением стал принцип дополнительности, предложенный Нильсом Бором.

Принцип дополнительности. Волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют, а взаимно дополняют друг друга.

Важный шаг в понимании природы микрочастиц сделал Эрнст Резерфорд. Он предложил планетарную модель атома: в центре находится массивное положительно заряженное ядро ничтожных размеров по сравнению с размерами атома, вокруг ядра обращаются отрицательно заряженные электроны. Однако, по этой модели, электроны должны были быстро терять энергию и за доли секунды упасть на ядро. Планетарную модель атома Резерфорд построил на основе классической механики, которая неприменима к миру микрочастиц. Удовлетворительной теорией микромира стала квантовая механика. Ее создание было в основном завершено в первой трети XX века.

Представления Резерфорда об атомном ядре развили Дмитрий Дмитриевич Иваненко и Вернер Гейзенберг. После открытия Джеймсом Чедвиком нейтрона они предложили протон-нейтронную модель строения атомного ядра. Согласно этой модели, ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов.

Возможно слияние ядер атомов одних элементов с образованием ядер атомов других элементов. Такие реакции называются ядерными. Они протекают при температуре порядка нескольких миллионов градусов и приводят к выделению огромной энергии.

Поль Дирак объединил квантовую механику и специальную теорию относительности и создал релятивистскую квантовую механику. Эта теория предсказала существование частицы, которая по всем характеристикам совпадает с электроном, но имеет положительный заряд. Через несколько лет эта частица была открыта и получила название позитрон. Впоследствии физики пришли к выводу о том, что каждой частице соответствует античастица, за исключением нескольких частиц.

Согласно современным физическим представлениям, все многообразие явлений во Вселенной определяют четыре взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное (ядерное), слабое.

Вопросы для самоконтроля

1. Какой круг явлений описывает квантовая механика?

2. Какое излучение называется тепловым?

3. Что такое абсолютно черное тело?

4. Какие тела могут быть хорошей моделью абсолютно черного тела?

5. Сформулируйте гипотезу Планка.

6. Напишите формулу Планка.

7. Сформулируйте гипотезу Эйнштейна о распространении в пространстве электромагнитного излучения.

8. В чем заключается отличие фотонов от корпускул Ньютона?

9. В чем заключается двойственная природа света?

10. Опишите модель атома Томсона.

11. Опишите опыт Резерфорда по рассеянию α-частиц.

12. Опишите модель атома Резерфорда.

13. В чем заключалось противоречие модели атома Томсона?

14. Сформулируйте принцип дополнительности.

15. Опишите протон-нейтронную модель ядра.

16. Какие частицы называются элементарными?

17. В чем заключается отличие между частицами и античастицами?

18. К каким четырем фундаментальным взаимодействиям можно свести все известные взаимодействия в природе?

19. Что такое термоядерный синтез?

Контрольные вопросы

1. В чем заключается важное различие между гипотезой Планка о квантах и гипотезой Эйнштейна о фотонах?

2. В чем заключается различие между корпускулами Ньютона и фотонами?

3. Почему модель атома Резерфорда была противоречивой?

4. Чем гравитационное взаимодействие принципиально отличается от остальных типов взаимодействий?

5. В ядре атома присутствуют протоны – частицы, заряженные положительно. Между ними действуют силы электрического отталкивания. Почему ядро не разваливается?

Литература к семинару по теме № 3 «Корпускулярно-волновые

свойства микрочастиц»

Основная литература

Бабушкин А. Н. Современные концепции естествознания. СПб., Лань, 2000. С. 62 – 71.

Данилова В. С., Кожевников Н. Н. Основные концепции современного естествознания. М., Аспект Пресс, 2001. С. 84 – 86.

Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. М., ИВЦ «Маркетинг», Новосибирск, ЮКЭА, 2000. С. 378 – 396.

Лихин А. Ф. Концепции современного естествознания. М., Проспект, 2004. С. 104 – 111.

Дополнительная литература

Горелов А. А. Концепции современного естествознания. М., Центр, 1998. С. 66 – 69.

Карпенков С. Х. Концепции современного естествознания. М., Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997. С. 158 – 166.

Рузавин Г. И. Концепции современного естествознания. М., Культура и спорт, ЮНИТИ, 1999. С. 80 – 92.

Яворский Б. М., Пинский А. А. Основы физики. В 2 т. М. Любое издание.