Методические рекомендации для подготовки к семинару по теме № 3

«Корпускулярно-волновые свойства микрочастиц»

Постулаты Бора. Эрнст Резерфорд провел важнейший эксперимент, в результате которого он пришел к выводу о существовании ядра атома. На основе этого эксперимента Резерфорд построил планетарную модель атома. Однако она была противоречивой. По этой модели электрон должен был упасть на ядро за доли секунды. Следует обратить внимание на то, что причина противоречивости этой модели заключалась в том, что она основывалась на классической механике и электродинамике. Классическая механика, механика Ньютона, применима для макроскопических тел, т.е. таких, которые состоят из огромного числа атомов и молекул. Это тела, которые окружают человека в его повседневной жизни. Классическая электродинамика предполагала, что энергия может испускаться и поглощаться в любом количестве, и нет минимального количества энергии. Однако еще за двенадцать лет до построения этой модели атома Планк пришел к выводу о том, что существует минимальная порция энергии, меньше которой в природе не существует, ‒ квант. Несмотря на внутреннюю противоречивость, модель Резерфорда заключала верное представление о существовании ядра атома.

Итак, необходимо было связать представление о ядре атома с гипотезой Планка. Эту работу выполнил Нильс Бор.

Бор предложил три постулата. Один из них утверждал, что электрон при движении вокруг ядра не излучает энергию, а это противоречило классической электродинамике, согласно которой движущийся с ускорением заряд обязательно должен излучать энергию. Следует вспомнить, что тело, движущееся по окружности даже с постоянной скоростью, испытывает ускорение, поскольку меняет направление движения. Следует обратить внимание на то, что этот постулат противоречит классической электродинамике: электрон движется с ускорением и не излучает. Бор смог описать только водородоподобные системы: атом водорода, ионы гелия и лития, т.е. такие системы, которые обладают только одним электроном. Попытка применить постулаты Бора к более сложным атомам приводила к противоречию с опытом.

Итак, следует обратить внимание на то, что модель атома Бора была внутренне противоречивой. Она означала разрыв с классической электродинамикой, поскольку включала в себя представление о квантах. Однако эта модель всецело основывалась на законах классической механики. Поэтому ее называют полуквантовой моделью. И все же она означала новый шаг к постижению строения атома.

Классификация элементарных частиц. Первую элементарную частицу открыл Джозеф Джон Томсон – электрон. Впоследствии были обнаружены протон и нейтрон. К середине XX века число известных микрочастиц исчислялось десятками. Была построена классификация элементарных частиц. Следует обратить внимание на то, что в ее основу положено представление о четырех фундаментальных взаимодействиях. Это гравитационное взаимодействие, электромагнитное, сильное и слабое. В первую группу элементарных частиц входит фотон – частица света. Он подчиняется как гравитационным, так и электромагнитным взаимодействиям. Во вторую группу элементарных частиц входят лептоны – легкие частицы: электрон, нейтрино и другие, а также их античастицы. Кроме гравитационных и электромагнитных, они испытывают еще и слабые взаимодействия. Наконец, в третью группу элементарных частиц входят адроны ‒ тяжелые частицы. Между ними существуют, кроме названных, еще и сильные взаимодействия. К адронам относятся протоны, нейтроны, мезоны и множество других частиц и их античастицы.

Теория кварков. Теория кварков – это теория строения адронов. Представление об атомах, по крайней мере, в Европе, возникли в Древней Греции в VI веке до н.э. Следует вспомнить, что в течение двух с половиной тысяч лет считалось, что атомы неделимы. После открытия электрона в 1897 году стало ясно, что атомы имеют сложное строение. Постепенно сложилось представление об элементарных частицах. В течение шести десятков лет физики предполагали, что элементарные частицы являются элементарными, т.е. не имеют внутренней структуры. В 60-е годы XX века Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг построили теорию кварков. Они предположили, что адроны также обладают сложной структурой, состоят из двух или трех кварков. Важно обратить внимание на то, что внутренняя структура обнаружена только у одной группы элементарных частиц – у адронов. Возникло представление о фундаментальных частицах, из которых состоят элементарные. Имеют ли внутреннюю структуру фотон и лептоны, науке пока неизвестно. Следует обратить внимание на то, что теория кварков не является только лишь умозрительной теорией, а подтверждена экспериментами.