Специфика физики микрообъектов
превращений: n + р- , p аn + р+
(здесь р- — отрицательно заряженный р-мезон, являющийся античастицей по
отношению к р+-мезону). Эти схемы хорошо иллюстрируют беспредметность
выяснения того, входит ли протон в «состав» нейтрона или же, напротив,
нейтрон в «состав» протона.
Повседневный опыт учит: разобрать предмет на части – значит выяснить, из
чего он структурно состоит. Идея анализа (идея дробления) отражает
характерную сторону классических представлений. При переходе к
микрообъектам эта идея в определенной мере еще «работает»: молекула состоит
из атомов, атом состоит из ядра и электронов, ядро состоит из протонов и
нейтронов. Однако на этом указанная идея себя исчерпывает: «дробление»,
например, нейтрона или протона не выявляет никакой структуры этих частиц. В
отношении элементарных частиц нельзя утверждать: «распад объекта на какие-
либо части означает, что объект состоит из этих частей». Именно это
обстоятельство может служить определением самого термина «элементарная
частица».
Распады элементарных частиц далеко не исчерпывают всех происходящих
взаимопревращений частиц. Не менее богата картина взаимопревращений,
происходящих при столкновениях частиц. В качестве примера приведем
некоторые схемы взаимопревращений при столкновении фотонов (г) с протонами
и нейтронами:
г+pаn+ р+, г+nаp+ р-, г+pаp+ р0, г+nаn+ р0, г+pаp+ р++ р-, г+nаn+ р0+
+р0, г+pаp+ p+ p (p – антипротон).
Полезно обратить внимание на то, что во всех приведенных здесь схемах
сумма масс покоя конечных частиц больше массы покоя исходных. Иначе говоря,
энергия сталкивающихся частиц превращается здесь в массу (согласно
известной формуле E=mc2). Эти схемы демонстрируют, в частности,
бесплодность попыток расщепить элементарные частицы (в данном случае
нуклоны), «обстреливая» их другими частицами (в данном случае фотонами): в
действительности происходит не расщепление обстреливаемых частиц, но
рождение новых, причем в определенной мере за счет энергии сталкивающихся
частиц.
Исследование взаимопревращений элементарных частиц позволяет выяснить
определенные закономерности. Эти закономерности выражают в виде законов
сохранения неких величин, играющих роль определенных характеристик частиц.
В качестве простого примера укажем электрический заряд частицы. При любом
взаимопревращении частиц алгебраические суммы электрических зарядов
исходных и конечных частиц равны. Закон сохранения электрического заряда
отражает определенную закономерность взаимопревращений частиц: он позволяет
заведомо исключить из рассмотрения те схемы, где суммарный электрический
заряд частиц не сохраняется.
В качестве более сложного примера укажем так называемый барионный заряд
частицы. Было подмечено, что число нуклонов при превращениях частиц
сохраняется. С открытием антинуклонов обнаружили, что рождение
дополнительных нуклонов возможно, но обязательно в паре с антинуклонами.
Тогда была введена характеристика частицы – барионный заряд, равный нулю
для фотонов, лептонов и мезонов, единице – для нуклонов, минус единице –
для антинуклонов. Это позволило рассматривать замеченные закономерности как
закон сохранения суммарного барионного заряда частиц. Закон подтвердился
также последующими наблюдениями; при этом обнаруженным впоследствии
гиперонам пришлось приписать барионный заряд, равный единице (как и
нуклонам), а антигиперонам – минус единице (как и антинуклонам).
Универсальные динамические переменные. При переходе от макрообъектов к
микрообъектам следует ожидать качественно новых ответов на вопросы: какими
динамическими переменными описывается состояние объекта? как описывается
его движение? Ответы на эти вопросы в существенной мере раскрывают
специфику физики микрообъектов.
В классической физике используются законы сохранения энергии, импульса,
момента импульса. Как известно, эти законы являются следствиями
определенных свойств симметрии пространства и времени. Так, закон
сохранения энергии – следствие однородности времени (следствие
независимости протекания физических процессов от выбора того или иного
момента в качестве начала отсчета времени); закон сохранения импульса –
следствие однородности пространства (следствие того, что все точки в
пространстве физически равноправны); закон сохранения момента импульса –
следствие изотропности пространства (следствие того, что все направления в
пространстве физически равноправны). Для пояснения свойств симметрии
пространства и времени заметим, что благодаря этим свойствам, например,
законы Кеплера для движения планет вокруг Солнца не зависят от положения
Солнца в галактике, от ориентации в пространстве плоскости движения
планеты, а также от того, в каком именно столетии открыты эти законы.
Связь между свойствами симметрии пространства и времени и соответствующими
законами сохранения означает, что энергия, импульс или момент могут
рассматриваться как интегралы движения, сохранение которых есть следствие
соответственно однородности времени, однородности и изоторопности
пространства.
Отсутствие каких-либо экспериментальных указаний на нарушения в
микроявлениях отмеченных свыше свойств симметрии пространства и времени
позволяет заключить, что такие динамические переменные, как энергия,
импульс, момент импульса, должны сохранять смысл и в применении к
микрообъектам. Иначе говоря, связь этих динамических переменных с
фундаментальными свойствами симметрии пространства и времени превращает их
в универсальные переменные, т.е. переменные, имеющие «хождение» при
рассмотрении самых различных явлений из самых разных областей физики.
Однако при переносе понятий энергии, импульса и момента импульса из
классической физики в квантовую механику необходимо учитывать специфику
микрообъектов. Вспомним в связи с этим известные выражения для энергии (Е),
импульса (р) и момента импульса (М) классического объекта, имеющего массу
m, координату r, скорость v:
Е = mv2/2 + U(r), р = mv, M = m(r . v).
Исключая скорость, получаем отсюда соотношения, связывающие энергию,
импульс и момент импульса классического объекта:
E = p2/2m + U(r), M = (r . p).
Если обратится к микрообъекту, то надо отметить, что вышеприведенные
соотношения здесь не годятся. Иначе говоря, привычные классические связи
между интегралами движения при переходе к микрообъектам становятся
непригодными. Это есть первое качественно новое обстоятельство.
Для рассмотрения других качественно новых обстоятельств необходимо
обратится к двум основополагающим идеям квантовой механики – идее
квантования физических величин и идее корпускулярно-волнового дуализма.
2. Две основополагающие идеи квантовой механики.
Идея квантования (дискретности). Сущность идеи квантования состоит в
том, что некоторые физические величины, относящиеся к микрообъекту, могут в
соответствующих условиях принимать только какие-то вполне определенные,
дискретные значения. Об этих величинах говорят, что они квантуются.
Так, квантуется энергия любого микрообъекта, находящегося в связанном
состоянии, например энергия электрона в атоме. Энергия же свободно
движущегося микрообъекта не квантуется.
Предположим, что рассматривается энергия электрона в атоме. Дискретному
набору значений энергии электрона соответствует система так называемых
энергетических уровней. Рассмотрим два энергетических уровня: Е1 и Е2, как
показано на рисунке 1 (по вертикальной оси откладываются значения энергии
электрона). Электрон может иметь энергию Е1 или энергию Е2 и не
может
Е2
иметь какую-либо «промежуточную» энергию –
все значения энергии Е, удовлетворяющие
неравенствам Е1 < E < E2, для него запрещены.
Е1 рис.1
Примечательно, что дискретность энергии
отнюдь не означает, что электрон «осужден» вечно находится в исходном
энергетическом состоянии (например, на уровне Е1). Электрон может перейти
на другой энергетический уровень (уровень Е2 или какой-либо другой),
получив или испустив соответствующее количество энергии. Такой переход
называется квантовым переходом.
Квантомеханическая идея дискретности имеет довольно длинную предысторию.
Еще в конце XIX в. Было установлено, что спектры излучения свободных
атомов являются линейчатыми (состоят из набора линий), содержат
определенные для каждого элемента линии, которые образуют упорядоченные
группы (серии). В 1885 г. было обнаружено, что атомарный водород дает
излучение с частотами щn (речь идет о циклических частотах щ, связанные с
обычными частотами н соотношением щ = 2рн), которые можно описать формулой
щn = 2рcR( 1/4 - 1/n2),
где n – целые числа 3, 4, 5, ...; c – скорость света, R – постоянная
Ридберга (R=1,097 . 107 м-1). Вышеприведенная формула установлена
Бальмером; поэтому принято называть совокупность частот, описываемую этой
формулой, серией Бальмера. Частоты серии Бальмера попадают в область
видимого спектра. Позднее (в начале XX в.
| |  скачать работу |
Специфика физики микрообъектов |
