ОСНОВНЫЕ ИДЕИ И ГИПОТЕЗЫ КВАНТОВО-ПОЛЕВОЙ КАРТИНЫ МИРА 3 страница

Выясняется фундаментальная роль принципиально непредсказуемых форм движения (тепловые и квантовые флуктуации, динамический хаос, мутации).

В квантово-полевой картине мира окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени; они перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространстве-времени, которое не существует вне материальных тел.

Картина физической реальности в КПКМ с одной стороны включает характеристики исследуемого объекта; с другой стороны – условия наблюдения (метод познания), от которых зависит определённость этих характеристик. При описании объектов используются два класса понятий: пространственно-временные и энергетически-импульсные. Первые дают кинематическую картину движения, вторые – динамическую (причинную). Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они выступают в вероятностной форме, в виде статистических законов.

КПКМ впервые включила в себя наблюдателя, от присутствия которого зависят получаемые результаты исследований. Более того, был сформулирован так называемый антропный принцип, который утверждает, что наш мир таков, каков он есть, только благодаря существованию человека. Появление человека стало считаться закономерным результатом эволюции Вселенной.

1.8. ПРИЛОЖЕНИЯ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Наиболее важные приложения квантовой механики связаны со стационарными системами: ядрами, атомами, молекулами, кристаллами.

Атомы, из которых состоят все окружающие нас тела, являются квантовомеханическими системами. Следовательно, глубинные свойства макротел могут быть поняты только на основе квантовой механики и, в первую очередь, на основе квантовой теории атомов.

Оптические, магнитные и химические свойства атомов определяются поведением в них электронов. Для решения задачи о поведении электрона в атоме следует подставить в уравнение Шрёдингера зависимость потенциальной энергии электрона от координат в электрическом поле ядра и других электронов. В итоге находят разрешённые значения полной энергии электрона и соответствующие этим энергиям волновые функции.

Волновые функции описывают состояние электронных систем атома. Они позволяют, в частности, рассчитать вероятности обнаружить электрон в любой точке в окрестности ядра. Установлено, что эта вероятность является непрерывной функцией расстояния от ядра и, например, для невозбуждённого атома водорода принимает максимальное значение при 0,53×10^-8м. Это совпадает с радиусом первой орбиты электрона, определённой в модели Бора.

Совокупность точек, для которых, вероятность встретить в них электрон достаточно высока, определяет размеры и пространственную конфигурацию всей системы электронов – «электронного облака».

Описанная квантовомеханическая модель атома не наглядна и не представима с помощью моделей классической физики, но гораздо точнее отражает природу и свойства атомов.

Из уравнения Шрёдингера следует, что волновая функция, описывающая состояние электрона в атоме, зависит от квантовых чисел. Главное квантовое число ( ) определяет энергию электрона в атоме и размеры электронного облака. Орбитальное ( ) и магнитное ( ) квантовые числа определяют пространственную конфигурацию и ориентацию электронного облака; они связаны с орбитальным моментом импульса электрона.

В 1921 году было немецкими физиками Отто Штерном (1888-1969гг.) и Вальтером Герлахом (1888-1969гг.) было экспериментально установлено, что микрочастица имеет еще одно свойство – спин (от английского spin – вращаться).

Спином называется собственный момент импульса частицы, не связанный с её перемещением в пространстве.

В 1928г. английский физик-теоретик Поль Дирак (1902-1984гг.) получил квантовое релятивистское уравнение движения электрона, из которого естественно вытекало наличие спина у электрона.

Спин характеризуется спиновым квантовым числом ( ), которое может принимать целые, например 0 или ±1, или полуцелые (±1/2) значения. Частицы с целым спином называются бозонами, с полуцелым – фермионами. К фермионам относятся электрон, протон, нейтрон, примером бозона является фотон.

Фермионы являются элементарными «кирпичиками» окружающего нас вещества, а бозоны – переносчиками взаимодействия между «кирпичиками» – фермионами.

В 1925 году, ещё до точной формулировки квантовой механики, швейцарский физик Вольфганг Паули (1900-1958гг.) сформулировал принцип запрета,согласно которомув атоме не может быть более одного электрона с одним и тем же набором четырёх квантовых чисел В соответствии с принципом Паули вероятность нахождения двух микрообъектов-фермионов в одинаковом микросостоянии равна нулю (для бозонов такой запрет отсутствует).

Электроны, которым соответствуют волновые функции с одинаковым значением главного квантового числа очень близки по энергиям и образуют в атоме электронную оболочку. Различия в числе определяют подоболочку. Остальные квантовые числа определяют её заполнение. Даже у атомов со сходным строением электронных оболочек значения энергий электронов индивидуальны. Поэтому и излучение электромагнитной энергии, которым сопровождаются возможные переходы электронов в атоме из одного энергетического состояния в другое, также индивидуально. Атом данного элемента способен излучать или поглощать только свой, определённый набор длин волн, т. е. имеет свой индивидуальный спектр электромагнитного излучения. Эта особенность спектров атомов лежит в основе метода определения химического состава вещества – спектрального анализа.

Принцип Паули позволил объяснить, почему все электроны не переходят в единственное состояние с наименьшей энергией. Вместо этого они в строгом порядке заполняют один за другим энергетические уровни атома. Если бы электроны не подчинялись принципу Паули, то во всех атомах они находились бы на нижнем уровне, и не было бы того многообразия химических свойств различных элементов, которое наблюдается в действительности. Химические свойства элементов определяются строением внешней электронной оболочки атомов и характером их заполнения электронами, которые называют валентными. При переходе от атома элемента с меньшим числом электронов к атомам со всё большим числом электронов закономерно изменяется заполнение электронами внешней оболочки. Эта закономерность обусловлена принципом Паули и стремлением электронов занять состояния с наименьшей энергией. Поэтому с увеличением заряда ядра атомов наблюдается периодическое изменение химических свойств элементов, что отражено в Периодической системе элементов Менделеева.

Таким образом, квантовая механика вскрыла природу химических свойств элементов, объяснила природу химической связи и по существу стала одним из фундаментальных основ химии.

1.9. ЦИВИЛИЗАЦИОННАЯ ЗНАЧИМОСТЬ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

С появлением квантовой механики стало возможным исследование субатомной структуры материи, элементы которой получили название элементарных частиц.

Вначале элементарными частицами считали электроны и ядра. Однако, после экспериментального открытия нейтрона в1932г. английским физиком Джеймсом Чедвиком (1891–1974гг.), российский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко (1904-1994гг.) и Вернер Гейзенберг выдвинули гипотезу о том, что ядра состоят из более простых частиц – нуклонов (протонов и нейтронов). Поэтому элементарными частицами стали считать мельчайшие частицы материи, исключая атомы и их ядра.

Были открыты две группы частиц, подобных электронам и нуклонам соответственно. Частицы первой группы были названы лептонами, а второй – адронами. Обнаружено также, что каждой частице соответствует своя античастица. Например, античастицей по отношению к электрону является позитрон. Существование позитрона было предсказано Дираком на основании релятивистского уравнения движения электрона во внешнем силовом поле и экспериментально открыто в 1932г. американским физиком Карлом Андерсоном (1905-1991гг.) в космических лучах. Античастицы других структурных единиц вещества (протона и нейтрона) – антипротон и антинейтрон были экспериментально открыты соответственно в 1955г. и 1956г.

Античастица отличается от частицы тем, что какая-либо из её важнейших характеристик противоположна характеристике, присущей частице.

К таким характеристикам относятся заряд, магнитный момент, и др. Имеются частицы, у которых характеристики, отличающие античастицу от частицы, равны нулю, например фотон и некоторые другие. Такие частицы называются истинно нейтральными. При столкновении частиц и античастиц они взаимно «уничтожаются» (аннигилируют), превращаясь в гамма-излучение и другие частицы. Наблюдаются также процессы, противоположные аннигиляции – рождение пар частица-античастица. Например, рождение из гамма-излучения пары электрон-позитрон.

Элементарные частицы систематизируются по группам, представленным на рис.5.

Рис. 5. Основные группы элементарных частиц

Систематизация элементарных частиц связывается с так называемыми фундаментальными взаимодействиями, которыми обусловлены все конкретные силы, проявляющиеся в природе. Существует четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное (ядерное), электромагнитное, слабоеигравитационное. Фундаментальные взаимодействия различаются относительной интенсивностью (константой взаимодействия) и радиусом взаимодействия (табл.1).

Таблица 1.

Основные характеристики фундаментальных взаимодействий

Все фундаментальные взаимодействия носят обменный характер. Это означает, что взаимодействующие объекты обмениваются определёнными частицами – квантами взаимодействия.

Квантами сильного взаимодействия являются нейтральные безмассовые глюоны, электромагнитного – фотоны, слабого – - и -бозоны, гравитационного – гравитоны.

Предполагается, что в момент зарождения Вселенной было лишь одно фундаментальное взаимодействие, называемое Суперсилой. Через 10^-43с после зарождения Вселенной из единого взаимодействия выделилась гравитация, через 10^-35с – сильное, а через 10^-10с – слабое взаимодействие. Последнее уже строго доказано теоретически.

Все элементарные частицы участвуют в гравитационном взаимодействии, а заряженные – и в электромагнитном. Лептоны участвуют ещё и в слабом взаимодействии (но не участвуют в сильном). Адроны участвуют во всех четырёх фундаментальных взаимодействиях. Лептоны обладают полуцелым спином, а часть адронов, называемых мезонами, обладает целым спином.

После возникновения элементарные частицы существуют некоторое ограниченное время, называемое временем жизни

Время жизни и масса элементарных частиц не квантованы, остальные же их характеристики квантованы.

В зависимости от среднего времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).

Частицы, для которых ,называются стабильными. Такими частицами являются электроны, протоны, нейтрино; внутри ядер стабильны также и нейтроны. Из стабильных частиц построены атомы и, в конечном счёте, весь вещественный мир. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитного и слабого взаимодействий; для этих частиц >10^-20с. Резонансами называются частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия; для них <10^-20с.

В 1964г. была выдвинута гипотеза о том, что адроны являются не элементарными, а составными частицами. «Истинно» элементарные частицы, входящие в их состав, названы кварками. Кварки имеют дробные заряды: ±1/3, ±2/3 от элементарного заряда. В настоящее время известно 6 кварков. При объединении кварков (антикварков) по три образуются барионы (например, протон); по два – мезоны.

Итак, в настоящее время истинно элементарными принято считать кварки и лептоны; их 12 или вместе с античастицами – 24. Кроме того, присутствуют частицы, обеспечивающие четыре фундаментальные взаимодействия (кванты взаимодействия). Этих частиц 13: гравитон, фотон, - и - бозоны и 8 глюонов.

Существующие теории элементарных частиц не позволяют установить, что является началом ряда: атомы, ядра, адроны, кварки… В этом ряду каждая более сложная материальная структура включает более простую, как составную часть. По-видимому, так бесконечно продолжаться не может. Предполагают, что описанная цепочка материальных структур базируется на объектах принципиально иной природы. Показано, что такими объектами могут быть не точечные, а протяжённые, хотя и чрезвычайно малые (~10^-33см) образования, названные суперструнами.

Мы привыкли думать об элементарных частицах как о точечных 0-мерных объектах. Однако легко представить, что отрезок струны, рассматриваемый с достаточно большого расстояния, выглядит как точка (частица). Являясь, тем не менее струной, он имеет бесконечный набор частот собственных колебаний и испускает в пространство волны. Согласно квантовым представлениям, этим волнам соответствуют некоторые частицы. Так, струна порождает первичные частицы, из которых могут образовываться более сложные: кварки, адроны и т. д. Описанная идея в нашем четырёхмерном пространстве не реализуема. Данная область физики вообще чрезвычайно абстрактна, и очень трудно подобрать наглядные модели, помогающие упрощённому восприятию идей, заложенных в теориях элементарных частиц. Тем не менее, эти теории позволяют физикам выразить взаимопревращение и взаимообусловленность «наиболее элементарных» микрообъектов, их связь со свойствами четырёхмерного пространства времени. Одной из наиболее перспективных считается так называемая М-теория (М – от mystery – загадка, тайна). Она оперирует двенадцатимерным пространством. В конечном итоге при переходе к непосредственно воспринимаемому нами четырёхмерному миру все «лишние» измерения «сворачиваются». М-теория имеет перспективы свестичетыре фундаментальные взаимодействия к одному – так называемой Суперсиле.

М-теориядопускает существование множественности миров и устанавливает условия, обеспечивающие возникновение нашего мира. Однако М-теория ещё недостаточно разработана. Её состоятельность станет ясна лишь в будущем.

1.10. ЯДРА АТОМОВ. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (нуклонов). Протоны и нейтроны почти одинаковы по массе. Их общее число называется массовым числомядра. Количество протонов в ядре называется зарядовым числом ядра. Оно равно числу электронов в атоме и, следовательно, определяет химические свойства элемента.

Общее название атомных ядер, отличающихся числами и , – нуклиды. Нуклиды с различными массовыми и одинаковыми зарядовыми числами называются изотопами. Изотопы являются ядрами одного и того же химического элемента.

Устойчивость атомных ядер обусловлена связью между нуклонами за счёт ядерных сил. Они действуют лишь на расстояниях порядка 10^{-15 м. Ядерные силы – проявление так называемого сильного взаимодействия. Наиболее устойчивыми являются ядра атомов средней части таблицы Менделеева, а тяжёлые и лёгкие ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически выгодны процессы деления наиболее тяжёлых ядер и слияния наиболее лёгких ядер (синтез ядер).}

С устойчивостью ядра связано понятие радиоактивности.

Под радиоактивностью понимают способность некоторых ядер самопроизвольно распадаться, превращаясь в ядра других элементов.

Радиоактивный распад сопровождается радиоактивным излучением. Оно имеет сложный состав: излучение – поток ядер гелия; излучение – поток электронов; излучение– поток электромагнитных волн с малой длиной волны.

В процессе распада число ядер радиоактивного вещества уменьшается. Активность нуклида характеризуется числом ядер, распадающихся в единицу времени. С течением времени число нераспавшихся ядер уменьшается по экспоненциальному закону

,

где постоянная радиоактивного распада данного элемента; первоначальное количество ядер.

Периодом полураспада радиоактивного изотопа называется величина, равная среднему времени распада половины из первоначально имевшихся ядер.

Явление радиоактивности в природе далеко не так редко и исключительно, как это обычно принято считать. Больше половины элементов таблицы Менделеева имеют естественные радиоактивные изотопы. Они встречаются всюду – в воде, в воздухе, в почве, в тканях растений и животных, в продуктах питания и в составе человеческого организма. Энергия радиоактивного распада урана и тория является одним из основных источников внутренней энергии Земли. Многие природные процессы: горообразования, движения материков, извержения вулканов и землетрясения обусловлены в конечном счёте радиоактивностью земных пород.

Атомные ядра при взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом претерпевают превращения, которые называются ядерными реакциями.Наибольшее практическое значение имеют ядерные реакции с участием нейтронов. Нейтроны не испытывают электрического отталкивания и могут легко проникать в ядра, вызывая ядерные реакции. Например, тяжёлые ядра под действием нейтронов делятся на более лёгкие и испускают вторичные нейтроны. Такое превращение сопровождается выделением энергии. Вторичные нейтроны могут вызывать деление других тяжёлых ядер. Это обусловливает возможность цепной ядерной реакции. В зависимости от энергии нейтроны подразделяют на быстрые и медленные. Медленные нейтроны эффективны для возбуждения ядерных реакций, так как они относительно долго находятся вблизи ядра. И вероятность их захвата ядром с последующей реакцией распада велика.

Цепная реакция может быть неуправляемой, если поток нейтронов не регулируется (например, взрыв атомной бомбы), и управляемой, если поток нейтронов регулируется специальными поглотителями (в атомном реакторе). Управляемая цепная реакция используется как высокоэффективный источник ядерной энергии в промышленных масштабах. Радиоактивные материалы, обеспечивающие протекание управляемой реакции, называются ядерным топливом (например, уран, плутоний).

Другой тип ядерной реакции, которая может служить источником энергии, это реакция синтеза атомных ядер. В результате синтеза из лёгких ядер образуются более тяжёлые. Реакция синтеза лёгких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжёлых. В связи с этим активно исследуются различные возможности осуществления управляемых реакций ядерного синтеза.Слияние ядер происходит под действием сил ядерного притяжения. Поэтому ядра должны сблизиться до расстояний, меньших 10^-15м. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание положительно заряженных ядер. Для его преодоления ядра должны обладать кинетической энергией, превышающей потенциальную энергию их кулоновского отталкивания. Необходимую энергию обеспечивает очень высокая температура реакционной среды – выше 10⁸ К. Поэтому реакции ядерного синтеза называют термоядерными реакциями.

Рабочим веществом для термоядерных реакций является высокотемпературная плазма– сильно разогретый и сильно ионизированный газ.

Природные термоядерные реакции протекают в звёздах. Солнце является гигантским термоядерным реактором.

1.11. КРИСТАЛЛЫ, ПОЛУПРОВОДНИКИ, МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА

Квантовая механика объяснила поведение электронов не только в отдельных атомах, но и в твёрдых телах – кристаллах.

Кристаллы (от греч. первоначально – лёд, в дальнейшем – горный хрусталь) – твёрдые тела, в которых атомы или ионы вещества образуют упорядоченную периодическую пространственную структуру (кристаллическую решётку).

Кристаллическая структура, будучи индивидуальной, для каждого вещества, определяет его основные физико-химические свойства.

С использованием квантовой механики разработана квантовая теория твёрдого тела, ставшая основой более узких направлений в физике, в частности – физики полупроводников.

Важнейшим свойством полупроводниковых кристаллов являетсявысокая чувствительность их электропроводности к изменениям температуры, освещённости, магнитного поля, давления. Это позволяет использовать их в качестве основы для создания эффективных датчиков, реагирующих на различные воздействия. Такие датчики обеспечивают работу всевозможных устройств автоматики, сигнализации, дистанционного управления.

На свойства полупроводника радикально влияют малейшие концентрации примеси различных элементов.

В зависимости от вида примесей, которые вводят в полупроводниковые кристаллы, их относят к электронному и дырочному типам. Кристаллы типа проводят электрический ток за счёт перемещения электронов. В кристаллах типа положительный заряд переносят электронные вакансии – так называемые дырки. Современные технологии позволяют создавать в пределах единого полупроводникового кристалла области с проводимостью электронного и дырочного типов. Граница раздела между двумя такими областями называется электронно-дырочным переходом ( –переходом). Свойства – перехода позволяют использовать его как основу для создания различных полупроводниковых приборов и полупроводниковых интегральных микросхем. Простейший из них – полупроводниковый диод. Он содержит единственный – переход. Транзистор содержит два – перехода. В солнечной батарее – переходы превращают световую энергию в электрическую. В светодиодах и полупроводниковых лазерах – переход используется для обратного превращения.

Развитие квантовой теории полупроводников, технологии полупроводниковых кристаллов и полупроводниковых приборов явилось одной из важнейших предпосылок и основ современной цивилизации. Новым направлением полупроводниковой технологии стала микроэлектроника – технология создания электронных устройств на основе интегральных микросхем.

Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа электронных элементов малых размеров, созданных в едином технологическом цикле в пределах одного кристалла и объединённых в единый технологический узел.

Интегральные схемы являются элементной базой современной компьютерной техники, а, следовательно, и технической базой информационных технологий. В настоящее время технологические методы управления свойствами полупроводниковых кристаллов быстро развиваются; разработаны новые типы микроминиатюрных приборов, в основу которых положены квантовые эффекты; закладываются основы следующего этапа в развитии электроники – этапа наноэлектроники. На этом этапе реализуются возможности управления структурой кристалла на уровне отдельных атомных слоёв и индивидуальных атомов. Это, в свою очередь, открывает принципиально новые пути развития компьютерной техники.

1.12. КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ (ЛАЗЕРЫ)

Одним из практических результатов развития квантовой физики явилось создание квантовых генераторов и их важнейшей разновидности – лазеров.

Лазер представляет собой устройство, преобразующее различные виды энергии (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию монохроматического, когерентного, поляризованного и узконаправленного оптического излучения.

Физической основой работы лазера служит явление вынужденного (индуцированного) излучениявозбуждёнными квантовыми системами– атомами газов, жидкостей или кристаллов.

Электрон в возбуждённом атоме может перейти на один из своих разрешённых энергетических уровней с меньшей энергией, отдав при этом избыток энергии в виде излучения. Процесс испускания фотона возбуждённым атомом без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным излучением. Спонтанное излучение – это случайный процесс. Излучение разных атомов происходит в разные моменты, в произвольных направлениях и со случайными фазами колебаний. Это делает излучение большинства источников света немонохроматическим и ненаправленным.

Возможен и иной тип излучения. Если на возбуждённый атом действует такое излучение, которое способен испустить сам этот атом, то в нём стимулируется переход в нижнее состояние. В результате возникает излучение, которое называется индуцированным (вынужденным). Первичный фотон при этом не поглощается. Это означает, что к первичному фотону, падающему на атом от внешнего источника, добавляется фотон индуцированного излучения. Индуцированный фотон является «точной копией» первичного фотона. Они имеют одинаковую частоту и фазу колебаний (то есть, когерентны) и распространяются в одном направлении.