Основы квантовой физики и физики элементарных частиц

Основы квантовой физики и физики элементарных частиц. Учебное пособие. Ф. Г. Кижаев, О. В. Сеношенко, Н. Н. Медведев ISBN 978-5-6044608-5-6

Издание представляет собой учебное пособие по курсу «Основы квантовой физики и физики элементарных частиц», подготовленное в соответствии с требованиями государственных образовательных стандартов инженерных специальностей. Рассматриваются основные идеи и эксперименты на которых основывается квантовая физика, физика элементарных частиц. Особое внимание уделяется специфике естественнонаучного познания, его роли в развитии культуры и формировании естественнонаучной картины мира.

Для студентов высших учебных заведений и всех интересующихся проблемами современной физики.

Содержание:

1 КРИЗИС КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

2 ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. КВАНТОВАЯ ГИПОТЕЗА ПЛАНКА

3 ФИЗИКА АТОМА

4 СПОНТАННЫЕ И ВЫНУЖДЕННЫЕ ПЕРЕХОДЫ
4.1 Лазеры и их применение

КОНЦЕПЦИИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
5.1 Волны де Бройля – волны вероятности
5.2 Статистическая интерпретация волновой физики
5.3 Принцип неопределенности
5.4 Принцип суперпозиции в квантовой механике
5.5 Принцип соответствия

6 МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АППАРАТ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
6.1 Простейшие задачи квантовой физики

7 КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ АТОМА ВОДОРОДА
7.1 Спин
7.2 Принцип Паули и электронная структура атомов
7.3 Принцип тождественности

8 КВАНТОВО-ПОЛЕВЫЕ КОНЦЕПЦИИ
8.1 Вакуумное состояние
8.2 Виртуальные частицы

9 ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
9.1 Фундаментальные взаимодействия и структурные уровни организации материи
9.2 Сильное (ядерное) взаимодействие
9.3 Электромагнитное взаимодействие
9.4 Гравитационное взаимодействие
9.5 Классификация элементарных частиц
9.6 Кварковая структура адронов
9.7 Фундаментальные бозоны и фермионы

10 ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ И СИММЕТРИЯ В МИКРОМИРЕ
10.1 Нарушение закона сохранения четности

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ



К концу XIX века в научном физическом сообществе сложились противоречивые настроения.

С одной стороны, царило убеждение, что физика как наука находится на завершающем этапе своего развития. Считалось, что все значительные фундаментальные законы природы уже открыты, а остальным поколениям физиков остается сдувать пылинки с уже построенного величественного здания классической физики. Действительно, чем можно еще дополнить высоко интегрированное физическое знание конца XIX в. Законы механики и теория всемирного тяготения существовали уже более 200 лет и к концу XIX века они приобрели вполне законченную форму. Интегрированные процессы в физике привели к созданию теории электромагнитного поля, с помощью которой магнитные, электрические и оптические явления нашли объяснение с единых позиций. Применение физических и химических законов к разгадке проблем строения материи привело к пониманию того, что вещество состоит из атомов. С созданием классической статистической физики, в основу которой положены вероятностные (статистические) закономерности, был подведен прочный теоретический фундамент под феноменологическую термодинамику. И наконец, были глубоко поняты и сформулированы фундаментальные законы природы: законы сохранения и превращения энергии, импульса, момента импульса, массы и заряда и их связь с симметрией пространства и времени. Как результат абсолютизации физического знания и победной эйфории следует рассматривать предложение немецкого математика Д. Гильберта (1862–1943) по аксиоматизации всей физики. По его мнению, можно сформулировать некоторое число исходных аксиом, из которых по законам логики можно было бы вывести все следствия, необходимые для исчерпывающего описания явлений природы.

Благодушие, имевшее место среди большой группы ученых XIX века в отношении завершенности физической науки, наблюдалось в то время, когда был сделан ряд сенсационных открытий, объяснение которых оказалось невозможным в рамках представлений классической физики. Все это указывало, что ни о какой завершенности физики не может быть и речи. Рассмотрим краткое содержание наиболее важных открытий, которые стали причиной революционных преобразований в физической науке.

Неоценимую роль в становлении современной квантовой физики сыграло открытие спектрального анализа. В 1802 году английский ученый У. Волластон (1766–1828) обнаружил, что при пропускании луча солнечного света через призму, на экране позади нее возникает спектр, на который наложен ряд темных четких линий. Эти линии называют теперь фраунгоферовыми линиями в честь немецкого ученого И. Фраунгофера (1787–1826), который подробно исследовал солнечный спектр и описал 576 темных линий с указанием их длин волн. Фраунгофер показал, что происхождение этих линий связано с определенными процессами на Солнце, а не на Земле. Фраунгоферовы линии – это темные участки в ярком цветном непрерывном спектре, что указывает на отсутствие света с определенной длиной волны. Другими словами, какие-то явления приводят к тому, что свет с определенной длиной волны исчезает из белого света, порождаемого в результате тепловых процессов, протекающих в недрах Солнца. Из всех более чем 20 тыс. фраунгоферовских линий в различных участках спектра особый интерес нам представляет две темные линии в желтой части солнечного спектра, так называемая двойная D-линия. Правильное объяснение эти линии получили в работе Т. Кирхгофа (1824–1887) и Р. Бунзена (1811–1899). Они установили, что эта линия принадлежит металлу натрию. Причем в зависимости от условий наблюдения D-линия натрия может быть либо ярко-желтой, либо темной на желтом фоне. Но в обоих случаях присутствие этой линии в спектре означает, что источником ее является натрий. Таким образом, на Солнце есть натрий, причем он находится в газовом внешнем облаке, которое освещено изнутри раскаленным ядром Солнца.

Работа Кирхгофа, опубликованная в 1859 году содержала сразу четыре открытия:

  • каждому элементу соответствует свой неповторимый линейчатый спектр, то есть строго определенный набор спектральных линий;
  • эти линии можно использовать для анализа состава веществ не только на Земле, но и на звездах;
  • Солнце состоит из горячего ядра и сравнительно холодной атмосферы раскаленных газов;
  • на Солнце обнаружено присутствие натрия.

Таким образом, из скромного наблюдения над желтой двойной линией натрия родился спектральный анализ, с помощью которого можно узнавать о присутствии химических элементов в различных средах на Земле, а также в далеких звездах и галактиках; измерять их температуру, скорость движения и т.д.

Из открытия Кирхгофа и Бунзена следует, что имеет место два вида спектров: сплошной (или тепловой) и линейчатый. Тепловой спектр содержит все длины волн, излучается он при нагревании твердых тел и зависит от их природы. Линейчатый спектр состоит из набора отдельных резких линий, он возникает при нагревании газов и паров (когда взаимодействие между атомами мало и они сохраняют свою индивидуальность). Данный набор линий присущ атомам только данного элемента, то есть они представляют собой своеобразный «отпечаток пальца», который позволяет безошибочно идентифицировать этот элемент на основе длин волн излучаемого (поглощаемого) света. Существование линейчатого спектра, связанного с внутриатомными процессами приводит к неизбежному выводу, что атом должен иметь структуру.

...