Развитие основных напралений физики в ХХ в

1.2.7 Квантовая теория поля

Квантовая теория поля представляет собой распространение квантовых  принципов на описание физических полей  в их взаимодействиях и взаимопревращениях. Квантовая механика имеет дело с  описанием взаимодействий сравнительно малой энергии, при которых число взаимодействующих частиц сохраняется. При больших энергиях взаимодействия простейших частиц (электронов, протонов и т.д.) происходит их взаимопревращение, т.е. одни частицы исчезают, другие рождаются, причем число их меняется. Большинство элементарных частиц нестабильно, спонтанно распадается до тех пор, пока не образуются стабильные частицы - протоны, электроны, фотоны и нейтроны. При столкновениях элементарных частиц, если энергия взаимодействующих частиц достаточно велика, происходит множественное рождение частиц различного спектра. Поскольку квантовая теория поля предназначена для описания процессов при высоких энергиях, поэтому должна удовлетворять требованиям теории относительности.

Современная квантовая  теория поля включает три типа взаимодействия элементарных частиц: слабые взаимодействия, обусловливающие главным образом распад неустойчивых частиц, сильные и электромагнитные, ответственные за превращение частиц при их столкновении.

Квантовая теория поля, описывающая  превращение элементарных частиц, в отличие от квантовой механики, описывающей их движение, не является последовательной и завершенной, она полна трудностей и противоречий. Наиболее радикальным способом их преодоления считается создание единой теории поля, в основу которой должен быть положен единый закон взаимодействия первичной материи - из общего уравнения должен выводиться спектр масс и спинов всех элементарных частиц, а также значения зарядов частиц. Таким образом, можно сказать, что квантовая теория поля ставит задачу выработки более глубокого представления об элементарной частице, возникающей за счет поля системы других элементарных частиц.

Взаимодействие электромагнитного  поля с заряженными частицами (главным  образом электронами, позитронами, мюонами) изучается квантовой электродинамикой, в основе которой лежит представление  о дискретности электромагнитного  излучения. Электромагнитное поле состоит из фотонов, обладающих корпускулярно-волновыми свойствами. Взаимодействие электромагнитного излучения с заряженными частицами квантовая электродинамика рассматривает как поглощение и испускание частицами фотонов. Частица может испустить фотоны, а затем поглотить их.

Итак, отход квантовой  физики от классической заключается  в отказе от того, чтобы описывать  индивидуальные события, происходящие в пространстве и времени, и использовании  статистического метода с его  волнами вероятности. Цель классической физики заключается в описании объектов в пространстве и времени и в формировании законов, которые управляют изменением этих объектов во времени. Квантовая физика, имеющая дело с радиоактивным распадом, дифракцией, испусканием спектральных линий и тому подобными явлениями, не может удовлетвориться классическим подходом. Суждение типа "такой-то объект имеет такое-то свойство", характерное для классической механики, в квантовой физике заменяется суждением типа "такой-то объект имеет такое-то свойство с такой-то степенью вероятности". Таким образом, в квантовой физике имеют место законы, управляющие изменениями вероятности во времени, в классической же физике мы имеем дело с законами, управляющими изменениями индивидуального объекта во времени. Разные реальности подчиняются различным по характеру законам.

Квантовая физика в развитии физических идей и вообще стиля мышления занимает особое место. К числу величайших созданий человеческого ума относится, несомненно и теория относительности - специальная и общая, представляющая собой новую систему идей, объединившую механику, электродинамику и теорию тяготения и давшую новое понимание пространства и времени. Но это была теория, которая в определенном смысле была завершением и синтезом физики XIX века, т.е. она не означала полного разрыва с классическими теориями. Квантовая же теория порывала с классическими традициями, она создала новый язык и новый стиль мышления, позволяющий проникать в микромир с его дискретными энергетическими состояниями и дать его описание с помощью введения характеристик, отсутствовавших в классической физике, что в конечном счете позволило понять сущность атомных процессов. Но вместе с тем квантовая теория внесла в науку элемент непредсказуемости, случайности, чем она отличалась от классической науки.

1.3 Концепции физики атомных и ядерных процессов

1.3.1 Модели атома

Решающим моментом в  развитии теории строения атома было открытие электрона. Наличие в электрически нейтральном атоме отрицательно заряженной частицы побуждало предполагать наличие частицы с положительным зарядом. Модель Д.Томсона, не будучи в состоянии объяснить характер атомных спектров, излучаемых атомами, уступила место планетарной модели Э.Резерфорда. Исследуя рассеяние атомами вещества альфа-частиц, излучаемых радиоактивными веществами, он открыл атомное ядро и построил планетарную модель атома. Оказалось, что атом состоит не из положительно заряженного облака, в котором (подобно изюму в булке) находятся электроны, как это предполагал Д.Томсон, а из электрона и ядра размером около 10^-13 см., в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом подобен Солнечной системе: в центре него находится тяжелое ядро, вокруг него вращаются электроны. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом не может быть устойчивым: двигаясь по круговым (или эллиптическим) орбитам, электрон испытывает ускорение, а поэтому он должен излучать электромагнитные волны, несущие энергию. Потеря энергии приведет электрон к падению на ядро. Таким образом, подобный атом не может быть устойчивым, а потому в реальности не может существовать. Таким образом, классическая физика не могла найти объяснения устойчивости атомов.

Разработка следующей  модели атома принадлежит Н.Бору. Взяв за основу модель Резерфорда, он использовал  и идеи квантовой теории. Бор выдвинул предположение, согласно которому в атомах существуют особые стационарные состояния, в которых электроны не излучают - излучение происходит лишь при переходе из одного стационарного состояния в другое.

Внутреннее строение атома изучать непосредственно  невозможно, поскольку микроскопические размеры недоступны прямому восприятию, поэтому о структуре атома можно судить по ее косвенным проявлениям макроскопического масштаба. Таким проявлением является излучение атомов под воздействием нагрева или внешнего электрического поля. Изучение спектров излучения позволяет получить данные о внутренней структуре атома - для каждого атома характерны особенности спектра. Классическая физика не могла объяснить законы, которым подчинялись атомные спектры. Модель Бора выявила истинное значение спектральных законов и позволила установить, как эти законы отражают квантовый характер внутренней структуры атома - устойчивость структуры атома оказалась неразрывно связанной с существованием квантов. В модели Бора каждый атом обладает некоторой последовательностью квантовых (стационарных) состояний. Каждый вид атома имеет свою последовательность квантовых значений энергии, соответствующих различным возможным стационарным состояниям. Вывод о том, что в устойчивом состоянии атом не должен излучать, не соответствовал данным классической электродинамики, согласно которым электроны, движущиеся с ускорением, должны были непрерывно излучать электромагнитные волны. Бор и предположил, что каждая спектральная линия соответствует мгновенному переходу атома из одного квантового состояния в другое, которое характеризуется меньшим значением энергии. Избыток энергии при этом уносится в виде отдельных квантов (фотонов).

Модель атома Бора показала свою плодотворность в применении к атому водорода, позволив понять структуру оптического спектра. Но попытка применить данную модель к более сложным атомам, имеющим большее число электронов, выявила ограниченность данной модели - результаты ее применения лишь весьма приблизительно соответствовали данным эксперимента. Кроме того, модель атома Бора располагала методом квантования действия лишь для одномерного движения (предложенного еще Планком). Поэтому необходимо было найти методы квантования для случаев многомерного движения. Этот метод был найден в 1916 г. Ч.Вильсоном и А.Зоммерфельдом (почти одновременно друг с другом) и использован для решения тех задач, которые не могли быть решены с помощью модели атома Бора. Таким путем была создана концепция тонкой структуры линии спектра. Излучение линий спектра водорода с помощью спектрографов с высокой разрешающей способностью позволило выявить тонкую структуру спектра - оказалось, что спектральные линии сами состоят из ряда близко расположенных друг к другу линий. Зоммерфельд высказал предположение о связи тонкой структуры спектральных линий с релятивистскими эффектами и предположил вместо уравнений ньютоновской механики использовать уравнения релятивистской механики. Предположения Зоммерфельда дали результаты, согласуемые с экспериментальными данными. Вместе с тем полученная Зоммерфельдом картина спектральных линий оказалась значительно беднее реальной, поэтому его модель не могла дать достаточно полные объяснения тонкой структуры спектральных линий.

Для модели атома Бора основополагающим является утверждение  о том, что электроны внутри атома могут находиться лишь в стационарных состояниях, которые соответствуют определенным квантовым значениям энергии. Следовательно, существуют определенные энергетические уровни, на которых находятся электроны. Как известно, атом каждого последующего элемента имеет на один электрон больше, чем предыдущего. Значит, по мере возрастали атомного номера усложняется структура электронных оболочек атомов. На основе знания этой структуры можно устанавливать физические и химические свойства элементов. В периодической системе Д.И.Менделеева элементы расположены в порядке возрастали атомного веса, причем в расположенных таким образом элементах обнаруживается определенная периодичность в химических свойствах этих элементов. Физическая природа этой периодичности оказывается весьма сложной. Теория атома должна иметь возможность объяснить эту природу. Для этого модель Бора необходимо было дополнить требованием, чтобы на одном энергетическом уровне могло находиться лишь ограниченное число электронов (явление насыщения энергетического уровня электронами). Если бы данного насыщения не существовало, то в нормальном (стабильном) состоянии атома все электроны атома были бы на низшем уровне, который соответствует наименьшей энергии. Но вследствие насыщения уровней подобная ситуация оказывается невозможной.

Двигаясь по периодической  системе элементов, можно видеть, как постепенно заполняются друг за другом низшие энергетические уровни - как только низший уровень оказывается  заполненным, настает очередь следующего уровня. Тонкая структура спектральных линий при этом свидетельствует о расщеплении энергетических уровней электронов внутри атома на ряд подуровней. Заполняющие эти уровни подуровни электроны (обладающие почти одинаковой энергией) образуют оболочку. При заполнении друг за другом последующих уровней, таким образом, образуются различные оболочки. Изменяемая при движении по таблице Менделеева периодичность свойств объясняется характером заполнения оболочек электронами. Таким образом, исследование спектров играет огромную роль в изучении внутренней структуры атома.

Модель Бора, позволяя определить частоту излучения, не давала возможности определять интенсивность  излучения и его поляризацию, что совершенно необходимо для уточнения  природы излучения, которое возникает при переходах электронов внутри атома из одного стационарного состояния в другое. Бор этот недостаток пытался устранить с помощью принципа соответствия. Кроме того, модель Бора была непоследовательной: отвергая ряд положений классической механики и электродинамики, она использовала как классические понятия и формулы, так и квантовые. Бор понимал ограниченный характер собственной модели атома. Принцип соответствия указывал на одно из новых направлений. Однако впоследствии, с созданием квантовой механики, было выяснено, что при описании строения атома классические представления не могут иметь места.

1.3.2 Структура атомного ядра

Исследование структуры  атома поставило вопрос о том, что представляет собой ядро, какова его структура. В ядре сосредоточена  почти вся масса атома (масса электронов, входящих в атом, пренебрежительно мала по сравнению с массой ядра), оно имеет положительный заряд, эквивалентный суммарному заряду входящих в него электронов. Заряд ядра любого элемента равен его порядковому номеру в периодической системе элементов. Проблема структуры атомного ядра получила разрешение с открытием в 1932 году Д.Чедвиком нейтрона - третьей элементарной частицы после электрона и протона. Масса нейтрона близка к массе протона. Электрический заряд у протона отсутствует Д.Д.Иваненко сформулировал протоно-нейтронную концепцию строения атомного ядра, которую затем разработал В.Гейзенберг. Ядра, состоящие из протонов и нейтронов получили название нуклонов. В том же 1932 году в космических лучах К.Андерсоном был открыт позитрон - положительно заряженный электрон, обеспечивший симметрию между положительным и отрицательным зарядами во взаимоотношениях частиц. Его существование было предсказано П.Дираком, исходившим из того, что положительные заряды во Вселенной представляют собой своего рода недостающие части мирового отрицательного заряда - позитрон есть "дырка" в распределении электронов с отрицательной энергией. Столкновение электрона и позитрона приводит к аннигиляции - их превращению в два фотона, испускаемые в противоположных направлениях.

1.3.3 Процессы ядерного превращения

Следующий вопрос, который  встал перед физиками после выявления  структуры атомного ядра, касался  сил, скрепляющих нуклоны в ядре. В связи с его расширением  выяснилось, что взаимоотношения  между нейтроном и протоном не столь просты, как казалось вначале. Оказалось, что точнее говорить о структуре атомного ядра, состоящей из протонов, нейтронов и мезонов. Мезоны, существование которых было в 1935 году предсказано Г.Юкавой и открыто Ч.Андерсоном и С.Неддермейером, и оказались силами притяжения, которые по величине превосходят электрические силы, действующие между одноименно заряженными протонами. Ядерные силы - это вид основных физических сил, действующих в природе, наряду с гравитационными и электромагнитными.

Из всех названных  частиц нейтрон оказался наиболее пригодным  для осуществления процесса ядерного превращения, поскольку ввиду отсутствия у него заряда он способен глубже проникнуть в вещество, входить в положительно заряженные ядра атомов, которые отталкивают положительно заряженные протоны и альфа-частицы. Благодаря этому в краткий срок было изучено действие нейтронов на различные ядра, что привело к открытию искусственной радиоактивности. Решающее достижение в этой области принадлежит Ф.Жолио Кюри и И.Кюри, установившим, что почти все подвергнутые бомбардировке атомы становятся радиоактивными. Это означало, что естественная радиоактивность является лишь остаточной активностью атомов, которые еще не успели достичь устойчивых состояний. Знание атомных превращений могло помочь объяснить, каким образом возникли элементы.