Физика микромира

 

Квантовые числа

 

 Теория Бора приписывала четырем электронным оболочкам К, L, М и N квантовое число п, равное соответственно 1, 2, 3 и 4. Эти числа соответствуют повышающимся энергетическим уровням оболочек.

        Таким образом, энергетический уровень электрона в атоме определяется следующими четырьмя характеристиками: оболочкой, подоболочкой, орбиталью и спином. Каждой из этих характеристик сопоставляется определенное квантовое число.

        Главное квантовое число (n). Это квантовое число характеризует оболочку, в которой находится электрон. Оно может принимать значения

Оболочка       K L  M  N 

n                      1  2  3    4     

Чем больше значение n, тем выше энергетический уровень оболочки.

        Вспомогательное (орбитальное) квантовое число (I). Это квантовое число характеризует подоболочку, на которой находится электрон. Оно может принимать значения  I = 0,1,…,(n-1)

где n - главное квантовое число. В подоболочке с орбитальным квантовым числом I содержится 2I + 1 орбиталей. Например,

Подоболочка            s  p  d

I                                 0  1  2

Число орбиталей     1 3 5

        Магнитное квантовое число (m). Все орбитали одной подоболочки в обычных условиях имеют вырожденные (одинаковые) значения энергии. Однако под влиянием внешнего магнитного поля орбитальные энергии становятся дискретными, или квантовыми. Магнитное квантовое число этих дискретных энергетических уровней может принимать целочисленные значения в следующих пределах: - I m +I

Например, для р-подоболочки  m = -1, 0, +1.

        Спиновое квантовое число (s) (от англ. to spin – кружить, вращать.) характеризует вращение электрона вокруг своей оси. Спиновое квантовое число электрона может принимать только одно из двух значений: + либо - . Следует отметить, что каждый электрон имеет свой индивидуальный набор квантовых чисел, которым он отличается от всех других электронов данного атома. [5,ст.37-38]

 

Периодический закон Менделеева в  свете квантовой теории.

 

        В 1869 г. Д. И. Менделеев открыл периодический закон изменения химических и физических свойств элементов в зависимости от их атомных масс. Д. И. Менделеев ввел понятие порядкового номера Z-элемента и, расположив химические элементы в порядке возрастания их номера, получил полную периодичность в изменении химических свойств элементов. Физический смысл порядкового номера Z-элемента в периодической системе был установлен в ядерной модели атома Резерфорда: Z совпадает с числом положительных элементарных зарядов в ядре (протонов) и, соответственно, с числом электронов в оболочках атомов.

        Принцип Паули дает объяснение Периодической системы Д. И. Менделеева. Начнем с атома водорода, имеющего один электрон и один протон. Каждый последующий атом будем получать, увеличивая заряд ядра предыдущего атома на единицу (один протон) и добавляя один электрон, который мы будем помещать в доступное ему, согласно принципу Паули, состояние.

        У атома водорода Z = 1 на оболочке 1 электрон. Этот электрон находится на первой оболочке (K-оболочка) и имеет состояние 1S, то есть у него n =1,а l = 0(S-состояние), m = 0, m_s = ±l/2 (ориентация его спина произвольна).

        У атома гелия (Не) Z = 2, на оболочке 2 электрона, оба они располагаются на первой оболочке и имеют состояние 1S, но с антипараллельной ориентацией спинов. На атоме гелия заканчивается заполнение первой оболочки (K-оболочки), что соответствует завершению I периода Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. По принципу Паули, на первой оболочке больше 2 электронов разместить нельзя.

        У атома лития (Li) Z = 3, на оболочках 3 электрона:2- на первой оболочке (К-оболочке)и1—на второй (L-оболочке). На первой оболочке электроны в состоянии 1S, а на второй – 2S. Литием начинается II период таблицы.

        У атома бериллия (Be) Z = 4, на оболочках 4 электрона: 2 на первой оболочке в состоянии IS и 2 на второй в состоянии 2S.

        У следующих шести элементов – от В (Z = 5) до Ne(Z = 10) – идет заполнение второй оболочки, при этом электроны находятся как в состоянии 2S, так и в состоянии 2р (у второй оболочки образуется 2 под оболочки).

        У атома натрия (Na) Z = 11. У него первая и вторая оболочки, согласно принципу Паули, полностью заполнены (2 электрона на первой и 8 электронов на второй оболочках). Поэтому одиннадцатый электрон располагается на третьей оболочке (М-оболочке), занимая наинизшее состояние 3S. Натрием открывается III период Периодической системы Д. И. Менделеева. Рассуждая подобным образом, можно построить всю таблицу.

        Таким образом, периодичность в химических свойствах элементов объясняется повторяемостью в структуре внешних оболочек у атомов родственных элементов. [3,ст.53-54]

 

Элементарные частицы: классификация  и взаимопревращение

 

        Под элементарными частицами можно понимать такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития науки нельзя представить как совокупность других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое.

        Основными характеристиками классификации элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.

         Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, - фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на: лептоны - легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны - средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы - тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

        Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1967 г. американский физик М. Гелл-Манн высказал гипотезу о существовании кварков - частиц с дробным электрическим зарядом.

        По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10^-10 - 10^-24, после чего распадаются.

        Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием «спин», или собственный момент количества движения микрочастицы, и понятием «квантовые числа», выражающим состояние элементарных частиц.

        Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса: фермионы (названные в честь Э. Ферми) и бозоны (названные в честь Ш. Бозе).

        К фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам - кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны). Эти частицы считаются истинно элементарными, т.е. далее неразложимыми. Остальные частицы классифицируются как условно элементарные, т.е. составные частицы, образованные из кварков и соответствующих квантов полей. Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие. [6,ст.117]

        Взаимодействия между частицами обусловливают необозримое количество самых разнообразных процессов и взаимопревращений. Они делятся на три большие группы: упругое рассеяние, неупругие процессы и распады.

      - При упругом рассеянии частицы не претерпевают превращений, а просто изменяют состояние своего движения. Примером может служить рассеяние а - частиц атомными ядрами в опытах Резерфорда.

       - В неупругих процессах (реакциях) происходит столкновение двух частиц, сопровождающееся превращением их в частицы другого сорта. Соответствующий пример дает аннигиляция электрон-позитронной пары в два фотона. Изучение неупругого рассеяния быстрых электронов на нуклонах, начатое в конце 60-х гг., позволило установить, что протон и нейтрон состоят из огромного количества точечных объектов - партонов (от английского part - часть).

        - Частицы, рождающиеся в процессах рассеяния, за редкими исключениями являются нестабильными и претерпевают распады. Они живут после рождения очень малые промежутки времени, превращаясь затем в другие частицы. Самая устойчивая из нестабильных частиц - нейтрон, обладающий средним временем жизни r = 898 ± 16 с.

        Взаимопревращаемость элементарных частиц - одно из наиболее фундаментальных их свойств. При этом образующиеся частицы не входят в состав исходных частиц, а рождаются непосредственно в процессах их соударений или распадов. Для пояснения заметим, что фотон также не входит в состав атома, а рождается непосредственно в процессе перехода электрона с одного энергетического уровня на другой.

        Именно в процессах взаимопревращений и открывают ранее неизвестные частицы. Для этого сталкивают друг с другом известные частицы с как можно большими энергиями, а затем исследуют продукты соответствующей реакции и те фрагменты, на которые распались образовавшиеся частицы. Генерацию частиц производят в:

        - ядерных реакторах - получают искусственные радиоактивные препараты, служащие источниками частиц;

        - ускорителях - формируют интенсивные пучки заряженных частиц (электронов, протонов и тяжелых ионов) с высокими энергиями. При взаимодействии первичного пучка с мишенью получаются вторичные, третичные и т.д. пучки, содержащие элементарные частицы и атомные ядра, не существующие в природе;

         - ускорителях со встречными пучками - с точки зрения генерации новых частиц особенно эффективны, в них сталкиваются частицы (электроны и позитроны) с нулевым суммарным импульсом. Благодаря этому вся их кинетическая энергия может быть преобразована в энергию покоя рождающихся частиц, суммарный импульс которых также равен нулю.

[2,ст.525-527]

 

 

 

Заключение

        В конце 19-20 вв. были сделаны фундаментальные открытия, коренным образом изменившие физическую картину мира. Прежде всего это открытие строения атома и обоснование опытным путем порядкового номера элемента в периодической системе Менделеева. Оказалось, что атом состоит из элементарных частиц, которые подчиняются законам не классической физики, а квантовой механики а порядковый номер химического элемента численно совпадает с зарядом ядра его атома. Для объяснения процессов микромира была создана квантовая физика. Одну из главенствующих ролей в создании квантовой физики сыграл Нильс Бор предложивший два постулата. С помощью которых дополнил ядерную (планетарную) модель Резерфорда и смог объяснить устойчивость ядерной модели. Момент открытия планетарной модели строения атома стал основополагающим для дальнейшего развития физики микромира.    

        Таким образом, за годы, прошедшие после открытия атомной модели, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц материи. Мир Элементарные частицы оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях оказались свойства обнаруженных Элементарные частицы. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных из классической физики, таких, как электрический заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых специальных характеристик.

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы

 

        1. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: 6-е изд., пере-раб. и доп./ М.: Высшая школа, 2003.

        2. Яворский Б.М. Селезнев Ю.А. Физика. Справочное руководство - 5-е издание перераб.-М.: Физматлит, 2004.

        3. Михайлова Л.А. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов / Издательство: Питер, 2008.

        4. Хомченко. Г.П. Пособие по химии. – 4-е изд., испр. и доп. М.: ООО «Издательство Новая Волна»: Издатель Умеренков, 2002.

        5. Фримантл  М. Химия в действии. В 2-х ч.Ч.1: Пер. с апгл. – М.: Мир, 1998.

        6. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов / Под ред. Проф. В.Н. Лавриненко, проф. В.П. Ратникова. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006.