3. АТОМИСТИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ 20 в.: Э. РЕЗЕРФОРД И Н. БОР
В 1908 году Х. Гейгер и Э. Марсден, сотрудники лаборатории Э. Резерфорда (1871–1937), провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие фольги из золота и других металлов и обнаружили, что почти все они проходят через фольгу, будто нет препятствия, и только 1/10000 из них испытывает сильное отклонение. С помощью модели Дж. Томсона это объяснить не удалось, но Резерфорд нашел выход. Он обратил внимание на то, что большая часть частиц отклоняется на малый угол, а малая – до 150°. Резерфорд пришел к выводу, что они взаимодействуют с каким-то массивным объектом малого размера, этот объект представляет собой ядро атома – положительно заряженную микрочастицу, размер которой (10 см) очень мал по сравнению с размерами атома (10 см), но в нем почти полностью сосредоточена масса атома.
В 1911 году Резерфорд предложил модель атома, которая напоминала Солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. Однако эта модель содержала неразрешимое противоречие, заключавшееся в том, что электроны по круговым орбитам движутся с ускорением, а следовательно, согласно законам электродинамики они обязаны излучать электромагнитную энергию. В этом случае электроны очень быстро потеряли бы свою энергию и упали бы на ядро, но опыт показывает, что этого не происходит.
В 1913 году датскому физику Н. Бору (1885–1962) удалось усовершенствовать планетарную модель атома Резерфорда и тем самым разрешить имеющиеся в ней противоречия. Для этого Бору потребовалось ввести два постулата, совершенно несовместимые с классической физикой:
1) из бесчисленного множества электронных орбит, возможных с точки зрения классической механики, осуществляются в действительности только некоторые дискретные круговые орбиты, удовлетворяющие определенным квантовым условиям. Электрон, находящийся на одной из этих орбит, несмотря на то, что он движется с ускорением, обусловленным изменением направления вектора скорости, не излучает электромагнитных волн (света);
2) излучение испускается или поглощается атомом в виде порции (кванта) энергии при переходе электрона из одного стационарного (устойчивого) состояния в другое, т. е. при переходе с одной стационарной орбиты на другую.
4. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРИРОДЕ: СИЛЬНОЕ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ И СЛАБОЕ
В настоящее время известны четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами кварками. Кварк, принадлежащий одному нуклону, переходит в другой нуклон, кварк которого в свою очередь переходит в первый нуклон. Этот обмен эквивалентен обмену между нуклонами виртуальной парой "кварк – антикварк", которую иногда называют пионом, и говорят, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядре осуществляется за счет обмена между ними виртуальными пионами. Виртуальными частицами называют такие частицы, экспериментально обнаружить которые в ходе обменного процесса невозможно. Сильное взаимодействие между нуклонами действует на расстоянии ~10 см, т. е. практически в пределах ядра. Энергия связи между нуклонами является чрезвычайно большой, например, для ядра гелия она равна 7,1 МэВ/нуклон, а для ядра цинка – 8,7 МэВ/нуклон. Это является причиной высокой устойчивости ядер.
Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Носителями электромагнитного взаимодействия являются виртуальные фотоны – кванты электромагнитного поля, которыми обмениваются заряды. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. Электромагнитное взаимодействие описывается фундаментальными законами электростатики и электродинамики: законом Кулона, законом Ампера, законом Фарадея – Максвелла и др. Его более общее описание дает электромагнитная теория Дж. Максвелла (1831–1879), основанная на фундаментальных уравнениях, связывающих электрическое и магнитное поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы – в молекулы. Различные агрегатные состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное, плазменное), явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электромагнитным.
Слабое взаимодействие несет ответственность за некоторые виды ядерных процессов. Слабое взаимодействие между частицами осуществляется посредством обмена так называемыми промежуточными бозонами. Оно простирается на расстояние ~10-10 см и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с современным уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.
5. ГРАВИТАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ
Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Гравитационным взаимодействием определяется падение тел в поле сил тяготения Земли. Законом всемирного тяготения описывается, например, движение планет Солнечной системы, а также других макрообъектов. Предполагается, что гравитационное взаимодействие обусловлено некими элементарными частицами – гравитонами, существование которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.
Гравитационное взаимодействие – самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях ~10 см оно дает чрезвычайно малые эффекты. Однако на ультрамалых расстояниях (~10 см) и при ультрабольших энергиях гравитация приобретает существенное значение. Здесь начинают проявляться необычные свойства физического вакуума. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.
От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц. Ядерные реакции, связанные с сильными взаимодействиями, происходят в течение 10-10 с. Приблизительно это тот кратчайший интервал времени, за который частица, ускоренная до высоких энергий, когда ее скорость близка к скорости света, пролетает расстояние ~10 см. Изменения, обусловленные электромагнитными взаимодействиями, осуществляются в течение 10-10 с, а слабыми (например, распад элементарных частиц) – в основном в течение 10 с. По времени различных превращений можно судить о силе связанных с ним взаимодействий.
6. ЗАКОНЫ НЬЮТОНА
В качестве первого закона Ньютон (1643–1727) принял закон инерции, открытый еще Г. Галилеем
(1564–1642): тело (материальная точка), не подверженное внешним воздействиям, либо находится в покое, либо движется прямолинейно и равномерно. Такое тело называется свободным, а его движение – свободным или движением по инерции. Первый закон Ньютона – Галилея фактически постулирует, что существует система отсчета, в которой все свободные тела движутся прямолинейно и равномерно. Такая система называется инерциальной системой отсчета. Под системой отсчета понимается совокупность тела отсчета, системы координат и часов.
Второй закон Ньютона: ускорение движущегося тела прямо пропорционально действующей на него силе, обратно пропорционально массе тела и направлено по прямой, по которой эта сила действует, т. е.