Η σύγχρονη φυσική του μικροκόσμου είναι το πιο σημαντικό πράγμα. Μικρόκοσμος: έννοιες της σύγχρονης φυσικής. Όλα τα στοιχειώδη σωματίδια εκτός από τα φωτόνια

ΎΛΗ ΣΤΟ ΜΙΚΡΟΚΟΣΜΟ

Σύμφωνα με τις σύγχρονες επιστημονικές απόψεις, όλα τα φυσικά αντικείμενα είναι ταξινομημένα, δομημένα, ιεραρχικά οργανωμένα συστήματα. Χρησιμοποιώντας μια συστημική προσέγγιση, η φυσική επιστήμη δεν προσδιορίζει απλώς τύπους υλικών συστημάτων, αλλά αποκαλύπτει τις συνδέσεις και τις σχέσεις τους. Υπάρχουν τρία επίπεδα της δομής της ύλης.

Macroworld- ο κόσμος των μακρο-αντικειμένων, η διάσταση του οποίου συσχετίζεται με κλίμακες ανθρώπινη εμπειρία; Οι χωρικές ποσότητες εκφράζονται σε χιλιοστά, εκατοστά και χιλιόμετρα, και ο χρόνος - σε δευτερόλεπτα, λεπτά, ώρες, χρόνια.

Μικρόκοσμος- ο κόσμος των εξαιρετικά μικρών, δεν είναι άμεσα παρατηρήσιμομικροαντικείμενα, των οποίων η χωρική διάσταση κυμαίνεται από 10 -8 έως 10 -16 cm και η διάρκεια ζωής - από άπειρο έως 10 -24 sec.

Megaworld- ο κόσμος είναι τεράστιος κοσμική κλίμακακαι οι ταχύτητες, η απόσταση στην οποία μετράται σε έτη φωτός και η διάρκεια ζωής των διαστημικών αντικειμένων μετράται σε εκατομμύρια και δισεκατομμύρια χρόνια.

Και παρόλο που αυτά τα επίπεδα έχουν τους δικούς τους συγκεκριμένους νόμους, οι μικρο-, οι μακρο- και οι μέγα-κόσμοι είναι στενά συνδεδεμένοι.

Μικρόκοσμος: έννοιες της σύγχρονης φυσικής

Κβαντομηχανική έννοια της περιγραφής του μικροκόσμου.Κατά τη μελέτη των μικροσωματιδίων, οι επιστήμονες αντιμετώπισαν μια παράδοξη κατάσταση, από την άποψη της κλασικής επιστήμης: τα ίδια αντικείμενα εμφάνιζαν και κυματικές και σωματικές ιδιότητες. Το πρώτο βήμα προς αυτή την κατεύθυνση έγινε από τον Γερμανό φυσικό Μ. Πλανκ (1858-1947).

Στη διαδικασία μελέτης της θερμικής ακτινοβολίας ενός «απόλυτα μαύρου» σώματος, ο M. Planck κατέληξε στο εκπληκτικό συμπέρασμα ότι στις διαδικασίες ακτινοβολίας η ενέργεια μπορεί να εκπέμπεται ή να απορροφάται όχι συνεχώς και όχι σε οποιεσδήποτε ποσότητες, αλλά μόνο σε ορισμένα αδιαίρετα μέρη - κβάντα. Το μέγεθος αυτών των μικρότερων μερών ενέργειας καθορίζεται μέσω του αριθμού των ταλαντώσεων του αντίστοιχου τύπου ακτινοβολίας και της καθολικής φυσικής σταθεράς, την οποία ο Μ. Πλανκ εισήγαγε στην επιστήμη με το σύμβολο η: Ε = υ , που αργότερα έγινε διάσημος (όπου γεια – κβάντο ενέργειας, στο – συχνότητα).

Ο Planck ανέφερε την προκύπτουσα φόρμουλα στις 19 Δεκεμβρίου 1900 σε μια συνεδρίαση της Φυσικής Εταιρείας του Βερολίνου. Στην ιστορία της φυσικής, αυτή η ημέρα θεωρείται η γενέθλια ημέρα της κβαντικής θεωρίας και όλη η ατομική φυσική σηματοδοτεί την αρχή μιας νέας εποχής της φυσικής επιστήμης.

Ο μεγάλος Γερμανός θεωρητικός φυσικός A. Einstein (1879-1955) μετέφερε το 1905 την ιδέα της κβαντοποίησης της ενέργειας κατά τη θερμική ακτινοβολία σε ακτινοβολία γενικάκαι έτσι τεκμηρίωσε το νέο δόγμα του φωτός. Η ιδέα του φωτός ως βροχής από ταχέως κινούμενα κβάντα ήταν εξαιρετικά τολμηρή, που λίγοι αρχικά πίστευαν ότι ήταν σωστή. Ο ίδιος ο Μ. Πλανκ δεν συμφωνούσε με την επέκταση της κβαντικής υπόθεσης στην κβαντική θεωρία του φωτός, ο οποίος απέδωσε τον κβαντικό τύπο του μόνοστους νόμους της θερμικής ακτινοβολίας ενός μαύρου σώματος που θεωρεί αυτός.

Α. Αϊνστάινπρότεινε ότι μιλάμε για ένα φυσικό μοτίβο Παγκόσμιοςχαρακτήρα, και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η σωματιδιακή δομή του φωτός πρέπει να αναγνωριστεί. Κβαντική θεωρία φωτόςΟ Α. Αϊνστάιν, υποστήριξε ότι το φως είναι ένα κυματικό φαινόμενο που διαδίδεται συνεχώς στο διάστημα. Και ταυτόχρονα, η φωτεινή ενέργεια έχει μια ασυνεχή δομή. Το φως μπορεί να θεωρηθεί ως ένα ρεύμα κβαντών φωτός ή φωτονίων. Η ενέργειά τους καθορίζεται από το στοιχειώδες κβάντο της δράσης Planck και τον αντίστοιχο αριθμό δονήσεων. Φως διαφορετικά χρώματααποτελείται από κβάντα φωτός διαφορετικών ενεργειών.

Κατέστη δυνατή η οπτικοποίηση του φαινομένου του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, η ουσία του οποίου είναι η εκτόξευση ηλεκτρονίων από μια ουσία υπό την επίδραση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Το φαινόμενο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου ανακαλύφθηκε στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα και το 1888-1890 το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο μελετήθηκε συστηματικά από τον Ρώσο φυσικό Alexander Grigorievich Stoletov. Εξωτερικά, το αποτέλεσμα εκδηλώθηκε στο γεγονός ότι όταν μια φωτεινή ροή πέφτει σε μια αρνητικά φορτισμένη μεταλλική πλάκα, ένα ηλεκτροσκόπιο που συνδέεται με την πλάκα δείχνει την παρουσία στιγμιαίου ηλεκτρικού ρεύματος. Ωστόσο, το ρεύμα ρέει μόνο μέσω ενός κλειστού κυκλώματος και το κύκλωμα «μεταλλική πλάκα – ηλεκτροσκόπιο» δεν είναι κλειστό. Ο Α. Αϊνστάιν έδειξε ότι ένα τέτοιο κλείσιμο κυκλώματος συμβαίνει μέσω μιας ροής ηλεκτρονίων που εκτινάσσονται από φωτόνια από την επιφάνεια της πλάκας.

Πειράματα έδειξαν ότι η παρουσία ή η απουσία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου καθορίζεται από τη συχνότητα του προσπίπτοντος κύματος. Αν υποθέσουμε ότι κάθε ηλεκτρόνιο εκτοξεύεται από ένα φωτόνιο, τότε γίνεται σαφές το εξής: το φαινόμενο συμβαίνει μόνο εάν η ενέργεια του φωτονίου και επομένως η συχνότητά του είναι αρκετά υψηλή ώστε να υπερνικήσει τις δυνάμεις δέσμευσης μεταξύ του ηλεκτρονίου και της ύλης.

Ρύζι. Διάγραμμα φωτοηλεκτρικού εφέ

Για αυτό το έργο, ο Αϊνστάιν έλαβε το Νόμπελ Φυσικής το 1922. Η θεωρία του επιβεβαιώθηκε στα πειράματα ενός Αμερικανού φυσικού R. E. Millikan(1868-1953). Ανακαλύφθηκε το 1923 από έναν Αμερικανό φυσικό A. H. Compton(1892-1962) το φαινόμενο (φαινόμενο Compton), το οποίο παρατηρείται όταν άτομα με ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτίθενται σε πολύ σκληρές ακτίνες Χ, επιβεβαίωσε ξανά την κβαντική θεωρία του φωτός.

Προέκυψε μια παράδοξη κατάσταση: ανακαλύφθηκε ότι το φως συμπεριφέρεται όχι μόνο ως κύμα, αλλά και ως ροή σωματιδίων. Σε πειράματα για περίθλασηΚαι παρέμβασητου κύμαιδιότητες και πότε φωτοηλεκτρικό φαινόμενο - αιμοσφαιρικός. Το κύριο χαρακτηριστικό της διακριτικότητας του (το εγγενές μέρος της ενέργειας του) υπολογίστηκε μέσω ενός αμιγώς κυματικού χαρακτηριστικού - συχνότητας y (E = hy). Έτσι, ανακαλύφθηκε ότι για να περιγράψει χωράφιααπαραίτητη όχι μόνο συνεχής, αλλά και σωματιδιακήμια προσέγγιση.

Η ιδέα των προσεγγίσεων στη μελέτη της ύλης δεν παρέμεινε αμετάβλητη: το 1924, ο Γάλλος φυσικός Louis de Broglie(1892-1987) πρότεινε την ιδέα των κυματικών ιδιοτήτων της ύλης, την ανάγκη χρήσης κυμάτων και σωματικών εννοιών όχι μόνο στη θεωρία του φωτός, αλλά και στην θεωρία της ύλης. Αυτό ισχυρίστηκε ιδιότητες κυμάτων, μαζί με το σωματιδιακό, ισχύει για όλους τους τύπους ύλης: ηλεκτρόνια, πρωτόνια, άτομα, μόρια ακόμη και μακροσκοπικά σώματα. Σύμφωνα με τον de Broglie, κάθε σώμα με μάζα Τ , κινείται με ταχύτητα v , αντιστοιχεί στο κύμα

Στην πραγματικότητα, μια παρόμοια φόρμουλα ήταν γνωστή νωρίτερα, αλλά μόνοσε σχέση με τα ελαφρά κβάντα - φωτόνια.

Το 1926 ο Αυστριακός φυσικός Ε. Σρέντινγκερ(1887-1961), βρήκε μια μαθηματική εξίσωση που καθορίζει τη συμπεριφορά των κυμάτων της ύλης, τη λεγόμενη εξίσωση Schrödinger. Άγγλος φυσικός P. Dirac(1902-1984) το συνόψισε. Η τολμηρή σκέψη του L. de Broglie για τον παγκόσμιο «δυϊσμό» των σωματιδίων και των κυμάτων κατέστησε δυνατή την κατασκευή μιας θεωρίας με τη βοήθεια της οποίας ήταν δυνατό να καλυφθεί ιδιότητες της ύλης και του φωτός στην ενότητά τους.

Η πιο πειστική απόδειξη ότι ο De Broglie είχε δίκιο ήταν η ανακάλυψη της περίθλασης ηλεκτρονίων από Αμερικανούς φυσικούς το 1927 K. Davisson και L. Germer. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν πειράματα για την ανίχνευση της περίθλασης νετρονίων, ατόμων, ακόμη και μορίων. Ακόμη πιο σημαντική ήταν η ανακάλυψη νέων στοιχειωδών σωματιδίων που είχαν προβλεφθεί με βάση ένα σύστημα τύπων ανεπτυγμένης κυματομηχανικής.

Έτσι, για αντικατάσταση δύο διαφορετικάπροσεγγίσεις στη μελέτη δύο διαφορετικών μορφών ύλης: σωματιδιακής και κυματικής - ήρθε μονόκλινοπροσέγγιση – δυϊσμός κύματος-σωματιδίου. Ομολογία δυαδικότητα κύματος-σωματιδίουέχει γίνει καθολική στη σύγχρονη φυσική: κάθε υλικό αντικείμενο χαρακτηρίζεται από την παρουσία τόσο σωματικών όσο και κυματικών ιδιοτήτων.

Η κβαντομηχανική περιγραφή του μικροκόσμου βασίζεται σε σχέση αβεβαιότητας, που ιδρύθηκε από έναν Γερμανό φυσικό W. Heisenberg(1901-76), και αρχή της συμπληρωματικότηταςΔανός φυσικός Ν. Μπόρα(1885-1962),.

Η ουσία σχέσεις αβεβαιότητας V. Heisenberg είναι αυτό είναι αδύνατο να προσδιοριστούν εξίσου με ακρίβεια τα συμπληρωματικά χαρακτηριστικά ενός μικροσωματιδίου, για παράδειγμα, οι συντεταγμένες του σωματιδίου και η ορμή του (ορμή). Εάν εκτελεστεί ένα πείραμα που δείχνει ακριβώς πού βρίσκεται το σωματίδιο σε μια δεδομένη στιγμή, τότε η κίνηση διακόπτεται σε τέτοιο βαθμό που το σωματίδιο δεν μπορεί να βρεθεί μετά από αυτό. Και, αντίθετα, με μια ακριβή μέτρηση της ταχύτητας είναι αδύνατο να προσδιοριστεί η θέση του σωματιδίου.

Από την άποψη της κλασικής μηχανικής, η σχέση αβεβαιότητας φαίνεται παράλογη. Ωστόσο, εμείς οι άνθρωποι ζούμε σε έναν μακρόκοσμο και, καταρχήν, Δεν μπορούμε να οικοδομήσουμε ένα οπτικό μοντέλο που θα ήταν κατάλληλο για τον μικρόκοσμο.Η σχέση αβεβαιότητας είναι έκφραση της αδυναμίας παρατήρησης του μικροκόσμου χωρίς να τον διαταράξεις. Στο σωματική περιγραφήΗ μέτρηση πραγματοποιείται για να ληφθεί μια ακριβής τιμή ενέργεια και το μέγεθος της κίνησης των μικροσωματιδίων, για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια της σκέδασης ηλεκτρονίων. Σε πειράματα με στόχο ακριβής προσδιορισμός θέσης, αντίθετα, χρησιμοποιείται εξήγηση κύματος, ιδιαίτερα όταν τα ηλεκτρόνια διέρχονται από λεπτές πλάκες ή όταν παρατηρούν την εκτροπή των ακτίνων.

Μια θεμελιώδης αρχή της κβαντικής μηχανικής είναι επίσης αρχή της συμπληρωματικότητας, σε ποιον N. Borέδωσε την ακόλουθη διατύπωση: «Οι έννοιες των σωματιδίων και των κυμάτων αλληλοσυμπληρώνονται και ταυτόχρονα έρχονται σε αντίθεση μεταξύ τους, είναι συμπληρωματικές εικόνες αυτού που συμβαίνει».

Ετσι, τα σωματίδια και τα κυματομορφά πρέπει να αλληλοσυμπληρώνονται, δηλ. να είναι συμπληρωματικές.Μόνο λαμβάνοντας υπόψη και τις δύο πτυχές, μπορείτε να αποκτήσετε μια συνολική εικόνα του μικροκόσμου. Υπάρχουν δύο κατηγορίες συσκευών: σε μερικές, τα κβαντικά αντικείμενα συμπεριφέρονται σαν κύματα, σε άλλα σαν σωματίδια. Μ. Γεννημένος(1882-1970) σημείωσε ότι τα κύματα και τα σωματίδια είναι «προβολές» της φυσικής πραγματικότητας στην πειραματική κατάσταση.

Ατομιστική έννοια της δομής της ύλης.Ατομική υπόθεση της δομής της ύλης που διατυπώθηκε στην αρχαιότητα Δημόκριτος, αναβίωσε τον 18ο αιώνα. χημικός J. Dalton.Στη φυσική, η έννοια των ατόμων ως των τελευταίων αδιαίρετων δομικών στοιχείων της ύλης προήλθε από τη χημεία.

Πράγματι φυσική έρευνατα άτομα ξεκινούν στα τέλη του 19ου αιώνα, όταν ο Γάλλος φυσικός A. A. Becquerel(1852 – 1908) ανακαλύφθηκε το φαινόμενο της ραδιενέργειας. Η μελέτη της ραδιενέργειας συνεχίστηκε από Γάλλους φυσικούς και συζύγους Π. Κιουρί(1859-1906) και M. Sklodowska-Curie(1867-1934), ο οποίος ανακάλυψε τα νέα ραδιενεργά στοιχεία πολώνιο και ράδιο.

Ιστορικό της μελέτης ατομική δομήξεκίνησε το 1895 χάρη στην ανακάλυψη ενός Άγγλου φυσικού J. J. Thomson(1856 – 1940)ηλεκτρον. Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια έχουν αρνητικό φορτίο και το άτομο ως σύνολο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, έγινε μια υπόθεση για την παρουσία ενός θετικά φορτισμένου σωματιδίου. Η μάζα του ηλεκτρονίου υπολογίστηκε ότι είναι το 1/1836 της μάζας ενός θετικά φορτισμένου σωματιδίου.

Με βάση μια τέτοια μάζα θετικά φορτισμένου σωματιδίου, ο Άγγλος φυσικός W. Thomson(1824 – 1907, από το 1892 Λόρδος Κέλβιν), πρότεινε το πρώτο μοντέλο του ατόμου το 1902: ένα θετικό φορτίο κατανέμεται σε μια αρκετά μεγάλη περιοχή και τα ηλεκτρόνια παρεμβάλλονται μαζί του, όπως «σταφίδες σε πουτίγκα». Ωστόσο, αυτό το μοντέλο δεν μπόρεσε να αντισταθεί στις πειραματικές δοκιμές.

Το 1908 Ε. ΜάρσντενΚαι X. GeigΕ., υπάλληλοι του Άγγλου φυσικού E. Rutherford, πραγματοποίησαν πειράματα σχετικά με τη διέλευση σωματιδίων άλφα από λεπτές μεταλλικές πλάκες και διαπίστωσαν ότι σχεδόν όλα τα σωματίδια περνούν μέσα από την πλάκα σαν να μην υπήρχε εμπόδιο, και μόνο το 1/10.000 από αυτά παρουσιάζουν ισχυρή εκτροπή . Ε. Ράδερφορντ(1871-1937) κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι χτυπούσαν κάποιου είδους εμπόδιο. που είναι ένας θετικά φορτισμένος πυρήνας ενός ατόμου, το μέγεθος του οποίου (10 -12 cm) είναι πολύ μικρό σε σύγκριση με το μέγεθος ενός ατόμου (10 -8 cm), αλλά η μάζα του ατόμου είναι σχεδόν πλήρως συγκεντρωμένη σε αυτόν.

Το ατομικό μοντέλο που προτάθηκε από τον E. Rutherford στο 1911έμοιαζε με το ηλιακό σύστημα: στο κέντρο υπάρχει ένας ατομικός πυρήνας και γύρω του τα ηλεκτρόνια κινούνται στις τροχιές τους. Μια ανεπίλυτη αντίφασηαυτό το μοντέλο ήταν ότι τα ηλεκτρόνια, για να μην χάσουν τη σταθερότητά τους, πρέπει κίνησηγύρω από τον πυρήνα. Ταυτόχρονα, τα κινούμενα ηλεκτρόνια, σύμφωνα με τους νόμους της ηλεκτροδυναμικής, πρέπει ακτινοβολώηλεκτρομαγνητική ενέργεια. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρόνια έχασαν πολύ γρήγορα όλη τους την ενέργεια και θα έπεφτε στον πυρήνα.

Η επόμενη αντίφαση σχετίζεται με το γεγονός ότι το φάσμα εκπομπής ενός ηλεκτρονίου πρέπει να είναι συνεχές, αφού το ηλεκτρόνιο, πλησιάζοντας τον πυρήνα, θα άλλαζε τη συχνότητά του. Ωστόσο, τα άτομα εκπέμπουν φως μόνο σε ορισμένες συχνότητες. Το πλανητικό μοντέλο του ατόμου του Ράδερφορντ αποδείχθηκε ασύμβατο με την ηλεκτροδυναμική του J. C. Maxwell.

Το 1913 ο μεγάλος Δανός φυσικός N. Borδιατύπωσε μια υπόθεση της δομής του ατόμου, βασισμένη σε δύο αξιώματα, εντελώς ασύμβατα με την κλασική φυσική, και βασισμένη στην αρχή της κβαντοποίησης:

1) σε κάθε άτομο υπάρχουν πολλά σταθερές τροχιέςηλεκτρόνια, που κινούνται κατά μήκος των οποίων μπορεί να υπάρχει ένα ηλεκτρόνιο, δεν ακτινοβολεί?

2) πότε μετάβασηηλεκτρόνιο από μια σταθερή τροχιά σε ένα άλλο άτομο εκπέμπει ή απορροφά ένα μέρος της ενέργειας.

Τα αξιώματα του Bohr εξηγούν σταθερότητα των ατόμων: τα ηλεκτρόνια σε ακίνητες καταστάσεις δεν εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ενέργεια χωρίς εξωτερικό λόγο. Εξήγησε και γραμμικά φάσματα ατόμων: Κάθε γραμμή του φάσματος αντιστοιχεί στη μετάβαση ενός ηλεκτρονίου από τη μια κατάσταση στην άλλη.

Η θεωρία του ατόμου του N. Bohr κατέστησε δυνατή την ακριβή περιγραφή του ατόμου του υδρογόνου, που αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, η οποία συμφωνούσε αρκετά καλά με τα πειραματικά δεδομένα. Η περαιτέρω επέκταση της θεωρίας στα άτομα πολλών ηλεκτρονίων συνάντησε ανυπέρβλητες δυσκολίες. Το μήκος κύματος ενός κινούμενου ηλεκτρονίου είναι περίπου 10 -8 cm, δηλ. είναι της ίδιας τάξης με το μέγεθος ενός ατόμου. Αλλά η κίνηση ενός σωματιδίου που ανήκει σε οποιοδήποτε σύστημα μπορεί να περιγραφεί με επαρκή βαθμό ακρίβειας ως η μηχανική κίνηση ενός υλικού σημείου κατά μήκος μιας ορισμένης τροχιάς μόνο εάν το μήκος κύματος του σωματιδίου αμελητέοςσε σύγκριση με το μέγεθος του συστήματος.

Κατά συνέπεια, είναι θεμελιωδώς αδύνατο να περιγραφεί με ακρίβεια η δομή ενός ατόμου με βάση την ιδέα των τροχιών των σημειακών ηλεκτρονίων, καθώς τέτοιες τροχιές στην πραγματικότητα δεν υπάρχουν. Λόγω της κυματικής φύσης τους, τα ηλεκτρόνια και τα φορτία τους αλείφονται, σαν να ήταν, σε όλο το άτομο, αλλά όχι ομοιόμορφα, αλλά με τέτοιο τρόπο ώστε σε ορισμένα σημεία η μέση χρονική πυκνότητα φορτίου ηλεκτρονίων να είναι μεγαλύτερη και σε άλλα να είναι μικρότερη. .

Η θεωρία του N. Bohr αντιπροσωπεύει, λες, το όριο του πρώτου σταδίου στην ανάπτυξη της σύγχρονης φυσικής. Αυτή είναι η πιο πρόσφατη προσπάθεια περιγραφής της δομής του ατόμου με βάση την κλασική φυσική, συμπληρωμένη με μόνο έναν μικρό αριθμό νέων υποθέσεων. Οι διεργασίες στο άτομο, κατ' αρχήν, δεν μπορούν να αναπαρασταθούν οπτικά με τη μορφή μηχανικών μοντέλων κατ' αναλογία με γεγονότα στον μακρόκοσμο. Ακόμη και οι έννοιες του χώρου και του χρόνου με τη μορφή που υπάρχουν στον μακρόκοσμο αποδείχθηκαν ακατάλληλες για την περιγραφή μικροφυσικών φαινομένων.

Τα στοιχειώδη σωματίδια και το μοντέλο κουάρκ του ατόμου.Η περαιτέρω ανάπτυξη των ιδεών του ατομισμού συνδέθηκε με τη μελέτη των στοιχειωδών σωματιδίων. Ορος "στοιχειώδες σωματίδιο"αρχικά σήμαινε τα απλούστερα, περαιτέρω αδιάσπαστα σωματίδια που βρίσκονται κάτω από οποιονδήποτε υλικό σχηματισμό. Έχει πλέον διαπιστωθεί ότι τα σωματίδια έχουν τη μια ή την άλλη δομή, ωστόσο, το ιστορικά καθιερωμένο όνομα συνεχίζει να υπάρχει. Επί του παρόντος, έχουν ανακαλυφθεί περισσότερα από 350 μικροσωματίδια.

Τα κύρια χαρακτηριστικάΤα στοιχειώδη σωματίδια είναι η μάζα, το φορτίο, η μέση διάρκεια ζωής, το σπιν και οι κβαντικοί αριθμοί.

Υπόλοιπη μάζα στοιχειωδών σωματιδίωνπροσδιορίζεται σε σχέση με τη μάζα ηρεμίας του ηλεκτρονίου. Υπάρχουν στοιχειώδη σωματίδια που δεν έχουν μάζα ηρεμίας - φωτόνια. Τα υπόλοιπα σωματίδια σύμφωνα με αυτό το κριτήριο χωρίζονται σε λεπτόνια- σωματίδια φωτός (ηλεκτρόνιο και νετρίνο). μεσόνια- μεσαία σωματίδια με μάζα που κυμαίνεται από μία έως χίλιες μάζες ηλεκτρονίων. βαρυόνια- βαριά σωματίδια των οποίων η μάζα υπερβαίνει τις χίλιες μάζες ηλεκτρονίων και περιλαμβάνει πρωτόνια, νετρόνια, υπερόνια και πολλούς συντονισμούς.

Ηλεκτρικό φορτίο.Όλα τα γνωστά σωματίδια έχουν θετικό, αρνητικό ή μηδενικό φορτίο. Κάθε σωματίδιο, εκτός από το φωτόνιο και τα δύο μεσόνια, αντιστοιχεί σε αντισωματίδια με αντίθετα φορτία. Πιστεύεται ότι τα κουάρκ είναι σωματίδια με κλασματικόςηλεκτρικό φορτίο.

Κατά τη διάρκεια ζωήςτα σωματίδια χωρίζονται σε σταθερός(φωτόνιο, δύο τύποι νετρίνων, ηλεκτρόνιο και πρωτόνιο) και ασταθής. Είναι τα σταθερά σωματίδια που παίζουν τον πιο σημαντικό ρόλο στη δομή των μακροσωμάτων. Όλα τα άλλα σωματίδια είναι ασταθή, υπάρχουν για περίπου 10 -10 - 10 -24 s, μετά από τα οποία διασπώνται. Στοιχειώδη σωματίδια με μέση διάρκεια ζωής 10 -23 - 10 -22 sec. που ονομάζεται αντηχήσεις,τα οποία διασπώνται πριν καν φύγουν από το άτομο ή τον ατομικό πυρήνα. Επομένως, δεν είναι δυνατός ο εντοπισμός τους σε πραγματικά πειράματα.

Εννοια "πίσω",που δεν έχει ανάλογα στην κλασική φυσική, δηλώνουν την εγγενή γωνιακή ορμή ενός μικροσωματιδίου.

"Κβαντικοί αριθμοί"εκφράζουν διακριτές καταστάσεις στοιχειωδών σωματιδίων, για παράδειγμα, τη θέση ενός ηλεκτρονίου σε μια συγκεκριμένη τροχιά ηλεκτρονίων, μαγνητική ροπή κ.λπ.

Όλα τα στοιχειώδη σωματίδια χωρίζονται σε δύο κατηγορίες - φερμιόνια(πήρε το όνομα από Ε. Φέρμι) Και μποζόνια(πήρε το όνομα από S. Bose). Τα φερμιόνια αποτελούν ουσία,τα μποζόνια φέρουν ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ,εκείνοι. είναι κβάντα πεδίου. Συγκεκριμένα, τα φερμιόνια περιλαμβάνουν τα κουάρκ και τα λεπτόνια και τα μποζόνια περιλαμβάνουν τα κβάντα πεδίου (φωτόνια, διανυσματικά μποζόνια, γκλουόνια, γραβιτίνο και γκραβιτόνια). Αυτά τα σωματίδια εξετάζονται πραγματικά στοιχειώδεςεκείνοι. περαιτέρω αδιάσπαστη. Τα υπόλοιπα σωματίδια ταξινομούνται ως υπό όρους στοιχειώδες,εκείνοι. σύνθετα σωματίδια που σχηματίζονται από κουάρκ και αντίστοιχα κβάντα πεδίου.

Τα στοιχειώδη σωματίδια συμμετέχουν σε όλους τους τύπους γνωστών αλληλεπιδράσεων. Υπάρχουν τέσσερις τύποι θεμελιώδεις αλληλεπιδράσειςστη φύση.

Ισχυρή αλληλεπίδρασηεμφανίζεται στο επίπεδο των ατομικών πυρήνων και αντιπροσωπεύει την αμοιβαία έλξη και απώθηση των συστατικών τους μερών. Δρα σε απόσταση της τάξης των 10 -13 cm Υπό ορισμένες συνθήκες, η ισχυρή αλληλεπίδραση δεσμεύει τα σωματίδια πολύ σφιχτά, με αποτέλεσμα να σχηματίζονται συστήματα υλικών με υψηλή δεσμευτική ενέργεια - ατομικοί πυρήνες. Αυτός είναι ο λόγος που οι πυρήνες των ατόμων είναι πολύ σταθεροί και δύσκολο να καταστραφούν.

Ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδρασηπερίπου χίλιες φορές πιο αδύναμο από ένα ισχυρό, αλλά πολύ μεγαλύτερο. Αυτός ο τύπος αλληλεπίδρασης είναι χαρακτηριστικός των ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων. Ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης είναι ένα φωτόνιο που δεν έχει φορτίο - ένα κβάντο του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Στη διαδικασία της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης, τα ηλεκτρόνια και οι ατομικοί πυρήνες συνδυάζονται σε άτομα και τα άτομα σε μόρια. Κατά μία έννοια, αυτή η αλληλεπίδραση είναι ειδίκευση στη χημεία και τη βιολογία.

Αδύναμη αλληλεπίδρασηπιθανώς μεταξύ διαφορετικών σωματιδίων. Εκτείνεται σε μια απόσταση της τάξης των 10 -13 - 10 -22 cm και σχετίζεται κυρίως με τη διάσπαση των σωματιδίων, για παράδειγμα, με τη μετατροπή ενός νετρονίου σε πρωτόνιο, ηλεκτρόνιο και αντινετρίνο που εμφανίζονται στον ατομικό πυρήνα. Σύμφωνα με την τρέχουσα κατάσταση της γνώσης, τα περισσότερα σωματίδια είναι ασταθή ακριβώς λόγω της ασθενούς αλληλεπίδρασης.

Βαρυτική αλληλεπίδραση- το πιο αδύναμο, που δεν λαμβάνεται υπόψη στη θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων, αφού σε χαρακτηριστικές αποστάσεις της τάξης των 10 -13 cm δίνει εξαιρετικά μικρά αποτελέσματα. Ωστόσο, στις εξαιρετικά μικρόαποστάσεις (περίπου 10 -33 εκ.) και σε εξαιρετικά μεγάλοενέργειες, η βαρύτητα αποκτά και πάλι σημαντική σημασία. Εδώ αρχίζουν να εμφανίζονται οι ασυνήθιστες ιδιότητες του φυσικού κενού. Τα υπερβαριά εικονικά σωματίδια δημιουργούν ένα αξιοσημείωτο βαρυτικό πεδίο γύρω τους, το οποίο αρχίζει να παραμορφώνει τη γεωμετρία του διαστήματος. Σε κοσμική κλίμακα, η βαρυτική αλληλεπίδραση είναι κρίσιμη. Το εύρος δράσης του δεν είναι περιορισμένο.

Τραπέζι Θεμελιώδεις Αλληλεπιδράσεις

Και οι τέσσερις αλληλεπιδράσεις αναγκαία και επαρκήνα οικοδομήσουμε έναν διαφορετικό κόσμο. Χωρίς ισχυρές αλληλεπιδράσειςατομικοί πυρήνες δεν θα υπήρχαν και τα αστέρια και ο Ήλιος δεν θα μπορούσαν να παράγουν θερμότητα και φως χρησιμοποιώντας την ενέργεια της σαύρας. Χωρίς ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσειςΔεν θα υπήρχαν άτομα, μόρια, μακροσκοπικά αντικείμενα και θερμότητα ή φως. Χωρίς αδύναμες αλληλεπιδράσειςΟι πυρηνικές αντιδράσεις δεν θα ήταν δυνατές στα βάθη του Ήλιου και των αστεριών, δεν θα συνέβαιναν εκρήξεις σουπερνόβα και τα βαριά στοιχεία που είναι απαραίτητα για τη ζωή δεν θα μπορούσαν να εξαπλωθούν σε όλο το Σύμπαν. Χωρίς βαρυτική αλληλεπίδρασηΤο Σύμπαν δεν θα μπορούσε να εξελιχθεί, αφού η βαρύτητα είναι ένας ενοποιητικός παράγοντας που διασφαλίζει την ενότητα του Σύμπαντος στο σύνολό του και την εξέλιξή του.

Η σύγχρονη φυσική έχει καταλήξει στο συμπέρασμα ότι και οι τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις μπορούν να ληφθούν από μία θεμελιώδη αλληλεπίδραση - υπερδυνάμεις. Το πιο εντυπωσιακό επίτευγμα ήταν η απόδειξη ότι σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (ή ενέργειες) και οι τέσσερις δυνάμεις συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένας.

Σε ενέργεια 100 GeV (100 δισεκατομμύρια ηλεκτρον βολτ), συνδυάζονται ηλεκτρομαγνητικές και ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Αυτή η θερμοκρασία αντιστοιχεί στη θερμοκρασία του Σύμπαντος 10 -10 s μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Σε ενέργεια 10 15 GeV, τα ενώνει μια ισχυρή αλληλεπίδραση και σε ενέργεια 10 19 GeV, συνδυάζονται και οι τέσσερις αλληλεπιδράσεις.

Η πρόοδος στην έρευνα σωματιδίων έχει συμβάλει σε περαιτέρω ανάπτυξη της έννοιας του ατομισμού. Επί του παρόντος, πιστεύεται ότι μεταξύ των πολλών στοιχειωδών σωματιδίων, διακρίνονται 12 θεμελιώδη σωματίδια και ο ίδιος αριθμός αντισωματιδίων. Έξι σωματίδια είναι κουάρκμε εξωτικά ονόματα «πάνω», «κάτω», «μαγεμένο», «παράξενο», «αληθινό», «γοητευτικό». Τα υπόλοιπα έξι είναι λεπτόνια: ηλεκτρόνιο, μιόνιο, σωματίδιο ταυ και τα αντίστοιχα νετρίνα τους (ηλεκτρόνιο, μιόνιο, ταυ νετρίνο).

Αυτά τα 12 σωματίδια ομαδοποιούνται σε τρεις γενιές, καθένα από τα οποία αποτελείται από τέσσερα μέλη.

Το πρώτο περιέχει «άνω» και «κάτω» κουάρκ, ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο ηλεκτρονίων.

Το δεύτερο περιέχει «γοητεία» και «παράξενα» κουάρκ, ένα μιόνιο και ένα νετρίνο μιονίων.

Στο τρίτο - "αληθινά" και "υπέροχα" κουάρκ και σωματίδια ταυ με τα νετρίνα τους.

Όλη η συνηθισμένη ύλη αποτελείται από σωματίδια πρώτης γενιάς.Υποτίθεται ότι οι υπόλοιπες γενιές μπορούν να δημιουργηθούν τεχνητά σε επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων.

Με βάση το μοντέλο κουάρκ, οι φυσικοί έχουν αναπτύξει μια σύγχρονη λύση στο πρόβλημα δομή των ατόμων.

Κάθε άτομο αποτελείται από βαρύς πυρήνας(ισχυρά δεσμευμένο από τα πεδία γλουονίων των πρωτονίων και των νετρονίων) και νέφος ηλεκτρονίων. Ένα πρωτόνιο έχει θετικό ηλεκτρικό φορτίο, ένα νετρόνιο έχει μηδενικό φορτίο. Ένα πρωτόνιο αποτελείται από δύο «επάνω» κουάρκ και ένα «κάτω» κουάρκ, και ένα νετρόνιο αποτελείται από ένα «πάνω» και δύο «κάτω» κουάρκ. Μοιάζουν με ένα σύννεφο με θολά όρια, που αποτελείται από εικονικά σωματίδια που εμφανίζονται και εξαφανίζονται.

Υπάρχουν ακόμα ερωτήματα σχετικά με την προέλευση των κουάρκ και των λεπτονίων, εάν είναι τα βασικά «δομικά στοιχεία» της φύσης και πόσο θεμελιώδη είναι; Απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα αναζητούνται στη σύγχρονη κοσμολογία. Μεγάλη σημασία έχει η μελέτη της γέννησης στοιχειωδών σωματιδίων από το κενό, η κατασκευή μοντέλων πρωτογενούς πυρηνικής σύντηξης που προκάλεσαν ορισμένα σωματίδια τη στιγμή της γέννησης του Σύμπαντος.

Ερωτήσεις για αυτοέλεγχο

1. Ποια είναι η ουσία μιας συστηματικής προσέγγισης της δομής της ύλης;

2. Αποκαλύψτε τη σχέση μεταξύ του μικροκόσμου, του μακρο και του μέγα κόσμου.

3. Ποιες ιδέες για την ύλη και το πεδίο ως είδη ύλης αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της κλασικής φυσικής;

4. Τι σημαίνει η έννοια του «κβαντικού»; Πείτε μας για τα κύρια στάδια στην ανάπτυξη ιδεών για τα κβάντα.

5. Τι σημαίνει η έννοια της «δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου»; Ποια είναι η σημασία της αρχής της συμπληρωματικότητας του N. Bohr στην περιγραφή της φυσικής πραγματικότητας του μικροκόσμου;

6. Ποια είναι η δομή του ατόμου από τη σκοπιά της σύγχρονης φυσικής;

8. Να χαρακτηρίσετε τις ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων.

9. Επισημάνετε τα κύρια δομικά επίπεδα οργάνωσης της ύλης στον μικρόκοσμο και αποκαλύψτε τη σχέση τους.

10. Ποιες ιδέες για το χώρο και το χρόνο υπήρχαν στην προ-νευτώνεια περίοδο;

11. Πώς έχουν αλλάξει οι ιδέες για το χώρο και το χρόνο με τη δημιουργία μιας ηλιοκεντρικής εικόνας του κόσμου;

12. Πώς ερμήνευσε ο I. Newton τον χρόνο και τον χώρο;

13. Ποιες ιδέες για το χώρο και τον χρόνο έγιναν καθοριστικές στη θεωρία της σχετικότητας του Α. Αϊνστάιν;

14. Τι είναι το χωροχρονικό συνεχές;

15. Επεκτείνετε τις σύγχρονες μετρικές και τοπολογικές ιδιότητες του χώρου και του χρόνου.

Επιτακτικός:

Τα φυσικά σώματα γύρω μας, ακόμα και τα ίδια, είναι τελικά διακριτά. Συχνά λέμε: «μοιάζουν όσο δύο σταγόνες νερό», αν και είμαστε σίγουροι ότι δύο σταγόνες νερό, όσο όμοιες κι αν είναι, μπορούν να διακριθούν. Αλλά σε σχέση με τα ηλεκτρόνια, η λέξη "ομοιότητα" δεν είναι κατάλληλη. Εδώ μιλάμε για πλήρη ταυτότητα.

Κάθε μπάλα από ένα σωρό εντελώς πανομοιότυπων έχει ακόμα κάτι δικό της - τουλάχιστον τη θέση που κατέχει η μπάλα ανάμεσα στις υπόλοιπες. Είναι διαφορετικά με τα ηλεκτρόνια. Σε ένα σύστημα πολλών ηλεκτρονίων, είναι αδύνατο να ξεχωρίσουμε μόνο ένα: η συμπεριφορά του καθενός δεν διαφέρει από τα άλλα. Κάτι ανάλογο συμβαίνει και στον κόσμο μας. Για παράδειγμα, δύο κύματα με το ίδιο μήκος, πλάτος και φάση είναι τόσο πανομοιότυπα που αφού υπερτεθούν, είναι εντελώς άσκοπο να ρωτάμε πού είναι το ένα και πού είναι το άλλο. Ή φανταστείτε ανεμοστρόβιλους που ορμούν ο ένας προς τον άλλο. Μετά τη σύγκρουσή τους, μπορεί να σχηματιστούν νέες δίνες και είναι αδύνατο να προσδιοριστεί ποια από τις «νεογέννητες» δίνες προέκυψε από την πρώτη και ποια από τη δεύτερη.

Αποδεικνύεται ότι ο χαρακτήρας του ηλεκτρονίου δεν θυμίζει περισσότερο ένα φυσικό σώμα, αλλά μια διαδικασία. Για παράδειγμα, κινήσεις κυμάτων. Ωστόσο, για διάφορους λόγους, που θα συζητηθούν παρακάτω, είναι αδύνατο να φανταστούμε ένα ηλεκτρόνιο μόνο ως κύμα.

Κεφάλια και ουρές

Τι είναι τελικά ένα ηλεκτρόνιο; Πριν απαντήσουμε σε αυτήν την ερώτηση, ας θυμηθούμε πρώτα το συναρπαστικό παιχνίδι «heads and tails». Γεγονός είναι ότι η έννοια της πιθανότητας, η οποία είναι πολύ σημαντική για εμάς στο μέλλον, προκύπτει από την ανάλυση του τζόγου.

Πέτα ένα νόμισμα δέκα, είκοσι, εκατοντάδες φορές. Επαναλάβετε μια σειρά από εκατό βολές πολλές φορές. Θα παρατηρήσετε ότι ο αριθμός των κεφαλιών και των ουρών θα είναι σχεδόν ακριβώς ίδιος σε όλες (ή σχεδόν σε όλες) τις σειρές. Αυτό σημαίνει ότι έχουμε να κάνουμε με ένα συγκεκριμένο μοτίβο. Γνωρίζοντας το, μπορείτε να υπολογίσετε την πιθανότητα του τι μπορεί να συμβεί ή να μην συμβεί. Ας πούμε ότι κέρδισε το λαχείο.

Τι σχέση όμως έχουν όλα αυτά με τον μικρόκοσμο; Το πιο άμεσο. Το αντικείμενο μελέτης της μηχανικής είναι η πιθανότητα διάφορων γεγονότων, για παράδειγμα, η πιθανότητα εμφάνισης φλας σε ένα ή άλλο μέρος στην οθόνη.

Δεδομένου ότι είναι η πιθανότητα πού και πότε μπορεί να συμβεί κάτι, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε την κατανομή τους στο χώρο και στο χρόνο. Η κβαντομηχανική μελετά τέτοιες κατανομές (οι φυσικοί τις ονομάζουν κυματικές συναρτήσεις).

Τι είναι ασθένεια;

Ίσως θα έχετε αμφιβολίες: πώς μπορούν τα μη φυσικά σώματα να αποτελέσουν αντικείμενο έρευνας στη φυσική; Ωστόσο, να θυμάστε ότι το αντικείμενο, για παράδειγμα, της κοινωνιολογίας ή της οικονομίας είναι η κοινωνία ή ορισμένες κοινωνικές σχέσεις που δεν μπορούν να ονομαστούν αντικείμενα. Και το αντικείμενο μιας τέτοιας επιστήμης όπως η ιατρική είναι η ασθένεια. Όχι μικρόβια ή ανθρώπους, αλλά ασθένεια, δηλαδή παραβίαση των φυσιολογικών λειτουργιών του ανθρώπινου σώματος. Αυτό επίσης δεν είναι αντικείμενο. Όσον αφορά την κλασική μηχανική, τα αντικείμενά της - υλικά σημεία - δεν μπορούν να θεωρηθούν πραγματικά αντικείμενα, επειδή δεν διαθέτουν ολόκληρο το σύνολο των ιδιοτήτων που είναι εγγενείς στα φυσικά σώματα (για παράδειγμα, χρώμα, γεύση, οσμή). Αυτό είναι μόνο μια εξιδανίκευση του φυσικού σώματος, ενός αντικειμένου. Είναι αλήθεια ότι εδώ δεν είναι δύσκολο να δούμε την αντιστοιχία μεταξύ αυτού που μελετά η επιστήμη και αυτού που υπάρχει στον κόσμο γύρω μας: η μηχανική μελετά υλικά σημεία που αντιστοιχούν σε φυσικά σώματα στον εξωτερικό κόσμο.

Τι αντιστοιχεί όμως στα αντικείμενα του μικροκόσμου: άτομα, ατομικοί πυρήνες, καθώς και ηλεκτρόνια και άλλα στοιχειώδη σωματίδια; Αποδεικνύεται ότι δεν πρόκειται για φυσικά σώματα, ούτε για σβώλους ύλης διασκορπισμένα με κάποιο τρόπο στο διάστημα, αλλά για ορισμένες πιθανολογικές συνδέσεις μεταξύ φαινομένων. Ο μικρόκοσμος δεν είναι ένας νέος κόσμος με αντικείμενα εκπληκτικά στις ιδιότητές τους, αλλά ένας κόσμος νέων, άγνωστων προηγουμένως συνδέσεων μεταξύ φυσικών φαινομένων.

Όχι το γράμμα, αλλά το νόημα

Και πάλι, ένα εύλογο ερώτημα: υπάρχουν συνδέσεις μεταξύ φαινομένων έξω από τα φυσικά σώματα; Φυσικά και όχι. Οι συνδέσεις μεταξύ των φαινομένων εμφανίζονται και υπάρχουν μόνο στα ίδια τα φαινόμενα και δεν μπορούν να υπάρχουν ως κάτι ξεχωριστό. Μπορείς όμως να τα μελετήσεις χωρίς να αποσπαστείς από τα φαινόμενα. Αυτό ακριβώς κάνει με επιτυχία η κβαντομηχανική. Τα φαινόμενα που μελετά συμβαίνουν με τα πιο συνηθισμένα σώματα - οθόνες, μετρητές. Ωστόσο, αυτά τα σώματα δεν εμφανίζονται στη θεωρία. Οι συνδέσεις μεταξύ των φαινομένων που μελετά η κβαντομηχανική είναι τόσο περίπλοκες που πρέπει να καταφύγουμε σε αφηρημένες έννοιες (όπως η κυματική συνάρτηση, η κατανομή πιθανοτήτων κ.λπ.)

Είναι νόμιμες τέτοιες αφαιρέσεις; Είναι δυνατόν να μιλάμε για αντικειμενική ύπαρξη συνδέσεων μεταξύ των φαινομένων, θεωρώντας τα σαν ανεξάρτητα από τα φαινόμενα; Ναι, το κάνουμε πολύ συχνά. Ας θυμηθούμε ότι μπορούμε να μιλήσουμε για τα περιεχόμενα ενός βιβλίου χωρίς να μας ενδιαφέρουν καθόλου οι ιδιότητες του μελανιού εκτύπωσης και του χαρτιού στο οποίο τυπώνεται. Απλώς, σε αυτήν την περίπτωση, αυτό που έχει σημασία δεν είναι πώς τυπώνονται τα γράμματα, ούτε το σχήμα αυτών των γραμμάτων, αλλά η μεταξύ τους σύνδεση.

Τι συμβαίνει στον μικρόκοσμο;

Όπως ήδη αναφέρθηκε, τα στοιχειώδη σωματίδια μοιάζουν περισσότερο όχι με αντικείμενα, αλλά με φυσικές διεργασίες και φαινόμενα. Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τη μοναδικότητα του μικροκόσμου. Κάθε αντικείμενο έχει έναν ορισμένο βαθμό μονιμότητας. μπορεί να θεωρηθεί αμετάβλητο, έστω και για περιορισμένο χρονικό διάστημα. Οι διαδικασίες και τα φαινόμενα είναι εντελώς διαφορετική υπόθεση. Για παράδειγμα, τα κύματα προστίθενται συνεχώς μεταξύ τους (παρεμβαίνουν) και αλλάζουν το σχήμα τους. κατά τη διάρκεια οποιασδήποτε αλληλεπίδρασης με ξένα σώματα ή άλλα κύματα, η εμφάνισή τους δεν παραμένει αμετάβλητη. Κάτι παρόμοιο συμβαίνει και με τα μικροαντικείμενα.

Ας κάνουμε ένα πείραμα σκέψης

Αφήστε δύο ηλεκτρόνια να πέσουν στον στόχο. Αφού συγκρούονται με αυτό, αναπηδούν προς διαφορετικές κατευθύνσεις. Εάν μετρήσετε την ώθηση που βίωσε ο στόχος, τότε μπορείτε, χρησιμοποιώντας το νόμο της διατήρησης της ορμής, να προσδιορίσετε την ποσότητα των ηλεκτρονίων μετά την ανάκαμψη. Ας περιμένουμε μέχρι τα ηλεκτρόνια να διασκορπιστούν σε αρκετά μεγάλη απόσταση και να μετρήσουμε την ορμή ενός από αυτά. Έτσι, αφού είναι γνωστό το άθροισμα της ροπής, προσδιορίζεται και η ορμή του δεύτερου ηλεκτρονίου. Τώρα προσέξτε - αυτό είναι πολύ σημαντικό! - ότι η κατάσταση στην οποία η ορμή του ηλεκτρονίου έχει μια ορισμένη τιμή, και η κατάσταση χωρίς μια ορισμένη τιμή της ώθησης, είναι, από την άποψη της κβαντικής μηχανικής, διαφορετικές καταστάσεις. Αποδεικνύεται ότι όταν επενεργεί ένα ηλεκτρόνιο (και όταν μετράται η ορμή, είναι αδύνατο να μην δράσει σε ένα σωματίδιο), η κατάσταση ενός άλλου ηλεκτρονίου αλλάζει ταυτόχρονα;

Τηλεπάθεια στα ηλεκτρόνια;

Αυτό δεν μπορεί να είναι αλήθεια! Πράγματι: τελικά, τα ηλεκτρόνια είναι μακριά το ένα από το άλλο και δεν αλληλεπιδρούν. Πώς η δράση στο ένα από αυτά αλλάζει την κατάσταση του άλλου; Πώς να μην σκεφτεί κανείς ότι εδώ έχουμε να κάνουμε με τη μεταφορά της επιρροής από το ένα σώμα στο άλλο με σχεδόν υπερφυσικό τρόπο, δηλαδή με κάτι σαν τηλεπάθεια στα ηλεκτρόνια.

Μπορεί, ωστόσο, να αμφιβάλλει κανείς ότι η κατάσταση του δεύτερου ηλεκτρονίου έχει πράγματι αλλάξει ενώ βρίσκουμε την ορμή του πρώτου.

Εξάλλου, και τα δύο ηλεκτρόνια είχαν συγκεκριμένες ροπές ακόμη και πριν αρχίσουμε να μετράμε. Ως αποτέλεσμα, μάθαμε μόνο την ορμή του δεύτερου ηλεκτρονίου, αλλά δεν αλλάξαμε την κατάστασή του με κανέναν τρόπο.

Με την πρώτη ματιά, αυτά τα επιχειρήματα είναι αρκετά λογικά. Αλίμονο, η κβαντομηχανική βασίζεται σε μια ειδική λογική. Όπως υποστηρίζει, πριν από το πείραμα μέτρησης της ορμής του πρώτου ηλεκτρονίου, και τα δύο ηλεκτρόνια δεν είχαν καθόλου συγκεκριμένη ορμή.

Για να καταλάβουμε τι συμβαίνει, ας θέσουμε μια φαινομενικά παράλογη ερώτηση: υπήρχε καθένα από τα ηλεκτρόνια ξεχωριστά; Υπήρχε δηλαδή ένα σύστημα δύο ηλεκτρονίων, αλλά αποτελούταν από μεμονωμένα ηλεκτρόνια;

Αυτή η ερώτηση δεν είναι καθόλου τόσο ανούσια όσο φαίνεται αρχικά. Ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο στην κβαντομηχανική περιγράφεται από μια ξεχωριστή κατανομή πιθανοτήτων. Σε αυτή την περίπτωση, μπορούμε να πούμε ότι το ηλεκτρόνιο έχει τέτοια και τέτοια πιθανότητα να βρίσκεται σε ένα δεδομένο μέρος και άλλη πιθανότητα να βρίσκεται σε κάποιο άλλο μέρος. Το ίδιο μπορεί να ειπωθεί για την ορμή, την ενέργεια και άλλες παραμέτρους του σωματιδίου.

Οι πιθανότητες που χαρακτηρίζουν ένα ηλεκτρόνιο αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου, ανεξάρτητα από το τι συμβαίνει με άλλα ηλεκτρόνια (εκτός αν αλληλεπιδρά μαζί τους). Μόνο σε αυτή την περίπτωση μπορούμε να πούμε ότι υπάρχει ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο, και όχι το σύστημά τους ως ενιαίο σύνολο που δεν καταρρέει. Αλλά με τα ηλεκτρόνια στο πείραμά μας (ο αναγνώστης θα πρέπει να δεχτεί το λόγο μου) η κατάσταση είναι διαφορετική.

Τα ηλεκτρόνια εμφανίζονται και εξαφανίζονται

Στην κατανομή πιθανοτήτων που περιγράφει συστήματα μετά την ανάκαμψη των ηλεκτρονίων μας από τον στόχο, είναι αδύνατο να εντοπιστούν ανεξάρτητα μέρη που θα αντιστοιχούσαν σε μεμονωμένα ηλεκτρόνια. Ωστόσο, μετά τη δημιουργία ενός πειράματος για τη μέτρηση της ορμής, προκύπτει μια εντελώς διαφορετική κατάσταση. Με βάση τα αποτελέσματα των δεδομένων που ελήφθησαν, μπορεί να σχεδιαστεί μια νέα κατανομή πιθανοτήτων, η οποία χωρίζεται σε δύο ανεξάρτητα μέρη, έτσι ώστε το καθένα να μπορεί να θεωρηθεί ως ξεχωριστό ηλεκτρόνιο.

Αυτό εξαλείφει το παράδοξο της «ηλεκτρονικής τηλεπάθειας». Η κατάσταση του δεύτερου ηλεκτρονίου δεν αλλάζει καθόλου ως αποτέλεσμα της μέτρησης που πραγματοποιήθηκε στο πρώτο ηλεκτρόνιο: τελικά, αυτά τα ηλεκτρόνια απλά δεν υπήρχαν πριν από το πείραμα. Το να μιλάμε για την εμφάνιση και την εξαφάνιση ηλεκτρονίων ακούγεται παράλογο αν θεωρήσουμε τα ηλεκτρόνια ως φυσικά σώματα, αλλά είναι αρκετά συνεπής με την ιδέα ότι είναι κατανομές πιθανοτήτων που δεν έχουν τη σταθερότητα των φυσικών σωμάτων και αλλάζουν από εμπειρία σε εμπειρία.

Πώς να καθίσετε ηλεκτρόνιο

Και όμως δεν είναι τόσο εύκολο να αρνηθεί κανείς να θεωρήσει το ηλεκτρόνιο ως ένα συνηθισμένο σώμα. Στην πραγματικότητα, οι φυσικοί μετρούν τη θέση του ηλεκτρονίου, την ορμή του και την ενέργειά του. Αυτές οι ποσότητες χαρακτηρίζουν επίσης την κατάσταση των συνηθισμένων φυσικών σωμάτων. Και αν ναι, τότε σημαίνει ότι από κάποια άποψη είναι ακόμα δυνατό να χαρακτηριστεί ένα ηλεκτρόνιο με τις ίδιες ιδιότητες με ένα φυσικό σώμα, για παράδειγμα, από τη θέση στο διάστημα;

Δυστυχώς όχι. Γιατί πώς να το κάνουμε αυτό; Η θέση ενός ηλεκτρονίου στο διάστημα μπορεί να προσδιοριστεί, για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας ένα σπινθηριστικό πλέγμα. Είναι επικαλυμμένο με μια ειδική ουσία που παράγει μια λάμψη όταν ένα ηλεκτρόνιο χτυπά την οθόνη. Η εμφάνιση μιας λάμψης ερμηνεύεται ως η είδηση ότι το ηλεκτρόνιο βρίσκεται εκεί εκείνη τη στιγμή. Ωστόσο, σε αντίθεση με τα συνηθισμένα φυσικά σώματα, το ηλεκτρόνιο, από τη σκοπιά ενός φυσικού, δεν έχει καθορισμένη θέση τόσο πριν όσο και μετά την αναλαμπή. Επιπλέον, όσο δεν υπάρχει οθόνη, είναι αδύνατο να μιλήσουμε για τη θέση του ηλεκτρονίου σε ένα ορισμένο σημείο του χώρου: από την κβαντομηχανική προκύπτει ότι ελλείψει οθόνης, το ηλεκτρόνιο περιγράφεται από μια κυματική συνάρτηση ". αλείφεται» σε μεγάλη έκταση. Η εμφάνιση της οθόνης αλλάζει απότομα την κατάσταση του ηλεκτρονίου. Ως αποτέλεσμα, η κυματική συνάρτηση συστέλλεται αμέσως σε ένα σημείο, στο οποίο εμφανίζεται η έκλαμψη.

Figaro εδώ, Figaro εκεί...

Αυτή η συστολή ονομάζεται «μείωση πακέτων κυμάτων». Μόνο ως αποτέλεσμα της αναγωγής το ηλεκτρόνιο περνά σε μια νέα κατάσταση, στην οποία για μια στιγμή αποκτά μια ορισμένη θέση στο χώρο. Την επόμενη στιγμή, το πακέτο κυμάτων εξαπλώνεται ξανά και το ηλεκτρόνιο και πάλι δεν έχει καθορισμένη θέση.

Το ίδιο (με ασήμαντες διαφορές για εμάς τώρα) μπορούμε να πούμε και για άλλες παραμέτρους (π.χ. ορμή, ενέργεια, γωνιακή ορμή). Έτσι, όλες οι κλασικές παράμετροι δεν χαρακτηρίζουν το ίδιο το ηλεκτρόνιο, αλλά μόνο τη διαδικασία της αλληλεπίδρασής του με τη συσκευή μέτρησης. Εμφανίζονται στο ηλεκτρόνιο μόνο τη στιγμή της μέτρησης ως αποτέλεσμα της μείωσης του πακέτου κύματος. Το ίδιο το ηλεκτρόνιο (και επομένως η συμπεριφορά του) χαρακτηρίζεται μόνο από πιθανολογικές ιδιότητες που είναι γραμμένες στην κυματική συνάρτηση. Έτσι, σε ένα πείραμα με ένα ηλεκτρόνιο να χτυπά μια οθόνη, η πιθανότητα μιας λάμψης ήταν μη μηδενική σε όλα τα σημεία σε μια συγκεκριμένη περιοχή του χώρου, αυτή η πιθανότητα μπορούσε να υπολογιστεί εκ των προτέρων και δεν εξαρτιόταν από το αν η οθόνη ήταν εκεί ή όχι.

Πιο γρήγορα από το φως

Μια καταπληκτική διαδικασία είναι η μείωση του κυματοειδούς πακέτου. Εξαιτίας αυτού, το ηλεκτρόνιο και άλλα σωματίδια του μικροκόσμου δεν μπορούν να αναπαρασταθούν ως κυματική κίνηση σε οποιοδήποτε φυσικό πεδίο. Το γεγονός είναι ότι αυτή η μείωση (για παράδειγμα, στο παραπάνω παράδειγμα, συστολή της κυματικής συνάρτησης σε ένα σημείο της οθόνης) συμβαίνει αμέσως. Έτσι, η αναγωγή ενός πακέτου κύματος δεν μπορεί να είναι μια φυσική διεργασία N που εμφανίζεται σε οποιοδήποτε πεδίο. Οι στιγμιαίες ενέργειες σε απόσταση έρχονται σε αντίθεση με τις θεμελιώδεις υποθέσεις που διέπουν τη θεωρία πεδίου. Είναι γνωστό, για παράδειγμα, ότι οποιαδήποτε μεταφορά ενέργειας (και πληροφοριών) σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο συμβαίνει με την ταχύτητα του φωτός. Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, η ταχύτητα του φωτός είναι η μέγιστη ταχύτητα μετάδοσης φυσικών επιδράσεων (και μηνυμάτων) στον κόσμο μας.

Ωστόσο, η μείωση του πακέτου κυμάτων δεν έχει τίποτα το μυστηριώδες στον πυρήνα της. Σίγουρα ο καθένας από εσάς το έχει συναντήσει στην καθημερινότητά του. Ας υποθέσουμε ότι αγοράσατε ένα λαχείο. Έχετε μια συγκεκριμένη πιθανότητα να κερδίσετε σε αυτό το δελτίο, ας πούμε. Η πολύ μικρή πιθανότητα να συμβεί αυτό μετατρέπεται αμέσως είτε στο μηδέν είτε στο ένα όταν μερικές στροφές του τροχού κλήρωσης αποφασίζουν το ζήτημα με τον έναν ή τον άλλον τρόπο.

Σημειώστε ότι, σε γενικές γραμμές, αυτό γίνεται ξεκάθαρο ακόμη και πριν μάθετε τα αποτελέσματα της κλήρωσης. Υπάρχει μια στιγμιαία μείωση της κατανομής πιθανοτήτων, που συμβαίνει τη στιγμή του σχεδίου και δεν σχετίζεται με τη μετάδοση οποιασδήποτε ενέργειας στο διάστημα.

60% ζωντανοί και 40% νεκροί

Η κβαντομηχανική διακρίνει αυστηρά τα γεγονότα που έχουν ήδη συμβεί και τα γεγονότα που προβλέπονται από τη θεωρία. Περιγράφονται μάλιστα με διαφορετικούς τρόπους: ο πρώτος - από την άποψη της κλασικής φυσικής, και για τον δεύτερο, χρησιμοποιείται μια κβαντομηχανική περιγραφή, δηλαδή η γλώσσα των κατανομών πιθανοτήτων. Αυτή η περίσταση οδηγεί σε ενδιαφέρουσες παρεξηγήσεις.

Φανταστείτε ότι ένας πύραυλος στέλνεται στο διάστημα με κάποιο ζώο, για παράδειγμα. Ο πύραυλος έχει μια ηλεκτρονική συσκευή που ανάβει αυτόματα μια συγκεκριμένη στιγμή και απελευθερώνει ένα ηλεκτρόνιο. Αυτό το ηλεκτρόνιο, που ανακλάται από τον στόχο, χτυπά την οθόνη και αν χτυπήσει στο δεξί, ας πούμε, το μισό, τότε ενεργοποιείται ένας εκρηκτικός μηχανισμός, ο οποίος καταστρέφει τη γάτα, αλλά αν χτυπήσει στο αριστερό μισό της οθόνης, δεν συμβαίνει τίποτα και η γάτα επιστρέφει στη Γη ζωντανή και αβλαβής. Το τι πραγματικά συνέβη μπορεί να μαθευτεί μόνο αφού επιστρέψει ο πύραυλος και είναι δυνατό να ανοίξει το δοχείο με τη γάτα. Ας δούμε τι μπορεί να πει η κβαντομηχανική για την τύχη της γάτας πριν ανοίξει το περιεχόμενο του δοχείου.

Το συμπέρασμά του θα ήταν κάπως έτσι: η κατάσταση της γάτας θα ήταν μια υπέρθεση των ζωντανών και νεκρών καταστάσεων, με τη γάτα να είναι, ας πούμε, 60 τοις εκατό ζωντανή και 40 τοις εκατό νεκρή.

Πού είναι το λάθος μας;

Με την πρώτη ματιά, μια τέτοια πρόβλεψη φαίνεται εντελώς γελοία. Πράγματι, για τι είδους υπέρθεση ζώντων και νεκρών μπορούμε να μιλήσουμε; Πώς μπορείς να ζήσεις στο 60 τοις εκατό και μπορείς να είσαι νεκρός στο 40 τοις εκατό; Η πρόβλεψη θα φαίνεται ακόμα πιο περίεργη μετά το άνοιγμα του δοχείου. Εκεί βέβαια θα βρουν είτε μια ζωντανή γάτα είτε τα υπολείμματά της και όχι κάποιο ενδιάμεσο αποτέλεσμα.

Με βάση παρόμοιο σκεπτικό, ο Ούγγρος φυσικός και φιλόσοφος L. Janosi καταλήγει στο συμπέρασμα ότι η κβαντομηχανική δεν περιγράφει σωστά τι συμβαίνει στην πραγματικότητα.

Όχι για να λέμε περιουσίες, αλλά για να μετράμε

Αλλά ο Janosi δεν λαμβάνει υπόψη μια σημαντική περίσταση. Η κβαντομηχανική δεν προσποιείται ότι περιγράφει με ακρίβεια αυτό που συμβαίνει. μιλάει μόνο για τα συμπεράσματα που προκύπτουν από γεγονότα που είναι ήδη γνωστά με βεβαιότητα. Στο πείραμα της φανταστικής γάτας, το μόνο που γνωρίζουμε είναι ότι μια συγκεκριμένη στιγμή ενεργοποιείται μια συγκεκριμένη ηλεκτρονική συσκευή. Είναι αδύνατο να εξαχθεί ένα συμπέρασμα με βάση αυτό για τα γεγονότα που θα ακολουθήσουν στη συνέχεια. μπορεί κανείς μόνο να προβλέψει τις πιθανότητες πιθανών αποτελεσμάτων. Αυτό κάνει η κβαντομηχανική. Στην περίπτωσή μας, οι προβλέψεις της έχουν το εξής νόημα: η γάτα έχει 60 στις 100 πιθανότητες να μείνει ζωντανή.

Αυτό είναι το μόνο που μπορεί να ειπωθεί εκ των προτέρων χωρίς να ανοίξει το επιστρεφόμενο δοχείο. Για άλλη μια φορά, το καθήκον της κβαντικής μηχανικής δεν είναι να προβλέψει την αλληλουχία των γεγονότων που συμβαίνουν στην πραγματικότητα, αλλά απλώς να βρει πώς αλλάζουν οι πιθανότητες αυτών των γεγονότων με την πάροδο του χρόνου.

Δεν είναι εύκολο - γιατί είναι ασυνήθιστο

Ο μικρόκοσμος κρύβει πολλά καταπληκτικά πράγματα. Ο ίδιος είναι ασυνήθιστος, οι νόμοι του είναι ασυνήθιστοι. Αυτό ακριβώς εξηγεί την πολυπλοκότητα της κβαντικής μηχανικής - μεγάλο μέρος της είναι δύσκολο να γίνει κατανοητό χρησιμοποιώντας συμβατικές έννοιες. Δεν υπάρχει τίποτα που πρέπει να γίνει: όσο πιο βαθιά κατανοεί ένας άνθρωπος τη φύση, τόσο πιο περίπλοκα μοτίβα ανακαλύπτει. Και τότε πρέπει να απορρίψετε τις συνήθεις ιδέες σας. Είναι δύσκολο. Αλλά δεν υπάρχει άλλος τρόπος.

Μια σύντομη ιστορία της μελέτης των στοιχειωδών σωματιδίων

Το πρώτο στοιχειώδες σωματίδιο που ανακαλύφθηκε από τους επιστήμονες ήταν το ηλεκτρόνιο. Το ηλεκτρόνιο είναι ένα στοιχειώδες σωματίδιο που φέρει αρνητικό φορτίο. Ανακαλύφθηκε το 1897 από τον J. J. Thomson. Αργότερα, το 1919, ο E. Rutherford ανακάλυψε ότι μεταξύ των σωματιδίων που εκτοξεύτηκαν από τους ατομικούς πυρήνες υπήρχαν πρωτόνια. Στη συνέχεια ανακαλύφθηκαν τα νετρόνια και τα νετρίνα.

Το 1932, ο Κ. Άντερσον, ενώ μελετούσε τις κοσμικές ακτίνες, ανακάλυψε τα ποζιτρόνια, τα μιόνια και τα Κ-μεσόνια.

Από τις αρχές της δεκαετίας του '50, οι επιταχυντές έχουν γίνει το κύριο εργαλείο για τη μελέτη στοιχειωδών σωματιδίων, γεγονός που κατέστησε δυνατή την ανακάλυψη μεγάλου αριθμού νέων σωματιδίων. Η έρευνα έχει δείξει ότι ο κόσμος των στοιχειωδών σωματιδίων είναι πολύ περίπλοκος και οι ιδιότητές τους είναι απροσδόκητες και απρόβλεπτες.

Τα στοιχειώδη σωματίδια στη φυσική του μικροκόσμου

Ορισμός 1

Με στενή έννοια, τα στοιχειώδη σωματίδια είναι σωματίδια που δεν αποτελούνται από άλλα σωματίδια. Όμως, στη σύγχρονη φυσική χρησιμοποιείται μια ευρύτερη κατανόηση αυτού του όρου. Έτσι, τα στοιχειώδη σωματίδια είναι τα μικρότερα σωματίδια ύλης που δεν είναι άτομα και ατομικοί πυρήνες. Η εξαίρεση σε αυτόν τον κανόνα είναι το πρωτόνιο. Γι' αυτό τα στοιχειώδη σωματίδια ονομάζονται υποπυρηνικά σωματίδια. Το κυρίαρχο μέρος αυτών των σωματιδίων είναι σύνθετα συστήματα.

Τα στοιχειώδη σωματίδια συμμετέχουν σε όλους τους θεμελιώδεις τύπους αλληλεπίδρασης - ισχυρά, βαρυτικά, αδύναμα, ηλεκτρομαγνητικά. Η βαρυτική αλληλεπίδραση, λόγω των μικρών μαζών των στοιχειωδών σωματιδίων, συχνά δεν λαμβάνεται υπόψη. Όλα τα υπάρχοντα στοιχειώδη σωματίδια χωρίζονται σε τρεις μεγάλες ομάδες:

μποζόνια. Αυτά είναι στοιχειώδη σωματίδια που φέρουν ηλεκτροασθενείς αλληλεπιδράσεις. Αυτά περιλαμβάνουν ένα κβάντο ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, ένα φωτόνιο, το οποίο έχει μάζα ηρεμίας ίση με μηδέν, που καθορίζει ότι η ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο κενό είναι η μέγιστη ταχύτητα διάδοσης της φυσικής επιρροής. Η ταχύτητα του φωτός είναι μία από τις θεμελιώδεις φυσικές σταθερές, η τιμή της είναι 299.792.458 m/s.
λεπτόνια. Αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια συμμετέχουν σε ηλεκτρομαγνητικές και ασθενείς αλληλεπιδράσεις. Αυτή τη στιγμή υπάρχουν 6 λεπτόνια: ηλεκτρόνιο, μιόνιο, νετρίνο μιονίου, νετρίνο ηλεκτρονίων, βαρύ τ-λεπτόνιο και το αντίστοιχο νετρίνο. Όλα τα λεπτόνια έχουν σπιν ½. Κάθε λεπτόνιο αντιστοιχεί σε ένα αντισωματίδιο, το οποίο έχει την ίδια μάζα, το ίδιο σπιν και άλλα χαρακτηριστικά, αλλά διαφέρει ως προς το πρόσημο του ηλεκτρικού φορτίου. Υπάρχουν ένα ποζιτρόνιο, το οποίο είναι το αντισωματίδιο ενός ηλεκτρονίου, ένα μιόνιο, το οποίο είναι θετικά φορτισμένο και τρία αντινετρίνα, τα οποία έχουν φορτίο λεπτονίων.
αδρόνια. Αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια συμμετέχουν σε ισχυρές, ασθενείς και ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις. Τα αδρόνια είναι βαριά σωματίδια των οποίων η μάζα είναι 200.000 φορές μεγαλύτερη από αυτή ενός ηλεκτρονίου. Αυτή είναι η μεγαλύτερη ομάδα στοιχειωδών σωματιδίων. Τα αδρόνια, με τη σειρά τους, χωρίζονται σε βαρυόνια - στοιχειώδη σωματίδια με σπιν ½ και μεσόνια με σπιν ακέραιου αριθμού. Επιπλέον, υπάρχουν οι λεγόμενοι συντονισμοί. Αυτό είναι το όνομα που δίνεται στις βραχύβιες διεγερμένες καταστάσεις των αδρονίων.

Ιδιότητες στοιχειωδών σωματιδίων

Κάθε στοιχειώδες σωματίδιο έχει ένα σύνολο διακριτών τιμών και κβαντικών αριθμών. Τα κοινά χαρακτηριστικά όλων των στοιχειωδών σωματιδίων είναι τα ακόλουθα:

βάρος
Διάρκεια Ζωής
ηλεκτρικό φορτίο

Σημείωση 1

Σύμφωνα με τη διάρκεια ζωής τους, τα στοιχειώδη σωματίδια είναι σταθερά, σχεδόν σταθερά και ασταθή.

Σταθερά στοιχειώδη σωματίδια είναι: ηλεκτρόνιο, του οποίου η διάρκεια ζωής είναι 51021 χρόνια, πρωτόνιο - περισσότερα από 1031 χρόνια, φωτόνιο, νετρίνο.

Quasistable είναι τα σωματίδια που διασπώνται ως αποτέλεσμα ηλεκτρομαγνητικών και ασθενών αλληλεπιδράσεων, η διάρκεια ζωής των οιονεί σταθερών στοιχειωδών σωματιδίων είναι μεγαλύτερη από 10-20 s.

Τα ασταθή στοιχειώδη σωματίδια (συντονισμοί) διασπώνται κατά τη διάρκεια ισχυρών αλληλεπιδράσεων και η διάρκεια ζωής τους είναι $10^(-22) – 10^(-24)$ s.

Οι κβαντικοί αριθμοί των στοιχειωδών σωματιδίων είναι φορτία λεπτονίου και βαρυονίου. Αυτοί οι αριθμοί είναι αυστηρά σταθερές τιμές για όλους τους τύπους θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων. Για τα λεπτόνια νετρίνα και τα αντισωματίδια τους, τα φορτία λεπτονίων έχουν αντίθετα πρόσημα. Για τα βαρυόνια, το φορτίο βαρυονίου είναι 1 για τα αντίστοιχα αντισωματίδια τους, το φορτίο βαρυονίου είναι -1.

Χαρακτηριστικό των αδρονίων είναι η παρουσία ειδικών κβαντικών αριθμών: «παράξενο», «ομορφιά», «γοητεία». Τα κοινά αδρόνια είναι το νετρόνιο, το πρωτόνιο και το π-μεσόνιο.

Μέσα σε διαφορετικές ομάδες αδρονίων, υπάρχουν οικογένειες σωματιδίων που έχουν παρόμοιες μάζες και παρόμοιες ιδιότητες όσον αφορά την ισχυρή αλληλεπίδραση, αλλά διαφέρουν ως προς το ηλεκτρικό φορτίο. Ένα παράδειγμα αυτού είναι το πρωτόνιο και το νετρόνιο.

Η ικανότητα των στοιχειωδών σωματιδίων να υφίστανται αμοιβαίους μετασχηματισμούς, που συμβαίνουν ως αποτέλεσμα ηλεκτρομαγνητικών και άλλων θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων, είναι η σημαντικότερη ιδιότητά τους. Αυτός ο τύπος αμοιβαίου μετασχηματισμού είναι η γέννηση ενός ζεύγους, δηλαδή ο σχηματισμός ενός σωματιδίου και ενός αντισωματιδίου ταυτόχρονα. Στη γενική περίπτωση, σχηματίζεται ένα ζεύγος στοιχειωδών σωματιδίων με αντίθετα βαρυονικά και λεπτονικά φορτία.

Ο σχηματισμός ζευγών ποζιτρονίων-ηλεκτρονίων και ζευγών μιονίων είναι δυνατός. Ένας άλλος τύπος αμοιβαίου μετασχηματισμού στοιχειωδών σωματιδίων είναι ο αφανισμός ενός ζεύγους ως αποτέλεσμα της σύγκρουσης σωματιδίων με το σχηματισμό ενός πεπερασμένου αριθμού φωτονίων. Κατά κανόνα, ο σχηματισμός δύο φωτονίων συμβαίνει με ένα συνολικό σπιν συγκρουόμενων σωματιδίων ίσο με μηδέν, και τρία φωτόνια με ολικό σπιν ίσο με 1. Αυτό το παράδειγμα είναι μια εκδήλωση του νόμου της διατήρησης της ισοτιμίας φορτίου.

Υπό ορισμένες προϋποθέσεις, είναι δυνατός ο σχηματισμός ενός δεσμευμένου συστήματος ποζιτρονίου e-e+ και μουονίου μ+e-. Αυτή η συνθήκη μπορεί να είναι η χαμηλή ταχύτητα των συγκρουόμενων σωματιδίων. Τέτοια ασταθή συστήματα ονομάζονται υδρογόνα άτομα. Η διάρκεια ζωής των ατόμων που μοιάζουν με υδρογόνο εξαρτάται από τις ειδικές ιδιότητες της ουσίας. Αυτό το χαρακτηριστικό καθιστά δυνατή τη χρήση τους στην πυρηνική χημεία για μια λεπτομερή μελέτη της συμπυκνωμένης ύλης και για τη μελέτη της κινητικής των γρήγορων χημικών αντιδράσεων.

Κβαντική οπτική. Φυσική του μικροκόσμου. Μοριακή φυσική.

Θερμική ακτινοβολία- ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με συνεχές φάσμα, που εκπέμπεται από θερμαινόμενα σώματα λόγω της θερμικής τους ενέργειας.

ΠαράδειγμαΗ θερμική ακτινοβολία είναι φως από μια λάμπα πυρακτώσεως.

Η ισχύς της θερμικής ακτινοβολίας ενός αντικειμένου που πληροί τα κριτήρια ενός απόλυτου μαύρου σώματος περιγράφεται από Νόμος Stefan-Boltzmann.

Περιγράφεται η σχέση μεταξύ των εκπεμπτικών και απορροφητικών ικανοτήτων των σωμάτων Ο νόμος της ακτινοβολίας του Kirchhoff.

Η θερμική ακτινοβολία είναι ένας από τους τρεις βασικούς τύπους μεταφοράς θερμικής ενέργειας.

Η ακτινοβολία ισορροπίας είναι η θερμική ακτινοβολία που βρίσκεται σε θερμοδυναμική ισορροπία με την ύλη.

Τα κύρια ποσοτικά χαρακτηριστικά της θερμικής ακτινοβολίας είναι:
- ενεργειακή φωτεινότητα είναι η ποσότητα ενέργειας της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε ολόκληρο το εύρος των μηκών κύματος της θερμικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ένα σώμα προς όλες τις κατευθύνσεις από μια μονάδα επιφάνειας ανά μονάδα χρόνου: R = E/(S t), [J/(m 2 s)] = [W /m 2 ] Η ενεργειακή φωτεινότητα εξαρτάται από τη φύση του σώματος, τη θερμοκρασία του σώματος, την κατάσταση της επιφάνειας του σώματος και το μήκος κύματος της ακτινοβολίας.
- πυκνότητα φασματικής φωτεινότητας - ενεργειακή φωτεινότητα σώματος για δεδομένα μήκη κύματος (λ + dλ) σε δεδομένη θερμοκρασία (T + dT): R λ, T = f(λ, T).
Η ενεργειακή φωτεινότητα ενός σώματος εντός ορισμένων μηκών κύματος υπολογίζεται ολοκληρώνοντας τα R λ, T = f(λ, T) για T = const:

συντελεστής απορροφήσεως- ο λόγος της ενέργειας που απορροφάται από το σώμα προς την προσπίπτουσα ενέργεια. Έτσι, εάν η ακτινοβολία από μια ροή dΦ inc πέφτει σε ένα σώμα, τότε ένα μέρος της ανακλάται από την επιφάνεια του σώματος - dΦ neg, το άλλο μέρος περνά στο σώμα και μετατρέπεται εν μέρει σε θερμότητα dΦ abs, και το τρίτο μέρος, μετά από αρκετές εσωτερικές αντανακλάσεις, περνά μέσα από το σώμα προς τα έξω dΦ inc : α = dΦ abs./dF κάτω.

Νόμος Stefan-Boltzmann- ο νόμος της ακτινοβολίας μαύρου σώματος. Προσδιορίζει την εξάρτηση της ισχύος ακτινοβολίας ενός απόλυτα μαύρου σώματος από τη θερμοκρασία του. Δήλωση νόμου:

πού είναι ο βαθμός μαύρης (για όλες τις ουσίες, για ένα απολύτως μαύρο σώμα). Χρησιμοποιώντας το νόμο του Planck για την ακτινοβολία, η σταθερά μπορεί να οριστεί ως

όπου είναι η σταθερά του Planck, είναι η σταθερά του Boltzmann και είναι η ταχύτητα του φωτός.

Αριθμητική τιμή J s −1 m −2 K −4.

Ο νόμος ανακαλύφθηκε ανεξάρτητα από τους J. Stefan και L. Boltzmann με την υπόθεση ότι η πυκνότητα ενέργειας της ακτινοβολίας είναι ανάλογη της πίεσής της. Επιβεβαιώθηκε από τον Leo Graetz το 1880.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ο νόμος μιλά μόνο για τη συνολική ενέργεια που εκπέμπεται. Η κατανομή ενέργειας στο φάσμα της ακτινοβολίας περιγράφεται από τον τύπο του Planck, σύμφωνα με τον οποίο υπάρχει ένα ενιαίο μέγιστο στο φάσμα, η θέση του οποίου καθορίζεται από το νόμο του Wien.

Ο νόμος της ακτινοβολίας του Kirchhoff.

Στο σύγχρονο διατύπωση 3Ο νόμος έχει ως εξής:

Ο λόγος της εκπομπής οποιουδήποτε σώματος προς την ικανότητα απορρόφησής του είναι ο ίδιος για όλα τα σώματα σε μια δεδομένη θερμοκρασία για μια δεδομένη συχνότητα και δεν εξαρτάται από το σχήμα και τη χημική τους φύση.

Είναι γνωστό ότι όταν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία πέφτει σε ένα συγκεκριμένο σώμα, μέρος της ανακλάται, μέρος απορροφάται και μέρος μπορεί να μεταδοθεί. Το κλάσμα της ακτινοβολίας που απορροφάται σε μια δεδομένη συχνότητα ονομάζεται ικανότητα απορρόφησηςσώμα. Από την άλλη πλευρά, κάθε θερμαινόμενο σώμα εκπέμπει ενέργεια σύμφωνα με κάποιον νόμο που ονομάζεται εκπεμπτικότητα του σώματος.

Οι τιμές και μπορεί να διαφέρουν πολύ όταν μετακινούνται από το ένα σώμα στο άλλο, ωστόσο, σύμφωνα με τον νόμο της ακτινοβολίας του Kirchhoff, η αναλογία των ικανοτήτων εκπομπής και απορρόφησης δεν εξαρτάται από τη φύση του σώματος και είναι μια καθολική συνάρτηση της συχνότητας ( μήκος κύματος) και θερμοκρασία:

Εξ ορισμού, ένα απολύτως μαύρο σώμα απορροφά όλη την ακτινοβολία που προσπίπτει σε αυτό, δηλαδή για αυτό. Επομένως, η συνάρτηση συμπίπτει με την ικανότητα εκπομπής ενός απολύτως μαύρου σώματος, που περιγράφεται από τον νόμο Stefan-Boltzmann, με αποτέλεσμα η εκπεμπτικότητα οποιουδήποτε σώματος να μπορεί να βρεθεί με βάση μόνο την ικανότητα απορρόφησής του.

Τα πραγματικά σώματα έχουν ικανότητα απορρόφησης μικρότερη από τη μονάδα, και επομένως ικανότητα εκπομπής μικρότερη από αυτή ενός απολύτως μαύρου σώματος. Τα σώματα των οποίων η ικανότητα απορρόφησης δεν εξαρτάται από τη συχνότητα ονομάζονται γκρι. Τα φάσματα τους έχουν την ίδια εμφάνιση με αυτό ενός απολύτως μαύρου σώματος. Στη γενική περίπτωση, η ικανότητα απορρόφησης των σωμάτων εξαρτάται από τη συχνότητα και τη θερμοκρασία και το φάσμα τους μπορεί να διαφέρει σημαντικά από το φάσμα ενός απολύτως μαύρου σώματος. Η μελέτη της ικανότητας εκπομπής διαφορετικών επιφανειών πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Σκωτσέζο επιστήμονα Leslie χρησιμοποιώντας τη δική του εφεύρεση - τον κύβο Leslie.

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (φωτοηλεκτρικό φαινόμενο) είναι το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης του φωτός με την ύλη, με αποτέλεσμα η ενέργεια των φωτονίων να μεταφέρεται στα ηλεκτρόνια της ουσίας. Για στερεά και υγράτα σώματα ποικίλλουν εξωτερικό και εσωτερικό φωτοεφέ. Με εξωτερικόΣτο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, η απορρόφηση των φωτονίων συνοδεύεται από την εκπομπή ηλεκτρονίων έξω από το σώμα. Με εσωτερικήΣτο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, τα ηλεκτρόνια που σχίζονται από άτομα, μόρια και ιόντα παραμένουν μέσα στην ουσία, αλλά οι ενέργειες των ηλεκτρονίων αλλάζουν. Στα αέριαΤο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο αποτελείται από το φαινόμενο του φωτοϊονισμού - την απομάκρυνση ηλεκτρονίων από άτομα και μόρια αερίου υπό την επίδραση του φωτός.

Ποιοτική άποψη του χαρακτηριστικού ρεύματος-τάσηςΤο φωτοκύτταρο, δηλαδή η εξάρτηση του φωτοκυττάρου από την τάση μεταξύ της καθόδου και της ανόδου για την περίπτωση μιας σταθερής ροής φωτός που προσπίπτει στην κάθοδο, παρουσιάζεται στο Σχ. 1.13.

Ρύζι. 1.13.

Θετική τάσηαντιστοιχεί στο επιταχυνόμενο ηλεκτρικό πεδίο στο οποίο πέφτουν τα ηλεκτρόνια που διαφεύγουν από την κάθοδο. Επομένως, στην περιοχή των θετικών τάσεων, όλα τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την κάθοδο φτάνουν στην άνοδο, προκαλώντας φωτορεύμα κορεσμού.

Μικρή μείωση στο φωτορεύμα στο μικρό θετικόΗ τάση, η οποία παρατηρείται σε πειράματα, σχετίζεται με τη διαφορά δυναμικού επαφής μεταξύ της καθόδου και της ανόδου. Παρακάτω, όταν συζητάμε τους νόμους του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, θα παραμελήσουμε την επίδραση της διαφοράς δυναμικού επαφής.

Σε αρνητική τάσηΈνα ηλεκτρόνιο που εκπέμπεται από την κάθοδο εισέρχεται σε ένα επιβραδυντικό ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο μπορεί να ξεπεράσει μόνο εάν έχει μια ορισμένη ποσότητα κινητικής ενέργειας. Ένα ηλεκτρόνιο με χαμηλή κινητική ενέργεια, έχοντας πετάξει έξω από την κάθοδο, δεν μπορεί να ξεπεράσει το πεδίο πέδησης και να φτάσει στην άνοδο. Ένα τέτοιο ηλεκτρόνιο επιστρέφει στην κάθοδο χωρίς να συνεισφέρει στο φωτορεύμα. Επομένως, μια ομαλή μείωση του φωτορεύματος στην περιοχή των αρνητικών τάσεων δείχνει ότι τα φωτοηλεκτρόνια που διαφεύγουν από την κάθοδο έχουν διαφορετικές τιμές κινητικής ενέργειας.

Σε κάποια αρνητική τάση, η τιμή της οποίας ονομάζεται τάση επιβράδυνσης (δυναμικό), το φωτορεύμα γίνεται ίσο με μηδέν. Το αντίστοιχο ηλεκτρικό πεδίο πέδησης καθυστερεί όλα τα ηλεκτρόνια που διαφεύγουν από την κάθοδο, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρονίων με μέγιστη κινητική ενέργεια.

Με τη μέτρηση της τάσης επιβράδυνσης, αυτή η μέγιστη ενέργεια ή η μέγιστη ταχύτητα των φωτοηλεκτρονίων μπορεί να προσδιοριστεί από τη σχέση

(1.54)

Τα ακόλουθα καθιερώθηκαν πειραματικά Βασικές αρχές του φωτοηλεκτρικού φαινομένου:

1. Για μονοχρωματικό φως συγκεκριμένου μήκους κύματος, το φωτορεύμα κορεσμού είναι ανάλογο με τη φωτεινή ροή που προσπίπτει στην κάθοδο.

2.Η μέγιστη κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων δεν εξαρτάται από το μέγεθος της φωτεινής ροής, αλλά καθορίζεται μόνο από τη συχνότητα της ακτινοβολίας.

3. Κάθε ουσία καθόδου έχει τη δική της συχνότητα αποκοπής έτσι ώστε η ακτινοβολία με τη συχνότητα του φωτοηλεκτρικού φαινομένου να μην προκαλεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Αυτή η συχνότητα αποκοπής ονομάζεται κόκκινη συχνότητα αποκοπής του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.Στην κλίμακα μήκους κύματος, αντιστοιχεί στο μήκος κύματος του κόκκινου ορίου, έτσι ώστε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο από ένα δεδομένο μέταλλο να προκαλεί ακτινοβολία μόνο με μικρότερο μήκος κύματος.

(1,55) καλείται Η εξίσωση του Αϊνστάιν για το εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.Εδώ είναι η μέγιστη ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων.

Άμεση συνέπεια αυτής της εξίσωσης είναι ο δεύτερος και ο τρίτος νόμος του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Πράγματι, από το (1,55) προκύπτει ότι η μέγιστη ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων εξαρτάται από τη συχνότητα της ακτινοβολίας που προσπίπτει στο μέταλλο. Επιπλέον, εάν , τότε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο δεν πρέπει να παρατηρηθεί. Από εδώ, για τη συχνότητα και το μήκος κύματος του κόκκινου ορίου του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, λαμβάνουμε απλούς τύπους

από το οποίο προκύπτει ότι τα χαρακτηριστικά αυτά καθορίζονται πλήρως από την τιμή της συνάρτησης εργασίας ηλεκτρονίων από το μέταλλο.

Φωτόνιο- ένα στοιχειώδες σωματίδιο, ένα κβάντο ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (με τη στενή έννοια - φως). Είναι ένα σωματίδιο χωρίς μάζα που μπορεί να υπάρξει μόνο κινούμενο με την ταχύτητα του φωτός. Το ηλεκτρικό φορτίο ενός φωτονίου είναι μηδέν. Ένα φωτόνιο μπορεί να βρίσκεται μόνο σε δύο καταστάσεις σπιν με προβολή του σπιν στην κατεύθυνση της κίνησης (ελικοτητα) ±1. Αυτή η ιδιότητα στην κλασική ηλεκτροδυναμική αντιστοιχεί στην κυκλική δεξιά και αριστερή πόλωση ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Το φωτόνιο, ως κβαντικό σωματίδιο, χαρακτηρίζεται από δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου, εμφανίζει ταυτόχρονα τις ιδιότητες ενός σωματιδίου και ενός κύματος. Τα φωτόνια χαρακτηρίζονται με το γράμμα , γι' αυτό ονομάζονται συχνά ακτίνες γάμμα (ειδικά φωτόνια υψηλής ενέργειας). αυτοί οι όροι είναι πρακτικά συνώνυμοι. Από τη σκοπιά του Καθιερωμένου Μοντέλου, το φωτόνιο είναι ένα μποζόνιο μετρητή. Τα εικονικά φωτόνια είναι φορείς ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, παρέχοντας έτσι αλληλεπίδραση, για παράδειγμα, μεταξύ δύο ηλεκτρικών φορτίων. Το φωτόνιο είναι το πιο άφθονο σωματίδιο στο Σύμπαν. Υπάρχουν τουλάχιστον 20 δισεκατομμύρια φωτόνια ανά νουκλεόνιο.

Δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου, Αρχή αβεβαιότητας Heisenberg

Το φωτόνιο χαρακτηρίζεται από δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου. Από τη μία πλευρά, ένα φωτόνιο δείχνει τις ιδιότητες ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος στα φαινόμενα περίθλασης και παρεμβολής, εάν οι χαρακτηριστικές διαστάσεις των εμποδίων είναι συγκρίσιμες με το μήκος κύματος του φωτονίου. Για παράδειγμα, μια ακολουθία μεμονωμένων φωτονίων με συχνότητα που διέρχεται από μια διπλή σχισμή δημιουργεί ένα μοτίβο παρεμβολής στην οθόνη που μπορεί να περιγραφεί από τις εξισώσεις του Maxwell. Ωστόσο, τα πειράματα δείχνουν ότι τα φωτόνια εκπέμπονται και απορροφώνται εξ ολοκλήρου από αντικείμενα που έχουν διαστάσεις πολύ μικρότερες από το μήκος κύματος του φωτονίου (για παράδειγμα, άτομα), ή γενικά, σε κάποια προσέγγιση, μπορούν να θεωρηθούν σημειακά (όπως, για παράδειγμα, τα ηλεκτρόνια) . Έτσι, τα φωτόνια στις διαδικασίες εκπομπής και απορρόφησης συμπεριφέρονται σαν σημειακά σωματίδια. Ταυτόχρονα, αυτή η περιγραφή δεν είναι επαρκής. Η ιδέα ενός φωτονίου ως σημειακού σωματιδίου, του οποίου η τροχιά καθορίζεται πιθανολογικά από ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, διαψεύδεται από πειράματα συσχέτισης με εμπλεκόμενες καταστάσεις φωτονίων.

Πείραμα σκέψης Heisenbergγια τον προσδιορισμό της θέσης του ηλεκτρονίου (σκιασμένο με μπλε) χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο ακτίνων γάμμα υψηλής ανάλυσης.

Οι προσπίπτουσες ακτίνες γάμμα (που φαίνονται με πράσινο χρώμα) σκεδάζονται από το ηλεκτρόνιο και εισέρχονται στη γωνία ανοίγματος του μικροσκοπίου θ. Οι διάσπαρτες ακτίνες γάμμα φαίνονται με κόκκινο χρώμα στο σχήμα. Η κλασική οπτική δείχνει ότι η θέση ενός ηλεκτρονίου μπορεί να προσδιοριστεί μόνο μέχρι μια ορισμένη τιμή Δ Χ, που εξαρτάται από τη γωνία θ και το μήκος κύματος λ των προσπίπτων ακτίνων.

Το βασικό στοιχείο της κβαντικής μηχανικής είναι Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg,που απαγορεύει τον ταυτόχρονο ακριβή προσδιορισμό της χωρικής συντεταγμένης ενός σωματιδίου και της ορμής του κατά μήκος αυτής της συντεταγμένης.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η κβαντοποίηση του φωτός και η εξάρτηση της ενέργειας και της ορμής από τη συχνότητα είναι απαραίτητη για να ικανοποιηθεί η αρχή της αβεβαιότητας που εφαρμόζεται σε ένα φορτισμένο σωματίδιο μάζας. Αυτό μπορεί να καταδειχθεί από το περίφημο πείραμα σκέψης με ένα ιδανικό μικροσκόπιο, το οποίο καθορίζει τη συντεταγμένη ενός ηλεκτρονίου ακτινοβολώντας το με φως και καταγράφοντας το διάσπαρτο φως (μικροσκόπιο γάμμα Heisenberg). Η θέση του ηλεκτρονίου μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια ίση με την ανάλυση του μικροσκοπίου. Με βάση τις έννοιες της κλασικής οπτικής:

πού είναι η γωνία ανοίγματος του μικροσκοπίου. Έτσι, η αβεβαιότητα της συντεταγμένης μπορεί να γίνει όσο μικρότερη επιθυμείται με τη μείωση του μήκους κύματος των προσπίπτων ακτίνων. Ωστόσο, μετά τη σκέδαση, το ηλεκτρόνιο αποκτά κάποια επιπλέον ορμή, η αβεβαιότητα της οποίας είναι ίση με . Εάν η προσπίπτουσα ακτινοβολία δεν ήταν κβαντισμένη, αυτή η αβεβαιότητα θα μπορούσε να μειωθεί αυθαίρετα μειώνοντας την ένταση της ακτινοβολίας. Το μήκος κύματος και η ένταση του προσπίπτοντος φωτός μπορούν να αλλάξουν ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Ως αποτέλεσμα, απουσία κβαντισμού φωτός, θα ήταν δυνατό να προσδιοριστεί ταυτόχρονα με μεγάλη ακρίβεια η θέση του ηλεκτρονίου στο χώρο και η ορμή του, κάτι που έρχεται σε αντίθεση με την αρχή της αβεβαιότητας.

Αντίθετα, ο τύπος του Αϊνστάιν για την ορμή του φωτονίου ικανοποιεί πλήρως τις απαιτήσεις της αρχής της αβεβαιότητας. Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι ένα φωτόνιο μπορεί να σκεδαστεί προς οποιαδήποτε κατεύθυνση εντός της γωνίας, η αβεβαιότητα της ορμής που μεταφέρεται στο ηλεκτρόνιο είναι ίση με:

Μετά τον πολλαπλασιασμό της πρώτης έκφρασης με τη δεύτερη, προκύπτει η σχέση αβεβαιότητας Heisenberg: . Έτσι, ολόκληρος ο κόσμος είναι κβαντισμένος: αν η ύλη υπακούει στους νόμους της κβαντικής μηχανικής, τότε το πεδίο πρέπει να τους υπακούει και το αντίστροφο.

Τα πειράματα του Ράδερφορντ οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι στο κέντρο του ατόμου υπάρχει ένας πυκνός, θετικά φορτισμένος πυρήνας (ατομικός πυρήνας, εξ ου και το όνομα του μοντέλου), η διάμετρος του οποίου δεν υπερβαίνει τα 10–14–10–15 m Αυτός ο πυρήνας καταλαμβάνει μόνο 10–12 μέρη του συνολικού όγκου του ατόμου, αλλά περιέχει όλαθετικό φορτίο και τουλάχιστον το 99,95% της μάζας του. Στην ουσία που αποτελεί τον πυρήνα του ατόμου θα έπρεπε να έχει αποδοθεί κολοσσιαία πυκνότητα της τάξης του ρ ≈ 10 15 g/cm 3 . Το φορτίο του πυρήνα πρέπει να είναι ίσο με το συνολικό φορτίο όλων των ηλεκτρονίων που αποτελούν το άτομο. Στη συνέχεια, κατέστη δυνατό να διαπιστωθεί ότι εάν το φορτίο ενός ηλεκτρονίου ληφθεί ως ένα, τότε το φορτίο του πυρήνα είναι ακριβώς ίσο με τον αριθμό ενός δεδομένου στοιχείου στον περιοδικό πίνακα.

Σχήμα 6.1.3 Σκέδαση ενός σωματιδίου α σε ένα άτομο Thomson (a) και σε ένα άτομο Rutherford (b).

Στη συνέχεια, ο Rutherford πρότεινε πλανητικό μοντέλο του ατόμου . Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, στο κέντρο του ατόμου υπάρχει ένας θετικά φορτισμένος πυρήνας, στον οποίο συγκεντρώνεται σχεδόν ολόκληρη η μάζα του ατόμου. Το άτομο ως σύνολο είναι ουδέτερο. Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα, όπως οι πλανήτες, υπό την επίδραση των δυνάμεων Coulomb από τον πυρήνα (Εικ. 6.1.4). Τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να ηρεμήσουν, αφού θα έπεφταν στον πυρήνα.

Ρύζι. 6.1.4 Το πλανητικό μοντέλο του ατόμου του Ράδερφορντ παρουσιάζονται οι κυκλικές τροχιές των τεσσάρων ηλεκτρονίων

Ατομικός πυρήνας- το κεντρικό τμήμα του ατόμου, στο οποίο συγκεντρώνεται το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του (πάνω από 99,9%). Ο πυρήνας είναι θετικά φορτισμένος, το φορτίο του πυρήνα καθορίζεται από το χημικό στοιχείο στο οποίο ανήκει το άτομο. Οι διαστάσεις των πυρήνων διαφόρων ατόμων είναι αρκετά φεμτόμετρα, που είναι περισσότερο από 10 χιλιάδες φορές μικρότερες από το μέγεθος του ίδιου του ατόμου. Ο ατομικός πυρήνας αποτελείταιτων νουκλεονίων - θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους μέσω ισχυρής αλληλεπίδρασης. Ο αριθμός των πρωτονίων σε έναν πυρήνα ονομάζεται του αριθμός χρέωσης- ο αριθμός αυτός είναι ίσος με τον αύξοντα αριθμό του στοιχείου στο οποίο ανήκει το άτομο στη φυσική σειρά στοιχείων του περιοδικού πίνακα. Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα καθορίζει τη δομή του κελύφους ηλεκτρονίων ενός ουδέτερου ατόμου και, επομένως, τις χημικές ιδιότητες του αντίστοιχου στοιχείου. Ο αριθμός των νετρονίων σε έναν πυρήνα ονομάζεται του ισοτοπικός αριθμός. Οι πυρήνες με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και διαφορετικό αριθμό νετρονίων ονομάζονται ισότοπα. Ονομάζονται πυρήνες με τον ίδιο αριθμό νετρονίων αλλά διαφορετικούς αριθμούς πρωτονίων ισοτονίων. Ο συνολικός αριθμός των νουκλεονίων σε έναν πυρήνα ονομάζεται του μαζικός αριθμός() και είναι περίπου ίση με τη μέση ατομική μάζα που υποδεικνύεται στον περιοδικό πίνακα. Συνήθως ονομάζονται νουκλίδια με τον ίδιο αριθμό μάζας, αλλά διαφορετική σύσταση πρωτονίων-νετρονίων ισοβαρείς. Όπως κάθε κβαντικό σύστημα, οι πυρήνες μπορεί να βρίσκονται σε μετασταθερή διεγερμένη κατάσταση και σε ορισμένες περιπτώσεις η διάρκεια ζωής μιας τέτοιας κατάστασης υπολογίζεται σε χρόνια. Τέτοιες διεγερμένες καταστάσεις πυρήνων ονομάζονται πυρηνικά ισομερή. Σχεδόν το 90% από τους 2.500 γνωστούς ατομικούς πυρήνες είναι ασταθείς. Ένας ασταθής πυρήνας μεταμορφώνεται αυθόρμητα σε άλλους πυρήνες, εκπέμποντας σωματίδια. Αυτή η ιδιότητα των πυρήνων ονομάζεται ραδιοενέργεια. Διαπιστώθηκε ότι οι ραδιενεργοί πυρήνες μπορούν να εκπέμπουν σωματίδια τριών τύπων: θετικά και αρνητικά φορτισμένα και ουδέτερα. Αυτοί οι τρεις τύποι ακτινοβολίας ονομάστηκαν α-, β- και γ-ακτινοβολία. Αυτοί οι τρεις τύποι ραδιενεργής ακτινοβολίας διαφέρουν πολύ μεταξύ τους ως προς την ικανότητά τους να ιονίζουν άτομα ύλης και, επομένως, στη διεισδυτική τους ικανότητα. Έχει τη χαμηλότερη διεισδυτική ικανότητα α ακτινοβολία. Στον αέρα υπό κανονικές συνθήκες, οι ακτίνες α διανύουν απόσταση πολλών εκατοστών . ακτίνες βαπορροφάται πολύ λιγότερο από την ουσία. Μπορούν να περάσουν μέσα από ένα στρώμα αλουμινίου πάχους πολλών χιλιοστών. Να έχουν τη μεγαλύτερη διεισδυτική ικανότητα γ-ακτίνες, ικανό να περάσει μέσα από ένα στρώμα μολύβδου πάχους 5–10 cm.

Διαίρεσηαντιπροσωπεύει τη διάσπαση (διάσπαση) ενός ατομικού πυρήνα σε δύο περίπου. ίσα μέρη (θραύσματα), που συνοδεύονται από απελευθέρωση ενέργειας και, στο τμήμα. περιπτώσεις, εκπέμποντας μία ή περισσότερες. σωματίδια, για παράδειγμα νετρόνια. Μερικοί βαρείς πυρήνες μπορούν να διασπαστούν αυθόρμητα, οι ελαφρύτεροι - σε περίπτωση σύγκρουσης με άλλους πυρήνες που έχουν υψηλή ενέργεια. Επιπλέον, οι βαρείς πυρήνες, όπως τα άτομα ουρανίου, είναι ικανοί να διασπαστούν όταν βομβαρδίζονται από νετρόνια, και εφόσον εκπέμπονται νέα νετρόνια, η διαδικασία μπορεί να γίνει αυτοσυντηρούμενη, δηλ. εμφανίζεται μια αλυσιδωτή αντίδραση. Κατά τη διάρκεια μιας τέτοιας αντίδρασης σχάσης, απελευθερώνεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας. Οι ελεγχόμενες αλυσιδωτές αντιδράσεις συμβαίνουν σε πυρηνικούς αντιδραστήρες, ενώ οι ανεξέλεγκτες αλυσιδωτές αντιδράσεις συμβαίνουν σε μια ατομική βόμβα. Σύνθεσηείναι η σύντηξη των πυρήνων δύο ελαφρών ατόμων για να σχηματιστεί ένας νέος πυρήνας που αντιστοιχεί σε ένα βαρύτερο άτομο. Εάν αυτός ο νέος πυρήνας είναι σταθερός, τότε απελευθερώνεται ενέργεια κατά τη σύντηξη, αφού οι δεσμοί σε αυτόν είναι ισχυρότεροι από τους αρχικούς πυρήνες. Από χημ. Οι αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης διακρίνονται από τη συμμετοχή σε αυτήν όχι μόνο των ηλεκτρονίων των ατόμων, αλλά και των πυρήνων τους. Ανά μονάδα μάζας αντιδρώντων ουσιών στην αντίδραση πυρηνικής σύντηξης, περίπου. 10 φορές περισσότερη ενέργεια από τις αντιδράσεις σχάσης. Η σύνθεση των πυρήνων γίνεται στο κέντρο, την περιοχή του Ήλιου και άλλων άστρων, αποτελώντας την πηγή της ενέργειάς τους. Μια ανεξέλεγκτη αντίδραση τέτοιας σύνθεσης πραγματοποιείται σε βόμβες υδρογόνου. Σήμερα, διεξάγεται έρευνα για την εφαρμογή ελεγχόμενων αντιδράσεων σύνθεσης όπως οι πηγές ενέργειας.

Στοιχειώδες σωματίδιο- ένας συλλογικός όρος που αναφέρεται σε μικροαντικείμενα σε υποπυρηνική κλίμακα που δεν μπορούν να αναλυθούν στα συστατικά μέρη τους.

Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι ορισμένα στοιχειώδη σωματίδια (ηλεκτρόνιο, φωτόνιο, κουάρκ κ.λπ.) θεωρούνται επί του παρόντος χωρίς δομή και θεωρούνται ως πρωτεύοντα θεμελιώδη σωματίδια. Άλλα στοιχειώδη σωματίδια (τα λεγόμενα σύνθετα σωματίδια - πρωτόνιο, νετρόνιο κ.λπ.) έχουν πολύπλοκη εσωτερική δομή, αλλά, ωστόσο, σύμφωνα με τις σύγχρονες έννοιες, είναι αδύνατο να διαχωριστούν σε μέρη.

Θεμελιώδες σωματίδιο- ένα στοιχειώδες σωματίδιο χωρίς δομή, το οποίο μέχρι τώρα δεν έχει περιγραφεί ως σύνθετο. Επί του παρόντος, ο όρος χρησιμοποιείται κυρίως για τα λεπτόνια και τα κουάρκ (6 σωματίδια κάθε είδους, μαζί με αντισωματίδια, αποτελούν ένα σύνολο 24 θεμελιωδών σωματιδίων) σε συνδυασμό με μποζόνια μετρητή (σωματίδια που φέρουν θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις).

Μοριακή κινητική θεωρίαερμηνεύει τις ιδιότητες των σωμάτων που παρατηρούνται άμεσα πειραματικά (πίεση, θερμοκρασία κ.λπ.) ως το συνολικό αποτέλεσμα της δράσης των μορίων. Για να το κάνει αυτό, χρησιμοποιεί τη στατιστική μέθοδο, ενδιαφερόμενη όχι για την κίνηση μεμονωμένων μορίων, αλλά μόνο για τις μέσες τιμές που χαρακτηρίζουν την κίνηση μιας τεράστιας συλλογής σωματιδίων. Εξ ου και το άλλο του όνομα - στατιστική φυσική.

Θερμοδυναμικές παράμετροι- θερμοκρασία, πυκνότητα, πίεση, όγκος, ηλεκτρική αντίσταση και άλλα φυσικά μεγέθη:
- σαφής προσδιορισμός της θερμοδυναμικής κατάστασης του συστήματος.
- δεν λαμβάνεται υπόψη η μοριακή δομή των σωμάτων. Και
- περιγράφοντας τη μακροσκοπική τους δομή.

Με βάση τη χρήση των βασικών αρχών της μοριακής κινητικής θεωρίας, προέκυψε βασική εξίσωση του ιδανικού αερίου ΜΚΤ, που μοιάζει με αυτό: , όπου p είναι η πίεση ενός ιδανικού αερίου, m0 είναι η μάζα του μορίου, η μέση τιμή της συγκέντρωσης των μορίων, το τετράγωνο της ταχύτητας των μορίων.
Δηλώνοντας τη μέση τιμή της κινητικής ενέργειας της μεταφορικής κίνησης των μορίων ενός ιδανικού αερίου, παίρνουμε βασική εξίσωση ΜΚΤιδανικό αέριο με τη μορφή:

Στη θεωρία του ιδανικού αερίου, η δυναμική ενέργεια αλληλεπίδρασης μεταξύ μορίων θεωρείται ίση με μηδέν. Να γιατί Η εσωτερική ενέργεια ενός ιδανικού αερίου δίνεται απόκινητική ενέργεια κίνησης όλων των μορίων του. Η μέση ενέργεια κίνησης ενός μορίου είναι . Εφόσον ένα kilomole περιέχει μόρια, η εσωτερική ενέργεια ενός χιλιογραμμομέτρου αερίου θα είναι

Λαμβάνοντας υπόψη αυτό, παίρνουμε

Για οποιαδήποτε αέρια μάζα m, δηλ. για οποιοδήποτε αριθμό χιλιομέτρων εσωτερική ενέργεια

(10.12)

Από την έκφραση αυτή προκύπτει ότι η εσωτερική ενέργειαείναι μια σαφής συνάρτηση της κατάστασης και, επομένως, όταν το σύστημα εκτελεί οποιαδήποτε διαδικασία, ως αποτέλεσμα της οποίας το σύστημα επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση, η συνολική μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας είναι μηδέν. Μαθηματικά, αυτό γράφεται ως ταυτότητα

Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικήςυποστηρίζει ότι όλες οι μη αναστρέψιμες διεργασίες (και αυτές είναι σχεδόν όλες οι θερμικές διεργασίες, σε κάθε περίπτωση, όλες οι φυσικές διεργασίες) προχωρούν έτσι, ότι η εντροπία των εμπλεκομένωνσε αυτά τα σώματα αυξάνονται, τείνοντας στη μέγιστη τιμή. Η μέγιστη τιμή της εντροπίας επιτυγχάνεται όταν το σύστημα φτάσει σε κατάσταση ισορροπίας.

Ταυτόχρονα, αναφέρθηκε ήδη παραπάνω ότι η μετάβαση σε κατάσταση ισορροπίας είναι πολύ πιο πιθανή σε σύγκριση με όλες τις άλλες μεταβάσεις. Επομένως, παρατηρούνται μόνο εκείνες οι αλλαγές στην κατάσταση στις οποίες το σύστημα περνά από μια λιγότερο πιθανή σε μια πιο πιθανή κατάσταση (η θερμοδυναμική πιθανότητα αυξάνεται).

Σχέση μεταξύ της θερμοδυναμικής πιθανότητας της κατάστασης ενός συστήματος και της εντροπίας τουιδρύθηκε το 1875 από δύο διάσημους επιστήμονες - τον D. Gibbs και τον L. Boltzmann. Αυτή η σύνδεση εκφράζεται Ο τύπος του Boltzmann, που μοιάζει με:

(4.56)

Οπου , R– καθολική σταθερά αερίου, Ν Α– Ο αριθμός του Avogadro.

Εξίσωση κατάστασης ιδανικού αερίου(μερικές φορές η εξίσωση Clapeyron ή η εξίσωση Mendeleev-Clapeyron) είναι ένας τύπος που καθορίζει τη σχέση μεταξύ της πίεσης, του μοριακού όγκου και της απόλυτης θερμοκρασίας ενός ιδανικού αερίου. Η εξίσωση είναι:

Πίεση,

Μοριακός όγκος,

Καθολική σταθερά αερίου

Απόλυτη θερμοκρασία, Κ.

Εφόσον , πού είναι η ποσότητα της ουσίας, και πού είναι η μάζα, είναι η μοριακή μάζα, η εξίσωση κατάστασης μπορεί να γραφτεί:

Μπορεί να φανεί ότι αυτή η εξίσωση είναι στην πραγματικότητα η εξίσωση της κατάστασης ενός ιδανικού αερίου με δύο διορθώσεις. Η διόρθωση λαμβάνει υπόψη τις ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των μορίων (η πίεση στο τοίχωμα μειώνεται, καθώς υπάρχουν δυνάμεις που τραβούν τα μόρια του οριακού στρώματος προς τα μέσα), η διόρθωση λαμβάνει υπόψη τις δυνάμεις απώθησης (αφαιρούμε τον όγκο που καταλαμβάνουν τα μόρια από τον συνολικό όγκο).

Για κρεατοελιές αερίου VanΗ εξίσωση κατάστασης der Waals μοιάζει με αυτό:

Πού είναι ο όγκος,

Ισόθερμος γραμμήμια γραμμή σε ένα διάγραμμα φάσης που απεικονίζει μια διαδικασία που συμβαίνει σε σταθερή θερμοκρασία (ισόθερμη διεργασία). Η εξίσωση Ισόθερμος γραμμήιδανικό αέριο pV = const, όπου p είναι πίεση, V είναι όγκος αερίου. Για ένα πραγματικό αέριο, η εξίσωση Ισόθερμος γραμμήέχει πιο σύνθετο χαρακτήρα και μπαίνει στην εξίσωση Ισόθερμος γραμμήιδανικό αέριο μόνο σε χαμηλές πιέσεις ή υψηλές θερμοκρασίες.

Στο Σχ. 2.8 σχηματικά φαίνονται ισόθερμες αερίου Van der Waals για διαφορετικές θερμοκρασίες.

Αυτές οι ισόθερμες δείχνουν ξεκάθαρα την περιοχή όπου η πίεση αυξάνεται με την αύξηση του όγκου. Αυτή η περιοχή δεν έχει φυσική σημασία. Στην περιοχή όπου η ισόθερμη κάνει μια ζιγκ-ζαγκ κάμψη, η ισόθερμη την τέμνει τρεις φορές, δηλαδή υπάρχουν τρεις τιμές όγκου για τις ίδιες τιμές των παραμέτρων και . Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, το τμήμα που μοιάζει με κύμα μειώνεται και μετατρέπεται σε σημείο (βλ. σημείο Κ στο Σχ. 2.8). Αυτό το σημείο ονομάζεται κρίσιμο, η τιμή του οποίου εξαρτάται από τις ιδιότητες του αερίου.

Ισόθερμες πραγματικού αερίου (σχηματικά)
Μπλε - ισόθερμες σε θερμοκρασίες κάτω από την κρίσιμη. Οι περιοχές πρασίνου πάνω τους είναι μετασταθερές καταστάσεις.
Η περιοχή στα αριστερά του σημείου F είναι κανονικό υγρό.
Το σημείο F είναι το σημείο βρασμού.
Άμεση FG - ισορροπία υγρών και αερίων φάσεων.
Τμήμα FA - υπερθερμασμένο υγρό.
Ενότητα F′A - τεντωμένο υγρό (σελ<0).
Το τμήμα AC είναι μια αναλυτική συνέχεια της ισοθερμικής και είναι φυσικά αδύνατη.
Τμήμα CG - υπερψυκτικός ατμός.
Το σημείο G είναι το σημείο δρόσου.
Η περιοχή στα δεξιά του σημείου G είναι κανονικό αέριο.
Τα εμβαδά του σχήματος FAB και GCB είναι ίσα.
Το κόκκινο είναι η κρίσιμη ισόθερμη.
Το Κ είναι το κρίσιμο σημείο.
Μπλε - υπερκρίσιμες ισόθερμες

Δεδομένου ότι η όλη διαδικασία λαμβάνει χώρα σε σταθερή θερμοκρασία Τ, μια καμπύλη που απεικονίζει την εξάρτηση της πίεσης p από τον όγκο V, ονομάζεται ισόθερμος. Στον όγκο V 1, αρχίζει η συμπύκνωση αερίου και στον όγκο V 2 τελειώνει. Αν V > V 1 τότε η ουσία θα είναι σε αέρια κατάσταση και αν V< V 2 - в жидком.

Τα πειράματα δείχνουν ότι Τα ισόθερμα όλων των άλλων αερίων έχουν επίσης αυτή τη μορφή εάν η θερμοκρασία τους δεν είναι πολύ υψηλή.

Σε αυτή τη διαδικασία, όταν ένα αέριο μετατρέπεται σε υγρό όταν ο όγκος του μεταβάλλεται από V 1 σε V 2, η πίεση του αερίου παραμένει σταθερή. Κάθε σημείο του γραμμικού μέρους της ισόθερμης 1-2 αντιστοιχεί σε μια ισορροπία μεταξύ της αέριας και της υγρής κατάστασης της ουσίας. Αυτό σημαίνει ότι σίγουρα ΤΚαι Vη ποσότητα υγρού και αερίου πάνω από αυτό παραμένει αμετάβλητη. Η ισορροπία είναι δυναμική: ο αριθμός των μορίων που αφήνουν υγρά είναι, κατά μέσο όρο, ίσος με τον αριθμό των μορίων που περνούν από αέριο σε υγρό ταυτόχρονα.

Υπάρχει επίσης ένα τέτοιο πράγμα όπως κρίσιμη θερμοκρασία, εάν ένα αέριο βρίσκεται σε θερμοκρασία πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία (μεμονωμένο για κάθε αέριο, για παράδειγμα, για διοξείδιο του άνθρακα περίπου 304 K), τότε δεν μπορεί πλέον να μετατραπεί σε υγρό, ανεξάρτητα από την πίεση που ασκείται σε αυτό. Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει λόγω του γεγονότος ότι σε μια κρίσιμη θερμοκρασία οι δυνάμεις επιφανειακής τάσης του υγρού είναι μηδενικές. Εάν συνεχίσετε να συμπιέζετε αργά ένα αέριο σε θερμοκρασία πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία, τότε αφού φτάσει σε όγκο ίσο με περίπου τέσσερις από τους εγγενείς όγκους των μορίων που αποτελούν το αέριο, η συμπιεστότητα του αερίου αρχίζει να μειώνεται απότομα.