Основные концепции неклассического естествознания

свойства и частицы, и волны.
Противоречие с классической физикой: отличие

частицы от волны заключается в том, что она всегда обнаруживается как неделимое целое, в то же время волну можно разделить на части (пример - дифракция электрона).

координаты и импульса
Δp Δx ≥ h/2
и энергии и

времени
ΔE Δt ≥ h/2
Эти соотношения называются соотношениями неопределенности.
Принцип неопределенности Гайзенберга (1927 г.).
произведение неопределенностей двух сопряженных переменных не может быть по порядку величины меньше постоянной Планка.

Оно отражает вероятностный характер поведения микрочастиц, в результате чего вместо

классической траектории для микрочастицы следует использовать распределения вероятности обнаружения частицы в разных точках пространства.
Соотношение неопределенностей является конкретным выражением более общего положения – принципа дополнительности Бора.

точные данные либо о его энергиях и импульсах, либо о

поведении в пространстве и времени. Эти две взаимоисключающие картины – энергетически-импульсная и пространственно-временная, -получаемые при взаимодействии объекта с соответствующими макроскопическими измерительными приборами, дополняют друг друга.

однозначно определено c помощью одного понятия, а требует для своего

определения по крайней мер двух взаимоисключающих дополнительных понятий.
На вопрос, какое понятие дополнительно к понятию истинности, Бор ответил: «ясность».

является полностью независимым. Состояние микрообъекта чувствительно к любому неконтролируемому воздействию

порядка кванта действия (постоянной Планка). Это выражается в неклассической концепции неконтролируемого и неустранимого случайного воздействия окружения.
Прибор является макроскопическим окружением для микрообъекта и сам является источником некоторого состояния микрообъекта, которое обнаруживается в измерении.

квантовых объектов. При точном измерении координаты микрочастицы ее импульс благодаря

взаимодействию с макроскопическим измерительным прибором претерпевает неконтролируемое изменение.
Речь идет не о погрешности измерения, а о принципиальном ограничении на информацию о квантовом объекте, выраженную языком классической физики.

объект с помощью его установленных характеристик.
В квантовой механике моделируется

не сам объект, а его состояние, которое задается вероятностями тех или иных значений характеристик микрообъекта.
Недетерминистский статистический подход к описания микрообъектов.

механистическими моделями, когда мы выходим за рамки повседневного опыта;
В природе

приоритетную роль играют вероятностные, статистические законы; закономерности динамического типа носят подчиненный характер;
Мы пытаемся представить цельный, но не представимый из-за своей многомерности микрообъект, изучая его отдельные, но воспринимаемые нами проекции, дополняя одну проекцию другими (принцип дополнительности).

«или-или» в пользу логики «и-и» (электрон может обладать и волновыми,

и корпускулярными свойствами и находиться одновременно в разных местах);
Невозможность экранирования исследователя от объекта изучения (электрон обнаруживает волновые или корпускулярные свойства в зависимости от выбранной исследователем аппаратуры для наблюдения);
Неклассическая рациональность воспринимает объективность с учетом взаимоотношения исследователя и системы, не разрушая представлений об объективности научного знания,

состоит из одного протона. Ядра всех остальных атомов состоят их

двух видов частиц – протонов и нейтронов – которые называются нуклонами.
Протон (p)обладает зарядом +е и массой m=1.67* 10-27 кг , Е0= 938,28 МэВ, mp=938.28 МэВ/с2. Для сравнения масса покоя электрона mе=0.511 МэВ, следовательно, mp= 1836 mе.
Нейтрон (n) не обладает зарядом, m=1.68*10-27 кг , Е0= 939,57 МэВ.
У протона и нейтрона спин равен ½.

распадается и превращается в протон, испуская электрон (е-) и антинейтрино

(ν*).
Период полураспада, т.е. время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов, равен примерно 16 мин.
Схему распада можно написать следующим образом
n → p + e- + ν* .
Масса нейтрона превышает суммарную массу частиц в правой части схемы распада на 1.5 mе ( масса нейтрино равна нулю), следовательно, энергия 0.78 МэВ выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

в состав ядра. Z определяет заряд ядра, который равен +Ze,

а также номер химического элемента в периодической системе Менделеева.
Число нуклонов ( т.е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре обозначается буквой А и называется массовым числом ядра.
Для обозначения ядер применяется символ ZAX, где под X подразумевается химический символ данного элемента.
Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами (водород имеет три изотопа)

суммы масс входящих в него частиц. Это обусловлено тем, что

при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом.
Есв = с2 { [ Zmp+ (A – Z ) mn ] – mя }.
Энергия связи в ядре атома гелия:
Есв=(2*938.3+2*939.6)-3726.0≈28 МэВ
Энергия связи, приходящаяся на один нуклон Есв / А, называется удельной энергией связи нуклонов в ядре.
Ядерные взаимодействия называются сильными

деление тяжелых ядер на несколько более легких ядер;
2) слияние

легких ядер в одно ядро.
Оба процесса должны сопровождаться выделением большого количества энергии.

Удельная энергия связи в зависимости от числа нуклонов в ядре

обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины

периодической системы. Один из возможных путей деления
92 235U + n ? 55 140Cs + 37 93Rb +2n
с последующими превращениями осколков деления. Испускание при делении ядер U и Pt нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной реакции.
Процесс деления ядер урана или плутония под действием захватываемых ядрами нейтронов лежит в основе действия ядерных реакторов и атомной бомбы.

другу на весьма близкое расстояние (~ 10-13 м ).
Для

преодоления кулоновского отталкивания ядра должны иметь очень большую кинетическую энергию, соответствующую температурам порядка нескольких миллионов Кельвинов.
12d + 13H ? 24He + n
Процесс синтеза легких ядер называется термоядерной реакцией. Термоядерные реакции протекают в недрах Солнца и других звезд (земных условиях - при взрывах водородных бомб).

служить распад изотопа урана 92238U→ 90234Tr + 24Не.
Существует

три разновидности β-распада: испускание электрона (распад нейтрона), позитрона или захват ядром одного из электронов К-оболочки.
При β-распаде имеют место слабые взаимодействия частиц .
При исследовании β-распада было обнаружено нарушение закона сохранения энергии, что и привело к предположению о существовании новой частицы (нейтрино) , для которой заряд и масса равны нулю.

действия порядка 10-13 м;
электромагнитное взаимодействие, радиус действия не ограничен;
слабое взаимодействие,

ответственно за все виды β-распада и некоторые другие распады элементарных частиц, короткодействующее;
гравитационное взаимодействие, универсальное, радиус действия не ограничен.

– участвуют в слабых взаимодействиях, заряженные лептоны также участвуют в

эл.магн. взаимодействиях. Все лептоны имеют спин, равный ½ и т.н. лептонный заряд. (e, μ, τ,ν).
адроны – участвуют в сильных взаимодействиях
мезоны – нестабильные частицы, спин равен 0; (π+,π-,π0, Κ+, Κ-, Κ0, Κ0*, η).
барионы делятся на нуклоны ( р, n ) и гипероны ( Λ, Σ-, Σ0, Σ+, Ξ0, Ξ-, Ω-). Спин равен ½ . Кроме протона, все барионы нестабильны, обладают специфическим свойством, называемым барионным зарядом, который подчиняется закону сохранения.

Дирака следует, что полная энергия свободного электрона может принимать не

только положительные, но и отрицательные значения E = √(p2c2 + m2c4).
Между положительным значением ( mc2 ) и отрицательным ( -mc2 ) лежит область энергий, которая не может реализоваться.
В классической механике область возможных отрицательных энергий отбрасывается как недостижимая.

только непрерывно, но и скачком, поэтому существование запрещенной зоны не

может воспрепятствовать частице перейти в состояние с отрицательной энергией ( и следовательно, с отрицательной массой).
Согласно Дираку, вакуум – это такое состояние, в котором все имеющиеся уровни с отрицательной энергией уже заняты электронами, а уровни с положительными энергиями свободны.

то электрон перейдет в «обычное» состояние с положительной энергией, а

образовавшаяся вакансия должна вести себя как электрон с положительным зарядом (отсутствие частицы с отрицательным зарядом и отрицательной массой может восприниматься как частица с положительным зарядом и положительной массой).
Первая из предсказанных теоретически частиц - позитрон.

составе космических лучей.
При встрече электрона с позитроном происходит

аннигиляция: частицы превращаются в два (или три) γ-кванта
e+ + e- ? γ + γ
Рождение электрон-позитронной пары возможно, если энергия γ-кванта превышает 2mec2 = 1.02 МэВ. Для выполнения законов сохранения импульса в процессе рождения пары должна присутствовать еще одна частица (ядро), которая воспринимает избыток импульса
γ + X ? X + e+ + e-

возможная энергия не равна нулю. Квантовый объект с минимальной энергией

находится в состоянии нулевых колебаний. Нулевые колебания являются фундаментальным свойством всех квантовых систем вплоть до физического вакуума.
В квантовой теории поля вакуум представляется не пустотой, а нулевым состоянием квантовых полей.
Флуктуации вакуума проявляются как непрерывный процесс рождения и исчезновения виртуальных частиц.
Под действие достаточно сильных полей виртуальные частицы могут превращаться в реальные.

построены из трех частиц, называемых кварками. Этим частицам приписываются дробные

квантовые числа, дробный электрический заряд и цвет (желтый, синий, красный)
U (up) q=+2/3 B=1/3 S=0
D (down) q=-1/3 B=1/3 S=0
S (strange) q=-1/3 B=1/3 S=1
Мезоны образуются из пары кварк-антикварк, а барионы – из трех кварков (p = uud, n = udd)
Глюоны – частицы, являющиеся переносчиками взаимодействия между кварками.
На данный момент можно считать элементарными лептоны, кварки, а также частицы, обеспечивающие четыре фундаментальных взаимодействия (гравитон, фотон, W и Z бозоны, глюоны).

взаимодействие;
В конце 70 г. ХХ века Вайнберг и Салам

создали теория электрослабых взаимодействий;
Предполагается, что цепочка материальных структур ( атом, ядро, адрон, кварк…) базируется на объектах принципиально иной природы – протяженных образованиях размером ~10-33 см, т.н. суперструнах.
М- теория (mystery) имеет перспективы свести четыре фундаментальных взаимодействия к одному – т.н. Суперсиле. М- теория оперирует в 12-мерном пространством.