учитесь плавать
#квантовая_механика_введение #основные_частицы #структура_атома
отойдем немного от темы альтернативной энергии и поговорим о вещах более "приземленных" - говорить будем о квантовой механике точнее не сколько о физике сколько попробуем разобрать несколько понятий, которые в последнее время часто употребляются в масмедии и никто толком не может объяснить что это такое.
первое что надо понимать, что речь идет о квантовой физике, т.е. некоторые вопросы естественые для классической физики просто не имеют смысла. для классических материальных точек характерно движение по определенным траекториям, так, что их координаты и импульсы в любой момент времени точно известны. для квантовых частиц это утверждение неприемлемо, так как для квантовой частицы импульс частицы связан с ее длиной волны, а говорить о длине волны в данной точке пространства бессмысленно. поэтому для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее координат и импульса. если частица занимает точно определенное положение в пространстве, то ее импульс полностью неопределен и наоборот, частица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату.
неопределенность в значении координаты частицы Δx и неопределенность в значении компоненты импульса частицы Δpx связаны соотношением неопределенности, установленным В. Гейзенбергом в 1927 году. из принципа неопределенности следует, что в области квантовых явлений неправомерна постановка некоторых вопросов, вполне естественных для классической физики. так, например, не имеет смысла говорить о движении частицы по определенной траектории. Необходим принципиально новый подход к описанию физических систем. Не все физические величины, характеризующие систему, могут быть измерены одновременно.
сделали необходимую оговорку, теперь перечислим основные частицы, из которых состоит то, что мы обычно видим в повседневной жизни.
фотон
квант(т.е. порция) электромагнитного излучения, в узком смысле света. не имет массы покоя т.е. может существовать только двигаясь со скоростью света - переносщик электромагнитного взаимодействия, электрический заряд равен нулю. учавствует в гравитационном, электромагнитном и слабом взаимодействиях.
электрон
безструктурная частица. т.е. когда говорят спин электрона - это квантовое число, а не реальное вращение - непонятно чему вращаться если электон не имеет структуры. маленькая легкая частица относится к классу лептонов. участвует в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. самая главная "фишка" электрона, что у него очень большое соотношение заряд/ масса т.е. зарядУ много, а массы мало. примерно -1.8*10^11 кл/кг.
протон и нейтрон
долгое время считалось, что неделимой частицой мироздания является атом. даже древние греки говорили - весь мир состоит из атомов, одако последние два столетия сильно подорвали считавшуюся тысячилетеями стройную картину мира. сначала обнаружилось, что атомы не столь уж однородны и в 1911 году товарищ Эрнест Резерфорд предложил следующую модель атома: в центре находится положительно заряженное ядро, вокруг ядра вращаются электроны. основная часть массы атома сосредоточена в ядре, которое имеет малый размер и чрезвычайно большую плотность (диаметр атома равен 10^-10м; диаметр ядра атома = 10^-15м). если представить атом в виде Олимпийского стадиона в Пекине, то ядро атома - это футбольный мяч, которым играют в футбол на этом стадионе.
однако вскоре выяснилось, что и ядро не так уж однородно и в 1932 году товарищ Джеймс Чедвик обратил внимание, что воздействие альфа частицы на легкие элементы приводит к образованию нового проникающего излучения. Чедвик первый предположил, что новое проникающее излучение состоит из нейтронов. т.е. в ядре стали различать протон и нейтрон.
кварк
странное название, но наверно именно поэтому так стали называть эту частицу - никто толком не знал что это такое.
что же это?
к середине XX века число обнаруженных элементарных частиц превысило 100. стало ясно, что эти частицы не отражают предельный элементарный уровень организации материи. и в 1964 году предположили существование кварка. сначала кварков было немного, но со временем их стали разичать аж 6 штук, 6 разных «сортов» (чаще говорят - «ароматов») кварков короторые в силу неизвестных пока причин естественным образом групируются в 3 поколения, каждое тяжелее преведущего.
на сегодня общепринято, что кварки являются без структурными частицами, обладают электрическим зарядом, кратным e/3, кроме того кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». тут стоит оговориться спин, цвет это не реальное вращение частицы или цвет частицы, а это квантовое число т.е. некое число определяющее внутреннее состояние частицы. т.е. квантовая хромодинамика не наука о цвете чего-то, а теория квантовых полей, описывающая сильное взаимодействие элементарных частиц. Кварки участвуют в сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных. обозначаются первыми буквами соотвествующих англиских слов (нижний - down, верхний - up и т.д.) u, d, s, c, b, t
тут кстати прозвучало слово "сильное".
еще говрят цветово́е взаимоде́йствие, я́дерное взаимоде́йствие, действуещее только на очень короткие растояния. т.е. действует в масштабах порядка размера атомного ядра и менее, отвечая за связь между кварками в адронах.
дело в том что кварки не наблюдаются в свободном состоянии и все попытки их обнаружить эксперементально терпели крах. вскоре было предложено, что кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). скажем протоны и нейтроны это «бесцветные» комбинации кварков - адроны. т.е. кварки могут существовать лишь в адронах.
глюон.
это частица - переносчик сильного взаимодействия. название происходит от слова "клей". связывает кварки в адронах. глюоны сами несут цветовой заряд и поэтому они не только переносят сильное взаимодействие, но и участвуют в нём.
адрон
класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Адроны обладают сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия квантовыми числами (странностью, очарованием, красотой и др.) процесс формирования адронов из цветных объектов - кварков и глюонов называется адронизация.
реальность кварков
отдельный довольно большой вопрос, интересующихся оправляю в википедию, а я перепечатпаю лишь один аргумент:
"С повышением энергии ускорителей стало возможным также попытаться выбить отдельный кварк из адрона в высокоэнергетическом столкновении. Кварковая теория давала чёткие предсказания, как должны были выглядеть результаты таких столкновений - в виде струй. Такие струи действительно наблюдались в эксперименте. Заметим, что если бы протон ни из чего не состоял, то струй бы заведомо не было."
вернемся к протону
ну теперь можно четко обяснить структуру например протона - он состоит из трёх кварков (один d-кварк и два u-кварка). нейтрон точно такой же но там наоборот один u и два d кварка. кварки "держатся" внутри протона на сильном взаимодействии. несмотря на то, что протон несет электрический заряд с точки зрения силного взаимодействия эти частицы не отличимы. их называют нуклонами. сейчас считается, что нуклоны устроены немного сложнее, но мы упростим. сами нуклоны тоже могут учавствовать в сильных взаимодействиях, но говорят "остаточное сильное взаимодействие", которое просто склелеивает ядро из протонов и нейтронов.
подведем итог
из фотонов, глюонов, электронов, кварков состоит практически все с чем мы и меем дело по этой жизни. согласитесь не так уж много фундаментальных частиц которые образуют практически все, особенно если учесть, что кварка фактически всего два u и d в отличии от остальных 4 они самые стабильные. конечно можно сказать, что на самом деле в протоне жуть, что твоится и там могут вполне возникать более тяжелые кварки, но останемся в рамках урощенной модели. из стройной картины выбивается пожалуй только гравитация. действие её мы ощущаем на себе каждый день, но квантовой теории гравитации пока не существует.
КГП
ну и теперь совсем нетрудно понять что за зверь такой "кварк-глюо́нная пла́зма" (ква́рковый суп, хромопла́зма). что там в Дубне строят? это довольно "смешное" состояние вещества в которое представляет из себя месево частиц, составляющие адроны. я говорил, что кварки в свободном состоянии не наблюдаются. ну вот в некоторых особо экстримальных условиях это все таки возможно. занимает вопрос образования более крупных объектов - адронов. это интересно не только физикам ну и скажем еще космологам.
стандартная модель
все изложенное описывает атомы обычного вещества и является частью стандартной модели. сама стандартная модель это теория, которая описывает набор частиц необходимый для постоения этого мира. но стандартаня модель не полна - она не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию.
реакторы
теперь поробуем добавить немного практической стороны:
"деффект массы", "энергия связи". позволю себе перепечатать кусок лекции:
"Вам принесли кирпич и вы молодецким ударом ребром ладони разрубаете его пополам, но перед тем точно взвешиваете его массу.. разбили пополам, взяли два куска, аккуратно собрали все осколки до последней молекулы и опять взвесили. Спрашивается, масса одинаковая или нет, а если нет, то в какую сторону они отличаются?
Реплика из зала: - Целый кирпич легче. Дмитрий Дьяконов: "Правильно, целый легче. Целый кирпич весит меньше, но я прикинул, насколько он будет меньше весить, - всего на 10^-12, на одну триллионную часть. Одна триллионная часть и есть энергия связи кирпича. Когда вы что-то составляете, то сумма масс составляющих всегда больше, чем то целое, которое образовалось, если это целое, действительно, держится, а не разлетается тут же само собой. Если там есть дефект масс, и оно держится - это называется связанным состоянием. Всё в мире, что мы наблюдаем и не наблюдаем, суть связанные состояния, начиная от каждого из нас - человек, клетка, молекула, атом - это связанные состояния, которые характеризуются энергией связи или дефектом масс."
добавлю пример: вот есть энергия химической связи - порядок энергии можно оценить, спалив литр бензина, а есть энергия связи атомного ядра. т.е было бы крайне неплохо использовать эту энергию. существуют реакторы двух типов: в которых тяжелые ядра делятся и в которых легкие ядра сливаются в нечто тяжелое, еще говорят реакция синтеза. с этой целью строится эксперементальный термоядерный реактор, который осуществляет термоядерную реакцию: лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые за счет кинетической энергии их теплового движения. правда работают они с остаточным сильным взаимодействием - т.е. синтезируются там не протоны с нейтронами, а гелий из детерия и трития (то и то изотопы водорода отличаются числом нейтронов в ядре).
надеюсь без особых вывихов мозга погорили о "модных" вещах. еще популярно о квантовой механике и нетолько. тут правда стоит оговорится, что это несовсем научпоп, хоть ЖЖ и классифицирует большинство заметок как "наука". научпоп это именно что наука, но в популярном изложении. а это компиляция учебников, лекций, популярных лекций и т.п. т.е. это больше похоже на студенческий реферат в популярном изложении.
квантовая запутаность
чуть подробнее о кварках
стандартная модель
нуклеосинтез
черная дыра
космос и климат
термоядерная энегетика
отойдем немного от темы альтернативной энергии и поговорим о вещах более "приземленных" - говорить будем о квантовой механике точнее не сколько о физике сколько попробуем разобрать несколько понятий, которые в последнее время часто употребляются в масмедии и никто толком не может объяснить что это такое.
первое что надо понимать, что речь идет о квантовой физике, т.е. некоторые вопросы естественые для классической физики просто не имеют смысла. для классических материальных точек характерно движение по определенным траекториям, так, что их координаты и импульсы в любой момент времени точно известны. для квантовых частиц это утверждение неприемлемо, так как для квантовой частицы импульс частицы связан с ее длиной волны, а говорить о длине волны в данной точке пространства бессмысленно. поэтому для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее координат и импульса. если частица занимает точно определенное положение в пространстве, то ее импульс полностью неопределен и наоборот, частица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату.
неопределенность в значении координаты частицы Δx и неопределенность в значении компоненты импульса частицы Δpx связаны соотношением неопределенности, установленным В. Гейзенбергом в 1927 году. из принципа неопределенности следует, что в области квантовых явлений неправомерна постановка некоторых вопросов, вполне естественных для классической физики. так, например, не имеет смысла говорить о движении частицы по определенной траектории. Необходим принципиально новый подход к описанию физических систем. Не все физические величины, характеризующие систему, могут быть измерены одновременно.
сделали необходимую оговорку, теперь перечислим основные частицы, из которых состоит то, что мы обычно видим в повседневной жизни.
фотон
квант(т.е. порция) электромагнитного излучения, в узком смысле света. не имет массы покоя т.е. может существовать только двигаясь со скоростью света - переносщик электромагнитного взаимодействия, электрический заряд равен нулю. учавствует в гравитационном, электромагнитном и слабом взаимодействиях.
электрон
безструктурная частица. т.е. когда говорят спин электрона - это квантовое число, а не реальное вращение - непонятно чему вращаться если электон не имеет структуры. маленькая легкая частица относится к классу лептонов. участвует в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. самая главная "фишка" электрона, что у него очень большое соотношение заряд/ масса т.е. зарядУ много, а массы мало. примерно -1.8*10^11 кл/кг.
протон и нейтрон
долгое время считалось, что неделимой частицой мироздания является атом. даже древние греки говорили - весь мир состоит из атомов, одако последние два столетия сильно подорвали считавшуюся тысячилетеями стройную картину мира. сначала обнаружилось, что атомы не столь уж однородны и в 1911 году товарищ Эрнест Резерфорд предложил следующую модель атома: в центре находится положительно заряженное ядро, вокруг ядра вращаются электроны. основная часть массы атома сосредоточена в ядре, которое имеет малый размер и чрезвычайно большую плотность (диаметр атома равен 10^-10м; диаметр ядра атома = 10^-15м). если представить атом в виде Олимпийского стадиона в Пекине, то ядро атома - это футбольный мяч, которым играют в футбол на этом стадионе.
однако вскоре выяснилось, что и ядро не так уж однородно и в 1932 году товарищ Джеймс Чедвик обратил внимание, что воздействие альфа частицы на легкие элементы приводит к образованию нового проникающего излучения. Чедвик первый предположил, что новое проникающее излучение состоит из нейтронов. т.е. в ядре стали различать протон и нейтрон.
кварк
странное название, но наверно именно поэтому так стали называть эту частицу - никто толком не знал что это такое.
что же это?
к середине XX века число обнаруженных элементарных частиц превысило 100. стало ясно, что эти частицы не отражают предельный элементарный уровень организации материи. и в 1964 году предположили существование кварка. сначала кварков было немного, но со временем их стали разичать аж 6 штук, 6 разных «сортов» (чаще говорят - «ароматов») кварков короторые в силу неизвестных пока причин естественным образом групируются в 3 поколения, каждое тяжелее преведущего.
на сегодня общепринято, что кварки являются без структурными частицами, обладают электрическим зарядом, кратным e/3, кроме того кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». тут стоит оговориться спин, цвет это не реальное вращение частицы или цвет частицы, а это квантовое число т.е. некое число определяющее внутреннее состояние частицы. т.е. квантовая хромодинамика не наука о цвете чего-то, а теория квантовых полей, описывающая сильное взаимодействие элементарных частиц. Кварки участвуют в сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных. обозначаются первыми буквами соотвествующих англиских слов (нижний - down, верхний - up и т.д.) u, d, s, c, b, t
тут кстати прозвучало слово "сильное".
еще говрят цветово́е взаимоде́йствие, я́дерное взаимоде́йствие, действуещее только на очень короткие растояния. т.е. действует в масштабах порядка размера атомного ядра и менее, отвечая за связь между кварками в адронах.
дело в том что кварки не наблюдаются в свободном состоянии и все попытки их обнаружить эксперементально терпели крах. вскоре было предложено, что кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). скажем протоны и нейтроны это «бесцветные» комбинации кварков - адроны. т.е. кварки могут существовать лишь в адронах.
глюон.
это частица - переносчик сильного взаимодействия. название происходит от слова "клей". связывает кварки в адронах. глюоны сами несут цветовой заряд и поэтому они не только переносят сильное взаимодействие, но и участвуют в нём.
адрон
класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. Адроны обладают сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия квантовыми числами (странностью, очарованием, красотой и др.) процесс формирования адронов из цветных объектов - кварков и глюонов называется адронизация.
реальность кварков
отдельный довольно большой вопрос, интересующихся оправляю в википедию, а я перепечатпаю лишь один аргумент:
"С повышением энергии ускорителей стало возможным также попытаться выбить отдельный кварк из адрона в высокоэнергетическом столкновении. Кварковая теория давала чёткие предсказания, как должны были выглядеть результаты таких столкновений - в виде струй. Такие струи действительно наблюдались в эксперименте. Заметим, что если бы протон ни из чего не состоял, то струй бы заведомо не было."
вернемся к протону
ну теперь можно четко обяснить структуру например протона - он состоит из трёх кварков (один d-кварк и два u-кварка). нейтрон точно такой же но там наоборот один u и два d кварка. кварки "держатся" внутри протона на сильном взаимодействии. несмотря на то, что протон несет электрический заряд с точки зрения силного взаимодействия эти частицы не отличимы. их называют нуклонами. сейчас считается, что нуклоны устроены немного сложнее, но мы упростим. сами нуклоны тоже могут учавствовать в сильных взаимодействиях, но говорят "остаточное сильное взаимодействие", которое просто склелеивает ядро из протонов и нейтронов.
подведем итог
из фотонов, глюонов, электронов, кварков состоит практически все с чем мы и меем дело по этой жизни. согласитесь не так уж много фундаментальных частиц которые образуют практически все, особенно если учесть, что кварка фактически всего два u и d в отличии от остальных 4 они самые стабильные. конечно можно сказать, что на самом деле в протоне жуть, что твоится и там могут вполне возникать более тяжелые кварки, но останемся в рамках урощенной модели. из стройной картины выбивается пожалуй только гравитация. действие её мы ощущаем на себе каждый день, но квантовой теории гравитации пока не существует.
КГП
ну и теперь совсем нетрудно понять что за зверь такой "кварк-глюо́нная пла́зма" (ква́рковый суп, хромопла́зма). что там в Дубне строят? это довольно "смешное" состояние вещества в которое представляет из себя месево частиц, составляющие адроны. я говорил, что кварки в свободном состоянии не наблюдаются. ну вот в некоторых особо экстримальных условиях это все таки возможно. занимает вопрос образования более крупных объектов - адронов. это интересно не только физикам ну и скажем еще космологам.
стандартная модель
все изложенное описывает атомы обычного вещества и является частью стандартной модели. сама стандартная модель это теория, которая описывает набор частиц необходимый для постоения этого мира. но стандартаня модель не полна - она не описывает тёмную материю, тёмную энергию и не включает в себя гравитацию.
реакторы
теперь поробуем добавить немного практической стороны:
"деффект массы", "энергия связи". позволю себе перепечатать кусок лекции:
"Вам принесли кирпич и вы молодецким ударом ребром ладони разрубаете его пополам, но перед тем точно взвешиваете его массу.. разбили пополам, взяли два куска, аккуратно собрали все осколки до последней молекулы и опять взвесили. Спрашивается, масса одинаковая или нет, а если нет, то в какую сторону они отличаются?
Реплика из зала: - Целый кирпич легче. Дмитрий Дьяконов: "Правильно, целый легче. Целый кирпич весит меньше, но я прикинул, насколько он будет меньше весить, - всего на 10^-12, на одну триллионную часть. Одна триллионная часть и есть энергия связи кирпича. Когда вы что-то составляете, то сумма масс составляющих всегда больше, чем то целое, которое образовалось, если это целое, действительно, держится, а не разлетается тут же само собой. Если там есть дефект масс, и оно держится - это называется связанным состоянием. Всё в мире, что мы наблюдаем и не наблюдаем, суть связанные состояния, начиная от каждого из нас - человек, клетка, молекула, атом - это связанные состояния, которые характеризуются энергией связи или дефектом масс."
добавлю пример: вот есть энергия химической связи - порядок энергии можно оценить, спалив литр бензина, а есть энергия связи атомного ядра. т.е было бы крайне неплохо использовать эту энергию. существуют реакторы двух типов: в которых тяжелые ядра делятся и в которых легкие ядра сливаются в нечто тяжелое, еще говорят реакция синтеза. с этой целью строится эксперементальный термоядерный реактор, который осуществляет термоядерную реакцию: лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые за счет кинетической энергии их теплового движения. правда работают они с остаточным сильным взаимодействием - т.е. синтезируются там не протоны с нейтронами, а гелий из детерия и трития (то и то изотопы водорода отличаются числом нейтронов в ядре).
надеюсь без особых вывихов мозга погорили о "модных" вещах. еще популярно о квантовой механике и нетолько. тут правда стоит оговорится, что это несовсем научпоп, хоть ЖЖ и классифицирует большинство заметок как "наука". научпоп это именно что наука, но в популярном изложении. а это компиляция учебников, лекций, популярных лекций и т.п. т.е. это больше похоже на студенческий реферат в популярном изложении.
квантовая запутаность
чуть подробнее о кварках
стандартная модель
нуклеосинтез
черная дыра
космос и климат
термоядерная энегетика