Презентация Основные концепции неклассического естествознания онлайн

Содержание слайда: Неклассическое естествознание Основные концепции

Содержание слайда: Корпускулярно-волновой дуализм Микрочастицы представляют собой образования особого рода, сочетающие в себе 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).

Содержание слайда: Принцип неопределенности Любая микрочастица не может иметь одновременно точных значений координаты и импульса p x  h/2 и энергии и времени E t  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.

Содержание слайда: Принцип неопределенности Соотношение неопределенностей является предпосылкой недетерминистского статистического описания микрообъектов. 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.

Содержание слайда: Принцип дополнительности Бора При экспериментальном исследовании микрообъекта могут быть получены 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.

Содержание слайда: Принцип дополнительности Бора Всякое истинно глубокое явление природы не может быть 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».

Содержание слайда: Неклассическая концепция измерения В микромере ни один объект не 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.

Содержание слайда: Неклассическая концепция измерения Соотношение неопределенностей ограничивает экспериментально достижимую точность измерения характеристик 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.

Содержание слайда: Концепция моделирования состояния В классическом подходе к описанию природы моделируется сам 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.

Содержание слайда: Методологическая роль квантовой механики Невозможность ограничиться наглядными образами и простыми 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).

Содержание слайда: Неклассическая стратегия научного мышления Признание случайности фундаментальным свойством природы; Отказ от логики «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,

Содержание слайда: Физика атомного ядра Ядро простейшего атома – атома водорода – 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.

Содержание слайда: Физика атомного ядра В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен), он самопроизвольно распадается и превращается в протон, испуская электрон (е-) и антинейтрино (*). 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- + * . 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.

Содержание слайда: Характеристики атомного ядра зарядовое число Z равно количеству протонов, входящих 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)

Содержание слайда: Масса и энергия связи ядер Масса ядра всегда меньше 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

Содержание слайда: Масса и энергия связи ядер Энергетически выгодными являются два процесса: 1) деление тяжелых ядер на несколько более легких ядер; 2) слияние легких ядер в одно ядро. Оба процесса должны сопровождаться выделением большого количества энергии.

Содержание слайда: Деление тяжелых ядер В 1938 г. немецкие физики О.Ган и Ф.Штрассман 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.

Содержание слайда: Термоядерный синтез Для слияния легких ядер они должны подойти друг к 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).

Содержание слайда: Радиоактивные излучения -лучи представляют собой поток ядер 24Не. Примером может служить распад изотопа урана 92238U 90234Tr + 24Не. Существует три разновидности -распада: испускание электрона (распад нейтрона), позитрона или захват ядром одного из электронов К-оболочки. При -распаде имеют место слабые взаимодействия частиц . При исследовании -распада было обнаружено нарушение закона сохранения энергии, что и привело к предположению о существовании новой частицы (нейтрино) , для которой заряд и масса равны нулю.

Содержание слайда: Фундаментальные взаимодействия сильное взаимодействие, обеспечивает связь нуклонов в ядре, имеет радиус действия порядка 10-13 м; электромагнитное взаимодействие, радиус действия не ограничен; слабое взаимодействие, ответственно за все виды -распада и некоторые другие распады элементарных частиц, короткодействующее; гравитационное взаимодействие, универсальное, радиус действия не ограничен.

Содержание слайда: Элементарные частицы фотон – квант эл.магн. поля, участвует в электромагнитных взаимодействиях; лептоны – участвуют в слабых взаимодействиях, заряженные лептоны также участвуют в эл.магн. взаимодействиях. Все лептоны имеют спин, равный ½ и т.н. лептонный заряд. (e, , ,). адроны – участвуют в сильных взаимодействиях мезоны – нестабильные частицы, спин равен 0; (+,-,0, +, -, 0, 0*, ). барионы делятся на нуклоны ( р, n ) и гипероны ( , -, 0, +, 0, -, -). Спин равен ½ . Кроме протона, все барионы нестабильны, обладают специфическим свойством, называемым барионным зарядом, который подчиняется закону сохранения.

Содержание слайда: Частицы и античастицы П.Дирак записал релятивистское квантово-механическое уравнение. Из уравнения 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.

Содержание слайда: Частицы и античастицы В квантовой механике энергия частицы может изменяться не 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.

Содержание слайда: Частицы и античастицы Если одному из электронов сообщить энергию Е 2mec2, 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.

Содержание слайда: Частицы и античастицы Позитрон был обнаружен в 1932 г. Андерсоном в составе космических лучей. При встрече электрона с позитроном происходит аннигиляция: частицы превращаются в два (или три) -кванта e+ + e-   +  Рождение электрон-позитронной пары возможно, если энергия -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  + X  X + e+ + e-

Содержание слайда: Вакуум Решение уравнения Шредингера приводит к квантованию энергии, при этом минимально 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.

Содержание слайда: Кварки В 1964 Гелл-Манн выдвинул гипотезу, согласно которой все элементарные частицы 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).

Содержание слайда: Попытки Великого объединения Эйнштейн пытался единым образом описать гравитационное и эл.магн. 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.