Ми вже згадували про «відкриття на кінчику пера». Прикладом такого відкриття для людей, що жили в XIX ст., було виявлення нової планети — Нептуна. Квантова механіка та теорія відносності дали фізикам у руки «чарівне перо», дозволивши масово передбачати існування нових об'єктів. Про те, які елементарні частинки було відкрито фізиками-теоретиками, й піде мова в цьому параграфі.
Які ще бувають елементарні частинки
Дотепер, пояснюючи будову атома, його ядра, процеси радіоактивного розпаду і ядерних реакцій, ми оперували в основному чотирма частинками: електрон, протон, нейтрон і фотон. Здавалося б, чотирьох частинок буде цілком достатньо для пояснення всіх спостережуваних явищ. Але природа почала підносити вченим нові сюрпризи. Так, для пояснення експериментів з опромінення нейтронами протонів знадобилося припущення про існування мезонів. Ця частинка спочатку була «вигадана» японським фізиком Хідекі Юка-вою (1907-1981). Дослідження β-розпаду змусили В. Паулі в 1935 р. «винайти» частинку-фантом — нейтрино. А от експериментальне виявлення нейтрино відбулося лише двадцять років потому.
У 1928 р. англійський фізик Поль Адрієн Дірак (1902-1984), розв’язуючи задачу про рух електрона зі швидкістю, близькою до швидкості світла, дійшов висновку про можливість існування в природі не тільки «звичайної» частинки, а й її антипода — античастинки електрона. Античастинка дістала назву позитрон. Відмітною рисою античастинки є те, що в разі зіткнення її зі звичайною частинкою відбувається анігіляція — частинки зникають із випущенням двох фотонів. Причому, оскільки вся маса спокою електрон-позитронної пари перетворюється на фотони, енергія цих фотонів є дуже великою. Відзначимо, що, як і деякі інші частинки, позитрон було відкрито «на кінчику пера» — експериментальне спостереження позитрона відбулося тільки через кілька років після його передбачення.
Як здійснити класифікацію елементарних частинок
Після створення в 50-60-х рр. XX ст. потужних прискорювачів відкриття нових елементарних частинок стало відбуватися дуже часто. З одного боку, це применшило роль кожного нового відкриття, а з другого, виникла необхідність здійснити систематизацію. Справді, хіба це елементарні частинки, коли їхня кількість досягла багатьох сотень? Було запропоновано найпростішу схему систематизації — розташування частинок у порядку збільшення маси. За аналогією до Періодичної системи хімічних елементів «повний перелік» частинок було розбито на три групи.
У першій групі опинилась тільки одна частинка — фотон із нульовою масою. До другої групи увійшли відносно легкі частинки, які були названі лептонами (від грецьк. leptos — легкий). Вам відомий представник цієї групи — електрон. Третя група частинок —
найбільш важких — одержала назву адрони (від грец. hadros — великий, сильний). Представники цієї групи вам добре знайомі — нуклони.
Подальші дослідження показали, що частинки об’єднані в групи не тільки через розбіжності в їхніх масах, а й відповідно до їхньої здатності до фундаментальних взаємодій. В електромагнітній взаємодії беруть участь усі частинки, які несуть електричний заряд. Носіями електромагнітної взаємодії є фотони. У слабкій взаємодії беруть участь усі елементарні частинки, крім фотонів. До адронів відносять частинки, які, окрім того, здатні до сильної взаємодії.
Сучасна класифікація елементарних частинок доступна тільки вузькому колу фахівців у цій галузі й, безумовно, виходить за рамки нашого курсу. Немає сумнівів, що завдяки дослідженням на великому адронному колайдері будуть розроблені нові, більш досконалі теорії й системи класифікації елементарних частинок.
Що таке кварки
У дослідах із вивчення розсіювання дуже швидких електронів на протонах і нейтронах було виявлено, що більша частина електронів проходить крізь протони та нейтрони, не зазнаючи істотних відхилень, а невелика їх частина сильно розсіюється на якихось центрах. Цей результат схожий на результати дослідів Е. Резерфорда з дослідження розсіювання α-частинок під час проходження крізь атоми. Для пояснення таких властивостей адронів у 1964 р. було розроблено модель, яка дістала назву теорія кварків. Авторами теорії були американські вчені Маррі Ґелл-Манн (народ. 1929 р.) і Джордж Цвейґ (народ. 1937 р.).
Кварками вчені назвали три «справжні» елементарні частинки, з яких будуються всі адрони. Вони були позначені буквами и, d і s (від англ. up — угору, down — униз, strange — дивний). Однак згодом трьох кварків виявилося недостатньо для пояснення властивостей усіх адронів. Необхідним стало припустити існування ще декількох кварків. Після цього в теорії з’явилися антикварки. Потім знадобилося пояснити причини об’єднання кварків в адрони. Відповідно до сучасних уявлень, це відбувається за допомогою ще одного типу частинок — глюонів (від англ. glue — клей). Урешті кількість «справжніх» елементарних частинок знову зросла. Не перераховуючи всіх деталей цієї класифікації, звернемо увагу лише на одну особливість кварків. Передбачається, що заряд цих частинок не цілий (в одиницях заряду
електрона), а дробовий і дорівнює
елементарного електричного заряду!
Що таке космічне випромінювання
Перш ніж завершити цей параграф і розділ «Атомна і ядерна фізика», звернемо увагу ще на один інструмент, яким широко користувалися фізики, досліджуючи будову атомів і ядер. У попередніх
параграфах під час вивчення природної радіоактивності ми розглядали поняття природний радіаційний фон. Одним зі способів вимірювання цього фону є дані, отримані за допомогою йонізаційної камери. Було природним припустити, що ці дані зменшуватимуться в міру віддалення від природних джерел випромінювання. Учені підняли камеру на висоту кількох кілометрів, віддаливши її таким чином від радіоактивних земних порід. І одержали... значне збільшення інтенсивності випромінювання. Пояснення цього феномену криється в тому, що джерелом радіації є не тільки поверхня Землі, але й далекий космос. Саме звідти приходить до нас додаткове випромінювання, яке дістало назву космічного випромінювання, або космічних променів.
Дослідження показали, що первинні космічні промені складаються в основному з потоку протонів і α-частинок із невеликою «домішкою» (-1 %) ядер атомів більш важких елементів. Потоки частинок рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла. Хоча їхня кількість є невеликою, енергія, яку має кожна частинка,— величезна. Потрапляючи в земну атмосферу, частинка з первинного космічного випромінювання зіштовхується з ядром одного з атомів повітря, й, залежно від енергії, відбувається та чи інша ядерна реакція. Продуктами реакції є багато нових елементарних частинок. Таким чином, космічне випромінювання дозволило вченим «зазирнути» до внутрішньої структури матерії задовго до появи надпотужних прискорювачів.
Підбиваємо підсумки
Теоретичні розробки в галузі квантової механіки дозволили передбачити існування багатьох елементарних частинок (позитрона, нейтрино), які потім були відкриті в результаті експериментальних досліджень.
Запропонований спосіб розміщення елементарних частинок за принципом збільшення маси підказав дослідникам ідею «природної» класифікації частинок — за видами фундаментальних взаємодій.
Елементарні частинки поділяють на такі групи: фотон; лептони; адрони. До адронів відносять частинки, здатні до сильної взаємодії, до лептонів — частинки, не здатні до сильної взаємодії.
Для пояснення експериментів із розсіювання високоенергетичних електронів на нуклонах було висунуто гіпотезу про існування нового типу елементарних частинок — кварків. Відмітна риса кварків — дробовий заряд.
Космічні промені високих і надвисоких енергій були й залишаються надійним інструментом дослідників для одержання даних про будову мікросвіту.
Контрольні запитання
1. Що називають елементарною частинкою? 2. Яку частинку називають позитроном? Чим вона відрізняється від електрона? 3. Які частинки називають лептонами? 4. Які частинки називають адронами? 5. Які заряди мають кварки? 6. Що таке космічні промені?
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ РОЗДІЛУ 6 «АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА»
1. У процесі вивчення розділу 6 ви згадали будову атома й атомного ядра.
Кількість протонів у ядрі — протонне (зарядове) число (Z), яке дорівнює порядковому номеру елемента в Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва
І
Кількість нейтронів у ядрі (N): N-A-Z \
Загальна кількість нуклонів (протонів і нейтронів) у ядрі — нуклонне (масове) число (А)
2. Ви дізналися про спектри випромінювання світла атомами, а також про те, як завдяки постулатам Бора ★та принципу Паулі^ сформувались сучасні уявлення про структуру атома. ★ Ці ж закони дали змогу роз’яснити правила побудови Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва★.
3. Ви розширили свої знання про будову ядра атома та дізналися про ядерні сили та протонно-нейтронну модель ядра.
|
4. Ви з’ясували, що радіоактивність — це здатність деяких хімічних елементів спонтанно перетворюватися на ядра інших елементів із випромінюванням мікрочастинок; ознайомилися з трьома видами радіоактивного випромінювання, ★а також зі спонтанним поділом ядер'к та з’ясували їх природу. |
||
|
Радіоактивне випромінювання |
||
|
Вид |
Природа |
Заряд Швидкість частинки |
|
а-випромінювання |
Ядра атомів Гелію |
9І і Близько 10 000 Δ\ е 1 с |
|
β-випромінювання |
Електрони |
е Близько 300 000 с |
|
γ-випромінювання |
Електромагнітне випромінювання |
Дорівнює швидкості Відсут- ^ F км ній світла 300 000 - с |
5. Ви дізналися про радіоактивні елементи ★та поглибили свої знання про правила зміщення. ★
ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ ДО РОЗДІЛУ б «АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА»
Завдання 1. Атом Гідрогену під час переходу з п’ятого стану в другий випроменив фотон з енергією 2,86 еВ.
(З бали) Визначте довжину хвилі цього випромінювання.
(4 бали) Визначте кулонівську силу взаємодії та гравітаційну силу, що діють між електроном і ядром атома Гідрогену. Вважайте, що радіус атома дорівнює 5-Ю 9 см.
Завдання 2. Фосфор
уперше був здобутий подружжям Жоліо-Кюрі шляхом опромінення а -частинками атома Алюмінію з масовим числом 27.
(З бали) Запишіть рівняння цієї ядерної реакції та визначте її енергетичний вихід. Відносна атомна маса цього ізотопу 29,97867 а. о. м.
(4 бали) Запишіть рівняння позитронного розпаду Фосфору. Обчисліть енергію зв’язку ядра атома
Відносна атомна маса цього ізо
топу 29,97867 а. о. м.
Завдання 3. В археологічних дослідження «вік» знайденого предмета визначають за вмістом у ньому β -радіоактивного ізотопу Карбону.
(З бали) Визначте заряд і масове число цього ізотопу, якщо він утворюється в атмосфері Землі внаслідок такої реакції:
Запишіть рівняння β-розпаду цього ізотопу.
(4 бали) Період піврозпаду даного ізотопу 5730 років. У 1 г вуглецю органічного походження міститься приблизно 70 млрд атомів Карбону НС. Через який час у вуглецевому зразку масою 1,6 г залишиться 14 млрд атомів цього ізотопу?
Завдання 4. У результаті поділу одного ядра
на два осколки
виділяється близько 200 МеВ енергії.
(З бали) Яка енергія виділиться під час «згоряння» в ядерному реакторі 1 см3 цього ізотопу? Густина урану 19 г/см3.
Звірте ваші відповіді з наведеними наприкінці підручника. По значте завдання, які ви виконали правильно, і полічіть суму балів. Потім цю суму розділіть на два. Одержане число відповідатиме рівню ваших навчальних досягнень.
ФІЗИЧНА КАРТИНА СВІТУ РОЛЬ НАУКИ В ЖИТТІ ЛЮДИНИ ТА СУСПІЛЬНОМУ РОЗВИТКУ. СУЧАСНІ УЯВЛЕННЯ ПРО БУДОВУ РЕЧОВИНИ
Ви завершуєте п'ятирічний курс фізики загальноосвітньої школи. За цей час ви познайомилися з її основними розділами — механікою, оптикою, електрикою та ін.; дізналися, як відбувалося відкриття фізичних законів, як знання цих законів застосовуються на практиці — втілюються у приладах, машинах, обладнанні, що значно підвищують якість життя людини. Разом із тим ви довідалися, яким чином дослідження вчених-фізиків сприяли створенню сучасних уявлень про будову Всесвіту, про процеси, що відбуваються в надрах зірок, тощо.
На узагальнюючих заняттях ми розглянемо деякі загальні питання сучасної фізики, а саме: яким є внесок сучасних фізиків у створення природничо-наукової картини світу, яку роль відіграє наука в житті людини, що таке наноматеріали і яким чином ці речовини змінюють світ.
Висвітленню кожного з цих питань можна присвятити окрему книжку, й не одну. Тому на сторінках підручника ми зупинимося лише на основних моментах, які зорієнтують вас у подальшому більш глибокому вивченні цього матеріалу. Яким е внесок фізиків у створення природничо-наукової картини світу
Протягом усього періоду свого існування фізика не лише займалася вивченням і розв’язанням суто фізичних проблем, а й впливала на розвиток інших наук — так би мовити, допомагала у вирішенні проблем суміжних природничо-наукових дисциплін (хімії, біології тощо). Тут доречно говорити скоріше не про допомогу, а про взаємодію, оскільки якщо проаналізувати історію найвідоміших відкриттів, то побачимо, що це були, кажучи сучасною мовою, спільні проекти, результати яких потім використовувало все людство.*
Можна виділити два основні напрямки, за якими відбувалося використання досягнень фізичної науки в інших дисциплінах. По-перше, вимірювальні прилади, які були розроблені фізиками для вивчення суто власних проблем, застосовуються зараз не тільки для досліджень в галузі будь-якої з природничих наук, а й при розробці нових технологій, створенні нових речовин, автоматизації промислових процесів. По-друге, фізичні теорії, зокрема квантова механіка, допомогли глибше зрозуміти природу хімічних і біологічних процесів, з часом з’явилися нові науки: біофізика, хімічна фізика, фізична хімія тощо.
Розглянемо зв’язок між дисциплінами більш докладно на прикладі взаємодії фізики та астрономії.
Вивчення процесів, що відбуваються в далеких' галактиках та міжзоряному просторі, неможливе без надпотужних телескопів, які були розроблені завдяки розвитку такого розділу фізики як оптика. До спостережень видимого оком Всесвіту додались дослідження випромінювання космічних об’єктів в діапазоні радіохвиль завдяки створенню радіотелескопів. До речі, Україна має декілька таких приладів світового рівня.
* Щоб переконатися в цьому, знайдіть інформацію про відкриття ДНК або співпрацю Е. Резерфорда та Ф. Содді.
Фізичні теорії були й залишаються основою уявлень людства про будову Всесвіту. Пригадайте: спочатку вчені вважали Землю пласкою та оточеною гігантською кришталевою сферою; у середні віки була сформована геліоцентрична картина світу, на початку XX ст. вчені почали вивчати фізичні процеси, що відбуваються в зорях. Виявилося, що «світіння» цих гігантських скупчень пов’язане зі структурою й властивостями найменших із відомих на той час об’єктів — атомних ядер. Процеси в безкраїх просторах та навіть сама структура цього простору виявилися залежними від взаємодії між елементарними частинками. Всі ці дослідження систематизуються на основі теорії відносності та квантової механіки. Отже, завдяки розробленому фізиками теоретичному підґрунтю формується сучасна картина будови Всесвіту.
Яка роль фізики в науково-технічному прогресі Поряд із впливом на процес набуття природничими науками сучасного вигляду фізика є постійним генератором інновацій в техніці. Ще давні греки у своїх працях намагалися науково обґрунтувати застосування тих чи інших технічних пристроїв і прийомів. Починаючи з XIX ст. фізичні закони не тільки використовуються для пояснення (і поліпшення) вже придуманих інженерами конструкцій, а й стають «поживою для розуму» при створенні нових напрямків розвитку техніки.
Прослідкуємо вплив фізичних відкриттів на історію розвитку зв’язку. Приблизно із середини XIX ст., після встановлення фізичних законів, пов’язаних із поширенням і дією електричного струму (закону Ома, закону електромагнітної індукції та ін.), починають інтенсивно розвиватися провідний телеграфний зв’язок, а згодом і телефонний. Винайдення і поширення радіо стали можливими після формулювання рівнянь Максвелла.
У XX ст. після винаходу електронних ламп (тріодів) були розроблені потужні генератори коливань радіохвильового діапазону, які забезпечили розвиток сучасного телебачення та радіомовлення. Спільними зусиллями розробників нових матеріалів та вчених-оптиків були створені волоконно-оптичні лінії зв’язку, завдяки чому багатоканальне телебачення, Інтернет, телефон увійшли в кожну домівку.
Сучасний етап розвитку фізичної науки на початку XXI ст. характеризується її тісною співпрацею з виробництвом і бізнесом. Для вирішення кожного нового технічного завдання залучаються не тільки інженери, технологи, а й учені. Одним із результатів такої співпраці є мініатюризація мобільних телефонів — від таких, що були завбільшки з портфель і важили декілька кілограмів (на початку 90-х років минулого століття), до кишенькових апаратів.
Як саме сучасні фізичні уявлення про будову речовини допомагають «пересічному громадянину»
Усього за декілька десятків років наше життя кардинально змінилося. Мобільний зв’язок та персональні комп’ютери усунули відстані між людьми, що живуть у різних країнах та навіть на різних континентах. Вражаючі технічні пристрої (згадайте автоматичні пральні машини, побутові мікрохвильові печі, бортові комп’ютери в автомобілях тощо) стали можливими лише завдяки новим матеріалам.
На початку XX ст. квантова механіка та дослідження атомних спектрів виглядали дуже схожими лише на інтелектуальні забави. Практичне значення, навіть на думку самих фізиків, малц тільки дослідження, що стосувалися вивільнення енергії під час атомних та ядерних перетворень.
Але починаючи із середини XX ст. квантова механіка почала давати відповіді на те, як створювати матеріали з надзвичайними властивостями. Саме в той період з’являються напівпровідникові діод і тріод, перші фотоелектричні перетворювачі, магнітні носії пам’яті та ін. Крім теоретичних досліджень, опорою технічного прогресу стали винаходи фізиків зі створення новітніх приладів для вивчення структури матеріалів. Розвиток експериментальних методів дослідження структури йшов двома паралельними шляхами. По-перше, вчені навчилися використовувати цілу низку приладів / методів проведення комплексних досліджень. По-друге, фізики займалися винайденням нових, більш потужних методів дослідження властивостей матеріалів. Так, наприклад, потужні прискорювачі заряджених частинок стали використовуватися не тільки для суто ядерних досліджень, а й для пошуку шляхів створення новітніх електронних матеріалів. Тунельний мікроскоп, за винайдення якого вченим було присуджено Нобелівську премію, дозволив «побачити» кожний атом на поверхні твердого тіла.
Новим кроком стало винайдення так званих наноматеріалів — дуже маленьких «шматочків», які налічують лише кілька десятків атомів. Ви знаєте, що властивості атомів на поверхні відрізняються від властивостей атомів усередині матеріалу. Для «звичайних» розмірів така різниця має суто теоретичний характер. Судіть самі. Візьмемо шматок матеріалу у вигляді куба з ребром 1 см. Приблизна кількість атомів у цьому матеріалі — 1023. Кількість атомів на всіх шести гранях -10і'. Отже, відносна кількість поверхневих атомів для такого шматка 10і‘ : 1023 = 10 в, тобто лише кожний мільйонний атом є поверхневим. Зрозуміло, що вплив поверхні в цьому випадку є незначним.
Розглянемо інший шматок, у якому буде тільки тисяча атомів. У цього шматка на грані розташовано 100 атомів, на всіх гранях — 600. Тож їх відносна кількість 600 : 1000 ■ 100 %= 60 %, отже, більш ніж половина атомів є поверхневими! Зрозуміло, що за своїми властивостями другий шматок має значно відрізнятися від першого. Якщо тепер зібрати ці маленькі шматки докупи, то в нас вийдуть абсолютно нові речовини, які й назвали наноматеріалами.
Наноматеріали мають безліч сфер застосування вже зараз. Це перш за все різноманітні хімічні речовини, які можуть реагувати із «зовнішнім світом» більш ефективно; це створені зі «склеєних» наночастинок об’ємні конструкції з дуже високими механічними властивостями і багато іншого.
Підбиваємо підсумки
За майже 2500 років свого існування фізична наука змогла розвинути загальне уявлення про природу, яке поєднує знання людей про мега-, макро- і мікросвіти. Починаючи з XIX ст. фізики стали не тільки пояснювати відомі факти, а й установлювати нові закони і, спираючись на них, розвивати нові галузі техніки.
Результати, отримані вченими-фізиками, застосовуються в інших науках, зокрема в біології та хімії. Фізичні прилади й методи досліджень широко використовуються в науці, промисловості, сільському господарстві.
Це матеріал з підручника Фізика 11 клас Бар'яхтар