Физика сформировалась как наука о явлениях природы, в которых происходят различные изменения с состоянием вещества, но не происходит появление новых веществ. Однако в начале XX в. в рамках физики появился раздел, который стал исключением из этого правила. Речь идёт о физике атома и атомного ядра. Поговорим кратко, над чем работает эта наука.
С этого времени началось изучение структуры атомов и атомных ядер, что и ознаменовало рождение нового раздела физики — физики атома и атомного ядра.
Противоречия с классической электродинамикой
На уровне атомов и особенно атомных ядер многие привычные представления, сложившиеся в классической физике, перестают работать. В первую очередь это относится к формулам классической электродинамики. Согласно им, любой заряд, движущийся с ускорением, должен излучать и при этом терять энергию. Следовательно, атомы должны излучать, а электроны при этом терять энергию и приближаться к ядрам.
В реальности этого не происходит. Объяснить это противоречие удалось только после развития квантовых представлений, утвердивших корпускулярно-волновой дуализм электронов (и любых других частиц) в теории, разработанной Л. де Бройлем. Любая частица, имеющая энергию, проявляет как корпускулярные, так и волновые свойства. Электрон в атоме не излучает потому, что в электронной оболочке укладывается целое число длин волн, соответствующих электрону. Ускорения движения заряда электрона нет.
Идеи Л. де Бройля получили развитие в теории В. Гейзенберга, согласно которой невозможно одновременно измерить импульс и пространственное положение электрона в атоме. Чем точнее определяется импульс электрона, тем труднее сказать, где он находится в атоме.
Фактически электрон не движется по орбите вокруг ядра, он получается «размазанным» по ней.
Открытия новых частиц и взаимодействий
В 1932 г. был открыт нейтрон и доказано, что он входит в состав атомных ядер. Были построены модели атомов, объяснена причина радиоактивности. Однако было неясно, какие силы удерживают протоны и нейтроны в весьма малом объёме ядра. Природа этих сил должна была отличаться от электромагнитной и гравитационной.
Взаимодействие, удерживающее протоны и нейтроны в ядре рядом, было названо ядерным или сильным, а частицы, участвующие в нем, — адронами. Ко второй половине XX в. были были открыты и многие другие адроны, которые могли превращаться друг в друга, что привело к мысли о новом уровне микромира — кварках.
Кварки удерживаются в составе адрона особым взаимодействием, переносчики которого были названы глюонами.
Существует ещё одно слабое взаимодействие, которое не порождает силового взаимодействия, а отвечает за распад некоторых частиц, в том числе за распад нейтрона.
Ещё один тип частиц, которые были открыты в рамках ядерной физики, — это античастицы. Каждая частица соответствует некоторому уровню энергии, и этот уровень может быть не только положительным, но и отрицательным. Такая частица отрицательного уровня была названа античастицей. Любая частица имеет своего двойника-античастицу. Например, электрону соответствует античастица позитрон.
Что мы узнали?
Атомная и ядерная физика изучает структуру атома, атомного ядра и законы, действующие в микромире. Законы этого раздела физики противоречат классическим представлениям и описываются квантовой теорией. В ядрах действует сильное взаимодействие, кроме того, существует слабое взаимодействие, «отвечающее» за распад частиц.
