Е.С.,
, Общинска образователна институция Средно училище № 16 с UIOP, Лисва, Пермска област.

Раждането на квантовата физика

Намерете началото на всичко и ще разберете много!
Козма Прутков

Образователна цел на урока:въвежда концепцията за дискретност на материята, формулира концепцията за квантово-вълновия дуализъм на материята, обосновава въвеждането на формулите на Планк и дължината на вълната на де Бройл.

Цел за развитие на урока:развиват логическото мислене, способността да сравняват и анализират ситуации и да виждат междудисциплинарни връзки.

Образователна цел на урока:да формират диалектико-материалистично мислене.

Физиката като наука има общочовешки ценности и огромен хуманитарен потенциал. По време на изучаването му се разкриват основните научни методи (научен експеримент, моделиране, мисловен експеримент, създаване и структура на научна теория). На учениците трябва да се даде възможност да погледнат света през очите на физик, за да разберат вечността и постоянната промяна на света - свят, в който има толкова много огромни и незначително малки, много бързи и необичайно бавни , прости и трудни за разбиране - да усетите постоянния стремеж на човека към знание, което носи най-дълбоко удовлетворение, да се запознаете с примери за дълбоко преживяване на "научни съмнения" и смело движение по непознат път в търсене на елегантност, краткост и яснота .

аз Учител.Когато започнахме да изучаваме оптика, зададох въпроса: „Какво е светлина?“ Как бихте отговорили сега? Опитайте се да формулирате мисълта си в едно изречение. Започнете с думите „светлината е...“ от F.I. Тютчев има следните редове: „Пак с алчни очи // Пия живителната Светлина“. Моля, опитайте се да коментирате тези редове от гледна точка на физиката. В поезията - от Омир до наши дни - на усещанията, породени от светлина, винаги е било отделяно специално място. Най-често поетите възприемат светлината като специална светеща, блестяща течност.

За да направя днешния разговор за светлината пълен, бих искал да прочета думите на S.I. Вавилова: „Непрекъснатата, победоносна война за истината, никога не завършваща с окончателна победа, има обаче своето безспорно оправдание. По пътя към разбирането на природата на светлината човекът получи микроскопи, телескопи, далекомери, радио и рентгенови лъчи; това изследване помогна да се овладее енергията на атомното ядро. В търсене на истината човек безгранично разширява областите на своето овладяване на природата. Не е ли това истинската задача на науката? (курсивът е мой. – ЕС.)»

II. Учител.В процеса на изучаване на физиката се запознахме с много теории, например MCT, термодинамика, теорията на Максуел за електромагнитното поле и др. Днес завършваме изучаването на вълновата оптика. Трябва да обобщим изучаването на темата и може би да поставим последна точка на въпроса: „Какво е светлина?“ Бихте ли използвали примери от вълновата оптика, за да покажете ролята на теорията в процеса на разбиране на природата?

Нека си припомним, че значението на теорията се състои не само в това, че тя позволява да се обяснят много явления, но и в това, че дава възможност да се предскажат нови, все още неизвестни физически явления, свойства на тела и модели. По този начин вълновата теория обяснява явленията на интерференция, дифракция, поляризация, пречупване, дисперсия на светлината и дава възможност да се направи „откритие на върха на писалката“ - предсказание. През 1815 г. неизвестен пенсиониран инженер, Августин Френел, представи доклад, обясняващ феномена на дифракцията пред Парижката академия на науките. Анализът на работата е поверен на известни учени - физик Д. Араго и математик С. Поасон. Поасон, четейки тази работа със страст, откри крещящ абсурд в заключенията на Френел: ако малка кръгла мишена се постави в поток от светлина, тогава в центъра на сянката трябва да се появи светло петно! Какво мислите, че се случи след това? Няколко дни по-късно Араго експериментира и открива, че Френел е прав! И така, 19 век е векът на триумфа на вълновата оптика.

Какво е светлина? Светлината е електромагнитна напречна вълна.

Завършвайки изучаването на голям раздел от физиката, свързан с природата на светлината и електромагнитните вълни, предлагам самостоятелно да изпълним тестовата задача „Електромагнитни вълни“ (виж Приложение 1). Проверяваме изпълнението фронтално.

III. Учител.И ето какво пишат лондонските вестници в навечерието на 1900 г.: „Когато улиците на Лондон бяха осветени с празнични светлини, направени от ярки електрически крушки вместо от слаби маслени купи, такситата се придвижваха към старинната сграда на Флийт Стрийт едно след друго. Уважавани господа, облечени в мантии, се изкачиха по широкото, ярко осветено стълбище в залата. Тогава членовете на Кралското общество на Лондон се събраха за поредната си среща. Висок, сивокос, с гъста брада, сър Уилям Томсън (знаете ли за неговите постижения в областта на физиката? - ЕС.), преди осем години получи от ръцете на кралица Виктория титлата пер и лорд Келвин (познато ли ви е това име? - ЕС.), а сега председател на дружеството, започна своето новогодишно слово. Великият физик на 19 век отбеляза успехите, постигнати през изминалия век, изброи заслугите на присъстващите...

Събраните кимаха одобрително с глави. Скромно казано, свършиха добра работа. И сър Уилям беше прав, когато каза, че грандиозната сграда на физиката е построена, че остават само малки довършителни работи.

Вярно (лорд Келвин прекъсна речта си за момент), в безоблачния хоризонт на физиката има две малки облачета, два проблема, които все още не са намерили обяснение от гледна точка на класическата физика... Но тези явления са временни и мимолетни. Спокойно настанени в антични столове с високи облегалки, господата се усмихваха. Всички знаеха за какво говорим:

1) класическата физика не може да обясни експериментите на Майкелсън, които не определят влиянието на движението на Земята върху скоростта на светлината. Във всички отправни системи (както в движение, така и в покой спрямо Земята) скоростта на светлината е една и съща – 300 000 km/s;

2) класическата физика не може да обясни графиката на радиацията на черното тяло, получена експериментално.

Сър Уилям дори не можеше да си представи каква светкавица скоро ще удари от тези облаци! Гледайки напред, ще кажа: решението на първия проблем ще доведе до преразглеждане на класическите представи за пространството и времето, до създаването на теорията на относителността; решението на втория проблем ще доведе до създаването на нова теория - квантово. Това е решението на втория проблем, който ще бъде обсъден в днешния урок!

IV. (Учениците си правят бележки в тетрадките си: Дата № на урока Тема на урока: „Произходът на квантовата физика.“) На границата на 19 и 20 век. Във физиката възникна проблем, който спешно трябваше да бъде решен: теоретично обяснение на радиационната графика на абсолютно черно тяло. Какво е перфектно черно тяло? ( Студентски хипотези. Демонстрация на видео фрагмента „Топлинно излъчване“ .)

Учител.Запишете: „Напълно черно тяло е тяло, способно да абсорбира без отражение целия падащ радиационен поток, всички електромагнитни вълни с всякаква дължина на вълната (всяка честота).“

Но абсолютно черните тела имат още една особеност. Помните ли защо хора с черна кожа живеят в екваториалните територии? „Черните тела, ако се нагреят, ще светят по-ярко от всяко друго тяло, тоест те излъчват енергия във всички честотни диапазони“, запишете това в тетрадките си.

Учените са определили експериментално радиационния спектър на напълно черно тяло. ( Чертае графика.) Рν – спектрална плътност на енергийната светимост – енергията на електромагнитното излъчване, излъчено за единица време от единица повърхност на тяло в единичен честотен интервал ν. Теорията за електромагнитното поле на Максуел предсказва съществуването на електромагнитни вълни, но теоретичната крива на излъчване на черно тяло, построена въз основа на тази теория, има несъответствие с експерименталната крива във високочестотната област. Най-добрите умове на онова време работиха върху проблема: английският лорд Рейли и Дж. Джинс, германците П. Кирхоф и В. Виен, московският професор В.А. Михелсън. Нищо не проработи!

Предложете изход от настоящата ситуация. Теоретичната крива се различава от експерименталната. Как да бъдем и какво да правим? ( Учениците изказват хипотези: провеждат експерименти по-внимателно – направиха го, резултатът е същият; сменете теорията - но това е катастрофа, цялата основа на класическата физика, която е създавана в продължение на хиляди години, рухва!) Създадената ситуация във физиката се наричаше ултравиолетово бедствие.

Запишете: „Методите на класическата физика се оказаха недостатъчни, за да обяснят излъчването на напълно черно тяло във високочестотната област - това беше „ултравиолетова катастрофа“.

Кой може да познае защо е кръстена тази криза ултравиолетова катастрофа,а не инфрачервен или виолетов? Настъпи криза във физиката! Гръцката дума κρίση [ криза] обозначават труден преход от едно стабилно състояние към друго. Проблемът трябваше да се реши, и то спешно!

V.Учител.И така на 19 октомври 1900 г. на среща на Физическото общество немският учен М. Планк предложи да се използва формулата за изчисляване на излъчването на абсолютно черно тяло E = hν. Приятелят и колега на Планк, Хайнрих Рубенс, седеше на бюрото си цяла нощ, сравнявайки своите измервания с резултатите, дадени от формулата на Планк, и беше изумен: формулата на неговия приятел описваше спектъра на излъчване на абсолютно черно тяло до най-малкия детайл! И така, формулата на Планк елиминира „ултравиолетовата катастрофа“, но на каква цена! Планк предложи, противно на установените възгледи, да се счита, че излъчването на лъчиста енергия от атомите на материята се извършва дискретно, тоест на порции, кванти. "Квант" ( количество) в превод от латински означава просто количество .

Какво означава "дискретно"? Нека проведем мисловен експеримент. Представете си, че в ръцете си държите буркан, пълен с вода. Възможно ли е да се хвърли половината? Какво ще кажете да отпиете една глътка? И още по-малко? По принцип е възможно да се намали или увеличи масата на водата с произволно малко количество. Сега нека си представим, че имаме в ръцете си кутия с детски кубчета по 100 г всяко. Възможно ли е да се намалят например 370 гр.? Не! Не можете да счупите кубчетата! Следователно масата на кутията може да се променя дискретно, само в порции, кратни на 100 g! Може да се нарече най-малката сума, с която може да се промени масата на кутията порция,или квант на масата.

Така непрекъснатият поток от енергия от нагрято черно тяло се превърна в „картечен изстрел“ от отделни порции - енергийни кванти. Изглежда нищо особено. Но всъщност това означаваше разрушаването на цялата отлично изградена сграда на класическата физика, тъй като вместо основните фундаментални закони, изградени на принципа на непрекъснатостта, Планк предложи принципа на дискретността. Самият Планк не харесваше идеята за дискретност. Той се стреми да формулира теорията така, че да се вмести изцяло в рамките на класическата физика.

Но имаше човек, който, напротив, отиде още по-решително отвъд границите на класическите идеи. Този човек беше А. Айнщайн. За да разберете революционността на възгледите на Айнщайн, ще кажа само, че използвайки идеята на Планк, той постави основите на теорията за лазерите (квантовите генератори) и принципа за използване на атомната енергия.

Академик С.И. Много дълго време Вавилов не можеше да свикне с идеята за светлината като субстанция от кванти, но той стана пламенен почитател на тази хипотеза и дори измисли начин за наблюдение на кванти. Той изчисли, че окото е в състояние да различи светлината, създадена от 52 кванта зелена светлина.

И така, според Планк светлината е... ( ученически изявления).

VI. Учител.Хипотезата на Планк не ви ли напомня известната вече хипотеза за природата на светлината? Сър Исак Нютон предлага светлината да се разглежда като състояща се от малки частици - корпускули. Всяко светещо тяло ги излъчва във всички посоки. Те летят по права линия и ако попаднат в очите ни, виждаме източника им. Всеки цвят съответства на собствените си корпускули и те се различават най-вероятно по това, че имат различна маса. Комбинираният поток от корпускули създава бяла светлина.

По времето на сър Исак Нютон физиката се е наричала естествена философия. Защо? Прочетете (вижте Приложение 2) един от основните закони на диалектиката - законът за отрицание на отрицанието. Опитайте се да го приложите към въпроса за природата на светлината. ( Разсъжденията на учениците.)

И така, според хипотезата на М. Планк, светлината е поток от частици, корпускули, кванти, всеки от които има енергия E = hν. Моля, анализирайте тази формула: какво е ν? какво стана ч (някой от учениците определено ще предположи, че това е някаква константа, кръстена на Планк)? Каква е единицата за константата на Планк? каква е стойността на константата ( работа с таблицата на физичните константи)? Какво е името на константата на Планк? Какво е физическото значение на константата на Планк?

За да оценим красотата на формулата на Планк, нека се обърнем към проблемите...биология. Каня учениците да отговорят на въпроси от областта на биологията (Приложение 3).

Механизъм на зрението.Чрез зрението получаваме около 90% от информацията за света. Следователно въпросът за механизма на зрението винаги е интересувал хората. Защо човешкото око, както и повечето от жителите на Земята, възприемат само малък диапазон от вълни от спектъра на съществуващото в природата електромагнитно излъчване? Какво ще стане, ако човек има инфрачервено зрение, например като ямкови змии?

През нощта бихме виждали, както през деня, всички органични тела, защото тяхната температура се различава от температурата на неживите тела. Но най-мощният източник на такива лъчи за нас би било собственото ни тяло. Ако окото е чувствително към инфрачервеното лъчение, светлината на Слънцето просто би избледняла за нас на фона на собственото си лъчение. Нямаше да виждаме нищо, очите ни щяха да са безполезни.

Защо очите ни не реагират на инфрачервена светлина? Нека изчислим енергията на квантите на инфрачервената и видимата светлина по формулата:

Енергията на инфрачервените кванти е по-малка от енергията на квантите на видимата светлина. Няколко кванта не могат да се „съберат“, за да предизвикат действие, което е извън силата на един квант - в микросвета има взаимодействие едно към едно между квант и частица. Само квант от видимата светлина, който има енергия, по-голяма от тази на инфрачервената светлина, може да предизвика реакция в молекулата на родопсин, т.е., пръчката на ретината. Въздействието на кванта на видимата светлина върху ретината може да се сравни с удара на топка за тенис, която премества... многоетажна сграда. (Чувствителността на ретината е толкова висока!)

Защо окото не реагира на ултравиолетовото лъчение? UV радиацията също е невидима за окото, въпреки че енергията на UV квантите е много по-голяма от тази на видимите светлинни кванти. Ретината е чувствителна към ултравиолетовите лъчи, но те се абсорбират от лещата, в противен случай биха имали разрушителен ефект.

В процеса на еволюция очите на живите организми са се приспособили да възприемат енергията на лъчение от най-мощния източник на Земята - Слънцето - и точно тези вълни, които представляват максималната енергия на слънчевата радиация, падаща на Земята.

фотосинтеза.При зелените растения процесът, чрез който всички живи същества получават кислород за дишане и храна, не спира нито за секунда. Това е фотосинтезата. Листът има зелен цвят поради наличието на хлорофил в клетките му. Реакциите на фотосинтеза протичат под въздействието на радиация в червено-виолетовата част на спектъра и се отразяват вълни с честота, съответстваща на зелената част на спектъра, така че листата имат зелен цвят.

Молекулите на хлорофила са „отговорни“ за уникалния процес на преобразуване на светлинната енергия в енергията на органичните вещества. Започва с поглъщането на квант светлина от хлорофилна молекула. Поглъщането на квант светлина води до химични реакции на фотосинтеза, които включват много звена.

През целия ден молекулите на хлорофила са „заети“ с факта, че след като са получили квант, те използват неговата енергия, превръщайки я в потенциалната енергия на електрона. Тяхното действие може да се сравни с действието на механизъм, който повдига топка нагоре по стълбище. Спускайки се по стъпалата, топката губи енергията си, но не изчезва, а се превръща във вътрешната енергия на веществата, образувани по време на фотосинтезата.

Молекулите на хлорофила „работят“ само през светлата част на деня, когато видимата светлина ги удари. През нощта те „почиват“, въпреки факта, че няма недостиг на електромагнитно излъчване: земята и растенията излъчват инфрачервена светлина, но енергията на квантите в този диапазон е по-малка от необходимата за фотосинтезата. В процеса на еволюция растенията са се приспособили да акумулират енергията на най-мощния източник на енергия на Земята – Слънцето.

Наследственост.(Учениците отговарят на въпроси 1–3 от Приложение 3, карта „Наследственост“). Наследствените характеристики на организмите са кодирани в ДНК молекули и се предават от поколение на поколение по матричен път. Как да предизвикаме мутация? Под въздействието на какво лъчение протича процесът на мутация?

За да се предизвика една единствена мутация, е необходимо да се придаде енергия на молекулата на ДНК, достатъчна за промяна на структурата на част от гена на ДНК. Известно е, че γ-квантите и рентгеновите лъчи, както се изразяват биолозите, силно мутагенен– техните кванти носят енергия, достатъчна да променят структурата на даден участък от ДНК. ИЧ радиацията очевидно не може да извърши такова действие; тяхната честота и следователно тяхната енергия е твърде ниска. Сега, ако енергията на електромагнитното поле се абсорбира не на части, а непрекъснато, тогава тези лъчения биха могли да влияят на ДНК, тъй като по отношение на своите репродуктивни клетки, самият организъм е най-близкият и най-мощен, постоянно действащ източник на радиация.

До началото на 30-те години. ХХ век Благодарение на успехите на квантовата механика, физиците имаха усещане за такава сила, че се обърнаха към самия живот. Имаше много прилики в генетиката. Биолозите са открили отделна неделима частица - ген, която може да преминава от едно състояние в друго. Промените в конфигурацията на гените са свързани с промени в хромозомите, което причинява мутации, и това се оказа възможно да се обясни въз основа на квантовите концепции. Един от основателите на молекулярната биология, получил Нобелова награда за изследвания в областта на мутационните процеси в бактериите и бактериофагите, е немският теоретичен физик М. Делбрюк. През 1944 г. е публикувана кратка книга на физика Е. Шрьодингер "Какво е животът?" Той даде ясно и кратко представяне на основите на генетиката и разкри връзката между генетиката и квантовата механика. Книгата даде тласък на атаката на физиците срещу гена. Благодарение на работата на американските физици Дж. Уотсън, Ф. Крик, М. Уилкинс, биолозите научиха как е „структурирана“ най-основната „жива“ молекула ДНК. Рентгеновият дифракционен анализ направи възможно да се види.

VII. Учител.Връщам се на въпроса: какво е светлина? ( Ученически отговори.) Оказва се, че физиката се върна към нютоновата частица светлина - корпускулата - отхвърляйки идеята за светлината като вълна? Не! Невъзможно е да се зачеркне цялото наследство на вълновата теория на светлината! В края на краищата отдавна са известни дифракция, интерференция и много други явления, които експериментално потвърждават, че светлината е вълна. Какво трябва да направя? ( Студентски хипотези.)

Остава само едно нещо: по някакъв начин да комбинираме вълни с частици. Признайте, че има един кръг от явления, където светлината проявява вълнови свойства, и има друг кръг, в който корпускулярната същност на светлината е на първо място. С други думи – запишете го! – светлината има квантова вълнова дуалност! Това е двойствената природа на светлината. За физиците беше много трудно да съчетаят две несъвместими досега идеи в една. Частицата е нещо твърдо, непроменливо, с определен размер, ограничено в пространството. Вълната е нещо течно, нестабилно и няма ясни граници. Повече или по-малко ясно тези идеи бяха свързани с помощта на концепцията за вълнов пакет. Това е нещо като вълна, "отсечена" в двата края, или по-скоро куп вълни, пътуващи през пространството като едно цяло. Съсирекът може да се свие или разтегне в зависимост от средата, в която влиза. Наподобява летяща пружина.

Каква характеристика на вълновия пакет се променя, когато светлината преминава от една среда в друга? ( Ученически отговори.)

През 1927 г. американският физик Люис предлага да наречем този вълнов пакет фотон(от гръцки φωτóς [phos, снимки] – ) . Какво е фотон? ( Учениците работят с учебника и правят изводи.)

Изводи.Фотонът е: квант на електромагнитното излъчване; частица в покой не съществува; частица, движеща се във вакуум със скоростта на светлината ° С= 3 · 10 8 m/s е едно цяло и неделимо, съществуването на малка част от фотона е невъзможно, частица с енергия E = hν, където ч= 6,63 · 10 -34 J · s; ν е честотата на светлината; частица с импулс е електрически неутрална частица.

Светът е устроен така, че светлината най-често ни показва вълнова природа, докато не разгледаме взаимодействието й с материята. И материята се появява пред нас в корпускулярна форма, докато не започнем да разглеждаме естеството на междуатомните връзки, процесите на пренос, електрическото съпротивление и т.н. Но независимо от нашата позиция във всеки момент, микрочастицата има и двете свойства.

Процесът на създаване на квантовата теория и по-специално на квантовата теория на светлината е дълбоко диалектичен. Идеите и образите на старата, класическа механика и оптика, обогатени с нови идеи, творчески приложени към физическата реалност, в крайна сметка породиха фундаментално нова физическа теория.

Упражнение: Прочетете философския закон за единството и борбата на противоположностите и направете заключение относно две теории за светлината: вълновата и квантовата теория за светлината.

VIII. Учител.През 1924 г. френският физик Луи дьо Бройл (бивш военен радиотелеграфист) изказва напълно парадоксални, дори за смелите физици от онова време, мисли за природата на движението на атомните частици. Де Бройл предполага, че свойствата на електроните и другите частици по принцип не се различават от свойствата на квантите! От това следва, че електроните и другите частици също трябва да проявяват вълнови свойства, че например трябва да се наблюдава електронна дифракция. И наистина беше открито в експерименти, които през 1927 г., независимо един от друг, бяха извършени от американските физици K.-J. Дейвисън и Л. Гермер, съветски физик П.С. Тартаковски и английският физик J.-P. Томсън. Дължината на вълната на де Бройл се изчислява по формулата:

Нека решим задачи за изчисляване на дължината на вълната на де Бройл (Приложение 4).

Както показват изчисленията, валентният електрон се движи вътре в атом със скорост 0,01 с, дифрактира върху йонна кристална решетка като вълна с дължина на вълната ~10 -10 m, а дължината на вълната на куршум, летящ със скорост около 500 m/s, е около 10 -34 m по никакъв начин и следователно куршумът се държи като истинска частица.

Борбата между идеите за дискретност и непрекъснатост на материята, която се води от самото начало на науката, завършва със сливането на двете идеи в идеята за двойствените свойства на елементарните частици. Използването на вълновите свойства на електроните направи възможно значително увеличаване на разделителната способност на микроскопите. Дължината на вълната на електрона зависи от скоростта и следователно от напрежението, ускоряващо електроните (вижте Задача 5 в Приложение 4). В повечето електронни микроскопи дължината на вълната на де Бройл е стотици пъти по-малка от дължината на вълната на светлината. Стана възможно да се видят дори по-малки обекти, до единични молекули.

Ражда се вълновата механика, основата на великата сграда на квантовата физика. Де Бройл полага основите на теорията за интерференцията и дифракцията на светлината, дава ново извеждане на формулата на Планк и установява дълбоко съответствие между движението на частиците и свързаните с тях вълни.

Когато изучаваме всяка теория, ние винаги отбелязваме границите на приложимост на тази теория. Границите на приложимост на квантовата теория все още не са установени, но нейните закони трябва да се прилагат за описание на движението на микрочастици в малки области на пространството и при високи честоти на електромагнитни вълни, когато измервателните уреди позволяват да се регистрират отделни кванти (енергия ~10 -16 J). По този начин, за да се опише взаимодействието на материята и рентгеновото лъчение, чиято енергия на квантите е с два порядъка по-голяма от границата, установена по-горе, е необходимо да се приложат законите на квантовата физика и да се опишат свойствата на радиовълни, законите на класическата електродинамика са напълно достатъчни. Трябва да се помни, че основният „тестов полигон“ за квантовата теория е физиката на атома и атомното ядро.

Завършвайки днешния урок, отново ви задавам въпроса: какво е светлина? ( Ученически отговори.)

Литература

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика. 11 клас: учебен. за общообразователни институции: основни и професионални. нива. М.: Образование, 2009.
2. Видео енциклопедия за народна просвета. Lennauchfilm. Видео студио "Кварт". [Електронен ресурс] Касета № 2 „Топлинно излъчване”.
3. Томилин А.Н. В търсене на произхода: научно-поп. издание. Л.: Дет. литература, 1990г.
4. Квантова механика. Квантова електродинамика // Енцикл. сл. млад физик / Съст. В.А. Чуянов. М.: Педагогика, 1984.
5. Колтун М. Светът на физиката. М.: Дет. литература, 1984г.
6. Солопов Е.Ф. Философия: учебник. помощ за студенти по-висок учебник заведения. М.: Владос, 2003.
7. Илченко В.Р. Кръстопът на физика, химия, биология: книга. за студенти. М.: Образование, 1986.
8. Кац Ц.Б. Биофизика в уроците по физика: книга. за учителя. М.: Образование, 1988.

Елена Степановна Увицкая– учител по физика от най-висока квалификационна категория, завършил Тулския държавен педагогически институт на името на. Л.Н. Толстой през 1977 г. и е назначена в Урал, в малкия индустриален град Лисва, където работи и до днес. Почетен работник на общото образование на Руската федерация, победител във Всеруското състезание за учители по физика и математика (фондация „Династия“). Завършилите от много години успешно полагат Единния държавен изпит и влизат в университети в Москва, Санкт Петербург, Екатеринбург и Перм. Веднъж, след като прочетох за Изумрудената плоча, бях поразен от сегашната актуалност на идеята за легендарния Хермес: всяко нещо, обект, процес в нашата Вселена носи чертите един на друг и на едно цяло. Оттогава той обръща голямо внимание на междупредметните връзки и аналогии: физика и биология, физика и математика, физика и литература, а сега и физика и английски език. Той се занимава с научна работа с ученици, особено в началното училище: къде живее електричеството? Защо обикновената вода е толкова необичайна? Какъв е той, мистериозният свят на звездите? Семейството има двама сина, и двамата са завършили Пермския държавен технически университет. Младшият е инженер, старшият е учител по карате-до, има черен колан, втори дан, многократен шампион на Русия, участник в световното първенство в Япония. Успехът на учителя би бил невъзможен без помощта на нейния съпруг, електроинженер по образование: разработване и провеждане на експерименти, създаване на нови устройства и просто подкрепа и съвети, които помагат в различни житейски ситуации.

Всички приложения са дадени в . – Изд.

Ролята на теорията на Максуел е най-добре изразена от известния физик Робърт Фейнман: „В историята на човечеството (ако я погледнем, да речем, след 10 000 години), най-значимото събитие на 19 век несъмнено ще бъде откритието на Максуел за законите на електродинамиката. На фона на това важно научно откритие Гражданската война в САЩ през същото десетилетие ще изглежда като малък инцидент в провинцията.

Планк дълго време се колебае дали да избере хуманитарните науки или физиката. Всички творби на Планк се отличават с изящество и красота. А. Айнщайн пише за тях: „Когато изучаваме произведенията му, човек получава впечатлението, че изискването за артистичност е един от основните извори на неговото творчество.“

През 1935 г., когато квантовата механика и общата теория на относителността на Айнщайн бяха много млади, не толкова известният съветски физик Матвей Бронщайн, на 28-годишна възраст, направи първото подробно изследване на съвместяването на тези две теории в квантовата теория на земно притегляне. Тази „може би теория за целия свят“, както пише Бронщайн, би могла да измести класическото описание на гравитацията на Айнщайн, в което тя се разглежда като криви в пространствено-времевия континуум, и да го пренапише на квантов език, подобно на останалата част от физиката.

Бронщайн измисли как да опише гравитацията от гледна точка на квантувани частици, сега наречени гравитони, но само когато силата на гравитацията е слаба - тоест (в общата теория на относителността), когато пространство-времето е толкова леко извито, че по същество е плоско. Когато гравитацията е силна, "ситуацията е напълно различна", пише ученият. „Без дълбока ревизия на класическите концепции изглежда почти невъзможно да си представим квантова теория на гравитацията в тази област.“

Думите му бяха пророчески. Осемдесет и три години по-късно физиците все още се опитват да разберат как кривината на пространство-времето се проявява в макроскопични мащаби, произтичащи от по-фундаментална и вероятно квантова картина на гравитацията; Това е може би най-дълбокият въпрос във физиката. Може би, ако имаше шанс, светлият ум на Бронщайн щеше да ускори процеса на това търсене. В допълнение към квантовата гравитация, той също има принос към астрофизиката и космологията, теорията на полупроводниците, квантовата електродинамика и написва няколко книги за деца. През 1938 г. попада под репресиите на Сталин и е екзекутиран на 31-годишна възраст.

Търсенето на пълна теория за квантовата гравитация се усложнява от факта, че квантовите свойства на гравитацията никога не се появяват в реалния опит. Физиците не виждат как описанието на Айнщайн за плавен пространствено-времеви континуум или квантовата му апроксимация на Бронщайн в леко извито състояние е нарушено.

Проблемът е в изключителната слабост на гравитационната сила. Докато квантуваните частици, които предават силни, слаби и електромагнитни сили, са толкова силни, че здраво свързват материята в атоми и могат да бъдат изследвани буквално под лупа, отделните гравитони са толкова слаби, че лабораториите нямат шанс да ги открият. За да има голяма вероятност да улови гравитон, детекторът на частици трябва да е толкова голям и масивен, че да се срути в черна дупка. Тази слабост обяснява защо са необходими астрономически натрупвания на маса, за да се повлияе на други масивни тела чрез гравитацията и защо виждаме гравитационни ефекти в огромни мащаби.

Това не е всичко Вселената изглежда е обект на някакъв вид космическа цензура: региони със силна гравитация - където кривите на пространство-времето са толкова остри, че уравненията на Айнщайн се разпадат и квантовата природа на гравитацията и пространство-времето трябва да бъде разкрита - винаги дебнат зад хоризонтите на черните дупки.

„Дори преди няколко години имаше общ консенсус, че най-вероятно е невъзможно да се измери квантуването на гравитационното поле по някакъв начин“, казва Игор Пиковски, теоретичен физик от Харвардския университет.

Сега няколко скорошни статии, публикувани в Physical Review Letters, промениха това. Тези документи правят твърдението, че може да е възможно да се стигне до квантовата гравитация - дори без да се знае нищо за нея. Докладите, написани от Sugato Bose от University College London и Chiara Marletto и Vlatko Vedral от University of Oxford, предлагат технически предизвикателен, но осъществим експеримент, който може да потвърди, че гравитацията е квантова сила като всички останали, без да се изисква откриването на гравитон . Майлс Бленкоу, квантов физик в Дартмутския колеж, който не е участвал в тази работа, казва, че подобен експеримент може да разкрие ясен подпис на невидимата квантова гравитация - "усмивката на Чеширската котка".

Предложеният експеримент ще определи дали два обекта - групата на Bose планира да използва чифт микродиаманти - могат да станат квантово механично заплетени един с друг чрез взаимно гравитационно привличане. Заплитането е квантов феномен, при който частиците се преплитат неразривно, споделяйки едно физическо описание, което определя техните възможни комбинирани състояния. (Съвместното съществуване на различни възможни състояния се нарича "суперпозиция" и дефинира квантова система.) Например, двойка заплетени частици може да съществува в суперпозиция, в която частица A има 50% вероятност да се върти отдолу нагоре, а частица B ще се върти отгоре надолу и с 50% вероятност обратното. Никой не знае предварително какъв резултат ще получите, когато измервате посоката на въртене на частиците, но можете да сте сигурни, че ще бъде същото за тях.

Авторите твърдят, че двата обекта в предложения експеримент могат да се заплитат по този начин само ако силата, действаща между тях - в този случай гравитацията - е квантово взаимодействие, медиирано от гравитони, което може да поддържа квантови суперпозиции. „Ако експериментът се проведе и се получи заплитане, според работата можем да заключим, че гравитацията е квантована“, обясни Бленкоу.

Объркайте диаманта

Квантовата гравитация е толкова фина, че някои учени се съмняват в нейното съществуване. Известният математик и физик Фрийман Дайсън, на 94 години, твърди от 2001 г., че Вселената може да поддържа един вид „дуалистично“ описание, в което „гравитационното поле, описано от общата теория на относителността на Айнщайн, би било чисто класическо поле без каквото и да е квантово поведение“. , докато цялата материя в този гладък пространствено-времеви континуум ще бъде квантована от частици, които се подчиняват на правилата на вероятността.

Дайсън, който помогна за разработването на квантовата електродинамика (теорията за взаимодействията между материя и светлина) и е почетен професор в Института за напреднали изследвания в Принстън, Ню Джърси, не вярва, че квантовата гравитация е необходима, за да опише недостижимите вътрешности на черните дупки . Освен това той смята, че откриването на хипотетичен гравитон може да е невъзможно по принцип. В този случай, казва той, квантовата гравитация би била метафизична, а не физическа.

Той не е единственият скептик. Известният английски физик сър Роджър Пенроуз и унгарският учен Лайош Диози независимо предложиха, че пространство-времето не може да поддържа суперпозиции. Те вярват, че неговата гладка, твърда, фундаментално класическа природа не му позволява да се огъва в два възможни пътя едновременно - и именно тази твърдост води до колапс на суперпозиции на квантови системи като електрони и фотони. „Гравитационната декохерентност“, според тях, позволява възникването на една единствена, солидна, класическа реалност, която може да се усети в макроскопичен мащаб.

Способността да се намери „усмивката“ на квантовата гравитация изглежда опровергава аргумента на Дайсън. Той също така убива теорията за гравитационната декохерентност, като показва, че гравитацията и пространство-времето всъщност поддържат квантови суперпозиции.

Предложенията на Bose и Marletto се появяват едновременно и напълно случайно, въпреки че експертите отбелязват, че отразяват духа на времето. Експерименталните лаборатории по квантова физика по света поставят все по-големи микроскопични обекти в квантови суперпозиции и оптимизират протоколи за тестване на заплитането на две квантови системи. Предложеният експеримент ще трябва да комбинира тези процедури, като същевременно изисква допълнителни подобрения в мащаба и чувствителността; може би ще отнеме десет години. „Но няма физическа задънена улица“, казва Пиковски, който също изследва как лабораторните експерименти могат да изследват гравитационните явления. „Мисля, че е трудно, но не и невъзможно.“

Този план е описан по-подробно в работата на Bose et al - единадесетте експерти на Ocean за различни етапи на предложението. Например, в лабораторията си в Университета на Уоруик, съавторът Гавин Морли работи върху първата стъпка, опитвайки се да постави микродиамант в квантова суперпозиция на две места. За да направи това, той ще ограничи азотен атом в микродиаманта до празно място в диамантената структура (така наречения NV център или заместено с азот празно място в диаманта) и ще го зареди с микровълнов импулс. Електрон, въртящ се около NV центъра, едновременно поглъща светлина и не я абсорбира и системата преминава в квантова суперпозиция на две посоки на въртене - нагоре и надолу - като връх, който се върти по часовниковата стрелка с определена вероятност и обратно на часовниковата стрелка с определена вероятност. Микродиамант, зареден с това суперпозиционно въртене, е подложен на магнитно поле, което кара горното въртене да се премести наляво, а долното въртене да се премести надясно. Самият диамант се разделя на суперпозиция от две траектории.

В пълен експеримент учените биха направили всичко това с два диаманта - червен и син, например - поставени един до друг в ултрастуден вакуум. Когато капанът, който ги държи, е изключен, двата микродиаманта, всеки в суперпозиция от две позиции, ще паднат вертикално във вакуум. Докато диамантите падат, те ще усетят гравитацията на всеки от тях. Колко силно ще бъде тяхното гравитационно привличане?

Ако гравитацията е квантова сила, отговорът е: зависи. Всеки компонент от суперпозицията на синия диамант ще изпитва по-силно или по-слабо привличане към червения диамант, в зависимост от това дали последният е в клон на суперпозицията, който е по-близо или по-далеч. А гравитацията, която всеки компонент от суперпозицията на червения диамант ще почувства, зависи по същия начин от състоянието на синия диамант.

Във всеки случай различни степени на гравитационно привличане действат върху развиващите се компоненти на диамантените суперпозиции. Двата диаманта стават взаимозависими, защото техните състояния могат да бъдат определени само в комбинация - ако това означава това - така че в крайна сметка посоките на въртене на двете системи от NV центрове ще корелират.

След като микродиамантите паднат един до друг в продължение на три секунди - достатъчно дълго, за да се заплитат в гравитацията - те ще преминат през друго магнитно поле, което ще събере клоните на всяка суперпозиция отново заедно. Последната стъпка от експеримента е протоколът за свидетел на заплитане, разработен от датския физик Барбара Терал и други: сини и червени диаманти влизат в различни устройства, които измерват посоките на въртене на NV централните системи. (Измерването кара суперпозициите да се свиват в определени състояния.) След това двата резултата се сравняват. Чрез извършване на експеримента отново и отново и сравняване на много двойки измервания на въртене, учените могат да определят дали завъртанията на две квантови системи действително корелират по-често от горната граница за обекти, които не са квантово механично заплетени. Ако е така, гравитацията всъщност заплита диамантите и може да поддържа суперпозиции.

„Интересното в този експеримент е, че не е нужно да знаете какво е квантовата теория“, казва Бленкоу. „Всичко, което е необходимо, е да се каже, че има някакъв квантов аспект на този регион, който се медиира от силата между две частици.“

Има много технически затруднения. Най-големият обект, който беше поставен в суперпозиция на две места преди това, беше молекула от 800 атома. Всеки микродиамант съдържа повече от 100 милиарда въглеродни атома - достатъчно, за да натрупа забележима гравитационна сила. Разопаковането на неговата квантово-механична природа ще изисква ниски температури, дълбоки вакууми и прецизен контрол. „Това е много работа, за да стартирате и стартирате първоначалната суперпозиция“, казва Питър Баркър, част от експерименталния екип, който усъвършенства техниките за лазерно охлаждане и улавяне на микродиаманти. Ако това можеше да се направи с един диамант, добавя Боуз, „вторият не би бил проблем“.

Какво е уникалното на гравитацията?

Изследователите на квантовата гравитация не се съмняват, че гравитацията е квантово взаимодействие, което може да причини заплитане. Разбира се, гравитацията е донякъде уникална и има още много да се учи за произхода на пространството и времето, но квантовата механика определено трябва да бъде включена, казват учените. „Наистина, какъв е смисълът от теория, в която по-голямата част от физиката е квантова, а гравитацията е класическа“, казва Даниел Харлоу, изследовател на квантовата гравитация в MIT. Теоретичните аргументи срещу смесените квантово-класически модели са много силни (макар и не убедителни).

От друга страна, теоретиците са грешали и преди. „Ако можете да го проверите, защо не? Ако това затвори устата на тези хора, които поставят под въпрос квантовата природа на гравитацията, това би било чудесно“, казва Харлоу.

След като прочете документите, Дайсън написа: „Предложеният експеримент със сигурност е от голям интерес и трябва да се проведе в условията на реална квантова система.“ Той обаче отбелязва, че мислите на авторите за квантовите полета се различават от неговите. „Не ми е ясно дали този експеримент може да разреши въпроса за съществуването на квантовата гравитация. Въпросът, който задавах – дали се наблюдава отделен гравитон – е различен въпрос и може да има различен отговор.“

Мисълта на Bose, Marletto и техните колеги относно квантуваната гравитация произтича от работата на Бронщайн още през 1935 г. (Дайсън нарече работата на Бронщайн „красива творба“, която не беше виждал преди). По-специално, Бронщайн показа, че слабата гравитация, генерирана от малка маса, може да бъде приближена от закона за гравитацията на Нютон. (Това е силата, която действа между суперпозиции на микродиаманти). Според Бленкоу изчисленията на слабата квантована гравитация не са били особено извършвани, въпреки че със сигурност са по-уместни от физиката на черните дупки или Големия взрив. Той се надява, че новото експериментално предложение ще насърчи теоретиците да търсят фини уточнения на приближението на Нютон, което бъдещи настолни експерименти биха могли да се опитат да тестват.

Леонард Съскинд, известен теоретик на квантовата гравитация и струнната теория в Станфордския университет, видя стойността на предложения експеримент, защото „той осигурява наблюдения на гравитацията в нов диапазон от маси и разстояния“. Но той и други изследователи подчертаха, че микродиамантите не могат да разкрият нищо за пълната теория за квантовата гравитация или пространство-времето. Той и колегите му биха искали да разберат какво се случва в центъра на черна дупка и в момента на Големия взрив.

Може би една улика защо квантуването на гравитацията е толкова по-трудно от всичко друго е, че другите сили на природата имат това, което се нарича „локалност“: квантовите частици в една област на полето (фотони в електромагнитно поле, например) са „независими от други физически обекти в друг регион на пространството", казва Марк ван Рамсдонк, теоретик на квантовата гравитация в Университета на Британска Колумбия. „Но има много теоретични доказателства, че гравитацията не работи по този начин.“

В най-добрите пясъчни модели на квантовата гравитация (с опростени пространствено-времеви геометрии) е невъзможно да се предположи, че лентата от пространствено-времевата тъкан е разделена на независими триизмерни части, казва ван Раамсдонк. Вместо това съвременната теория предполага, че основните, фундаментални компоненти на пространството са „организирани по-скоро по двуизмерен начин“. Тъканта на пространство-времето може да бъде като холограма или видео игра. „Въпреки че картината е триизмерна, информацията се съхранява на двуизмерен компютърен чип.“ В този случай триизмерният свят би бил илюзия в смисъл, че различните му части не са толкова независими. В аналогия с видеоигри, няколко бита на двуизмерен чип могат да кодират глобални функции на цялата вселена на играта.

И тази разлика има значение, когато се опитвате да създадете квантова теория на гравитацията. Обичайният подход за квантуване на нещо е да се идентифицират неговите независими части - частици, например - и след това да се приложи квантовата механика към тях. Но ако не дефинирате правилните компоненти, в крайна сметка ще получите грешни уравнения. Директното квантуване на триизмерното пространство, което Бронщайн искаше да направи, работи до известна степен със слаба гравитация, но се оказва безполезно, когато пространство-времето е силно извито.

Някои експерти казват, че наблюдаването на „усмивката“ на квантовата гравитация може да доведе до мотивация за този вид абстрактни разсъждения. В крайна сметка дори най-шумните теоретични аргументи за съществуването на квантовата гравитация не са подкрепени от експериментални факти. Когато ван Раамсдонк обяснява своето изследване на научен колоквиум, казва той, обикновено започва с история за това как гравитацията трябва да бъде преосмислена с квантовата механика, защото класическото описание на пространство-времето се разпада с черните дупки и Големия взрив.

„Но ако направите този прост експеримент и покажете, че гравитационното поле е в суперпозиция, провалът на класическото описание става очевиден. Защото ще има експеримент, който предполага, че гравитацията е квантова.

По материали на списание Quanta

Цели на урока:

Образователни: да формират у учениците представа за фотоелектричния ефект и да изучават неговите закони, на които се подчинява; тествайте законите на фотоелектричния ефект с помощта на виртуален експеримент.

Развитие: развийте логическото мислене.

Образователни: насърчаване на общителност (способност за общуване), внимание, активност, чувство за отговорност, внушаване на интерес към предмета.

По време на часовете

I. Организационен момент.

– Темата на днешния урок е „Фото ефект“.

Когато разглеждаме тази интересна тема, ние продължаваме да изучаваме раздела „Квантова физика“, ще се опитаме да разберем какъв ефект има светлината върху материята и от какво зависи този ефект. Но първо ще прегледаме материала, разгледан в последния урок, без който ще бъде трудно да разберем тънкостите на фотоефекта. В последния урок разгледахме хипотезата на Планк.

Какво е минималното количество енергия, което една система може да излъчва и абсорбира? (квантово)

Кой пръв въвежда понятието „енергиен квант“ в науката? (М. Планк)

Обяснение на каква експериментална зависимост е допринесла за появата на квантовата физика? (закон за излъчване на нагрети твърди тела)

Какъв цвят виждаме в напълно черно тяло? (всеки цвят в зависимост от температурата)

III. Учене на нов материал

В началото на 20 век се ражда квантовата теория – теорията за движението и взаимодействието на елементарните частици и системите, състоящи се от тях.

За да обясни законите на топлинното излъчване, М. Планк предположи, че атомите излъчват електромагнитна енергия не непрекъснато, а на отделни порции - кванти. Енергията на всяка такава порция се определя по формулата д = ч, Където
-константа на Планк; v е честотата на светлинната вълна.

Друго потвърждение за правилността на квантовата теория е обяснението на Алберт Айнщайн през 1905 г. явление фотоелектричен ефект

Фото ефект– явлението изхвърляне на електрони от твърди и течни вещества под въздействието на светлина.

Видове ФОТО ЕФЕКТ:

1. Външният фотоелектричен ефект е излъчването на електрони от вещество под въздействието на електромагнитно излъчване. Външният фотоелектричен ефект се наблюдава в твърди тела, а също и в газове.

2. Вътрешен фотоелектричен ефект е електромагнитното излъчване, причиняващо прехода на електрони вътре в проводник или диелектрик от свързани състояния към свободни, без да излизат навън.

3. Клапанен фотоефект - поява на фото - е.д.с. при осветяване на контакта на два различни полупроводника или полупроводник и метал.

Фотоелектричен ефекте открит през 1887 г. от немски физик Г. Херци през 1888–1890 г. е експериментално изследван от А. Г. Столетов. Най-пълното изследване на феномена на фотоелектричния ефект е извършено от Ф. Ленард през 1900 г. По това време електронът вече е бил открит (1897 г. Дж. Томсън), и стана ясно, че фотоелектричният ефект (или по-точно външният фотоефект) се състои в изхвърляне на електрони от вещество под въздействието на падаща върху него светлина.

Изследване на фотоелектричния ефект.

Първите експерименти върху фотоелектричния ефект са започнати от Столетов още през февруари 1888 г.

При експериментите е използвана стъклена вакуумна бутилка с два метални електрода, чиято повърхност е старателно почистена. Към електродите беше приложено известно напрежение U, чиято полярност може да се променя с двоен ключ. Един от електродите (катод К) беше осветен през кварцов прозорец с монохроматична светлина с определена дължина на вълната. При постоянен светлинен поток е взета зависимостта на силата на фототока азот приложеното напрежение.

Закони на фотоелектричния ефект

Фототокът на насищане е право пропорционален на падащия светлинен поток.

максималната кинетична енергия на фотоелектроните нараства линейно с честотата на светлината и не зависи от нейния интензитет.

За всяко вещество има минимална зададена честота, наречена червена граница на фотоелектричния ефект, под която фотоелектричният ефект е невъзможен.

Според хипотезата на М. Планк, електромагнитната вълна се състои от отделни фотони и излъчването възниква прекъснато - в кванти, фотони. По този начин поглъщането на светлина също трябва да се извършва прекъснато - фотоните предават енергията си на атомите и молекулите на цялото вещество.

– Уравнението на Айнщайн за фотоелектричния ефект

mv 2 /2 = eU 0 – максимална стойност на кинетичната енергия на фотоелектрона;

– минималната честота на светлината, при която е възможен фотоелектричният ефект;

V max = hc/ Aout – максимална честота на светлината, при която е възможен фотоефектът

- червена граница на фото ефект

- импулс на фотона

Беседа с уточняване на термини и понятия.

Явлението вещество да излъчва електрони под въздействието на светлината се нарича...

Броят на електроните, излъчени от светлината от повърхността на веществото за 1 s, е право пропорционален на...

Кинетичната енергия на фотоелектроните нараства линейно с ... и не зависи от ...

За всяко вещество има минимална честота на светлината, при която фотоелектричният ефект все още е възможен. Тази честота се нарича...

Работата, която трябва да се извърши, за да се отстранят електроните от повърхността на дадено вещество, се нарича...

Уравнението на Айнщайн за фотоелектричния ефект (формулировка)…

IV. Затвърдяване и обобщаване на знанията.

Задача 1. Каква е най-ниската честота на светлината, при която все още се наблюдава фотоелектричният ефект, ако работата на изход на електрон от метала е 3,3 * 10 -19 J?

Задача 2. Определете енергията, масата и импулса на фотона, съответстващи на най-дългите и най-късите вълни от видимия спектър?

Решение:

Проблем 3. Намерете прага на фотоелектричния ефект за калия, ако работната функция A = 1,32 EV?

Решение:

В уравнението на Айнщайн

С помощта на записаните формули решете следните задачи сам по себе си.

Работата на материала на плочата е 4 eV. Плочата е осветена с монохроматична светлина. Каква е енергията на фотоните на падащата светлина, ако максималната кинетична енергия на фотоелектроните е 2,5 eV?

Никелова плоча е изложена на електромагнитно лъчение с фотонна енергия 8 eV. В този случай в резултат на фотоелектричния ефект от плочата се излъчват електрони с максимална енергия 3 eV. Каква е работата на електроните от никел?

Поток от фотони с енергия 12 eV избива фотоелектрони от метала, чиято максимална кинетична енергия е 2 пъти по-малка от работната функция. Определете работната работа за дадения метал.

Работна работа на електрон, напуснал метал. Намерете максималната дължина на вълната на радиация, която може да избие електрони.

Определете работата на изхода на електроните от метала, ако червената граница на фотоелектричния ефект е 0,255 µm.

За някои метали червената граница на фотоелектричния ефект е светлина с честота . Определете кинетичната енергия, която електроните ще придобият под въздействието на излъчване с дължина на вълната

Подгответе презентация на тема „Приложение на фотоелектричния ефект“

VKontakte Facebook Odnoklassniki

Когато високоенергийни частици взаимодействат в колайдер, се образуват огромен брой различни частици

Този процес се нарича множествено производство и различните му характеристики се предсказват с помощта на теорията на силните взаимодействия - квантовата хромодинамика (QCD). Резултатите от скорошни подобни експерименти в LHC (Голям адронен колайдер) обаче не съвпадат с прогнозите на модели, изградени от резултатите от минали експерименти на други ускорители. Ник Брук, професор в университета в Бристол и един от водещите експерти в областта на изучаването на производството на множество частици, говори на конференцията в Гинзбург за възможните причини за това несъответствие и отварящите се хоризонти на нова експериментална физика на високите енергии.

Техниката на два експериментални проекта, провеждани в LHC, е идеална за идентифициране на родени частици. Това са проектът ALICE (A Large Ion Collider Experiment), оптимизиран за изучаване на сблъсъци на тежки йони, и LHCb, предназначен за изследване на B-мезони - частици, съдържащи "хубав" кварк. А самата информация за раждането на частиците е необходима основа за по-нататъшното развитие на QCD. Ник Брук коментира: „Наблюдаваното разпределение на частиците характеризира адронното състояние на материята и е чувствително към основната квантова хромодинамика на взаимодействията протон-протон. ALICE, ATLAS и CMS вече са измерили разпределението на частиците в централната област на взаимодействие, а геометрията на LHCb ни позволява да проследим динамиката на сблъсъка в отдалечения регион. Това ни дава така необходимата информация за разработване на модели и подобряване на генераторите на събития в Монте Карло.“

Квантовата хромодинамика възниква през 70-те години на миналия век като микроскопична теория, която описва силното взаимодействие в субадронни мащаби, което включва кварки, глуони и частици, съставени от тях - адрони, включително протони и неутрони на атомното ядро, свързани чрез силно взаимодействие. Основният постулат на квантовата хромодинамика приписва на всички кварки специално квантово число, наречено цветен заряд или цвят. Така познатата дума няма нищо общо с обикновените оптични характеристики, но сбито подчертава факта, че в природата кварките се срещат само под формата на безцветни комбинации - адрони, съставени от три кварка (помнете аналогията: червен, зелен и син добавете до бяло) или глуони от кварк и антикварк с антицвят.

QCD прогнозите за параметрите на производството на множество частици са дадени или в аналитична форма, или под формата на числени компютърни изчисления, използващи модели на Монте Карло, които могат да бъдат сравнени в детайли с експериментални данни. Тези модели се наричат ​​генератори на събития в смисъл, че вероятността за възникване на определени явления в тези компютърни изчисления се счита за пропорционална на вероятността за съответното събитие в реалния свят. Всички тези модели работеха добре в съгласие с минали експерименти на други ускорители и дори имаха известна предсказваща сила, но все още не съвпадат с новите резултати, получени в LHC.

Професорът от FIAN и водещ изследовател в сектора на физиката на високите енергии Андрей Леонидов коментира: „Изследването на множественото производство при високи енергии е един от фундаменталните физически проблеми и докладът на Брук беше посветен на масива от експериментална информация, натрупана в LHC ускорител. Там възникна много интересна ситуация: съществуващите модели не описват много съществени свойства на събитията. Техният типичен дизайн по някакъв начин съчетава физиката на меките адронни струи и твърдото адронно излъчване, а самите те бяха калибрирани, за да опишат успешно FNAL, предишния ускорител. В резултат на това в този доклад няма буквално нито една графика, в която теорията да съвпада с новия експеримент. Тоест, много свойства на многократните раждания изобщо не се описват от съвременните модели.

Така професор Брук говори за несъответствията между прогнозите и реалните данни за появата на частици със „странни“ кварки в техния състав или нарушения в съотношението на барионна и антибарионна материя. Но всички тези несъответствия, както подчерта Брук, само дават свобода на ръцете на изследователите и още веднъж показват сложната структура на QCD. В крайна сметка новите данни могат да помогнат за подобряване на моделите на генератори на събития, производство на меки частици, сблъсъци на множество частици и много други явления.

Андрей Леонидов също е съгласен с оптимизма на английския физик: „Всички предишни модели в новите експерименти се оказаха в различна степен неуспешни и това създава интересно поле за изследване. Но същите тези модели са събрани с причина: това е най-доброто, което човечеството може да предложи по тази тема. Не е като някои провинциални хора да са написали нещо там и случайно да се използва в LHC. LHC използва най-доброто, което е на разположение, и това най-доброто все още не работи добре. И тази тема е много важна, тъй като в колайдера непрекъснато се случват множество процеси на раждане. Това са доминиращи процеси с голямо напречно сечение, които потенциално влияят върху всички останали процеси и определят тяхната основа. Освен това е фундаментален и интересен. Така че няма нищо тъжно, чакаме нови резултати!“

При сблъсък на високоенергийни частици се наблюдава многократно създаване на нови частици