Реферат: Развитие Физики во второй половине ХХ в.
Квантовая статистика – это статистическая физика квантовых систем, состоящих из большого числа частиц(5. с. 570).
Исследования в области квантовой физики ознаменовались созданием количественной теории строения атома. Она позволила объяснить атомные спектры. При этом были открыты новые законы движения микрочастиц – законы квантовой механики. По современным представлениям, атом имеет радиус R=10-10 м и состоит из ядра(R=10-14 м) и электронной оболочки. Само атомное ядро состоит из стабильных элементарных частиц двух видов: протонов и нейтронов(их часто называют нуклонами). Устойчивость ядер объясняется тем, что между нуклонами действуют ядерные силы, являющиеся частным случаем сильного взаимодействия элементарных частиц. Сильные взаимодействия – это особый тип взаимодействий, присущий большинству элементарных частиц, оно не сводится только к взаимодействию нуклонов в ядре. Ядерные силы – самые мощные силы из всех, которыми располагает природа.
Атомные ядра при взаимодействиях с элементарными частицами испытывают изменения, которые сопровождаются увеличением или уменьшением кинетической энергии участвующих в этих превращениях элементарных частиц. Эти ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил. Ядра некоторых тяжелых элементов, например, урана, при бомбардировке замедленными нейтронами могут делиться на части. При этом испускаются 2-3 нейтрона и гамма-лучи. Одновременно выделяется большое количество энергии. Освобождение нейтронов при делении ядра позволяет осуществлять цепную реакцию деления урана. Для ее стационарного течения необходимы условия, при которых коэффициент размножения нейтронов должен быть строго равен 1, т.к. уже при к=1,01 почти мгновенно происходит взрыв. Осуществление управляемой цепной реакции производится в ядерном(или атомном) реакторе.
В развитии физики элементарных частиц можно выделить три этапа(9. с. 331, 340, 345, 346, 353). Первый – от электрона до позитрона(1897 – 1932гг.). На этом этапе электрон, протон и нейтрон считали неделимыми и неизменными. Второй этап – от позитрона до кварков(1932 – 1964гг.). Выяснилось, что неизменных частиц не существует, что ни одна из элементарных частиц не бессмертна даже в отсутствие какого-либо воздействия извне. Например, находящийся вне атомного ядра свободный нейтрон живет в среднем 15 мин. Стабильные же частицы, такие как фотон, электрон, протон и нейтрино, могли бы сохранить свою неизменность, если бы каждая из них была бы одна в целом мире. Но все элементарные частицы имеют свои античастицы, при столкновениях с которыми происходит аннигиляция: обе частицы исчезают, превращаясь в другие частицы. Например, при аннигиляции пары электрон-протон возникают фотоны, а аннигиляция пары нуклон-антинуклон сопровождается рождением мезонов. Взаимные превращения элементарных частиц друг в друга являются главной формой их существования. Таким образом, на втором этапе исчезло представление о неизменности элементарных частиц, но сохранилась идея об их неразложимости. По современным представлениям, элементарные частицы – это первичные неразложимые частицы, из которых построена вся материя(при этом неделимость не означает, что у них отсутствует внутренняя структура). И хотя элементарные частицы уже и неделимы далее, они неисчерпаемы по своим свойствам. Третий этап – от гипотезы о кварках до наших дней. В 60-е годы возникли сомнения в том, что все выделенные к этому времени частицы можно отнести к разряду элементарных. Основанием для этих сомнений послужило то, что число этих частиц велико. Поэтому в 1964г. Гелл-Манном была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаментальных(первичных) частиц – кварков, имеющих дробный электрический заряд. Протоны и нейтроны состоят из трех кварков. Вообще же число различных кварков равно 6(верхний, нижний, очарованный, странный, истинный, красивый). Кварки лишены внутренней структуры. В свободном состоянии кварки пока не обнаружены, но опыты по рассеянию электронов очень высокой энергии на протонах и нейтронах доказывают их существование. Кроме кварков, участвующих в сильных взаимодействиях, выделяются также легкие элементарные частицы, не участвующие в них. Они называются лептонами, и число их тоже равно 6(электрон, три сорта нейтрино и еще две частицы: мюон и тау-лептон). Элементарные частицы различаются и по значениям спина – их собственного момента количества движения, измеряемого в единицах постоянной Планка. Кварки и лептоны имеют спин, равный 1/2 , и составляют группу фермионов – элементарных частиц с полуцелым спином(1/2, 3/2, 5/2 и т.д.), являющихся составными элементами вещества. Другую группу составляют бозоны – элементарные частицы с целым спином(0, 1, 2, 3 и т.д.), являющиеся переносчиками взаимодействий. Бозоны тоже разделяются на две подгруппы. Переносчиком сильного взаимодействия между кварками является глюон(спин равен 1), а единого электрослабого взаимодействия – фотоны и частицы W- ,W+ ,Z0 .
Теоретической физике пока сложно ответить на ряд вопросов, например: как построить квантовую теорию гравитации и объединить ее с теорией остальных взаимодействий; почему существует только 6 типов кварков и 6 типов лептонов; почему масса нейтрино очень мала и т.д.(9. с. 416). Эти и многие другие вопросы требуют дальнейшего исследования. Но стремительное проникновение в глубь материи, новое понимание пространства, времени, причинно-следственных связей, которыми отличается физика ХХ века, коренным образом изменило представление об окружающем нас мире.
Начавшаяся в 50-х гг. в США научно-техническая революция(НТР) в последующие десятилетия охватила все промышленно развитые страны мира. Наука и технология стали ведущей силой цивилизации. Бурное развитие физики повлекло за собой множество открытий, получивших инженерно-промышленное воплощение.
Открытые физиками огромные запасы внутриатомной энергии, первоначально использовавшиеся в военных целях, привели к созданию атомной и ядерной техники, обслуживающей мирные отрасли хозяйства. Тепло, снимаемое с урановых стержней атомного реактора, можно использовать для нагрева воды до высоких температур, и полученный таким образом пар применять для производства электроэнергии. Этот принцип лег в основу строительства атомных электростанций. Первая в мире АЭС дала ток в 1954г. в подмосковном Обнинске(1. с. 438). На том же принципе были сконструированы и ядерные двигатели для морских судов. Первым судном с таким двигателем стала американская подводная лодка «Наутилус», спущенная на воду в 1955г. А первым «мирным» судном – советский ледокол «Ленин», построенный в 1957г.(1. с. 439).
В атомных электростанциях пар вращает турбину, связанную с электрогенератором. Но исследования плазмы показали, что можно создать электростанции без турбин. При пропускании плазмы через магнитное поле, направленное перпендикулярно ее движению, возникает сила, разделяющая электроны и положительно заряженные ионы плазмы, и они начинают двигаться в