Неклассическое естествознание Основные концепции

Август 31, 2022

Главная
Обществознание
Неклассическое естествознание Основные концепции

Содержание

2. Корпускулярно-волновой дуализм Микрочастицы представляют собой образования особого рода, сочетающие в себе свойства и частицы, и волны.
3. Принцип неопределенности Любая микрочастица не может иметь одновременно точных значений координаты и импульса Δp Δx ≥
4. Принцип неопределенности Соотношение неопределенностей является предпосылкой недетерминистского статистического описания микрообъектов. Оно отражает вероятностный характер поведения микрочастиц,
5. Принцип дополнительности Бора При экспериментальном исследовании микрообъекта могут быть получены точные данные либо о его энергиях
6. Принцип дополнительности Бора Всякое истинно глубокое явление природы не может быть однозначно определено c помощью одного
7. Неклассическая концепция измерения В микромере ни один объект не является полностью независимым. Состояние микрообъекта чувствительно к
8. Неклассическая концепция измерения Соотношение неопределенностей ограничивает экспериментально достижимую точность измерения характеристик квантовых объектов. При точном измерении
9. Концепция моделирования состояния В классическом подходе к описанию природы моделируется сам объект с помощью его установленных
10. Методологическая роль квантовой механики Невозможность ограничиться наглядными образами и простыми механистическими моделями, когда мы выходим за
11. Неклассическая стратегия научного мышления Признание случайности фундаментальным свойством природы; Отказ от логики «или-или» в пользу логики
12. Физика атомного ядра Ядро простейшего атома – атома водорода – состоит из одного протона. Ядра всех
13. Физика атомного ядра В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен), он самопроизвольно распадается и превращается в протон,
14. Характеристики атомного ядра зарядовое число Z равно количеству протонов, входящих в состав ядра. Z определяет заряд
15. Масса и энергия связи ядер Масса ядра всегда меньше суммы масс входящих в него частиц. Это
16. Масса и энергия связи ядер Энергетически выгодными являются два процесса: 1) деление тяжелых ядер на несколько
17. Деление тяжелых ядер В 1938 г. немецкие физики О.Ган и Ф.Штрассман обнаружили, что при облучении урана
18. Термоядерный синтез Для слияния легких ядер они должны подойти друг к другу на весьма близкое расстояние
19. Радиоактивные излучения α-лучи представляют собой поток ядер 24Не. Примером может служить распад изотопа урана 92238U→ 90234Tr
20. Фундаментальные взаимодействия сильное взаимодействие, обеспечивает связь нуклонов в ядре, имеет радиус действия порядка 10-13 м; электромагнитное
21. Элементарные частицы фотон – квант эл.магн. поля, участвует в электромагнитных взаимодействиях; лептоны – участвуют в слабых
22. Частицы и античастицы П.Дирак записал релятивистское квантово-механическое уравнение. Из уравнения Дирака следует, что полная энергия свободного
23. Частицы и античастицы В квантовой механике энергия частицы может изменяться не только непрерывно, но и скачком,
24. Частицы и античастицы Если одному из электронов сообщить энергию Е≥ 2mec2, то электрон перейдет в «обычное»
25. Частицы и античастицы Позитрон был обнаружен в 1932 г. Андерсоном в составе космических лучей. При встрече
26. Вакуум Решение уравнения Шредингера приводит к квантованию энергии, при этом минимально возможная энергия не равна нулю.
27. Кварки В 1964 Гелл-Манн выдвинул гипотезу, согласно которой все элементарные частицы построены из трех частиц, называемых
29. Скачать презентацию

Слайд 2

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).

Слайд 3

Принцип неопределенности
Любая микрочастица не может иметь одновременно точных значений координаты

и импульса
Δp Δx ≥ h/2
и энергии и времени
ΔE Δt ≥ 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.

Слайд 4

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.

Слайд 5

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.

Слайд 6

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».

Слайд 7

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.

Слайд 8

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.

Слайд 9

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.

Слайд 10

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).

Слайд 11

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,

Слайд 12

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.

Слайд 13

Физика атомного ядра
В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен), он самопроизвольно распадается

и превращается в протон, испуская электрон (е-) и антинейтрино (ν*).
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- + ν* .
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.

Слайд 14

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)

Слайд 15

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

Слайд 16

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.

Удельная энергия связи в зависимости от числа нуклонов в ядре

Слайд 17

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.

Слайд 18

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).

Слайд 19

Радиоактивные излучения
α-лучи представляют собой поток ядер 24Не. Примером может служить

распад изотопа урана 92238U→ 90234Tr + 24Не.
Существует три разновидности β-распада: испускание электрона (распад нейтрона), позитрона или захват ядром одного из электронов К-оболочки.
При β-распаде имеют место слабые взаимодействия частиц .
При исследовании β-распада было обнаружено нарушение закона сохранения энергии, что и привело к предположению о существовании новой частицы (нейтрино) , для которой заряд и масса равны нулю.

Слайд 20

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 β-распада и некоторые другие распады элементарных частиц, короткодействующее;
гравитационное взаимодействие, универсальное, радиус действия не ограничен.

Слайд 21

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, μ, τ,ν).
адроны – участвуют в сильных взаимодействиях
мезоны – нестабильные частицы, спин равен 0; (π+,π-,π0, Κ+, Κ-, Κ0, Κ0*, η).
барионы делятся на нуклоны ( р, n ) и гипероны ( Λ, Σ-, Σ0, Σ+, Ξ0, Ξ-, Ω-). Спин равен ½ . Кроме протона, все барионы нестабильны, обладают специфическим свойством, называемым барионным зарядом, который подчиняется закону сохранения.

Слайд 22

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.

Слайд 23

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.

Слайд 24

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.

Слайд 25

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) γ-кванта
e+ + e- ? γ + γ
Рождение электрон-позитронной пары возможно, если энергия γ-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
γ + X ? X + e+ + e-

Слайд 26

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.

Слайд 27

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).

Неклассическое естествознание Основные концепции

Содержание

Корпускулярно-волновой дуализмМикрочастицы представляют собой образования особого рода, сочетающие в себе свойства

Принцип неопределенности Любая микрочастица не может иметь одновременно точных значений координаты

Принцип неопределенности Соотношение неопределенностей является предпосылкой недетерминистского статистического описания микрообъектов. Оно

Принцип дополнительности Бора При экспериментальном исследовании микрообъекта могут быть получены точные

Принцип дополнительности БораВсякое истинно глубокое явление природы не может быть однозначно

Неклассическая концепция измерения В микромере ни один объект не является

Неклассическая концепция измеренияСоотношение неопределенностей ограничивает экспериментально достижимую точность измерения характеристик квантовых

Концепция моделирования состоянияВ классическом подходе к описанию природы моделируется сам объект

Методологическая роль квантовой механики Невозможность ограничиться наглядными образами и простыми механистическими

Неклассическая стратегия научного мышленияПризнание случайности фундаментальным свойством природы;Отказ от логики «или-или»

Физика атомного ядра Ядро простейшего атома – атома водорода – состоит

Физика атомного ядраВ свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен), он самопроизвольно распадается

Характеристики атомного ядразарядовое число Z равно количеству протонов, входящих в

Масса и энергия связи ядер Масса ядра всегда меньше суммы

Масса и энергия связи ядерЭнергетически выгодными являются два процесса: 1) деление

Деление тяжелых ядерВ 1938 г. немецкие физики О.Ган и Ф.Штрассман обнаружили,

Термоядерный синтезДля слияния легких ядер они должны подойти друг к другу

Радиоактивные излучения α-лучи представляют собой поток ядер 24Не. Примером может служить

Фундаментальные взаимодействиясильное взаимодействие, обеспечивает связь нуклонов в ядре, имеет радиус действия

Элементарные частицыфотон – квант эл.магн. поля, участвует в электромагнитных взаимодействиях;лептоны –

Частицы и античастицы П.Дирак записал релятивистское квантово-механическое уравнение. Из уравнения Дирака

Частицы и античастицыВ квантовой механике энергия частицы может изменяться не только

Частицы и античастицыЕсли одному из электронов сообщить энергию Е≥ 2mec2, то

Частицы и античастицыПозитрон был обнаружен в 1932 г. Андерсоном в составе

ВакуумРешение уравнения Шредингера приводит к квантованию энергии, при этом минимально возможная

КваркиВ 1964 Гелл-Манн выдвинул гипотезу, согласно которой все элементарные частицы построены

Похожие презентации