9910504 Физика (учебник)

Учебник по классической физике микро- и наномира предлагается широкому кругу читателей, начиная от школьников средних классов и любителей физики и заканчивая профессионалами в областях науки, связанных с физикой.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в науке наблюдается тенденция к ветвлению научных направлений. Усиление специализации может привести к потере целостной картины мира. Компенсировать эту тенденцию можно путем обобщения научных знаний, получаемых разными направлениями. Цель настоящего учебника – создание простой, но по возможности полной картины мира, позволяющей быстро освоить специальные научные курсы, базирующиеся на знаниях физики.

1. СООТНОШЕНИЕ ПОНЯТИЙ ОБЪЕКТ И ПРОЦЕСС

Начнем с вопроса: чем отличается волна от частицы? Волна, как правило, ассоциируется с кругами на поверхности воды. Частица обычно представляется как песчинка, маленький твердый объект, размерами и формой которого можно пренебречь.

Для описания волн можно использовать приближение – бесконечную синусоиду. Для описания частицы можно использовать приближение – материальную точку.

В начале 20-го века были открыты элементарные частицы, составные части атома. До этого атом считался неделимой, мельчайшей частицей материи. В экспериментах с элементарными частицами были обнаружены их волновые свойства. Перед учеными возникла проблема корпускулярно-волнового дуализма свойств элементарных частиц. Почему возникла эта проблема? Дело в том, что до открытия элементарных частиц, исследуемые объекты хорошо описывались, либо с помощью понятия "частица", либо с помощью понятия "волна". В последнем случае речь определенно шла о процессе. Трудно себе представить, что твердая, неделимая частица может оказаться процессом! Но давайте постепенно подойдем к этой идее. Мы уже знаем, что вещество состоит из атомов. Атомы находятся в движении. Это значит, что объект, состоящий из вещества, представляет собой стаю атомов. Но мы видим и ощущаем твердый объект. Дело в том, что мы видим и ощущаем объект в масштабах макромира. Достаточно рассмотреть его в хороший микроскоп и мы увидим движение его составных частей, которые невооруженным глазом незаметны. Быстрые движения мы сможем рассмотреть, замедлив временной масштаб. Наглядным пособием для демонстрации различного восприятия в разных масштабах пространства и времени является цепочка Герона Александрийского. Сбегающее по цепи кольцо в замедленном масштабе времени оказывается процессом последовательного переворачивания смежных колец. Таким образом, мы можем убедиться, что то, что кажется нам объектом, при рассмотрении в соответствующем пространственно-временном масштабе является процессом.

Научный метод индукции позволяет высказать гипотезу: объект – система процессов.

Проверку этой гипотезы мы осуществим неоднократно в следующих главах учебника.

2. СТРУКТУРА ЭЛЕМЕНТАРНОЙ ЧАСТИЦЫ

Вернемся к камню, брошенному в воду. От камня расходятся круги. Это волновой процесс. Как он будет восприниматься в другом пространственно-временном масштабе? Будем постепенно удаляться от места, где упал камень. С достаточно большого расстояния мы замечаем, что круги ограничены в пространстве. С еще большего расстояния мы уже не можем оценить их размер, а фиксируем их, как появление и исчезновение некого объекта. Мы замечаем только "рождение" и "смерть" этого объекта. Попробуем изменить условия эксперимента. Пусть, теперь, волны расходятся не кругами, а идут в одну сторону. Это можно реализовать специальной формой источника волн. Издали кажется, что произошло "рождение" некого объекта, который начал двигаться по определенной траектории. "Смерть" этого объекта может наступать постепенно. Это означает, что количественное уменьшение энергии может привести к качественному переходу в "небытие" условно. Обычно "смерть" объекта связывают с разрушением его структуры. Если уменьшение энергии приводит к разрушению структуры, то мы говорим, что объект перестал существовать.

На этом примере мы можем заметить явление уменьшения энергии объекта пропорционально пройденному пути. Такое явление соответствует красному смещению в спектрах галактик. В таком случае красное смещение пропорционально расстоянию до наблюдаемой галактики. В отличие от теории Большого Взрыва, такое объяснение согласуется с независимостью красного смещения от направления наблюдения. Таким образом, мы одновременно получили аналоговую модель фотона и простое объяснение явления красного смещения. Рассмотрение причины сохранения внутренней структуры фотона в течение миллиардов лет не входит в программу этого учебника. Отметим только, что это связано с существованием кристаллоподобной среды, возмущениями которой являются электромагнитные волны. Свойства этой среды таковы, что резонансные волны возмущения, например, фотоны, способны самофокусироваться, что и позволяет им сохранять структуру в течение миллиардов лет. "Смерть" фотона наступает, когда его энергия уменьшается до 0.586 эВ. Расфокусированное излучение пополняет так называемый "реликтовый фон".

В чем структурное различие фотонов с разной энергией?

Увеличение энергии приводит к росту периодичности и уменьшению размеров фотона. Оценить размер фотона видимого света можно по дифракционной картине, наблюдающейся на глазу стрекозы. Глаз стрекозы представляет собой дифракционную решетку. Отличительной особенностью такой решетки является то, что изображение (дифракционная картина) формируется непосредственно на решетке. В этом случае расстояние между элементами решетки должно соответствовать длине волны анализируемого света, а расстояние между соседними максимумами поглощения – поперечному размеру фотона. Как видно из рисунка, поперечный размер фотона составляет несколько миллиметров. Если пропускать фотоны через экран с отверстиями, то взаимное влияние отверстий будет проявляться лишь в случае, если расстояние между ними не будет превышать поперечного размера фотона.

Увеличение энергии фотона приводит к росту периодичности его структуры. При достижении энергии 0.511 МэВ, фотон содержит 137 гребней электромагнитной волны. Свойства среды позволяют замкнуть такой фотон-процесс в кольцо. Перекос структуры среды приводит к преломлению траектории фронта волны фотона-процесса, что поддерживает кольцевую структуру процесса-электрона. В случае правополяризованного фотона образуется позитрон.

Таким образом, электрон в первом приближении можно изобразить кольцом. Большой радиус тора определяет размер атома водорода. Малый радиус тора соответствует поперечному размеру закольцованного фотона. Основная энергия электрона-процесса заключена в поперечнике порядка длины волны Комптона (1 пикометр). Радиус кольца-электрона в атоме водорода составляет 0.53 ангстрема (53 пикометра). В свободном состоянии электрон имеет радиус приблизительно 80 пикометров. Атомное ядро преломляет траекторию электрона-"закольцованного фотона" за счет электрической деформации среды. Это увеличивает кривизну кольца, что соответствует уменьшению его радиуса. В тяжелых атомах радиус электронов внутренних оболочек может быть меньше внешних на два порядка.

3. ФОРМА АТОМА

Если учесть магнитные свойства колец-электронов, то станет понятно, почему возникает многослойная структура электронных оболочек атома. Внутренние электроны не пускают внешних к атомному ядру. Оказываясь на определенном расстоянии от ядра, электроны, смагничиваясь, образуют электронную оболочку. Число электронов определяется их размером и размером свободного места. Смагничиваясь, электроны образуют устойчивые электронные оболочки, состоящие из 2, 8, 18, 32 электронов. Устойчивые оболочки, как видно из рисунков, соответствуют правильным многогранникам. В этом случае электроны попадают в одинаковые условия, что и приводит к устойчивой структуре.

О многогранной форме атома догадывался еще древнегреческий философ Демокрит. Он пришел к выводу о правильной форме атома, экспериментируя с кристаллами. Разбивая кристаллы, мы можем убедиться, что осколки сохраняют первоначальные углы между гранями. Предполагая, что эти углы сохраняются при дроблении кристалла до атомов (или молекул), можно догадаться, что эти углы определяются формой атома (иона, молекулы). Теперь мы видим причины, определяющие форму атома, в формах, электрических и магнитных свойствах электронов и атомных ядер. Форма и магнитные свойства ядер не влияют на форму атома, т.к. магнитные свойства атомного ядра пренебрежимо малы по сравнению с магнитными свойствами электрона, а размер атомного ядра на три-пять порядков меньше размеров свободного электрона.

4. ФОРМЫ МОЛЕКУЛ

Форму атома определяет форма внешней электронной оболочки. У атома водорода – единственный электрон, поэтому его форма – кольцо. Однако, если учесть его быстрое вращение относительно нескольких осей, то он покажется нам шаром. То же произойдет и с молекулой, состоящей из двух водородных атомов. Атомы, внешняя оболочка которых в силу магнитных свойств электронов, имеет тенденцию достраиваться до 8 электронов, образуют молекулы с характерными октаэдрическими углами. Внешняя оболочка может достроиться и до другого числа электронов. Сера и кремний могут быть четырнадцатигранными, палладий – восемнадцатигранным, а углерод может из восьмигранника превратиться в цилиндр, в котором все шесть колец-электронов располагаются столбиком, один над другим. В этом случае атомы углерода образуют так называемую сопряженную систему атомов. Сопряженная молекула по форме напоминает велосипедную цепь. Она обладает гибкостью в одной плоскости. Поверхностные электроны сопряженной молекулы в полтора раза меньше, чем в несопряженной. Объединение цепей в широкую ленту еще больше уменьшает радиус электронов, за счет перекрестного влияния ядер и электронов соседних атомов. Примером такой сопряженной молекулы является молекула ДНК. Ширина ленты – 9 атомов, что составляет всего 6 диаметров атома водорода.

5. ФОРМЫ КРИСТАЛЛОВ

Если молекула имеет периодическое строение, то ее называют полимером. Пример такой молекулы – лента ДНК, которая была рассмотрена выше. Если молекула имеет периодическое строение по двум направлениям, то это полимер второго порядка. Примером такого полимера является оболочка вируса. Кристалл является полимером третьего порядка, т.е. его структура периодична по трем направлениям.

Из атомов-восьмигранников складываются кристаллы, имеющие форму ромбического додекаэдра, куба и производных этих форм. Из атомов-четырнадцатигранников складываются кристаллы кремния, серы.

6. ФОРМЫ ФРАКТАЛОВ

Если молекулярная структура состоит из одинаковых подструктур, то это может быть фрактал. Понятие "фрактал" можно определить как структуру, элементы которой повторяют форму всей структуры в другом масштабе.

http://ftp.decsy.ru/nanoworld/index.htm