Законы сохранения в микромире - Эвристические функции законов сохранения
Если механизм возникновения альфа - и гамма-излучения без особых трудностей был объяснен квантовой механикой, то испускание частиц (электронов) оказалось одной из труднейших для понимания проблем ядерной физики. Действительно, при распаде ядро атома испускает частицу, представляющую собой ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Таким образом, при распаде не образуется новых частиц, поскольку и протоны и нейтроны уже имелись в ядре. Был понят и процесс излучения, при котором из ядра вылетала новая (не бывшая, ранее в нем) частица - квант (фотон). Он был связан с тем, что путем радиоактивности ядро атома освобождалось от избыточной энергии аналогично тому, как рождался фотон в атоме при переходе электрона с верхней орбиты на нижнюю. Как, так и радиоактивность протекала в полном соответствии с законом сохранения энергии, импульса и момента количества движения.
Что же касается распада, то это явление оказалось значительно более сложным и поставило перед учеными ряд проблем. Прежде всего потому, что при этом виде радиоактивности из ядра вылетает ранее не находившаяся там частица - электрон. Когда к этому явлению были применены законы сохранения, то выявилась совершенно необычная ситуация: энергия, импульс и момент количества движения начального ядра не были равны, импульсу и моменту количества движения продуктов распада вновь образовавшегося ядра и испущенного электрона. Баланс указанных величин не только почти никогда не сходился, но и каждый раз давал различную величину. Ядро одного и того же радиоактивного изотопа испускает электроны различной энергии, начиная от некоторой максимальной до нулевой. При этом оказывается, что образующееся конечное ядро имеет всегда одну и ту же энергию. Начальное же ядро, превращаясь в результате радиоактивного распада в новое ядро, теряет одну и ту же энергию, в точности равную максимально возможной энергии испущенного электрона. Возник, естественно, вопрос: куда девается энергия в тех случаях, когда энергия электрона меньше максимальной?
Это был отнюдь не единственный сюрприз, преподнесенный физикам радиоактивностью. Когда подсчитали импульс исходного ядра и его момент количество движения и сравнили с импульсом и моментом количества движения вновь образовавшегося ядра и электрона, то оказалось, что и здесь баланс не сходится. Таким образом, в процессе распада как будто нарушались все три классических закона сохранения, между тем как во всех других известных явлениях микромира они неукоснительно соблюдались.
Для объяснения загадки распада было предложено много гипотез, имеющих в настоящее время лишь, исторический интерес. В 1922 г. Л. Мейтнер предложила, что электроны растрачивают часть своей энергии внутри атома, когда пролетают через его электронную оболочку. Эта гипотеза подверглась строгой опытной проверке в 1927 г. Эллисом и Вустером. Опыт этих ученых состоял в следующем: радиоактивный препарат RаЕ в толстостенной свинцовой оболочке помещался в медный калориметр. Количество энергии, выделенной препаратом за определенный промежуток времени, точно измерялось. Согласно гипотезе Мейтнер следовало ожидать, что средняя энергия, приходящаяся на один акт распада, должна была бы равняться максимальной энергии в спектре. В действительности же эта энергия оказалась равной средней энергии, составляющей около одной трети от величины граничной энергии частиц. Еще более тщательные опыты, осуществленные в 1930 г. самой Мейтнер совместно с Ортманом, подтвердили результат Эллиса и Вустера. Таким образом, вновь было установлено, что часть энергии ядерного превращения бесследно исчезает.
Единственным выходом из положения представлялось допущение о том, что в процессе распада закон сохранения энергии нарушается. Именно такой выход и предложил Бор в 1930 г. Гипотеза Бора, как и рассмотренная выше, заключалась в предположении, что закон сохранения энергии нарушается в элементарных актах распада, но выполняется статистически для достаточно большого числа таких актов. Во имя решения одной проблемы Бор предлагал столь большую жертву, что если бы она оправдалась, то это означало бы по существу крушение не только физики, но и всего естествознания в целом. Ибо с момента признания закона сохранения и превращения энергии как основы физического естествознания науке не был известен ни один факт, который противоречил бы этому закону. После исследований Комптона и других физиков не было сомнений в выполнении этого закона и в области микромира.
Гипотеза Бора о статистическом выполнении закона сохранения энергии в распаде была опровергнута в 1933 г. опытами Эллиса и Мотта.
Сразу же после появления она встретила дружные возражения физиков. Уж слишком велика была жертва. Один из основоположников современной теории распада швейцарский физик В. Паули писал по этому исподу: "На мой взгляд, эта гипотеза не только неудовлетворительна, но даже недопустима. Прежде всего, в этих процессах электрический заряд сохраняется, а я не вижу оснований считать сохранение заряда более фундаментальным, чем сохранение анергии и импульса".
В 1931 г. на физической конференции в Пасадене Паули доложил ученым о своей интерпретации распада: "Законы сохранения выполняются, так как испускание частиц сопровождается проникающей радиацией из нейтральных частиц... Сумма энергий частицы и нейтральной частицы..., испущенных ядром в отдельном акте, равна энергии, соответствующей верхней границе спектра. Само собой разумеется, что мы допускаем во всех элементарных процессах не только сохранение энергии, но и сохранение импульса и момента количества движения".
Поскольку в результате распада заряд ядра изменяется на единицу, предполагаемая частица должна быть электрически нейтральной. Такой частицей мог бы быть и фотон, но эту возможность отрицал опыт Эллиса и Вустера. Масса ядра при распаде практически не изменяется, и поэтому частица должна была обладать ничтожно малой массой. Таким образом, постулированная Паули частица по своим свойствам отличалась от известных в то время частиц. Позже она была названа нейтрино. Введение этой гипотетической частицы объясняло парадоксы распада. Указанные свойства нейтрино приводили к тому, что оно совершенно свободно проходило сквозь стенки приборов, не испытывая электромагнитных взаимодействий, и поэтому уносимая им энергия не могла быть, естественно, учтена.
Гипотеза нейтрино позволила также отстоять и закон сохранения момента количества движения в ядре. Трудности с этим законом возникли в 1932 г., когда В. Гейзенбергом и Л. Иваненко была предложена нейтронно-протонная схема строения атомов ядра. Согласно этой схеме электронов, в ядре быть не должно, они рождаются в процессе распада. Теория ядра приводила к заключению, что спин исходного ядра в единицах h/2 должен выражаться целым числом. Между тем спин электрона равен половине, а орбитальный момент количества движения электронов мог быть только целым числом h/2. Поэтому получалось, что в результате распада целый спин ядра должен был бы переходить в полуцелый и наоборот. Это означало нарушение закона сохранения момента количества движения. Эта трудность сейчас устранялась, если нейтрино приписать полуцелый спин (1/2).
Таким образом, согласно гипотезе Паули нейтрино явилось той частицей, которая компенсировала как недостающую энергию, так и спин. В дальнейшем был уточнен и закон сохранения импульса на основе допущения, что импульс ядра отдачи должен быть равен по величине, и направлен противоположно суммарному импульсу электрона и нейтрино.
В одном из своих более поздних выступлений Паули подчеркнул, что он всегда был против того, чтобы решать какие бы то ни было трудности в физических проблемах путем отказа от закона сохранения энергии: "Во-первых, я считаю, что аналогия между законами сохранения энергии и сохранения электрического заряда имеет глубокое значение и может являться надежной руководящей нитью. Вряд ли можно, отказавшись от закона сохранения энергии, сохранить закон сохранения электрического заряда, а этот последний закон никогда еще не приводил ни к каким затруднениям. Поэтому я с самого начала отказывался верить в нарушение сохранения энергии".
Гипотеза Паули о нейтрино была изложена впервые в печати с его разрешения двумя участниками семинара Карлсоном и Оппенгеймером в 1932 г., а год спустя автор ее, выступая на седьмом Сольвеевском конгрессе, посвященном теме "Строение и свойства атомных ядер", обстоятельно доложил участникам конгресса о тех предпосылках, которые привели его к столь необычной гипотезе).
В 1934 г. итальянский физик Э. Ферми на основе гипотезы о нейтрино и протонно-нейтронной схемы строения атомного ядра создал теорию распада, которая успешно объяснила все основные черты этого процесса. В последующие годы много усилий было затрачено на экспериментальное доказательство существования нейтрино. Сначала эти доказательства были получены косвенно, а в период 1953-1955 гг. путем постановки довольно сложных экспериментов американские физики Коуэн и Ройнее обнаружили нейтрино в свободном состоянии.
Вот что говорит физическая энциклопедия о нейтрино.
"Представление о Нейтрино введено в 1930 швейцарским физиком В. Паули с целью объяснить непрерывный энергетический спектр электронов при распаде: общие принципы квантовой механики и закон сохранения энергии требовали, чтобы электроны имели определенную энергию, равную энергии, выделяемой при распаде. Согласно гипотезе Паули, в распаде вместе с электроном рождается новая нейтральная сильно проникающая и, следователь - но, трудно обнаружимая частица с массой <0.01 массы протона. Распределение дискретной порции энергии между нейтрино и электроном и приводит к нарушению моноэнергетичности спектра электронов. Для того чтобы соблюдался и закон сохранения момента кол-ва движения, новой частице приписали полуцелый спин.... В 1932 Ферми предложил называть новую частицу "нейтрино" (уменьшительное от нейтрон) [4].
Решение проблемы распада окончательно убедило физиков в том, что классические законы сохранения энергии, импульса и момента количества движения выполняются столь же неукоснительно в микромире, как и в макромире. Что касается других двух законов сохранения - массы и электрического заряда, то их выполнение в микромире не вызывало сомнений начиная с 1919 г., когда Резерфорд произвел первое искусственное расщепление атомного ядра азота, бомбардируя его частицами.
Похожие статьи
-
Понятие закона - Эвристические функции законов сохранения
В философском энциклопедическом словаре читаем "Закон - внутренняя существенная и устойчивая связь явлений, обусловливающая их упорядоченное изменение....
-
Введение - Эвристические функции законов сохранения
О чем данная работа? Казалось, бы ответить на этот вопрос нетрудно. Название ее говорит о том, что речь пойдет о законах сохранении. Но мало сказать -...
-
Понятие о доминате - Координации функции организма
Доминанта - временное преобладание одного нервного центра над другими. Одна из наиболее существенных сторон координации функций организма заключается в...
-
ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ - Законы термодинамики и их место в современной картине мира
Третье начало термодинамики (теорема Нернста): энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы...
-
Классические законы Менделя - Генетика и человек
Первые ответы на вопросы генетики дал не философ или физиолог, а чешский монах Грегор Мендель, преподававший физику и естественную историю в средней...
-
Глобализация - процесс слияния национальных экономик в единую, общемировую систему, основанную на быстром перемещении капитала, новой информационной...
-
Рене Декарт опубликовал идею "Эфир - светоносная среда" - Эфир (светоносный эфир, от др.-греч. б?иЮс, верхний слой воздуха; лат. aether) --...
-
Структура и функции клетки - Возрастная физиология
Органоиды - различные структуры живой клетки, которые отвечают за выполнение той или иной функции. Клеточные структуры: Цитоплазма. Обязательная часть...
-
Азотистое равновесие - Строение, функции и значение белков
Азотистое равновесие - это соотношение между количеством азота, содержащегося в принятой пище, и количеством азота, выведенного из организма. Если обе...
-
Влияние церулоплазмина на количественный состав и фагоцитарную функцию лейкоцитов при асептическом воспалении Воспалительные процессы различной этиологии...
-
Нарушение основных функции почек - Особенности функционирования почек человека
Нарушение клубочковой фильтрации. Сущность процесса фильтрации состоит с переходе части воды со всеми растворенными в ней неорганическими и органическими...
-
Обмен белков в организме человека - Строение, функции и значение белков
Важный критерий пищевой ценности белков - доступность аминокислот. Аминокислоты большинства животных белков полностью высвобождаются в процессе...
-
Значение афферентных импульсов - Координации функции организма
Значение афферентных импульсов. Афферентные импульсы не только первое звено каждого рефлекса. Их значение гораздо больше. Они -- необходимое условие...
-
Закон Бугера - Ламберта - Бера - Анализ повадок отряда дятлообразные
Атом, ион или молекула, поглощая квант света, переходит в более высокое энергетическое состояние. Обычно это бывает переход с основного, невозбужденного...
-
Принятие решений и законы. - Жак Фреско. Проект Венера
Для принятия решений будет использоваться научный метод и компьютерные системы, имеющие обратную связь с окружающей средой. Решения будут приниматься на...
-
Основной закон популяционной генетики - Генетические процессы в популяциях
Закон Харди-Вайнберга -- это ключевая закономерность популяционной генетики. Этот закон можно сформулировать следующим образом: в популяции бесконечно...
-
Мозжечок и регуляция двигательных функций - Принципы регуляции моторных функций
Важную роль среди надсегментарных структур, обеспечивающих управление движениями, играет мозжечок. Известно, что поражения мозжечка вызывают...
-
Общие фундаментальные принципы и законы - Космос и биосфера Земли
Чтобы понять законы экологии и представить себе возможные последствия неудачного сосуществования человека с природой, необходимо понять, что такое жизнь,...
-
II закон Менделя (закон расщепления) - в потомстве, полученном от скрещивания гибридов первого поколения, наблюдается явление расщепления: четверть...
-
Плазматическая мембрана., Функции плазмалеммы. - Строение клетки. Биологические мембраны
Плазматическая мембрана занимает особое положение, так как ограничивает клетку снаружи и непосредственно связана с внеклеточной средой. Она имеет толщину...
-
Методика сохранения популяции русской выхухоли
Введение Влияние человека на животный мир велико. Он значительно изменяет среду обитания животных. С другой стороны, человек действует иногда и на само...
-
ЗАКОНЫ НЬЮТОНА - Концепции современного естествознания
Модель Ньютона - это одно тело, движущееся в абсолютном бесконечном пространстве равномерно и прямолинейно до тех пор, пока на это тело не подействует...
-
Продолжительность жизни гормонов - Гуморальная регуляция физиологических функций организма
Время действия гормонов характеризуется периодом полураспада, необходимым для расщепления и инактивирования половины имеющегося гормона. Латентный период...
-
1) [+]саблевидную форму 2) [-]серповидную форму 3) [-]округлую форму 4) [-]кинжаловидную форму Почему скелет птицы легкий и прочный? 1. Внутри костей...
-
Введение, Понятие "Биологическая мембрана" - Функции биологических мембран. Ионные каналы мембран
Тема моего сегодняшнего реферата "Функции биологических мембран. Ионные каналы мембран". Тема очень увлекательная и в то же время познавательная. Ведь,...
-
1. В рамках механистической картины мира сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя - вещественная субстанция, состоящая из атомов...
-
Функции ограды - Методы нейрофизиологии
Психологический физиологический нейрон нервный Базальные ганглии головного мозга (стриарные тела) включают в себя три парных образования: -Неостриатум...
-
В настоящее время проблема адаптации спортсмена к физическим нагрузкам является одной из актуальных проблем. Проблематика заключается в раскрытии...
-
Структура и функции биосферы - Биосфера В. И. Вернадского
Биосфера представляет собой многоуровневую систему, включающую подсистемы различной степени сложности. Границы биосферы определяются областью...
-
Регуляция работы дыхательной системы осуществляется путем контроля частоты дыхательных движений и глубины дыхательных движений (дыхательный объем)....
-
Кровь. Функции крови - Кровь. Плазма. Форменные элементы крови
Кровь представляет собой жидкость (жидкая ткань мезодермального происхождения), красного цвета, слабощелочной реакции, солоноватого вкуса с удельным...
-
Биологические функции мелатонина - Некоторые эффекты биологического действия мелатонина
Свет угнетает продукцию и секрецию пинеального гормона, поэтому его максимальный уровень (100-300 пг/мл) в крови у человека и животных наблюдается в...
-
Наряду с экскреторной и метаболической функциями почки выполняют важные эндокринные функции. Почки являются местом образования Кальцитриола. Кальцитриол...
-
Со времен школы, каждому известно, что иммунитет является защитной системой организма, а иммунология изучает этот вопрос. Это действительно так. Но не...
-
ДЕЯКІ ЗАКОНОМІРНОСТІ ЕВОЛЮЦІЇ Відкриття більшості закономірностей еволюції органічного світу пов'язане з дослідженням сучасного живого світу. Багато...
-
Заряженная частица при прохождении через вещество теряет свою энергию вследствие ионизационного торможения. Ионизационное торможение - это механизм...
-
Экологические факторы, ограничивающие развитие организма. Законы минимума Ю. Либиха и толерантности В. Шелфорда В середине XIX в. немецкий...
-
Введение, Лабораторные методы исследования функции почек - Оценки функционального состояния почек
Основными функциями почек являются выделительная (удаление конечных продуктов обмена), гомеостатическая, направленная на сохранение постоянства...
-
Функции серы в растительном организме - Роль основных соединений серы в жизни растении
Одна из основных функций серы в белках и полипептидах - участие SH-групп в образовании ковалентных и водородных связей, поддерживающих трехмерную...
-
Выделяют три основные функции гормонов: - Гуморальная регуляция организма в онтогенезе
Обеспечение развития организма; Обеспечение приспособительных изменений в деятельности клеток, тканей, органов и организма в целом в зависимости от...
Законы сохранения в микромире - Эвристические функции законов сохранения