Квантовая физика как новый этап познания природы

    На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход  атома из высшего энергетического состояния в низшее, но  не  самопроизвольно,  как при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия.

    Еще в 1940 г. советский физик  В. А.  Фабрикант  указал  на  возможность

использования    явления     вынужденного     излучения     для     усиления

электромагнитных   волн. В 1954 г. советские ученые Н.  Г.  Басов  и  А.  М.

Прохоров  и независимо  от  них  американский  физик  Ч.  Таунс  использовали явление индуцированного излучения  для  создания  микроволнового  генератора радиоволн с длиной волны       ==1,27  см.  За  разработку  нового  принципа генерации и усиления радиоволн Н. Г. Басову и А. М. Прохорову  была  в  1959 г. присуждена   Ленинская   премия. В 1963 г. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров  и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии.

    В 1960  г.  в  CШA  был создан  первый  лазер — квантовый генератор

электромагнитных  волн в видимом диапазоне спектра.

    Лазерные источники света обладают  рядом  существенных  преимуществ   по сравнению с другими источниками света:

    1.  Лазеры  способны  создавать   пучки  света  с  очень   малым   углом

расхождения (около 10~5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли,  дает пятно диаметром 3 км.

    2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие от обычных источников света, атомы которых излучают  свет  независимо  друг  от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно.  Поэтому  фаза  волны  не испытывает нерегулярных изменений.

    3.  Лазеры   являются   самыми  мощными  источниками  света.  В   узком

интервале   спектра   кратковременно   (в   течение    промежутка    времени

продолжительностью  порядка 10~13 с) у некоторых  типов  лазеров  достигается мощность излучения 1017 Вт/см2, в то время как мощность  излучения Солнца равна только 7-103 Вт/см2, причем суммарно по всему  спектру.  На  узкий  же интервал     =10~6  см  (ширина  спектральной  линии  лазера)  приходится  у Солнца  всего  лишь  0,2  Вт/см2.  Напряженность   электрического   поля   в электромагнитной волне, излучаемой  лазером,  превышает  напряженность  поля внутри атома. В обычных  условиях  большинство  атомов  находится  в  низшем энергетическом  состоянии.  Поэтому  при  низких  температурах  вещества  не светятся. При прохождении электромагнитной волны сквозь вещество ее  энергия поглощается. За счет поглощенной энергии волны  часть  атомов  возбуждается, т. е. переходит в высшее энергетическое состояние.

    Существуют различные методы  получения среды с возбужденными  состояниями атомов. В рубиновом  лазере  для  этого   используется   специальная  мощная лампа. Атомы возбуждаются за счет поглощения света.

    Но двух уровней энергии для  работы лазера недостаточно. Каким  бы мощным ни  был  свет  лампы,  число  возбужденных  атомов  не  будет  больше  числа невозбужденных. Ведь  свет  одновременно  и  возбуждает  атомы,  и  вызывает индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний.

    В газовых лазерах этого типа  рабочим  веществом  является  газ.  Атомы

рабочего  вещества возбуждаются электрическим  разрядом.

    Применяются  и  полупроводниковые   лазеры  непрерывного  действия.  Они созданы впервые в нашей стране. В них энергия для излучения заимствуется  от электрического тока.

    Созданы очень мощные газодинамические  лазеры непрерывного  действия  на сотни киловатт. В этих  лазерах  “перенаселенность”  верхних  энергетических уровней создается  при  расширении  и  адиабатном  охлаждении  сверхзвуковых газовых потоков, нагретых до нескольких тысяч кельвин. 

7. Элементарные частицы

    Когда греческий философ Демокрит назвал простейшие нерасчленимые далее частицы атомами  (слово  атом,  напомним,  означает  “неделимый”),  то  ему, вероятно,  все  представлялось  в  принципе  не  очень  сложным.   Различные предметы, растения, животные  построены  из  неделимых,  неизменных  частиц.

Превращения, наблюдаемые в мире,— это простая  перестановка  атомов.  Все  в мире  течет,  все  изменяется,  кроме   самих   атомов,   которые   остаются неизменными.

    Но в конце XIX века было открыто сложное строение атомов и был  выделен электрон как составная часть атома. Затем,  уже  в  XX  веке,  были  открыты протон и нейтрон — частицы, входящие в состав  атомного  ядра.  Поначалу  на все эти частицы смотрели точь-в-точь, как  Демокрит  смотрел на  атомы:  их считали  неделимыми  и  неизменными  первоначальными  сущностями,  основными кирпичиками мироздания.

    Ситуация привлекательной ясности  длилась недолго. Все оказалось  намного сложнее: как  выяснилось,  неизменных  частиц  нет  совсем.  В  самом  слове элементарная заключается двоякий смысл.

    С  одной  стороны,  элементарный  — это   само   собой   разумеющийся,

простейший.  С   другой   стороны,   под   элементарным   понимается   нечто

фундаментальное, лежащее в основе вещей (именно  в этом  смысле  сейчас  и называют субатомные частицы  элементарными).

    Считать известные  сейчас  элементарные  частицы  подобными   неизменным атомам Демократа мешает  следующий простой факт.  Ни  одна  из  частиц  не бессмертна. Большинство частиц, называемых сейчас  элементарными,  не  могут прожить более двух миллионных долей секунды, даже в  отсутствие  какого-либо воздействия извне. Свободный  нейтрон  (нейтрон,  находящийся  вне  атомного ядра) живет в среднем 15 мин.

    Лишь фотон, электрон, протон и  нейтрино сохраняли бы свою  неизменность, если  бы  каждая  из  них  была  одна  в   целом   мире   (нейтрино   лишено электрического заряда и его масса покоя, по-видимому, равна нулю).

    Но у электронов и протонов  имеются опаснейшие собратья  —  позитроны  и антипротоны, при столкновении с  которыми  происходит  взаимное  уничтожение этих частиц и образование новых.

    Фотон, испущенный настольной  лампой, живет не  более  10~8  с.  Это  то

время, которое  ему  нужно,  чтобы  достичь  страницы  книги  и  поглотиться

бумагой. Лишь нейтрино почти бессмертны  из-за  того,  что  они  чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами.  Однако  и  нейтрино  гибнут  при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения  случаются  крайне редко.

    Все элементарные частицы превращаются  друг  в  друга,  и  эти   взаимные

превращения  —  главный  факт  их  существования.  Превращения  элементарных частиц  ученые  наблюдали  при   столкновениях   частиц   высоких   энергий. Представления    о    неизменности     элементарных     частиц     оказались несостоятельными. Но идея об  их  неразложимости  сохранилась.  Элементарные частицы уже далее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам.

    Вот что заставляет  так   думать.  Пусть  у  нас   возникло  естественное

желание исследовать, состоит ли, например,  электрон  из  каких-либо  других субэлементарных  частиц.  Что  нужно  сделать  для  того,  чтобы  попытаться расчленить электрон? Можно придумать только один способ. Это тот же  способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет  узнать,  что  находится  внутри пластмассовой игрушки,— сильный удар.

    По современным представлениям  элементарные  частицы  —   это  первичные, неразложимые  далее  частицы,  из  которых  построена  вся  материя.  Однако неделимость  элементарных  частиц  не  означает,  что  у   них   отсутствует внутренняя структура.

    В 60-е гг. возникли сомнения  в том, что все частицы, называемые  сейчас

элементарными, полностью оправдывают это название.  Основание  для  сомнений простое: этих частиц очень много.

    Открытие  новой  элементарной  частицы  всегда  составляло   и   сейчас

составляет  выдающийся  триумф  науки.  Но  уже  довольно  давно  к  каждому очередному триумфу начала примешиваться  доля  беспокойства.  Триумфы  стали следовать буквально друг за другом.

    Была открыта группа так   называемых  “странных”  частиц:  К-ме-зонов  и

гиперонов  с  массами,  превышающими  массу  нуклонов.  В  70-е  гг.  к  ним

прибавилась  большая  группа  частиц  с  еще  большими  массами,   названных “очарованными”. Кроме того, были открыты короткоживущие частицы  с  временем жизни порядка 10~22—10~23 с. Эти частицы были  названы  резонансами,  и  их число перевалило за двести.

    Вот тогда-то (в 1964 г.) М. Гелл-Манноном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой  все  частицы,   участвующие  в  сильных (ядерных) взаимодействиях—адроны, построены из более фундаментальных  (или  первичных) частиц — кварков.

    Кварки имеют дробный электрический  заряд. Протоны и нейтроны состоят  из трех кварков. В настоящее время в реальности кварков никто  не  сомневается, хотя  в  свободном  состоянии  они  не  обнаружены  и,  вероятно,  не  будут обнаружены никогда. Существование  кварков  доказывают  опыты  по  рассеянию электронов очень высокой энергии на протонах и  нейтронах.  Число  различных кварков равно шести. Кварки, насколько сейчас  известно,  лишены  внутренней структуры и в этом смысле могут считаться истинно элементарными.

    Легкие частицы, не участвующие  в  сильных  взаимодействиях,  называются лептонами. Их тоже шесть, как и кварков (электрон, три сорта нейтрино и  еще две частицы — мюон  и  тау-лептон  с массами,  значительно большими  массы электрона).Существование  двойника  электрона  —  позитрона  —  было   предсказано теоретически английским физиком П. Дираком  в  1931  г.  Одновременно  Дирак предсказал, что при  встрече  позитрона  с  электроном  обе  частицы  должны исчезнуть, породив  фотоны  большой  энергии.  Может  протекать  и  обратный процесс — рождение электронно-позитронной пары, например,  при  столкновении фотона достаточно большой энергии (его масса должна быть больше  суммы  масс покоя рождающихся частиц) с ядром.

    Спустя два года позитрон  был   обнаружен  с  помощью   камеры  Вильсона, помещенной  в  магнитное  поле.  Направление   искривления   трека   частицы указывало знак ее  заряда.  По  радиусу  кривизны  и  энергии  частицы  было определено отношение ее заряда к массе. Оно оказалось по  модулю  таким же, как и у электрона. На рисунке 190 вы видите  первую  фотографию,  доказавшую существование позитрона. Частица двигалась снизу вверх и,  пройдя  свинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии.  Из-за  этого  кривизна  траектории увеличилась.

    Процесс  рождения  пары  электрон  —  позитрон  у-квантом  в  свинцовой

пластинке  виден  на  фотографии,  приведенной на  рисунке 191.  В камере

Вильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет  характерный  след  в виде двурогой вилки.

    Энергия покоя — самый грандиозный  и концентрированный резервуар  энергии во  Вселенной.  И  только  при  аннигиляции  она  полностью  высвобождается, превращаясь в другие виды энергии. Поэтому антивещество — самый  совершенный источник  энергии,  самое  калорийное  “горючее”.  В  состоянии   ли   будет человечество когда-либо это “горючее” использовать, трудно сейчас сказать.

    Обнаружены   сравнительно   недавно    антипротон    и    -антинейтрон.

Электрический заряд антипротона отрицателен.  Сейчас  хорошо  известно,  что рождение пар частица — античастица и их аннигиляция не составляют  монополии электронов и позитронов.

    Атомы,  ядра  которых  состоят   из  антинуклонов,  а  оболочка   —   из

позитронов, образуют антивещество. В 1969 г.  в  нашей  стране  был  впервые получен антигелий. 

Заключение 

    Открытие  сложного  строения  атома  —   важнейший   этап   становления

современной физики, наложивший отпечаток на все  ее  дальнейшее  развитие.  В процессе  создания  количественной  теории   строения   атома,   позволившей объяснить   атомные   спектры,   были   открыты   новые   законы   движения микрочастиц—законы квантовой механики. Элементарные  частицы—это  первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся  материя.  Элементарные частицы  не  остаются  неизменными.  Все   элементарные   частицы   способны превращаться друг в друга, и эти взаимные  превращения  —  главный  факт  их существования. Большинство элементарных частиц нестабильны и самопроизвольно