В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.
Шрифт:
Во Флоренции Ферми и Разетти проделали ряд опытов, в ходе которых исследовали техники изучения атомных спектров. Результаты были изложены в статье «переменкого магнитного поля на поляризацию резонансного излучения ртути опубликованной в журнале Nature. Впоследствии техника Ферми и Разетти успешно применялась в изучении электромагнитных спектров. К тому моменту, когда Паули впервые рассказал о своем принципе исключения, Ферми уже понял причину, объяснявшую его статистику, и собирался развить
Атомная орбиталь — это пространство вокруг ядра, где вероятнее всего можно встретить электрон с определенной энергией. Форма орбитали зависит от квантовых чисел (см. рисунок). Конфигурация электронов вещества — это распределение электронов в его атомах на разных уровнях, подуровнях и орбиталях от частиц с меньшей энергией к большей. Эта конфигурация определяет большинство свойств
Орбиталь типа s
Орбиталь типа d
Орбиталь типа р
Орбиталь типа f
свою догадку независимо от квантовой механики, поэтому он был очень раздосадован, когда узнал, что австрийский ученый опередил его. Индийский физик Шатьендранат Бозе (1894- 1974) ввел 2 июля 1924 года новую статистическую теорию для квантов света и получил формулы Больцмана для излучения черного тела. Ровно через неделю Эйнштейн применил эту статистику для газа со свободными частицами.
В 1926 году Ферми опубликовал работу «О квантовании идеального одноатомного газа», ставшую важнейшим вкладом в физическую науку. В ней он сформулировал теорию идеального одноатомного газа, поведение которого подчиняется принципу исключения Паули.
Энрико Ферми создал новый способ подсчета частиц с полуцелым спином (например, электроны, нейтроны и протоны), приняв, что на каждом уровне может находиться только по одной частице, так что у двух разных частиц не может быть одинаковых квантовых чисел. Распределение Ферми — это функция, определяющая вероятность, с которой частицы находятся на том или ином уровне, от меньшей энергии к большей, всегда в строгом соответствии с принципом исключения, до их полного распределения. Среднее количество частиц ni , которые при температуре Т обладают энергией i, равно
где kB — постоянная Больцмана, — химический потенциал (способность частиц реагировать и растворяться), gi — кратность вырождения состояния i. В квантовой теории вырождение означает, что один энергетический уровень системы содержит более одного квантового состояния. В невырожденных системах g = 1. Вскоре такой же тип статистики был разработан Дираком, но он и предыдущее распределение получили название статистики и распределения Ферми — Дирака (см. рисунок), хотя сам Дирак настаивал на том, чтобы использовать только фамилию Ферми, поскольку итальянский физик опубликовал работу раньше него. Энергия последнего заполненного состояния называется энергией Ферми, а температура, которому она соответствует, — температурой Ферми. Температура Ферми большей части металлов очень высока, около 10000 °С, поэтому распределение Ферми при температуре окружающей среды близко к ступенчатой функции.
Распределение Ферми — Дирака определяет проводимость металлов, что было доказано Зоммерфельдом — и самим Паули в 1927 году — с помощью анализа свободных электронов. Однако первым его применением мы обязаны британскому физику и астроному Ральфу Говарду Фаулеру, который в 1926 году успешно применил его в астрофизике. В частности, Фаулер доказал, что газ со свободными электронами, находящийся в белом карлике, является вырожденным газом Ферми.
Распределение Ферми — Дирака: вариация ni, от коэффициента i/. Форма распределения Ферми меняется в зависимости от произведения kBТ. При низких температурах распределение Ферми — Дирака приближается к ступенчатой функции или к единичной функции Хевисайда, кусочнопостоянной математической функции, значение которой (0 или 1) зависит от того, положительное или отрицательное х.
Все известные на данный момент частицы, согласно принципу исключения Паули, делятся на фермионы и бозоны. Они приведены в таблице на этой странице, а на следующей — указано, когда была выдвинута гипотеза об их существовании и когда они были открыты экспериментально.
Два фермиона не могут оставаться в одинаковом квантовом состоянии, то есть иметь одинаковые квантовые числа. Как видно из таблицы, фермионы имеют спин Vi и антисимметричную волновую функцию. Кроме того, согласно принципу исключения Паули, два электрона могут находиться на одном и том же атомном уровне (быть спаренными), только если значения их спинов противоположны друг другу, то есть если они различаются хотя бы спиновым числом.
Все фермионы подчиняются статистике Ферми — Дирака и делятся на две большие группы: кварки — частицы атомного ядра (протоны и нейтроны), участвующие в сильном ядерном взаимодействии, и лептоны, среди которых электроны и нейтрино с электрослабым взаимодействием. Бозоны, находящиеся в симметричных квантовых состояниях и обладающие целым спином, не подчиняются принципу Паули, то есть в одном квантовом состоянии может быть более одного бозона. По этой причине возможен, например, эффект лазера, когда множество фотонов переходит с одного энергетического уровня на другой с таким же квантовым числом. Бозоны следуют статистике Бозе — Эйнштейна и являются носителями сил, с помощью которых частицы взаимодействуют друг с другом.
Все частицы материи были названы фермионами в честь Энрико Ферми, который первым понял статистические принципы функционирования квантовой Вселенной.
| Частица | Гипотеза | Открытие |
| u-кварк | Гелл-Манн и Цвейг (1964) | Лаборатория SLAC (1967) |
| d-кварк | Гелл-Манн и Цвейг (1964) | Лаборатория SLAC (1967) |
| с-кварк | Глэшоу, Илиопулос, Майяни (1970) | Рихтер и другие сотрудники лаборатории SLAC и Тинг и сотрудники лаборатории BNL (1974) |
| s-кварк | Гелл-Манн и Цвейг (1964) | Лаборатория SLAC (1967) |
| t-кварк | Кобаяси и Масукава (1973) | Коллаборации CDF и DO Фермилаб (1995) |
| b-кварк | Кобаяси и Масукава (1973) | Ледерман и сотрудники лаборатории Фермилаб (1977) |
| Электронное нейтрино | Паули (1930) | Коуэн и Райнес (1956) |
| Электрон | Ламинг (1838) / Стони (1874) | Томсон (1897) |
| Мюонное нейтрино | Саката и Иноуэ (1946) | Ледерман, Шварц и Стейнбергер (1962) |
| Мюон | — | Андерсон и Неддермейер (1936) |
| Тау-нейтрино | Перл и сотрудники лаборатории SLAC (1974) | Коллаборация DONUT / Лаборатория Фермилаб (2000) |
| Тау-лептон | — | Перл и сотрудники лаборатории SLAC (1974) |
| Фотон | Планк (1900) / Эйнштейн (1905) | Рентген / Иван Пулюй (1896) |
| Глюон | Гелл-Манн (1962) | Исследовательский центр DESY / детектор PLUTO (1978) |
| Слабое взаимодействие Z° | Глэшоу. Вайнберг, Салам (1968) | Детекторы UA1 / UA2 (1983) |
| Слабое взаимодействие W+/- | Глэшоу, Вайнберг, Салам (1968) | Детекторы UA1 / UA2 (1983) |
| Бозон Хиггса | Хиггс (1964) | ЦЕРН-БАК (Большой адронный коллайдер) (2012) |
ГЛАВА 3
Нейтрино и бета-распад
Благодаря открытию нейтрона, искусственной радиации и делению ядра немногим больше чем за десятилетие, между 1927 и 1938 годами, ученым удалось проникнуть в тайны атомного мира. Модель Томаса — Ферми позволила понять феномен электрической проводимости и заложила основы современной электроники. Ферми получил Нобелевскую премию за доказательство возможности получения новых радиоактивных элементов и дал название новой частице — нейтрино. Сегодня идут споры о том, могут ли нейтрино развивать скорость, превышающую скорость света.