Роль фундаментальных законов сохранения в описании природы

Эти законы сохранения называются фундаментальными, поскольку они в наглядной форме отражают наиболее общие свойства пространства и времени: однородность и изотропность пространства и однородность времени. Общей чертой всех рассмотренных фундаментальных величин – импульса, полного момента и полной энергии – является то, что они сохраняются для изолированной физической системы независимо от ее природы.

Наибольшее применение законы сохранения нашли при анализе процессов в ядрах атомов и среди элементарных частиц. Элементарные частицы –первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В современной физике термин употребляется (менее строго) для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчиненных условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон). При их столкновениях и распадах происходят не только взаимопревращения различных форм энергии, но и возникновение новых ядер и элементарных частиц.

С практической точки зрения нам далеко не безразлична форма, в которой находится энергия. Так, кинетическая энергия – это «полезная» энергия, которую относительно просто превратить в тепло или использовать для получения работы. Энергия покоя – это скрытая или внутренняя энергия. Всякая возможность, хотя бы частично превратить ее в кинетическую энергию, выгодна. Иногда бывает полезен и обратный переход, когда за счет затрат кинетической энергии получают дополнительную энергию покоя, а значит и массу. Обычно при этом ставят целью получение новых молекул, ядер или элементарных частиц.

Наиболее яркой иллюстрацией процессов взаимопревращения энергии служит процесс полной трансформации вещества в электромагнитное излучение. Это, так называемая, аннигиляции пары частиц – электрона и позитрона. Процесс состоит в том, что вместо исходных покоящихся электрона и позитрона возникают два одинаковых фотона, разлетающихся с одинаковыми импульсами в противоположные стороны. Энергетический баланс показывает, что при этом исходная энергия покоя частиц полностью превращается в кинетическую энергию фотонов.

С процессами взаимопревращения энергий покоя и кинетических энергий человек впервые познакомился после открытия явления радиоактивности. Радиоактивность–испускание излучения естественного происхождения некоторыми минералами. Выявлено, три типа этого излучения: a – лучи – тя­желые положительно наряженные частицы (ядра гел1ия), b – лучи – отрица­тельно заряженные легкие частицы (электроны), – лучи – нейтральное излу­чение, не обладающее массой.

С современной точки зрения, a- распад – это деление исходного ядра на два ядра – осколка, одним из которых служит a – частица или ядро гелия. Например, для ядра урана a – распад состоит в образовании ядер тория и гелия. Иными словами, это типичный выстрел из орудия, в котором лафет – ядро тория, а снаряд – ядро гелия. Поскольку для покоящегося ядра урана импульсы ядер тория и гелия равны по величине друг другу, то в данном случае вследствие закона сохранения энергии кинетические энергии ядер тория и гелия жестко фиксированы.

Совсем другая картина наблюдается в b – распаде. Типичный его пример – это распад нейтрона, в результате которого он превращается в две наблюдаемые частицы – протон и электрон: .

Казалось бы, внешне ситуация здесь напоминает a – распад. На опыте, однако, оказалось, что энергия вылетающих при b – распаде электронов отнюдь не фиксирована и меняется от нуля до некоторого максимального значения, отвечающего выполнению закона сохранения энергии в двухчастичном распаде. В связи с этим первоначально даже возникли сомнения в справедливости этого закона сохранения для b – распада. Вместе с тем закон сохранения энергии для изолированной системы – это фундаментальный закон природы, связанный со свойством однородности времени. Поэтому формальное несоответствие результатов опыта этому закону, привело В. Паули к выводу, что этот распад не двухчастичный, а трехчастичный. Он высказал гипотезу, что в процессе b – распада вместе с электроном вылетает еще одна частица – нейтрино (или точнее электронное антинейтрино), так что энергия может произвольно делиться между нею и электроном. В дальнейшем гипотеза Паули подтвердилась. Была открыта в 1956 г. новая частица- нейтрино, название его было дано в 1933 г. Э. Ферми, а гипотезу о его суще­ствовании высказал в 1930 г. швейцарский физик В. Па­ули. Нейтрино обладает весьма необычными свойствами: нулевым зарядом, нулевой массой и очень слабым взаимодействием с другими частицами. При этом оказалось, что ее роль в природе исключительно велика.

Вопрос о взаимопревращении энергий покоя и кинетических энергий приобрел важное практическое значение в связи с проблемой обеспечения человечества полезной энергией за счет энергии, заключенной в ядрах атомов. Чтобы ядро можно было бы «рассыпать» на отдельные составляющие его нуклоны – протоны и нейтроны, в среднем на каждый нуклон нужно затратить определенную энергию – так называемую удельную энергию связи. Однако для совокупности ядер имеется слабая зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов с характерным максимумом в районе ядра железа. Существование такой зависимости открывает возможности для двух принципиально различных путей извлечения внутриядерной энергии. Общая идея состоит в том, чтобы каким-либо путем переместиться из области легких или тяжелых, но рыхлых ядер в область более плотных ядер средней массы. В этом случае излишняя энергия связи, заключенная в исходных ядрах, может быть превращена в кинетическую энергию ядер, возникающих в конце процесса.

Первый возможный процесс называется делением ядер. В ходе него рыхлые ядра урана-235 или плутония, сталкиваясь с нейтроном, превращаются в более легкие, но более плотные ядра. Второй возможный процесс называется синтезом или слиянием ядер. В ходе него рыхлые ядра тяжелого водорода – дейтерио объединяются в более плотные ядра гелия.

Наконец, представляют интерес и процессы, в которых, наоборот, кинетическая энергия сталкивающихся частиц превращается в энергию покоя объектов до этого отсутствующих в природе. Конечно, энергетически они невыгодны, но они позволяют получить экзотические формы вещества.

При столкновениях известных элементарных частиц – электронов, протонов, нейтрино удалось получить десятки других элементарных частиц или античастиц.

Контрольные вопросы:

1. Что такое «моделирование»?

2. Какие выделяют виды моделирования?

3. Какие 2 традиции описания природы существуют в естествознании? В чем суть каждой? Назовите самых ярких представителей.

4. Какие существуют две самые общие (фундаментальные) модели материи?

5. Что характеризует масса как физическая характеристика. Каковы ее основные свойства?

6. Какие еще вводятся фундаментальные характеристики для описания моделей объектов?

7. Какую роль играют фундаментальные законы сохранения в описании природы?