Will1309

Это не секрет - всё вокруг нас состоит из молекул, молекулы из атомов , атомы из нуклонов и электронов, нуклоны из кварков и взаимодействий переносчиками которых являются бозоны. Всё это очень похоже на матрешку: каждый уровень открывает новые части, новые законы и новые принципы взаимодействия. И с первого взгляда в этом разнообразии сложно разобраться. Со второго тоже. Одна из причин этого в том, что многие законы по которым взаимодействуют частицы контринтуитивный , но на деле всё это весьма занимательно.

В роли объединяющих всё сил выступают четыре вида взаимодействия: гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное; стоит отметить, что гравитационное взаимодействие в лабораторных условиях пренебрежительно мало, а электромагнитное и слабое являются(теоретически) проявлением одного и того же взаимодействия - электрослабого. Всем известный бозон Хиггса является квантом поля Хиггса, которое обуславливает наличие массы у переносчиков слабого взаимодействия и фермионов. У всех взаимодействий есть частицы-переносчики - бозоны, с их помощью описываются взаимодействия между другими фундаментальными частицами. Например два электрона являясь отрицательными отталкиваются друг от друга обмениваясь виртуальными фотонами - переносчиками электромагнитного взаимодействия; виртуальные частицы ведены в квантовую физику для описания принципов взаимодействия. Другим примером являются глюоны, они являются переносчиками сильного взаимодействия и служат для связей кварков в протонах и нейтронах, а также, превосходя силы электромагнитного взаимодействия, удерживают протоны внутри ядра. Слабое взаимодействие обусловливает изменение и распад элементарных частиц, его примером может быть бета-распад нейтрона, при котором один из кварков нейтрона изменяется в результате слабого взаимодействия при этом появляется W− - бозон - это и есть один из переносчиков слабого взаимодействия(также существуют W+ и Z0 - бозоны), в свою очередь W− -бозон распадается на электрон и антинейтрино. Кроме бозонов-переносчиков взаимодействий существуют.

Второй большой частью стандартной модели являются фермионы. Не вдаваясь в подробности это фундаментальные частицы в результате взаимодействия которых образуется вещество. Среди фермионов выделяют две большие группы фундаментальных фермионов: кварки и лептоны. Кварки делятся на шесть ароматов (верхний, нижний, странный, очаровательный,прелестный и истинный - обожаю физиков за эти названия), имеют античастицы и делятся на три поколения, причём из-за большой массы кварки второго и третьего поколения нестабильны и по факту все протоны и нейтроны состоят из первого поколения. Кварки имеют цветной заряд , для сравнения у электрического заряда есть два варианта - положительный и отрицательный, цветной же имеет три возможных значения и благодаря тому что у глюонов(сильное взаимодействие) так же присутствует эта характеристика у глюонов(переносчики сильного взаимодействия) в результате чего из кварков образуются частицы наподобие протонов и нейтронов. У лептонов та же структура - они делятся на три поколения, по два в каждом (электрон, нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тау-лептон и тау-нейтрино) и их античастицы, и так же как и у кварков стабильно только первое поколение, но в отличии от кварков, лептоны не подвергаются сильному взаимодействию и их возможно обнаружить в свободном состоянии, как электроны так и нейтрино, но последние в следствии своих особенностей почти не взаимодействует с веществом.

Образуемые кварками нуклоны могут иметь положительный электромагнитный заряд(протоны) или нейтральный (нейтроны) - они образуют положительно заряженные ядра атомов, электроны имея отрицательный заряд компенсируют этот заряд делая атом нейтрально заряженным.Положительный и отрицательный заряд частиц, электромагнитное взаимодействие и причины по которым электрон не падает на атом займет объём, сравнимый с вышеизложенным , а потому я оставлю для следующей статьи)

Какие ассоциации у вас возникают при словах "Квантовая механика"? Обычно они вызывают благоговейный ужас, желание куда-нибудь убежать и вместе с тем возносят в наших глазах(часто незаслуженно) того кто их произнёс на олимп недосягаемого интеллектуального превосходства. На самом же деле квантовая механика не что-то непонятное, странное или запутанное, возможно она не так интуитивно понятна как классическая механика с которой мы сталкиваемся каждый день, но и в ней можно разобраться если захотеть.

Одним из самых "наглядных" проявлений квантовой механики можно назвать видимый свет. Все объекты во вселенной, чья температура выше абсолютного нуля обладают электромагнитным излучением, его переносчиком является фотон. Фотон образуется она при переходе электрона с более высокой на более низкую орбиталь в атоме, он не имеет массы и заряда и проявляет корпускулярно-волновой дуализм (Нет, фотон не умеет быть волной! это заблуждение. "Волной" является вероятность найти фотон в определенном месте, но на самом деле всё ещё интереснее). Причиной перехода электрона может быть, например, взаимодействие со свободными электронами в веществе, а свободные электроны могут появляться, например, благодаря электрическому току, что в свою очередь дает возможность преобразовывать последний в видимый свет.

Самым простым способом получить электромагнитное излучение в видимом спектре - нагреть вещество, то есть передать ему достаточное количество энергии при котором электроны переходят со своих орбиталей. Этот принцип используются в лампах накаливания: электроны проходя по вольфрамовой нити испытывают сопротивление(R) , при этом они теряют импульс и преобразуют энергию движения в энергию позволяющую электронам вольфрама переходить между орбиталями.

Интереснее обстоят дела с люминесцентными лампами в которых источником электронов является ионизированный инертный газ, а источником фотонов (в ультрафиолетовой части спектра). Для ионизации газа используют металлические спирали в обоих концах лампы, при зажигании на них подаётся напряжение дающее некоторое количество свободных электронов, эти электроны разгоняются при скачке напряжения который дают стартер и дроссель, энергии этих электронов хватает для того чтобы выбить электроны из атомов инертного газа тем самым уменьшив сопротивление среды - с этого момента ток начинает течь внутри лампы в обход стартера который обеспечил скачок напряжения разогнавший электроны из металлических спиралей. При проходящий через лампу электрическом току у электрона выбитого из атома инертного газа два пути: столкнуться с другим атомом инертного газа и выбить с него такой же электрон, если хватит импульса, или столкнувшись с атомом ртути попробовать выбить его электрон, на это импульса точно не хватит, но попробовать можно. Выбить электрон из атома ртути при энергии которую дает бытовая сеть не получится, но перевести его на более высокую орбиталь запросто, хоть и ненадолго, возвращаясь на привычный уровень электрон испускает фотон с заранее известной длинной волны. Атомы ртути дают ультрафиолетовое излучение которое переходит в видимый спектр благодаря люминофору - именно то белое напыление на люминесцентных лампах.

Ещё одним источником видимого света могут быть светодиоды. Принцип их работы основан на использовании полупроводников и p-n-перехода между ними. Полупроводник с подвижными отрицательными частицами (n тип) образуется при наличии свободных электронов в кристаллической решётке полупроводника. Свободные электроны появляются в результате формирования кристаллической решётки в которой атомы образуя ковалентную связь (электроны с внешних оболочек становятся общими для нескольких атомов) оставляют один связанный электрон который может передвигаться в пределах кристаллической решетки , при этом атом у которого не хватает этого электрона становиться положительным ионом (это запомним). Другим вариантом является полупроводник в котором для формирования равновесной кристаллической решётки не хватает электрона, при этом недостающий электрон может быть перетянут из соседних атомов при этом образуются неподвижные в рамках кристаллической решётки отрицательные ионы и подвижные положительные дырки. Дырками называют квазичастицы в полупроводниках являющиеся носителями положительного заряда, введен этот термин для упрощения объяснений и в данном случае определяет отсутствие электрона на его законном месте. Так мы получаем с одной стороны положительные неподвижные ионы и подвижные отрицательные частицы , а с другой отрицательные ионы и подвижные положительные частицы. В месте соединения полупроводников p и n типа подвижные электроны и подвижные дырки рекомбинируют, проще говоря электроны n полупроводника заполнят пустое место в p полупроводнике создав нейтрально заряженную зону или иначе говоря запирающую зону. Дальше этой зоны свободные электроны из полупроводника n проникать не могут так как их будет отталкивать поле создаваемое отрицательными ионами p полупроводника. Если кто не знает электроны в проводнике движутся от минуса к плюсу. Подключение к n-полупроводнику минуса позволяет увеличив количество электронов преодолеть сопротивление отрицательных ионов, рекомбинировать оставшиеся дырки и замкнуть цепь. При изменении полюса электроны из n-полупроводника притягиваются к плюсу, запирающая зона увеличивается и цепь не замыкается. Фотоны излучаются при рекомбинации электронов и дырок, так как это вызывает переходы электронов на орбиталях атома. Не все полупроводники могут излучать видимый свет, более того длина волны и соответственно цвет светодиода сильно зависят от состава кристаллов.

По своей сути всё описанное выше достаточно доступно для понимания, конечно при наличии определенной доли желания это понять. Сложность и недоступность для понимания - это один из множества мифов окружающих квантовую механику и подобные области знания и глупо ссылаться на эти мифы во время когда у тебя, читатель, есть доступ в интернет.

P.S. Интересная статья про нелегкую судьбу фотона в наши дни и не только https://habr.com/post/171489/