Na pitanje Koja je najmanja čestica u svemiru? Quark, Neutrino, Higgs Boson ili Planck Black Hole? dao autor Caucasoid najbolji odgovor je da su sve osnovne čestice nulte veličine (radijus je nula). Po masi. Postoje čestice nulte mase (foton, gluon, graviton). Od masivnih, neutrino ima najmanju masu (manje od 0,28 eV / s ^ 2, tačnije još nije izmjereno). Učestalost, vrijeme nisu karakteristike čestica. Možete pričati o životnim vremenima, ali ovo je drugačiji razgovor.

Odgovor od Stitch[guru]
Mosk zerobubus.

Odgovor od Mihail Levin[guru]
u stvari, praktično nema koncepta "veličine" u mikrosvijetu. Pa, za jezgro je još uvijek moguće govoriti o nekoj vrsti analoga veličine, na primjer, kroz vjerojatnost da će ga elektroni udariti iz snopa, ali za manje, ne.

Odgovor od krsti[guru]
"veličina" elementarne čestice - karakteristika čestice, koja odražava prostornu raspodjelu njene mase ili električnog naboja; obično govore o tzv. srednji kvadratni polumjer distribucije električnog naboja (koji također karakterizira raspodjelu mase)
Bozoni i leptoni mjerača ne pokazuju konačne "veličine" unutar tačnosti izvršenih mjerenja. To znači da su njihove "veličine"< 10^-16 см
Za razliku od zaista elementarnih čestica, "veličine" hadrona su konačne. Njihov karakteristični srednji kvadratni radijus je određen radijusom zatvorenosti (ili zatvaranja kvarkova) i jednak je po veličini na 10 ^ -13 cm. Štaviše, on, naravno, varira od hadrona do hadrona.

Odgovor od Kirill odding[guru]
Neki od velikih fizičara rekli su (sat vremena ne Niels Bohr?) "Ako uspijete vizualno objasniti kvantnu mehaniku - idite po svoju Nobelovu nagradu."

Odgovor od SerŠkod Polikanov Sergey[guru]
Koja je najmanja elementarna čestica u univerzumu?
Elementarne čestice koje stvaraju gravitacijski učinak.
Čak i manje?
Elementarne čestice koje pokreću one koje stvaraju gravitacijski učinak
ali oni sami u tome učestvuju.
Postoje čak i manje elementarne čestice.
Njihovi se parametri ne uklapaju čak ni u proračune, jer su strukture i njihovi fizički parametri nepoznati.

Odgovor od Miša Nikitin[aktivno]
QUARK

Odgovor od Matipati Kipirofinovich[aktivno]
PLANKOVA CRNA RUPA

Odgovor od Brate qwerty[novajlija]
Kvarkovi su najmanje čestice na svijetu. Za svemir ne postoji koncept veličine, on je neograničen. Ako izmislite stroj kako biste smanjili osobu, tada se možete smanjivati ​​beskonačno manje, manje, manje ... Da, Quark je najmanja "čestica" Ali postoji nešto manje od čestice. Svemir. Ne. Ima. Veličina.

Odgovor od Anton Kurochka[aktivno]
Protonski neutron 1 * 10 ^ -15 1 femtometar
Quark-U Quark-D Electron 1 * 10 ^ -18 1 attometar
Quark -S 4 * 10 ^ -19 400 zeptometara
Quark -C 1 * 10 ^ -19 100 zeptometara
Quark -B 3 * 10 ^ -20 30 zeptometara
Neutrini velike energije 1,5 * 10 ^ -20 15 zeptometara
Preon 1 * 10 ^ -21 1 zeptometar
Quark -T 1 * 10 ^ -22 100 joktometara
MeV Neutrino 2 * 10 ^ -23 20 joktometara
Neutrino 1 * 10 ^ -24 1 joktometar - (vrlo male veličine !!!) -
Plonkovskaya čestica 1,6 * 10 ^ -35 0,000 000 000 016 joktometar
Kvantna pjena Kvantna žica 1 * 10 ^ -35 0,000 000 000 01 joktometar
Ovo je tablica veličine čestica. I ovdje možete vidjeti da je najmanja čestica Plancka, ali budući da je premala, Neutrino je najmanja čestica. Ali za svemir je samo Plankova dužina manja

Najmanja čestica šećera je molekula šećera. Njihova je struktura takva da je šećer slatkog okusa. Struktura molekula vode je takva da čista voda ne izgleda slatko.

4. Molekule se sastoje od atoma

Molekula vodika bit će najmanja čestica tvari vodika. Najmanje čestice atoma su elementarne čestice: elektroni, protoni i neutroni.

Sva poznata materija na Zemlji i šire sastoji se od hemijskih elemenata. Ukupan broj prirodno prisutnih elemenata je 94. Na normalnim temperaturama 2 su u tekućem stanju, 11 u plinovitom i 81 (uključujući 72 metala) u čvrstom stanju. Takozvano "četvrto stanje materije" je plazma, stanje u kojem su negativno nabijeni elektroni i pozitivno nabijeni ioni u stalnom kretanju. Granica mljevenja je čvrsti helij, koji bi, kako je ustanovljeno davne 1964. godine, trebao biti monoatomski prah. TCDD, ili 2, 3, 7, 8-tetraklorodibenzo-p-dioksin, otkriven 1872. godine, smrtonosan je u koncentraciji od 3,1 · 10-9 mol / kg, što je 150 hiljada puta jače od slične doze cijanida.

Tvar se sastoji od pojedinačnih čestica. Molekuli različitih tvari su različiti. 2 atoma kiseonika. To su molekuli polimera.

Baš o kompleksu: zagonetka najmanje čestice u svemiru ili kako uloviti neutrino

Standardni model fizike čestica je teorija koja opisuje svojstva i interakcije elementarnih čestica. Svi kvarkovi imaju i električni naboj koji je više od 1/3 elementarnog naboja. Njihove antičestice su antileptoni (antičestica elektrona se iz istorijskih razloga naziva pozitron). Hiperoni, poput Λ-, Σ-, Ξ- i Ω-čestica, sadrže jedan ili više s-kvarkova, brzo se raspadaju i teži su od nukleona. Molekule su najmanje čestice tvari koje još uvijek zadržavaju svoja kemijska svojstva.

Koja finansijska ili druga korist može se izvući iz ove čestice? " Fizičari sliježu ramenima. A oni to zaista ne znaju. Nekada je proučavanje poluvodičkih dioda pripadalo čisto fundamentalnoj fizici, bez ikakve praktične primjene.

Higsov bozon je čestica koja je toliko važna za nauku da je dobila nadimak "Božja čestica". Ona je ta koja, kako vjeruju naučnici, daje masu svim ostalim česticama. Ove čestice počinju se raspadati čim se rode. Stvaranje čestice zahtijeva ogromnu količinu energije, poput one koju stvara Veliki prasak. Što se tiče veće veličine i težine superpartnera, naučnici vjeruju da je simetrija narušena u skrivenom sektoru svemira koji se ne može vidjeti niti pronaći. Na primjer, svjetlost se sastoji od čestica nulte mase zvanih fotoni, koje nose elektromagnetsku silu. Slično, gravitoni su teorijske čestice koje nose silu gravitacije. Naučnici i dalje pokušavaju pronaći gravitone, ali to je vrlo teško učiniti jer te čestice vrlo slabo stupaju u interakciju s materijom.

Doktor fizičko -matematičkih nauka M. KAGANOV.

Prema dugoj tradiciji, časopis "Nauka i život" govori o najnovijim dostignućima savremene nauke, o najnovijim otkrićima u oblasti fizike, biologije i medicine. No, da bismo razumjeli koliko su važni i zanimljivi, potrebno je barem općenito imati ideju o osnovama znanosti. Savremena fizika se brzo razvija, a ljudi starije generacije, oni koji su učili u školi i na institutu prije 30-40 godina, nisu upoznati sa mnogim njenim pozicijama: tada jednostavno nisu postojali. A naši mladi čitatelji još nisu imali vremena saznati za njih: naučnopopularna literatura praktički je prestala izlaziti. Stoga smo zamolili dugogodišnjeg autora časopisa MI Kaganova da nam ispriča o atomima i elementarnim česticama te o zakonima koji njima upravljaju, o tome šta je materija. Moisei Isaakovich Kaganov je teoretski fizičar, autor i koautor nekoliko stotina radova o kvantnoj teoriji čvrstih tijela, teoriji metala i magnetizmu. Bio je vodeći istraživač u Institutu za fizičke probleme. P. L. Kapitsa i profesor na Moskovskom državnom univerzitetu. MV Lomonosov, član uredništva časopisa "Priroda" i "Kvant". Autor je mnogih naučno -popularnih članaka i knjiga. Sada živi u Bostonu (SAD).

Nauka i život // Ilustracije

Grčki filozof Demokrit prvi je izgovorio riječ "atom". Prema njegovom učenju, atomi su nedjeljivi, neuništivi i u stalnom su kretanju. Beskrajno su raznoliki, imaju udubljenja i izbočine koje međusobno spajaju tvoreći sva materijalna tijela.

Tabela 1. Najvažnije karakteristike elektrona, protona i neutrona.

Atom deuterija.

Engleski fizičar Ernst Rutherford s pravom se smatra utemeljiteljem nuklearne fizike, doktrine radioaktivnosti i teorije atomske strukture.

Na slici: površina kristala volframa, uvećana 10 miliona puta; svaka svetla tačka je njen zasebni atom.

Nauka i život // Ilustracije

Nauka i život // Ilustracije

Radeći na stvaranju teorije zračenja, Max Planck je 1900. došao do zaključka da bi atomi zagrijane tvari trebali emitirati svjetlost u dijelovima, kvantima, koji imaju dimenziju djelovanja (J.c) i energiju proporcionalnu zračenju frekvencija: E = hn.

1923. Louis de Broglie prenio je Einsteinovu ideju o dvostrukoj prirodi svjetlosti - dualnost talas -čestica - na materiju: kretanje čestice odgovara širenju beskonačnog talasa.

Eksperimenti na difrakciji uvjerljivo su potvrdili de Broglievu teoriju koja je tvrdila da je kretanje bilo koje čestice praćeno valom čija duljina i brzina ovise o masi i energiji čestice.

Nauka i život // Ilustracije

Iskusni igrač bilijara uvijek zna kako će se loptice kotrljati nakon udarca i lako ih stavlja u džep. Atomske čestice su mnogo složenije. Nemoguće je naznačiti putanju letećeg elektrona: to nije samo čestica, već i val, beskonačan u svemiru.

Noću, kada na nebu nema oblaka, Mjesec nije vidljiv i fenjeri se ne miješaju, nebo je ispunjeno sjajnim zvijezdama. Ne morate tražiti poznata sazviježđa niti pokušavati pronaći planete blizu Zemlje. Samo gledaj! Pokušajte zamisliti ogroman prostor ispunjen svjetovima koji se proteže milijardama milijardi svjetlosnih godina. Samo zbog udaljenosti čini se da su svjetovi točke, a mnogi od njih su toliko udaljeni da se ne mogu razlikovati odvojeno i spajaju se u maglinu. Čini se da smo u središtu svemira. Sada znamo da to nije slučaj. Odbacivanje geocentrizma velika je zasluga nauke. Bilo je potrebno puno napora da se shvati da se beba-Zemlja kreće u slučajnom, naizgled neizabranom području neograničenog (doslovno!) Svemira.

Ali život je počeo na Zemlji. Razvio se tako uspješno da je mogao stvoriti osobu sposobnu da razumije svijet oko sebe, da traži i pronađe zakone koji upravljaju prirodom. Postignuća čovječanstva u poznavanju zakona prirode toliko su impresivna da se nehotice osjeća ponos zbog pripadnosti ovoj prstohvatu razuma, izgubljenom na periferiji obične Galaksije.

S obzirom na raznolikost svega što nas okružuje, postojanje općih zakona je nevjerojatno. Jednako je upečatljivo i to sve je izgrađeno od čestica samo tri tipa - elektrona, protona i neutrona.

Kako bi se, koristeći osnovne zakone prirode, izveli mjerljivi podaci i predvidjela nova svojstva različitih tvari i objekata, stvorene su složene matematičke teorije koje nije nimalo lako razumjeti. Ali konture naučne slike svijeta mogu se shvatiti bez pribjegavanja rigoroznoj teoriji. Naravno, za to je potrebna želja. Ali ne samo: čak će i preliminarni poznanik morati potrošiti malo posla. Potrebno je pokušati shvatiti nove činjenice, nepoznate pojave, koje se na prvi pogled ne slažu s postojećim iskustvom.

Dostignuća nauke često dovode do ideje da za nju "ništa nije sveto": ono što je bilo istina juče se odbacuje. Znanjem se stječe razumijevanje o tome kako se nauka s pijetetom odnosi prema svakom zrnu akumuliranog iskustva, s kojim oprezom ide naprijed, posebno u onim slučajevima kada je potrebno napustiti uvriježene ideje.

Svrha ove priče je upoznati temeljne značajke strukture anorganskih tvari. Unatoč beskrajnoj raznolikosti, njihova je struktura relativno jednostavna. Pogotovo ako ih usporedite s bilo kojim, čak i najjednostavnijim živim organizmom. Ali postoji jedna zajednička stvar: svi živi organizmi, poput anorganskih tvari, izgrađeni su od elektrona, protona i neutrona.

Nemoguće je dokučiti neizmjernost: da bi se, barem općenito, upoznalo sa strukturom živih organizama, potrebna je posebna priča.

UVOD

Raznolikost stvari, objekata - sve što koristimo, ono što nas okružuje je ogromno. Ne samo u njihovoj namjeni i strukturi, već i u materijalima koji su korišteni za njihovo stvaranje - tvari, kako kažu, kada nema potrebe naglašavati njihovu funkciju.

Tvari, materijali izgledaju čvrsti, a osjet dodira potvrđuje ono što oči vide. Čini se da nema izuzetaka. Tekuća voda i čvrsti metal, tako različiti, međusobno su slični: i metal i voda su čvrsti. Istina, sol ili šećer mogu se otopiti u vodi. U vodi pronalaze mjesto za sebe. Također možete zabiti ekser u čvrsto tijelo, poput drvene ploče. Uz primjetan napor, možete osigurati da mjesto koje je zauzelo drvo zauzme željezni ekser.

Znamo vrlo dobro: možete odlomiti mali komad sa čvrstog tijela, možete samljeti gotovo bilo koji materijal. Ponekad je teško, ponekad se događa spontano, bez našeg sudjelovanja. Zamislite sebe na plaži, na pijesku. Shvaćamo da je zrno pijeska daleko od najmanje čestice materije koja čini pijesak. Ako pokušate, možete smanjiti zrnce pijeska, na primjer, prolaskom kroz valjke - kroz dva cilindra od vrlo tvrdog metala. Jednom između valjaka, zrno pijeska bit će zdrobljeno na manje komade. U stvari, ovako se brašno pravi od žitarica u mlinovima.

Sada kada je atom čvrsto ušao u našu percepciju svijeta, vrlo je teško zamisliti da ljudi nisu znali je li proces fragmentacije ograničen ili se tvar može neograničeno usitnjavati.

Nije poznato kada su si ljudi prvi put postavili ovo pitanje. Prvi put je zabilježen u spisima starogrčkih filozofa. Neki od njih su vjerovali da se, bez obzira na udio tvari, može podijeliti na još manje dijelove - nema ograničenja. Drugi su izrazili ideju da postoje najmanje nedjeljive čestice, od kojih se sve sastoji. Kako bi naglasili da su ove čestice granica fragmentacije, nazvali su ih atomima (na starogrčkom riječ "atom" znači nedjeljiv).

Potrebno je imenovati one koji su prvi iznijeli ideju o postojanju atoma. To su Demokrit (rođen oko 460. ili 470. godine prije Krista, umro u starosti) i Epikur (341.-270. Prije Krista). Dakle, atomska nauka je stara skoro 2500 godina. Koncept atoma nisu svi odmah prihvatili. Čak i prije 150 godina, bilo je malo onih koji su bili sigurni u postojanje atoma, čak ni među naučnicima.

Poenta je da su atomi vrlo mali. Ne mogu se vidjeti ne samo prostim okom, već i, na primjer, mikroskopom koji se povećava 1000 puta. Razmislimo o tome: koja je veličina najmanjih čestica koje se mogu vidjeti? Različiti ljudi imaju različit vid, ali vjerojatno će se svi složiti da je nemoguće vidjeti česticu manju od 0,1 milimetra. Stoga je pomoću mikroskopa moguće, iako teško, vidjeti čestice od oko 0,0001 milimetara ili 10 -7 metara. Upoređujući veličinu atoma i međuatomske udaljenosti (10 -10 metara) sa dužinom, koju smo prihvatili kao granicu mogućnosti gledanja, razumjet ćemo zašto nam se čini da je bilo koja tvar kontinuirana.

2500 godina je ogromno vrijeme. Bez obzira na to što se događalo u svijetu, uvijek je bilo ljudi koji su pokušavali sami sebi odgovoriti na pitanje kako svijet oko njih funkcionira. U nekim trenucima problemi strukture svijeta zabrinjavali su više, u nekim - manje. Rođenje nauke u njenom modernom smislu dogodilo se relativno nedavno. Naučnici su naučili postavljati eksperimente - postavljati pitanja prirodi i razumjeti njene odgovore, stvarati teorije koje opisuju rezultate eksperimenata. Teorije su zahtijevale rigorozne matematičke metode kako bi došle do pouzdanih zaključaka. Nauka je daleko napredovala. Na tom putu, koji je za fiziku započeo prije otprilike 400 godina djelima Galilea Galileija (1564-1642), dobiveno je beskonačno mnogo informacija o građi materije i svojstvima tijela različite prirode, beskonačan broj različitih fenomeni su otkriveni i shvaćeni.

Čovečanstvo je naučilo ne samo da pasivno razume prirodu, već i da je koristi u svoje svrhe.

Nećemo razmatrati istoriju razvoja atomskih koncepata tokom 2500 godina i istoriju fizike u posljednjih 400 godina. Naš zadatak je da što kraće i jasnije ispričamo šta je i kako sve izgrađeno - objekti oko nas, tijela i mi sami.

Kao što je već spomenuto, sve tvari se sastoje od elektrona, protona i neutrona. Znam to još od školskih godina, ali ne prestaje me začuditi da je sve izgrađeno od samo tri vrste čestica! Ali svijet je tako raznolik! Osim toga, sredstva koja priroda koristi za izgradnju također su prilično monotona.

Dosljedan opis kako se grade različite vrste tvari složena je znanost. Koristi ozbiljnu matematiku. Mora se naglasiti da ne postoji druga, jednostavna teorija. No, fizički principi na kojima se temelji razumijevanje strukture i svojstava tvari, iako su netrivijalni i teško ih je zamisliti, još uvijek se mogu shvatiti. Svojom pričom pokušat ćemo pomoći svima koji su zainteresirani za strukturu svijeta u kojem živimo.

OŠTRICA METODA ILI ODVOJITE I PREPOZNAJTE

Čini se da je najprirodniji način da se shvati kako funkcionira određeni složeni uređaj (igračka ili mehanizam) rastavljanje i razlaganje na sastavne dijelove. Samo trebate biti vrlo oprezni, imajući na umu da će biti mnogo teže presavijati. "Slomiti ne znači graditi" - kaže narodna mudrost. I još jedna stvar: možda ćemo razumjeti od čega se uređaj sastoji, ali je malo vjerojatno kako radi. Ponekad vrijedi odvrnuti jedan vijak, i to je to - uređaj je prestao raditi. Potrebno je ne toliko rastaviti, koliko razumjeti.

Budući da ne govorimo o stvarnom raspadanju svih objekata, stvari, organizama oko nas, već o imaginarnom, to jest o mentalnom, a ne o stvarnom iskustvu, onda ne morate brinuti: nećete imati prikupiti. Također, ne štedimo na našim naporima. Ne razmišljajmo o tome je li uređaj teško ili lako rastaviti na sastavne dijelove. Čekaj malo. I kako znamo da smo dosegli granicu? Možda ako uložimo više truda, možemo ići dalje? Priznajemo sebi: ne znamo da li smo dosegli granicu. Moramo se koristiti općeprihvaćenim mišljenjem, shvaćajući da to nije baš pouzdan argument. Ali ako se sjećate da je ovo samo općeprihvaćeno mišljenje, a ne i krajnja istina, onda je opasnost mala.

Danas je općeprihvaćeno da elementarne čestice služe kao detalji od kojih se sve gradi. A ipak ne svi. Pogledavši u odgovarajuću literaturu, uvjerit ćemo se: postoji više od tristo osnovnih čestica. Obilje elementarnih čestica natjeralo nas je na razmišljanje o mogućnosti postojanja pod -elementarnih čestica - čestica koje sačinjavaju same elementarne čestice. Tako se pojavila ideja o kvarkovima. Imaju zadivljujuće svojstvo da, očigledno, ne postoje u slobodnoj državi. Postoji mnogo kvarkova - šest, i svaki ima svoju antičesticu. Možda putovanje u dubine materije nije završeno.

Za našu priču, obilje elementarnih čestica i postojanje pod-elementarnih čestica su beznačajni. Elektroni, protoni i neutroni izravno su uključeni u izgradnju tvari - sve je izgrađeno samo od njih.

Prije nego raspravljamo o svojstvima stvarnih čestica, razmislimo o tome što bismo htjeli vidjeti detalje od kojih je sve izgrađeno. Naravno, kada se radi o onome što bi neko htio vidjeti, mora se uzeti u obzir raznolikost pogleda. Izdvojimo nekoliko osobina koje izgledaju kao obavezne.

Prvo, elementarne čestice moraju imati sposobnost kombiniranja u različite strukture.

Drugo, željeli bismo pomisliti da su elementarne čestice neuništive. Znajući koliko svijet ima dugu istoriju, teško je zamisliti da su čestice od kojih se sastoji smrtne.

Treće, želio bih da sami detalji ne budu previše. Gledajući građevinske blokove, možemo vidjeti koliko se različitih zgrada može stvoriti od istih elemenata.

Upoznajući elektrone, protone i neutrone, vidjet ćemo da njihova svojstva nisu u suprotnosti s našim željama, a želja za jednostavnošću nesumnjivo odgovara činjenici da samo tri vrste elementarnih čestica sudjeluju u strukturi svih tvari.

ELEKTRONI, PROTONI, NEUTRONI

Ovdje su najvažnije karakteristike elektrona, protona i neutrona. Prikupljeni su u tabeli 1.

Veličina punjenja data je u privjescima, masa je u kilogramima (jedinice SI); riječi "spin" i "statistics" bit će objašnjene u nastavku.

Obratimo pažnju na razliku u masi čestica: protoni i neutroni su skoro 2000 puta teži od elektrona. Prema tome, masa bilo kojeg tijela gotovo je u potpunosti određena masom protona i neutrona.

Neutron, kako mu ime govori, je neutralan - njegov naboj je nula. A protoni i elektroni imaju isti naboj, ali suprotni u predznaku. Elektron je negativno nabijen, a proton pozitivno.

Među karakteristikama čestica ne postoji naizgled važna karakteristika - njihova veličina. Opisivanje strukture atoma i molekula, elektroni, protoni i neutroni mogu se smatrati materijalnim tačkama. Veličina protona i neutrona morat će se zapamtiti samo pri opisivanju atomskih jezgri. Čak i u usporedbi s veličinom atoma, protoni i neutroni su čudovišno mali (oko 10 -16 metara).

U stvari, ovaj kratki odjeljak svodi se na predstavljanje elektrona, protona i neutrona kao gradivnih elemenata svih tijela u prirodi. Mogli bismo se jednostavno ograničiti na tablicu 1, ali moramo razumjeti kako nastaju elektroni, protoni i neutroni provodi se konstrukcija koja prisiljava čestice da se spoje u složenije strukture i koje su to strukture.

ATOM JE NAJLAKŠI OD SLOŽENIH STRUKTURA

Ima mnogo atoma. Pokazalo se da je potrebno i moguće urediti ih na poseban način. Poredak omogućuje naglašavanje razlike i sličnosti atoma. Razumni raspored atoma zasluga je D. I. Mendeljejeva (1834-1907), koji je formulisao periodični zakon koji nosi njegovo ime. Ako se privremeno apstrahiramo od postojanja razdoblja, tada je princip rasporeda elemenata krajnje jednostavan: oni su poredani sekvencijalno prema težini atoma. Najlakši je atom vodika. Posljednji prirodni (nije umjetno stvoren) atom je uran, koji je više od 200 puta teži od njega.

Razumijevanjem strukture atoma objašnjeno je postojanje periodičnosti u svojstvima elemenata.

Na samom početku 20. stoljeća E. Rutherford (1871-1937) uvjerljivo je pokazao da je gotovo sva masa atoma koncentrirana u njegovom jezgru - mala (čak i u usporedbi s atomom) regija prostora: polumjer jezgro je otprilike 100 hiljada puta manje od veličine atoma. Kad je Rutherford izveo svoje eksperimente, neutron još nije bio otkriven. Otkrićem neutrona shvatilo se da se jezgre sastoje od protona i neutrona, a prirodno je zamisliti atom kao jezgro okruženo elektronima, čiji je broj jednak broju protona u jezgri - uostalom , atom u cjelini je neutralan. Protoni i neutroni, kao građevinski materijal jezgre, dobili su zajedničko ime - nukleoni (sa latinskog jezgro - jezgro). Koristit ćemo ovo ime.

Broj nukleona u jezgri obično se označava slovom A... Jasno je da A = N + Z, gdje N je broj neutrona u jezgri, i Z- broj protona jednak broju elektrona u atomu. Broj A naziva se atomska masa i Z - atomski broj. Atomi s istim atomskim brojevima nazivaju se izotopi: u periodnom sustavu nalaze se u istoj ćeliji (na grčkom isos - jednaki , topos - mjesto). Činjenica je da su kemijska svojstva izotopa gotovo identična. Ako pažljivo pregledate periodni sustav, možete se uvjeriti da, strogo govoreći, raspored elemenata ne odgovara atomskoj masi, već atomskom broju. Ako ima oko 100 elemenata, onda postoji više od 2000 izotopa. Istina, mnogi od njih su nestabilni, odnosno radioaktivni (iz latinskog radio- Zračim, activus- aktivni), raspadaju se emitirajući različito zračenje.

Rutherfordovi eksperimenti nisu samo doveli do otkrića atomskih jezgri, već su također pokazali da u atomu djeluju iste elektrostatičke sile koje odbijaju slično nabijena tijela jedno od drugog i privlače međusobno suprotno nabijena tijela (na primjer, kuglice elektroskopa) .

Atom je stabilan. Zbog toga se elektroni u atomu kreću oko jezgre: centrifugalna sila kompenzira silu gravitacije. Shvaćanje ovoga dovelo je do stvaranja planetarnog modela atoma, u kojem je jezgro Sunce, a elektroni su planete (sa stajališta klasične fizike, model planete je nedosljedan, ali o tome više u nastavku) .

Postoji nekoliko načina za procjenu veličine atoma. Različite procjene dovode do sličnih rezultata: veličine atoma su, naravno, različite, ali približno jednake nekoliko desetina nanometra (1 nm = 10 -9 m).

Razmotrimo prvo sistem elektrona atoma.

U Sunčevom sistemu planete privlači Sunce gravitacijom. U atomu djeluje elektrostatička sila. Često se naziva Coulomb u čast Charlesa Augustina Coulomba (1736-1806), koji je ustanovio da je sila interakcije između dva naboja obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih. Činjenica da su dvije optužbe P 1 i P 2 privlače ili odbijaju silom jednakom F C = Q 1 P 2 /r 2 , gdje r- udaljenost između naboja naziva se "Coulombov zakon". Indeks " SA " dodeljena sili F prvim slovom Coulombovog prezimena (na francuskom Coulomb). Među najrazličitijim izjavama, malo je onih koji se s pravom nazivaju zakonom jednako kao i Coulombov zakon: uostalom, područje njegove primjene praktično je neograničeno. Nabijena tijela, bez obzira na njihovu veličinu, kao i atomske, pa čak i subatomske nabijene čestice - sva se privlače ili odbijaju u skladu s Coulombovim zakonom.

POVLAČENJE NA GRAVITACIJU

Osoba se sa gravitacijom upoznaje u ranom djetinjstvu. Pri padu uči poštovati silu gravitacije Zemlje. Upoznavanje s ubrzanim kretanjem obično započinje proučavanjem slobodnog pada tijela - kretanja tijela pod utjecajem gravitacije.

Između dva tijela mase M 1 i M 2 dejstva sile F N = - GM 1 M 2 /r 2 ... Evo r- rastojanje između tela, G - gravitaciona konstanta jednaka 6.67259.10 -11 m 3 kg -1 s -2 , indeks "N" dat je u čast Newtona (1643 - 1727). Ovaj izraz naziva se zakon univerzalne gravitacije, ističući njegovu univerzalnu prirodu. Force F N određuje kretanje galaksija, nebeskih tijela i pad objekata na Zemlji. Zakon univerzalne gravitacije vrijedi za bilo koju udaljenost između tijela. Nećemo spominjati promjene u slici gravitacije koje je uvela Einsteinova opća teorija relativnosti (1879-1955).

Coulombova elektrostatička sila i Newtonova gravitacijska sila su iste (kao 1 / r 2) smanjivati ​​sa povećanjem udaljenosti između tijela. To vam omogućuje da usporedite djelovanje obje sile na bilo kojoj udaljenosti između tijela. Ako se sila Coulombovog odbijanja dva protona usporedi po veličini sa silom njihovog gravitacijskog privlačenja, tada se ispostavlja da F N / F C = 10 -36 (P 1 =P 2 = e p; M 1 = =M 2 =m p). Stoga gravitacija ne igra značajnu ulogu u strukturi atoma: premala je u usporedbi s elektrostatičkom silom.

Nije teško otkriti električne naboje i izmjeriti interakciju među njima. Ako je električna sila tako velika, zašto onda nije važno kada, recimo, padnu, skoče, bace loptu? Zato što se u većini slučajeva radi o neutralnim (nenabijenim) tijelima. U svemiru uvijek ima puno nabijenih čestica (elektrona, iona različitih znakova). Pod utjecajem ogromne (atomske razmjere) privlačne električne sile koju stvara nabijeno tijelo, nabijene čestice hrle do izvora, lijepe se za tijelo i neutraliziraju njegov naboj.

TALAS ILI ČESTICA? I TALAS I ČESTICA!

Vrlo je teško govoriti o atomskim, pa čak i manjim, subatomskim česticama, uglavnom zato što njihova svojstva nemaju analoga u svakodnevnom životu. Možda mislite da se čestice koje čine tako male atome prikladno smatrati materijalnim točkama. No sve se pokazalo mnogo kompliciranijim.

Čestice i val ... Čini se da je čak i besmisleno uspoređivati, toliko su različiti.

Vjerojatno, kad pomislite na val, prije svega zamislite valovitu morsku površinu. Valovi dolaze na obalu s otvorenog mora, valne duljine - udaljenost između dva uzastopna grebena - mogu biti različite. Lako je promatrati valove čija je dužina nekoliko metara. Očigledno, s valovima masa vode fluktuira. Talas pokriva značajno područje.

Talas je periodičan u vremenu i prostoru. Talasna dužina ( λ ) je mjera prostorne periodičnosti. Periodičnost kretanja valova u vremenu vidljiva je u učestalosti dolaska grebena valova na obalu, a može se otkriti, na primjer, oscilacijom plovka gore -dolje. Označimo period kretanja talasa - vrijeme tokom kojeg jedan talas prolazi - slovom T... Recipročna vrijednost perioda naziva se frekvencija ν = 1/T... Najjednostavniji valovi (harmonički) imaju određenu frekvenciju koja se ne mijenja s vremenom. Svako složeno kretanje talasa može se predstaviti kao skup jednostavnih talasa (vidi "Nauka i život" br. 11, 2001). Strogo govoreći, jednostavan val zauzima beskonačan prostor i postoji beskonačno dugo. Čestica, kako mi to zamišljamo, i val su apsolutno različiti.

Još od vremena Newtona vodi se rasprava o prirodi svjetlosti. Ono što je svjetlost skup je čestica (korpuskula, iz latinskog corpusculum- tijelo) ili valovi? Teorije su se dugo takmičile. Teorija valova je pobijedila: korpuskularna teorija nije mogla objasniti eksperimentalne činjenice (smetnje i difrakcija svjetlosti). Teorija talasa lako se nosila s pravolinijskim širenjem svjetlosnog snopa. Važnu ulogu odigrala je činjenica da je valna duljina svjetlosti u svakodnevnom smislu vrlo mala: raspon valne duljine vidljive svjetlosti je od 380 do 760 nanometara. Kraći elektromagnetni talasi su ultraljubičasti, rendgenski i gama zraci, a duži su infracrveni, milimetarski, centimetrski i svi drugi radio talasi.

Do kraja 19. stoljeća pobjeda valne teorije svjetlosti nad korpuskularnom teorijom činila se konačnom i neopozivom. Međutim, dvadeseti vijek napravio je ozbiljna prilagođavanja. Izgledalo je kao svjetlost ili talasi ili čestice. Ispostavilo se - i valovi i čestice. Za čestice svjetlosti, za njihove kvante, kako kažu, izmišljena je posebna riječ - "foton". Riječ "kvant" dolazi od latinske riječi kvantna- koliko, i "foton" - od grčke riječi fotografije - svjetlo. Riječi koje označavaju naziv čestica u većini slučajeva imaju završetak on... Iznenađujuće, u nekim eksperimentima svjetlo se ponaša poput valova, dok se u drugima ponaša kao tok čestica. Postepeno je bilo moguće izgraditi teoriju koja predviđa kako će se, u kojem eksperimentu, svjetlo ponašati. Trenutno je ova teorija prihvaćena od svih, različito ponašanje svjetlosti više ne čudi.

Prvi koraci su uvijek posebno teški. Morao sam ići protiv ustaljenog mišljenja u nauci, da dajem izjave koje su djelovale kao hereza. Pravi naučnici zaista vjeruju u teoriju koju koriste za opisivanje promatranih pojava. Vrlo je teško napustiti prihvaćenu teoriju. Prve korake napravili su Max Planck (1858-1947) i Albert Einstein (1879-1955).

Prema Planck -Einsteinu, svjetlost se emitira i apsorbira u odvojenim dijelovima, kvantima. Energija koju prenosi foton proporcionalna je njegovoj frekvenciji: E = hν. Omjer h nazvanu Planckova konstanta po njemačkom fizičaru koji ju je uveo u teoriju zračenja 1900. A već u prvoj trećini XX. Stoljeća postalo je jasno da je Planckova konstanta jedna od najvažnijih svjetskih konstanti. Naravno, pažljivo je izmjereno: h= 6.6260755.10 -34 J.S.

Je li kvant svjetla mnogo ili malo? Učestalost vidljive svjetlosti je reda 10 14 s -1. Podsjetimo da su frekvencija i valna duljina svjetlosti povezane odnosom ν = c/ λ, gde sa= 299792458.10 10 m / s (tačno) - brzina svjetlosti u vakuumu. Kvantna energija hν, kako je lako uočiti, je reda 10 -18 J. Zbog te energije masa 10 -13 grama može se podići na visinu od 1 centimetar. U ljudskim razmjerima, monstruozno je mali. Ali ovo je masa od 10 14 elektrona. U mikrosvijetu potpuno različite ljestvice! Naravno, osoba ne može osjetiti masu od 10 -13 grama, ali ljudsko oko je toliko osjetljivo da može vidjeti pojedinačne kvante svjetlosti - u to smo se uvjerili izvođenjem niza suptilnih eksperimenata. U normalnim uvjetima, osoba ne razlikuje "zrnatost" svjetlosti, percipirajući je kao kontinuirani tok.

Znajući da svjetlost ima i korpuskularnu i valnu prirodu, lakše je zamisliti da "stvarne" čestice također imaju valna svojstva. Po prvi put takvu jeretičku misao izrazio je Louis de Broglie (1892-1987). Nije pokušao dokučiti koja je priroda vala, čije je karakteristike predvidio. Prema njegovoj teoriji, čestica mase m leti velikom brzinom v, odgovara valu s valnom duljinom l = hmv i učestalost ν = E/h, gdje E = mv 2/2 je energija čestice.

Dalji razvoj atomske fizike doveo je do razumijevanja prirode valova koji opisuju kretanje atomskih i subatomskih čestica. Nastala je nauka koja se zvala "kvantna mehanika" (u ranim godinama češće se nazivala talasna mehanika).

Kvantna mehanika primjenjiva je na kretanje mikroskopskih čestica. Prilikom razmatranja kretanja običnih tijela (na primjer, bilo kakvih detalja o mehanizmima), nema smisla uzimati u obzir kvantne korekcije (ispravke zbog valnih svojstava materije).

Jedna od manifestacija valnog kretanja čestica je njihovo odsustvo putanje. Da bi putanja postojala, potrebno je da u svakom trenutku čestica ima određenu koordinatu i određenu brzinu. Ali upravo to zabranjuje kvantna mehanika: čestica ne može istovremeno imati određenu koordinatnu vrijednost NS, i određena vrijednost brzine v... Njihove neizvesnosti Dx i Dv povezano s relacijom nesigurnosti koju je otkrio Werner Heisenberg (1901-1974): D NS D v ~ h / m, gdje m je masa čestice, i h - Planck je konstanta. Planckova konstanta se često naziva univerzalnim "akcijskim" kvantom. Bez navođenja pojma akcija, obratite pažnju na epitet univerzalna... Naglašava da je odnos neizvjesnosti uvijek istinit. Poznavajući uvjete kretanja i masu čestice, moguće je procijeniti kada je potrebno uzeti u obzir kvantne zakone kretanja (drugim riječima, kada valna svojstva čestica i njihove posljedice - odnosi neizvjesnosti) ne mogu zanemariti i kada je sasvim moguće koristiti klasične zakone kretanja. Naglasimo: ako je moguće, onda je potrebno, budući da je klasična mehanika mnogo jednostavnija od kvantne mehanike.

Obratite pažnju na činjenicu da je Planckova konstanta podijeljena s masom (uključene su u kombinaciju h / m). Što je veća masa, to je manja uloga kvantnih zakona.

Da bismo osjetili kada je sasvim moguće zanemariti kvantna svojstva, pokušat ćemo procijeniti veličine neizvjesnosti D NS i D. v... Ako je D. NS i D. v zanemarive su u usporedbi s njihovim prosječnim (klasičnim) vrijednostima, formule klasične mehanike savršeno opisuju kretanje, ako nije malo, potrebno je koristiti kvantnu mehaniku. Nema smisla uzimati u obzir kvantnu nesigurnost čak i kada drugi razlozi (u okvirima klasične mehanike) dovode do veće neizvjesnosti od Heisenbergove relacije.

Pogledajmo jedan primjer. Imajući na umu da želimo pokazati mogućnost korištenja klasične mehanike, razmotrimo "česticu" čija je masa 1 gram, a veličina 0,1 milimetra. U ljudskim razmjerima, to je zrna, lagana, mala čestica. Ali on je 10-24 puta teži od protona i milion puta veći od atoma!

Neka se "naše" zrno kreće u posudi napunjenoj vodikom. Ako zrno leti dovoljno brzo, čini nam se da se kreće pravolinijski određenom brzinom. Ovaj dojam je pogrešan: zbog utjecaja molekula vodika na zrno, njegova se brzina lagano mijenja sa svakim udarom. Procijenimo koliko.

Neka je temperatura vodika 300 K (uvijek mjerimo temperaturu na apsolutnoj ljestvici, na Kelvinovoj skali; 300 K = 27 ° C). Pomnoženjem temperature u kelvinu s Boltzmannovom konstantom k B, = 1.381,10 -16 J / K, izrazit ćemo ga u energetskim jedinicama. Promjena brzine zrna može se izračunati primjenom zakona očuvanja impulsa. Pri svakom sudaru zrna s molekulom vodika njegova se brzina mijenja za približno 10 -18 cm / s. Promjena je potpuno slučajna i u slučajnom smjeru. Stoga je prirodno uzeti u obzir vrijednost 10 -18 cm / s kao mjeru klasične nesigurnosti brzine zrna (D v) cl za ovaj slučaj. Dakle (D v) cl = 10 -18 cm / s. Očigledno je da je mjesto zrna vrlo teško odrediti s tačnošću većom od 0,1 njegove veličine. Uzimamo (D NS) cl = 10 -3 cm. Konačno, (D NS) cl (D v) cl = 10 -3 .10 -18 = 10 -21. Čini se da je to vrlo mala vrijednost. U svakom slučaju, nesigurnosti u brzini i koordinatama su toliko male da se može uzeti u obzir prosječno kretanje zrna. Ali u usporedbi s kvantnom nesigurnošću koju diktira Heisenbergova relacija (D. NS D v= 10 -27), klasična heterogenost je ogromna - u ovom slučaju je premašuje za milijun puta.

Zaključak: prilikom razmatranja kretanja zrna nije potrebno uzeti u obzir njegova valna svojstva, odnosno postojanje kvantne nesigurnosti koordinate i brzine. Što se tiče kretanja atomskih i subatomskih čestica, situacija se dramatično mijenja.

Pojavljuju se u različitim oblicima i veličinama, neki dolaze u destruktivnim duetima, odnosno uništavaju jedni druge, a neki imaju nevjerojatna imena poput "neutralino". Evo popisa najmanjih čestica koje zapanjuju čak i same fizičare.

Božja čestica

Higsov bozon je čestica koja je toliko važna za nauku da je dobila nadimak "Božja čestica". Ona je ta koja, kako vjeruju naučnici, daje masu svim ostalim česticama. O njoj se prvi put govorilo 1964. godine, kada su se fizičari zapitali zašto neke čestice imaju veću masu od drugih. Higsov bozon povezan je s Higgsovim poljem, svojevrsnom rešetkom koja ispunjava svemir. Smatra se da su polje i bozon odgovorni za davanje mase drugim česticama. Mnogi naučnici vjeruju da Higsov mehanizam sadrži dijelove slagalice koji nedostaju kako bi se u potpunosti razumio standardni model koji opisuje sve poznate čestice, ali veza između njih još nije dokazana.

Quarks

Kvarkovi su ljupko nazvani blokovi protona i neutrona koji nikada nisu sami i uvijek postoje samo u grupama. Očigledno, sila koja povezuje kvarkove povećava se s udaljenošću, odnosno što više neko pokušava pomaknuti jedan od kvarkova dalje od grupe, to će se više privući. Dakle, slobodni kvarkovi jednostavno ne postoje u prirodi. Ukupno postoji šest vrsta kvarkova, a, na primjer, protoni i neutroni sastavljeni su od nekoliko kvarkova. U protonu ih ima tri - dva istog tipa, jedan jedan, a u neutronu - samo dva, oba različitog tipa.

Superpartneri

Ove čestice pripadaju teoriji supersimetrije koja kaže da za svaku česticu poznatu čovjeku postoji još jedna slična čestica koja još nije otkrivena. Na primjer, superpatner elektrona je selektron, superpartner kvarka je squark, a superpartner fotona je photino. Zašto se ove superčestice sada ne primjećuju u svemiru? Naučnici vjeruju da su mnogo teži od svojih kolega i da će im veća težina skratiti životni vijek. Ove čestice počinju se raspadati čim se rode. Stvaranje čestice zahtijeva ogromnu količinu energije, poput one koju stvara Veliki prasak. Možda će naučnici pronaći način za reprodukciju superčestica, na primjer, na velikom hadronskom sudaraču. Što se tiče veće veličine i težine superpartnera, naučnici vjeruju da je simetrija narušena u skrivenom sektoru svemira koji se ne može vidjeti niti pronaći.

Neutrino

To su lagane subatomske čestice koje putuju brzinama bliskim brzini svjetlosti. Zapravo, bilioni neutrina kreću se kroz vaše tijelo u bilo kojem trenutku, ali gotovo nikada ne stupaju u interakciju s običnom materijom. Neki neutrini potječu od sunca, drugi iz kozmičkih zraka u interakciji s atmosferom.

Antimaterija

Sve obične čestice imaju partnera u antimateriji, identične čestice sa suprotnim nabojima. Kad se materija i antimaterija susretnu, poništavaju jedna drugu. Za protone je takva čestica antiproton, ali za elektron - pozitron.

Gravitons

U kvantnoj mehanici sve temeljne sile vježbaju čestice. Na primjer, svjetlost se sastoji od čestica nulte mase zvanih fotoni, koje nose elektromagnetsku silu. Slično, gravitoni su teorijske čestice koje nose silu gravitacije. Naučnici i dalje pokušavaju pronaći gravitone, ali to je vrlo teško učiniti jer te čestice vrlo slabo stupaju u interakciju s materijom. Međutim, znanstvenici ne odustaju od pokušaja jer se nadaju da će i dalje uspjeti uloviti gravitone kako bi ih detaljnije proučili - to može postati pravi napredak u kvantnoj mehanici, budući da su mnoge takve čestice već proučavane, ali graviton ostaje isključivo teoretski. Kao što vidite, fizika može biti mnogo zanimljivija i uzbudljivija nego što možete zamisliti. Cijeli svijet ispunjen je raznim česticama, od kojih je svaka ogromno polje za istraživanje i proučavanje, kao i ogromna baza znanja o svemu što okružuje čovjeka. Treba samo razmišljati o tome koliko je čestica već otkriveno - a koliko ljudi tek treba otkriti.