Єдність різноманіття. Мікросвіт

ОСОБЛИВОСТІ мікросвіту. Ви, звичайно, знаєте, що мікросвіт володіє своїми особливостями. Спробуємо коротко їх сформулювати.

Першою особливістю, про яку вже йшлося, є обмеженість засобів спостереження за процесами, що відбуваються в мікросвіті.

Обмеженість засобів спостереження призводить до іншої важливої ​​особливості мікросвіту – існуванню тотожних частинок У мікросвіті не існує двох розрізняються між собою атомів водню або двох різних електронів.

Макроскопічне прояв рухів мікрочастинок може бути різноманітним. Цей рух видимих ​​частинок пилку в досвіді зі спостереження броунівського руху Це показання амперметра при вивченні явища фотоефекту (див. Рис. 19, § 22). Існують інші різноманітні методи. Наприклад, в переохолодженому парі швидко рухається частинка може залишати слід у вигляді мікроскопічних крапельок води, подібно сліду реактивного літака.

У макросвіті ситуація зовсім інша. Ми не зможемо знайти дві абсолютно однакові сосни. Ми не зможемо виготовити два абсолютно однакових більярдних кулі.

Третя особливість мікросвіту – корпускулярно-хвильовий дуалізм. Ця особливість все більшою мірою проявляється при заглибленні в мікросвіт.

Можливості дослідження мікросвіту істотно обмежені в порівнянні з дослідженням макросвіту.
Всі «однакові» об’єкти мікросвіту тотожні, т. Е. Невиразні між собою.
Всі об’єкти мікросвіту мають властивості хвиль і частинок.
Атомів і молекул. Світ атомів і молекул – це світ, вимірюваний нанометрами. Це світ, в якому царює електромагнітне взаємодія, всі інші фундаментальні взаємодії нехтує малі. Як вже говорилося, атоми мають у своєму складі ядро ​​розмірами порядку 10-12 см і електронну оболонку розміром порядку 10-8 см. Різноманітність атомів обумовлено різним зарядом їх ядер.

Незважаючи на те що число електронів у різних атомах змінюється від одиниці до сотні з гаком, розміри атомів розрізняються незначно. Чим більше атомний номер, тим більше число електронів рухається ближче до ядра.

Атоми і молекули являють собою структури, утворені ядрами і електронами, пов’язаними між собою електромагнітним взаємодією. Розміри атомів і відстані між ядрами молекули мають величини порядку 10-8 см.

Світ молекул більш різноманітний зв’язку з можливістю утворення полімерних молекул, що містять сотні тисяч атомів. Відстані між ядрами молекули порівняти з розмірами атома. Природа хімічного зв’язку заснована тому, що при зближенні атомів енергетично більш вигідним (яких меншу енергію) стає стан, в якому електрони вже не належать окремому атому, а рухаються в поле багатьох ядер одночасно. Мовою квантової теорії це означає, що стають порівнянні ймовірності виявити один і той же електрон поблизу будь-якого з ядер молекули.

Ядра атомів. Як вже говорилося, зв’язок нуклонів (нейтронів і протонів) в ядрі здійснюється сильною взаємодією. Будучи короткодействующим, це взаємодія пов’язує між собою лише найближчі стосуються один одного нуклони. На відміну від атома, який в основному складається з порожнечі, так як розміри ядер і електронів істотно менше розмірів атомів, нуклони в ядрі тісно притиснуті один до одного. У зв’язку з цим енергетично вигідною виявляється сферична форма ядра, обьем ядра приблизно пропорційний числу нуклонів, а розмір – кубічному кореню з цього числа.

Сильні взаємодії володіють важливою властивістю спаровувати нейтрони і протони в ядрі. Тому найбільш стабільні ядра містять однакове число нейтронів і протонів.

Енергія, що зв’язує нуклони в ядрі, збільшується з ростом числа нуклонів, однак енергія зв’язку, яка припадає на один нуклон, спочатку різко зростає, а потім плавно зменшується (рис. 24). Це призводить до того, що ядрам з малим числом нуклонів енергетично вигідніше об’єднатися, а ядрам з великим числом нуклонів – розпастися.

Ядра атомів являють собою сферичні структури, що мають розміри човен 10-12 см і складаються з безперервно рухомих нуклонів (нейтронів і протонів), пов’язаних між собою сильним взаємодією. Нуклони в ядрі щільно «упаковані», тому обсяг ядра приблизно пропорційний числу нуклонів.

Кварків. Розвиток пізнань про мікросвіт йшло в безперервному пошуку деяких «елементарних цеглинок речовини». Спочатку такими «цеглинками» вважалися атоми, потім електрони, нейтрони і протони. Оскільки назва «атом» закріпилося за часткою, яка «не виправдала довіри» («атом» по-грецьки – неподільний), з’явився новий термін – елементарні частинки. Спочатку до них віднесли електрон, протон і нейтрон. Потім, як ви знаєте, з’явилося нейтрино.

Зіштовхуючи різні частинки один з одним, фізики виявили нові короткоживучі частинки. Деякі з цих частинок живуть менше 10-20 с. «Парк» елементарних часток швидко розростався, і до 60-му рр. XX ст. їх уже було більше, ніж атомів в таблиці Менделєєва. Аналізуючи властивості різних адронів (заряд, спін, процеси взаємоперетворень), Мюррей Гелл-Ман в 1964 р висунув гіпотезу про те, що всі вони складаються з «ще більш елементарних» частинок, які назвав кварками.

Ви вже, напевно, звикли до грецькою, латинською або англійською корінню різних фізичних термінів. Так от, слово «кварк», хоча й означає в перекладі з німецької «сир або особливий сорт кисляку», ніякого відношення до цих продуктів не має. Гелл-Ман запозичив це слово з роману Дж. Джойса «Поминки по Фінегану», де чайки кричать: «Три кварка для містера Марка». Так що слово «кварк» – це просто абстракція, крик чайок.

Відповідно до цієї гіпотезою такі адрони, як протон і нейтрон, складаються з трьох кварків, інші ж адрони – з двох або трьох кварків. Розміри кварків порівняти з розміром електрона. Оскільки ці розміри (порядку 10-16 см) багато менше розміру нуклона (близько 10-13 см), то можна вважати, що нуклони, подібно атому, «складаються з порожнечі».

Подальші експерименти підтвердили гіпотезу Гелл-Мана, проте істотно змінили наше розуміння словосполучення «складається з». Сучасний досвід і теорія говорять про те, що кварки не існують у вільному стані. Це означає, що протон не можна розділити на три кварка, хоча експериментально кварки всередині протона спостерігаються.

Пов’язані кварки в протони і нейтрони сильною взаємодією. Лептони, що не беруть участь у сильній взаємодії, залишилися як і раніше елементарними частинками. Таким чином, фундаментальними «цеглинками» речовини в даний час вважають кварки і лептони.

Ви знаєте, що всі частинки речовини мають хвильовими властивостями. Одночасно фундаментальні поля, про які йшлося в попередньому параграфі, володіють корпускулярними властивостями. Відповідно до цим кожному фундаментальному взаємодії може бути порівняна частинка (або декілька часток). Такі частинки стали називати частками – переносниками взаємодій. З однією з таких частинок – фотоном ви вже знайомі. Ця частинка переносить електромагнітну взаємодію. Аналогічні частинки відкриті для сильних взаємодій (їх назвали глюонами) і для слабких взаємодій (проміжні бозони). Є гіпотези, що гравітаційному взаємодії можна також зіставити частинку гравітон. Проте теорія про «кирпичиках» світобудови ще далеко не завершена, і тут ще потрібно зробити багато відкриттів.

З точки зору сучасної науки елементарними складовими речовини є кварки і лептони. Кварки входять до складу адронів, зокрема до складу нуклонів, і у вільному вигляді не існують. Фундаментальним полях відповідають кванти полів – частинки-переносники взаємодії.

При хімічних реакціях енергія може виділятися або поглинатися. Якому фундаментальному взаємодії відповідає ця енергія?
Чому для дослідження молекул білків біологи застосовують електронний, а не звичайний мікроскоп?
Чому нейтрон не може вилетіти з ядра, а електрон (при β -випромінювання) може?

Посилання на основну публікацію