Элементарные частицы образующие атом

Все, что нас окружает, и вблизи, и в дали космических глубин, все, что составляет основу наблюдаемых нами свойств, связей и форм движения, или по-другому, бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, объединяется термином " 1 материя ". Материя несотворима и неуничтожима, вечна и бесконечна. Неотъемлемым атрибутом материи является движение. Последнее представляет собой не только перемещение тел относительно друг друга (механическое движение), но и любое изменение свойств, состояний, связей и т. п.

Всеобщие объективные формы бытия материи – это пространство и время. Одним из самых универсальных свойств материи является ее способность отражаться в нашем сознании.

Современной науке известны следующие типы материальных систем и соответствующие им структурные уровни материи:2 элементарные частицы , поля, атомы * , 3 молекулы , макроскопические тела, геологические системы, 1 планеты , звезды, внутригалактические системы, Галактика * , системы галактик. Особым типом материальных систем является живое вещество , т. е. множество организмов. Последние отличаются от других материальных объектов прежде всего своей способностью размножаться.

По современным представлениям, "кирпичиками", из которых складывается материя, являются так называемые элементарные частицы . Это – мельчайшие известные на сегодня составляющие материи. Но способность элементарных частиц к взаимным превращениям не позволяет рассматривать их как простейшие, неразложимые " кирпичики ".

Число частиц, называемых современной наукой " элементарными " , очень велико: к настоящему времени их открыто около 300. Каждая элементарная частица за исключением абсолютно нейтральных имеет свою античастицу * .

Множество элементарных частиц делится на две группы: адроны * * и лептоны * . Одна частица – фотон * * – не входит ни в одну из этих групп. Указанное деление производится по типам фундаментальных взаимодействий, в которых участвуют частицы на основе законов сохранения ряда физических величин.

Различают следующие типы фундаментальных взаимодействий : сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Сильное взаимодействие превосходит электромагнитное примерно в 100 раз и проявляется на расстояниях порядка 10 -15 м. Слабое взаимодействие, наоборот, гораздо слабее электромагнитного, но неизмеримо сильнее гравитационного .

Адроны * участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильные. Адроны делятся на барионы и мезоны. К числу барионов относятся гипероны и нуклоны. Нуклоны – общее название протонов * и нейтронов * , являющихся основными составляющими атомных ядер.

Лептоны – это частицы, которые участвуют во всех 4 фундаментальных взаимодействиях , кроме сильного. К числу лептонов относятся электроны * , мюоны, электронные и мюонные нейтрино.

Термин "элементарные частицы " в значительной мере условен, так как не существует четкого критерия элементарности частицы. В частности, уже установлено, что адроны имеют сложную внутреннюю структуру и, как предполагают, состоят из так называемых кварков .

По времени возможного существования в свободном состоянии все элементарные частицы делятся на стабильные и нестабильные . К стабильным относятся: фотоны * , электронное и мюонное нейтрино, электроны * , протоны * и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от 10 3 с для свободных нейтронов * до 10 -22 -10 -24 с для частиц, называемых резонансами.

К элементарным частицам, из которых состоят окружающие нас объекты, относятся электроны * , протоны * и нейтроны * . Электроны представляют собой 5 стабильные отрицательно заряженные элементарные частицы массой около 9*10 -31 кг каждая. Электроны участвуют в электромагнитном , слабом и гравитационном взаимодействиях и, следовательно, относятся к лептонам * . Электроны – один из основных структурных элементов вещества: электронные оболочки атомов определяют оптические, электрические, магнитные, химические свойства атомов и молекул, а также большинство свойств твердых тел.

Протоны * также, как и электроны * , относятся к 5 стабильным элементарным частицам, масса каждого из них превышает массу электрона в 1836 раз. Протон относится к барионам и представляет собой ядро легкого изотопа атома водорода (протия).

Нейтроны являются нейтральными элементарными частицами. Масса нейтрона немного превышает массу протона. Нейтроны относятся к барионам. В свободном состоянии они нестабильны и имеют время жизни около 16 минут. Вместе с протонами нейтроны образуют атомные ядра, причем, находясь в них, нейтроны стабильны.

Мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства, называется атомом . В центре атома находится ядро , в котором сосредоточена почти вся его масса. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов и, следовательно, заряжено положительно. О числе протонов в ядре атома судят по порядковому номеру элемента в 6 периодической таблице химических элементов Д.И.Менделеева: число протонов в ядре атома какого-либо элемента равно его порядковому номеру в таблице.

Вокруг ядра атома движутся электроны * Число электронов в каждом атоме равно числу протонов * в ядре (заряд всех электронов атома равен заряду ядра). Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь отрицательно или положительно заряженными. Химические свойства атомов определяются в основном числом электронов во внешней 7 оболочке.

Электроны, входящие в состав атома располагаются на различных расстояниях от его ядра, движутся по орбитам разной формы, имеют различные скорости и, главное, различные энергии.

Невозможно изобразить строение атома графически. Для наглядности можно представлять электроны в виде ярко светящихся шариков, которые кружатся каждый на своей орбите вокруг ядра с невообразимо огромными скоростями. При этом каждый электрон практически мгновенно очерчивает сверкающую эллиптическую кривую. Его орбита постоянно меняет свое положение относительно орбит других электронов, описывая сложную и причудливую объемную фигуру, сливаясь в мерцающее облако. Это облако в одних местах наблюдателю казалось бы более ярким (в них электронная плотность выше), в других – менее ярким (вероятность пребывания в них электронов меньше). Но в облаке никаких отдельных электронов наблюдатель различить бы не смог.

Современная физика так и представляет себе атом * : тяжелое ядро * с расположенным вокруг него электронным облаком сложной структуры. Это облако является сплошным и непрерывным. Определить, где, в каких его точках в данный момент находятся электроны, невозможно. Это связано с тем, что, во-первых, пока что нет средств для такого наблюдения, во-вторых, электроны внутри атома проявляют двойственную природу: будучи, с одной стороны, 8 элементарными частицами, они, находясь в составе атомов, ведут себя так же как волны.

Опыты и расчеты на основе законов квантовой механики показывают, что в каждом атоме * может быть несколько групп электронов * , различающихся между собой энергией и образующих вокруг атомного ядра * так называемые электронные оболочки . Их можно представлять себе в виде концентрических сфер. На рис. 22 они условно изображены в виде окружностей. Максимальное число электронных оболочек в атоме равно семи. Оболочки обозначают буквами латинского алфавита: ближе всего к атомному ядру располагается K -оболочка, затем идут L -, M -, N -, O -, P – и Q -оболочки. От того, на какой из них находится электрон, зависит его энергия: на ближайшей к ядру K-оболочке энергия электрона минимальна.

Размеры электронных оболочек определяют размеры атома в целом. Они составляют не более 10 -6 м.

Если электрон * , входящий в состав атома * , переходит с какого-то уровня на более глубокий, то он излучает один квант * лучистой энергии – фотон * . Для характеристики этого явления каждой электронной оболочке приписывают так называемое главное квантовое число . Оно обозначается через n и равно одному из чисел натурального ряда от 1 до 7 (рис. 22). Главное квантовое число показывает максимально возможное число квантов, которое может испустить электрон, перемещаясь последовательно с одной орбиты на другую в направлении к ядру атома. *

Читайте также:  Передать показания счетчика за электроэнергию арзамас тнс

Электроны одной и той же оболочки могут двигаться по орбитам разного типа. Поэтому внутри каждой главной оболочки различают электронные подоболочки . Их число зависит от главного квантового числа n и равно ему. Каждый тип орбит, образующих подоболочку, характеризуется побочным квантовым числом l . Как и все квантовые числа, оно тоже является целым и может изменяться от 0 до n -1. Для электронных подоболочек используют обозначения буквами: s , p , d , f . Они соответствуют побочным квантовым числам: 0, 1, 2, 3. На рис. 23 в качестве примера условно изображены типовые орбиты всех подоболочек N -оболочки атома.

Каждая из электронных подоболочек состоит из нескольких одинаковых орбит, причем их число различно, хотя и однозначно соответствует каждому типу. Последнее зависит только от второго, побочного квантового числа и определяется так называемым "магнитным" квантовым числом m . Оно также является целым и может иметь 2 1 +1 значений: от – l до + l . Это объясняется тем, что каждый электрон, вращаясь на орбите вокруг ядра, по существу, представляет собой виток обмотки, по которому проходит электрический ток. При этом возникает магнитное поле, позволяющее рассматривать каждую орбиту в атоме как плоский магнитный листок. При наложении на него внешнего магнитного поля каждая электронная орбита взаимодействует с ним и стремится занять в атоме определенное положение (рис. 24).

Каждый электрон * , входящий в состав атома, еще и вращается, как планета на орбите, вокруг своей оси. Это свойство электрона называется " спин ". В отличие от вращения тел в макромире, где возможны любые угловые скорости, угловая скорость электрона постоянна: ни замедлить, ни ускорить, ни остановить вращение электрона нельзя. Оно одинаково для всех электронов Вселенной. Единственно, чем могут различаться электроны, находящиеся в одном атоме, так это направлением вращения вокруг своей оси. Поэтому в атоме на каждой орбите может быть только или один, или два электрона (рис. 25).

Строение атомов изучают с помощью спектров. Оказывается, атом сам рассказывает о себе на языке спектральных линий света , испускаемого или поглощаемого атомом. Такая возможность связана с тем, что основной характеристикой атома является его энергия. Она может принимать лишь определенные (дискретные) значения, соответствующие состояниям атомов, и изменяется только скачкообразно путем квантовых переходов. Поглощая порцию света, атом переходит на более высокий уровень энергии и становится возбужденным. Испустив в таком состоянии фотон * , атом может перейти на более низкий уровень энергии. Уровень, соответствующий минимальной энергии атома, называется основным . Изменения энергетических состояний атомов, или так называемые квантовые переходы , однозначно обусловливают соответствующие особенности спектров поглощения и испускания, которые абсолютно индивидуальны для всех атомов, имеющих одинаковую структуру.

Совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра образует химический элемент . В настоящее время известно 107 химических элементов. Из них 19, в том числе технеций, прометий, астат, франций, нептуний, плутоний были получены искусственно. Позже технеций, прометий и нептуний были обнаружены в земных породах, но лишь в ничтожных количествах. Наибольшее распространение на Земле имеют кислород, кремний, алюминий, железо, медь, натрий, калий, магний, титан, марганец. Они составляют 99,92% массы всей земной коры.

Тяжелые ядра являются неустойчивыми. Поэтому такие элементы, как америций и следующие за ним элементы в природе не обнаружены: их получают искусственно при ядерных реакциях.

Каждый атом 3.39 обозначается одной или двумя буквами латинского алфавита. Атом углерода обозначается C, кислорода – O, кальция – Ca, хлора – Cl. Для водорода, азота, серы приняты обозначения H, N, S. Атом натрия имеет обозначение Na, которое происходит от старого латинского названия поваренной соли natrium, а атом меди – Cu (от cuprum). Соединение одного атома кальция и одного атома кислорода – окись кальция (известь) обозначается CaO. Если же молекула какого-либо соединения содержит два одинаковых атома, то после их символа пишется индекс 2, например CO 2 или Н 2 SO 4 .

Распределение свойств у всех химических элементов подчинено строгой закономерности. Она была открыта в 1869 году Д.И.Менделеевым и сформулирована им в виде периодического закона химических элементов. Согласно этому закону свойства элементов находятся в периодической зависимости от зарядов их атомных ядер. При этом номер элемента в системе соответствует заряду ядра атома.

Периодическая система изображается обычно в виде таблицы элементов. Имеется много вариантов этих таблиц, но на практике наиболее часто используются две. Химические элементы располагаются в них в порядке возрастания зарядов ядер: водород, гелий, литий, бериллий и т. д., – образуя семь периодов: в первом – 2 элемента, во втором и третьем – по 8, в четвертом и пятом – по 18, в шестом – 32, в седьмом – 21 элемент.

table/index .html" TARGET="_blank"> Здесь Вы можете ознакомиться с периодической таблицей Д.И.Менделеева, * а так же по каждому химическому элементу посмотреть его некоторые физические и химические свойства.

В периодах свойства элементов закономерно изменяются при переходе от щелочных металлов к инертным газам. Группы элементов, сходных по свойствам, образуют вертикальные столбцы. Внутри групп свойства элементов также изменяются закономерно. Например, у щелочных металлов при переходе от лития к францию возрастает химическая активность. Периодичность свойств элементов обусловлена периодическим повторением строения внешних электронных оболочек атомов. Последнее определяет химические и многие физические свойства элементов, а они однозначно задают положение элементов в системе.

Атомы * , соединяясь друг с другом химически, образуют молекулы. Молекула представляет собой наименьшую частицу вещества, обладающую всеми его химическими свойствами. Каждая молекула состоит из атомов, соединенных химическими связями. Число атомов в молекуле химического соединения может быть различным: от двух до тысяч (например, в молекулах белков). Молекула полимера называется макромолекулой.

Количественный и качественный состав молекулы выражается химическими формулами. Для записи этих формул используются соответствующие химические знаки.

Различают формулы: эмпирические, или брутто-формулы, рациональные и структурные. Эмпирические формулы показывают общее число атомов в молекуле. В рациональных формулах выделяют группы атомов, характерные для данного класса соединений. Структурные формулы характеризуют расположение атомов в молекуле. Например, формулы этилового спирта имеют вид:

эмпирическая – C 2 H 6 O,

рациональная – C 2 H 5 OH,

структурная –

В основе современного учения о строении вещества лежат Периодический закон и Периодическая система химических элементов. Они играют первостепенную роль в изучении всего многообразия веществ и синтезе новых элементов.

Объекты изучения и задачи сельскохозяйственной радиобиологии. История развития радиобиологии.

Фундаментальной задачей, составляющей предмет радиобиологии, является вскрытие общих закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений, которые являются научной основой гигиенической регламентации радиационного фактора и овладения искусством управления лучевыми реакциями организма.
Развитие радиобиологии делится на три этапа:

1 этап развития радиобиологии характеризуется работами описательного характера, когда ученые пытаются объяснить описанные ранее эффекты.

Первые ученные, которые обратили внимание на действие радия на кожу, были немцы Г. Вальхов и Гизель.

Читайте также:  Как подключить интернет к второму компьютеру

Основными открытия считаются:

1. Открытие, что под действием ионизирующего излучения происходит торможение клеточного деления.

2. Закон Берганье-Трибондо (1903-1906 гг): клетка тем более радиочувствительна, чем больше у нее способность к размножению (делению) и чем менее определенно выражены их морфология и функции, т.е. чем они менее дифференцированы.

2 этап развития радиобиологии связан с разработкой теории «доза-эффект». С одной стороны было установлено, что при увеличении дозы облучения увеличивается повреждающий эффект.

Значимое открытие в 1922 г – теория актов ионизации в чувствительном объеме.

3 этап начался в 40-50-х годах прошлого века. Большое развитие получили методы количественной атомной радиобиологии.

В частности было установлено, что с самого начала радиоактивные излучения не одинаковы, и в 1903 г в диссертации Марии Складовской-Кюри появился рисунок.

1998 г Беккерель доказал, что β-лучи – это поток быстрых электронов, заряженных отрицательно.

В 1988-1899 г Поль Вийяр установил, что электромагнитное излучение, не реагирующее на заряд и похожее на рентгеновское излучение – это γ-лучи; они электронейтральные (не имеют заряд), не имеют массы покоя и состоят из отдельных порций энергии.

В 1899 г Эрнест Резерфорд доказал, что α-лучи – это поток ядер гелия, заряжены положительно за счет протонов, которые имеют положительный заряд за счет набора кварков.

Первый реактор по выработке оружейного плутония был построен в 1940-1945 гг.

Происхождение естественных радиоактивных атомов.

Ест. радиоактивные атомы существуют с момента появления Земли.
В 1896 году Беккерель обнаружил, что некоторые соли урана испускают проникающее излучение, аналогичное излучению, открытому Рентгеном годом раньше. Огромное значение этого открытия не сразу было понято. Через несколько лет Пьер и Мария Кюри дали дополнительный стимул для изучения этой новой области физики. Им удалось выделить из урановой смоляной обманки два вещества, радиоактивность которых много интенсивнее радиоактивности урана. Резерфорд и Содди, исследуя явление, открытое Беккерелем, вскоре установили, что явление радиоактивности можно объяснить, если предположить, что атомы урана и радия не стабильны, а распадаются с характерной для каждого скоростью. При этом образуются атомы других элементов. Радиоактивные превращения протекают самопроизвольно. На скорость их течения не оказывают никакого воздействия изменения температуры и давления, наличие электрического и магнитного полей, вид химического соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатное состояние. Радиоактивный распад – это свойство самого атомного ядра и зависит только от его внутреннего состояния. Нельзя повлиять на течение процесса радиоактивного распада, не изменив состояния атомного ядра. Радиоактивностью называется способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) распадаться с испусканием α-, β-, γ- лучей, а иногда и других частиц.
Радиоактивное излучение производит ионизационное действие. Радиоактивный элемент постоянно выделяет энергию, и поэтому его температура всегда несколько выше температуры окружающей среды. Уже первые исследования показали, что радиоактивность элемента не зависит от того, находится он в чистом виде или в составе каких-либо химических соединений.

Строение атома и характеристика элементарных частиц.

Мельчайшая частица химического элемента, являющаяся носителем его химических свойств – называется атомом.

Атом состоит из атомного ядра и электронной оболочки.

Ядро атома состоит из протонов (p+) и нейтронов (n0).

Число протонов N(p+) равно заряду ядра (Z) и порядковому номеру элемента в естественном ряду элементов (и в периодической системе элементов).

Сумма числа нейтронов N(n0), обозначаемого просто буквой N, и числа протонов Z называется массовым числом и обозначается буквой А.

Электронная оболочка атома состоит из движущихся вокруг ядра электронов (е-).

Число электронов N(e-) в электронной оболочке нейтрального атома равно числу протонов Z в его ядре.

Атом любого элемента можно разделить на субатомные (элементарные) частицы, но в этом случае у них не будет свойств атома.

В свободном состоянии элементарные частицы характеризуются массой, электрическим зарядом и собственным вращением (спином).

Элементарные частицы подразделяются на классы:

1. Фотоны (кванты) – кванты электро-магнитного поля. Они не обладают электрическим зарядом и массой покоя.

2. Лептоны («легкие»). К ним относятся: электроны (е – ); позитроны (е + ) – это античастицы электрона, существуют в ядре, при входе из ядра и встрече в электроном происходит аннигиляция, т.е. взаимное уничтожение; мюоны (µ–, µ+) – более мелкие частицы, могут иметь положительный и отрицательный заряд; тау-лептоны (t – , t + ); нейтрины и антинейтрины – последние две частицы не имеют электрического заряда., различаются спином (движением).

3. Мезоны («средние») – нестабильные частицы. π-мезоны могут иметь положительный, отрицательный и нейтральный заряд и существовать в движении и в виде материальных частиц (масса материальных частиц примерно в 270 раз больше, чем масса электрона). К-мезоны имеют положительный и отрицательный заряд, их масса в 970 раз больше массы электрона. Время жизни очень небольшое (10 –8 сек), они не устойчивы и распадаются с образованием π-мезонов и лептонов или только лептонов. Эта-мезоны (η) – в 1074 раза тяжелее электрона, время жизни 10 –19 сек, распадаются на π-мезоны и фотоны.

4. Класс барионов объединяет протоны, нейтроны, антипротоны, антинейтроны, и нестабильные, масса которых больше массы нуклонов – их называют гипероны. За исключением протона и антипротона, все барионы нестабильны. При распаде бариона обязательно образуется барион (чаще протон).

Кроме этих, обнаружено большое количество короткоживущих частиц – резонансов.

Дальнейшее развитие идей атомизма было связано с исследованием элементарных частиц.

Частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома, называют элементарными.

К ним относят и те частицы, которые получены экспериментально на мощных ускорителях. В настоящее время открыто более 350 микрочастиц.

Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать.

Основными характеристиками элементарных частиц являются:

Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, — это фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептопы — легкие частицы (электрон и нейтрино), мезоны — средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона, барионы — тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы).

Электрический заряд — другая важнейшая характеристика элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1967 г. американский физик М. Гелл-Манн (1929—2007) высказал гипотезу о существовании кварков — частиц с дробным электрическим зарядом.

По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять — фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 1(Г 10 —1(Г 24 с, после чего распадаются.

Читайте также:  Как отмыть плиту из стеклокерамики

Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике, — понятием «спин», или собственный момент количества движения микрочастицы, и понятием «квантовые числа», выражающим состояние элементарных частиц.

Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса:

  • фермионы (названные в честь Э. Ферми);
  • бозоны (названные в честь Ш. Бозе (1894—1974)).

К фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам — кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны). Эти частицы считаются истинно элементарными, т.с. далее неразложимыми. Остальные частицы классифицируются как условно элементарные, т.е. это составные частицы, образованные из кварков и соответствующих квантов полей.

Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий.

Различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе:

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10 -13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи — атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но действует на значительно больших расстояниях. Взаимодействие такого тина свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон — квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы — в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является основным в химии и биологии.

Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно простирается на расстояние порядка 10

15 — КГ 22 см и связано главным образом с распадом частиц, например с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с современным уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.

Гравитационное взаимодействие самое слабое и не учитывается в теории элементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях оно дает чрезвычайно малые эффекты. Однако на ультрамалых расстояниях (порядка 10“ 33 см) и при ультраболыних энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. Здесь начинают проявляться необычные свойства физического вакуума. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.

От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц. Ядер- ные реакции, связанные с сильными взаимодействиями, происходят в течение 10 -24 —10 -23 с. Это приблизительно тот кратчайший интервал времени, за который частица, ускоренная до высоких энергий, до скорости, близкой к скорости света, проходит через элементарную частицу размером порядка 10- 13 см. Изменения, обусловленные электромагнитными взаимодействиями, осуществляются в течение 1(Г 19 —10

21 с, а слабыми (например, распад элементарных частиц) — в основном в течение Ю“ 10 с.

По времени различных превращений можно судить о силе связанных с ними взаимодействий.

Все четыре взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира.

Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет.

Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света.

Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядер- ные реакции в недрах Солнца и звезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд, а необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной.

Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эволюционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Современная физика пришла к выводу, что все четыре фундаментальных взаимодействия, необходимые для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира, можно получить из одного фундаментального взаимодействия — суперсилы. Наиболее ярким достижением стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно.

При энергии в 100 ГэВ (100 млрд электрон-вольт) объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая температура соответствует температуре Вселенной через 10" 10 с мосле Большого взрыва. При энергии 10 15 ГэВ к ним присоединяется сильное взаимодействие, а при энергии 10 19 ГэВ происходит объединение всех четырех взаимодействий.

Это предположение носит чисто теоретический характер, поскольку экспериментальным путем его проверить невозможно. Косвенно эти идеи подтверждаются астрофизическими данными, которые можно рассматривать как экспериментальный материал, накопленный Вселенной.

Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма. В настоящее время считается, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц [1] . Шесть частиц — это кварки с экзотическими названиями: «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Остальные шесть — лептоны: электрон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино).

Эти 12 частиц группируют в три поколения, каждое из которых состоит из четырех членов.

В первом поколении — «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино.

Во втором поколении — «очарованный» и «странный» кварки, мюон и мюонное нейтрино.

В третьем поколении — «истинный» и «прелестный» кварки и тау-частицы со своим нейтрино.

Обычное вещество состоит из частиц первого поколения.

Предполагается, что остальные поколения можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц.

На основе кварковой модели физики разработали простое и изящное решение проблемы строения атомов.

Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных глюонными полями протонов и нейтронов) и электронной оболочки. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в Периодической таблице элементов Д. И. Менделеева. Протон имеет положительный электрический заряд, массу в 1836 раз больше массы электрона, размеры порядка 10

13 см. Электрический заряд нейтрона равен нулю. Протон, согласно кварковой гипотезе, состоит из двух «верхних» кварков и одного «нижнего», а нейтрон — из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Их нельзя представить в виде твердого шарика, скорее, они напоминают облако с размытыми границами, состоящее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.

Остаются еще нерешенными вопросы о происхождении кварков и лептонов, о том, являются ли они основными «иервокирпичиками» природы и насколько фундаментальны. Ответы на них ищут в современной космологии. Большое значение имеет исследование процессов рождения элементарных частиц из вакуума, построение моделей первичного ядерного синтеза, породившего те или иные частицы в момент рождения Вселенной.

Оставьте ответ

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *