Найдрібніша частка атома. Недоліки Стандартної моделі

На питання Яка найменша частка у всесвіті? Кварк, Нейтріно, Бозон Хіггса чи Планківська чорна діра? заданий автором ЄвропоїднийНайкраща відповідь це Фундаментальні частинки всі мають нульовий розмір (радіус дорівнює нулю). За масою. Є частки з масою, що дорівнює нулю (фотон, глюон, гравітон). З масивних найменша маса у нейтрино (менше 0.28 эВ/с^2, точніше ще виміряли). Частота, час - немає характеристики частинок. Можна говорити про часи життя, але це розмова інша.

Відповідь від Прострочити[гуру]
Моск зеробубуса.

Відповідь від Mikhail Levin[гуру]
взагалі-то поняття "розмір" у мікросвіті практично немає. Ну, для ядра ще можна говорити про якийсь аналог розміру, наприклад, через ймовірність влучення в нього електронів з пучка, а для дрібніших - ні.

Відповідь від христосуватися[гуру]
"розмір" елементарної частинки - характеристика частинки, що відображає розподіл простору її маси або електричного заряду; зазвичай говорять про т.з. середньоквадратичному радіусі розподілу електричного заряду (який одночасно характеризує і розподіл маси)
Калібрувальні бозони та лептони в межах точності виконаних вимірювань не виявляють кінцевих "розмірів". Це означає, що їх "розміри"< 10^-16 см
На відміну від елементарних частинок "розміри" адронів кінцеві. Їх характерний середньоквадратичний радіус визначається радіусом конфайнменту (або утримання кварків) і по порядку величини дорівнює 10-13 см. При цьому він, звичайно, варіює від адрону до адрону.

Відповідь від Kirill Odding[гуру]
Хтось із великих фізиків говорив (часом не Нільс Бор?) "Якщо Вам вдасться пояснити квантову механіку в наочних термінах – йдіть та отримуйте Вашу Нобелівську премію".

Відповідь від SerШkod Поліканов Сергій[гуру]
Яка елементарна частка у всесвіті найменша?
Елементарні частинки, що створюють гравітаційний ефект.
Ще менше?
Елементарні частинки що рухають ті що створюють гравітаційний ефект
але вони самі у цьому беруть участь.
Є ще дрібніші елементарні частинки.
Їхні параметри навіть не вписуються в обчислення, адже структури та їх фізичні параметри невідомі.

Відповідь від Михайло Нікітін[активний]
Кварк

Відповідь від Матіпаті кипірофінович[активний]
ПЛАНКІВСЬКА ЧОРНА ДІРА

Відповідь від Bro qwerty[Новичок]
Кварки найменші частинки у світі. Для всесвіту немає поняття розмір вона безмежна. Якщо винайти машину для зменшення людини, то можна буде зменшуватися нескінченно все менше, менше, менше... Так Кварк найдрібніша "Частина" Але ж є щось менше, ніж частка. Простір. Ні. Має. Розміру.

Відповідь від Антон Курочка[активний]
Протон Нейтрон 1*10^-15 1 фемтометр
Кварк-U Кварк-D Електрон 1*10^-18 1 аттометр
Кварк-S 4*10^-19 400 зептометрів
Кварк-C 1*10^-19 100 зептометрів
Кварк-B 3*10^-20 30 зептометрів
Нейтрино високих енергій 1,5*10^-20 15 зептометрів
Преон 1*10^-21 1 зептометр
Кварк-T 1*10^-22 100 йоктометрів
MeV Нейтрино 2*10^-23 20 йоктометрів
Нейтрино 1*10^-24 1 йоктометр -(оочень маленький розмір!!!) -
Плонківська частка 1,6*10^-35 0,000 000 000 016 йоктометра
Квантова піна Квантова струна 1*10^-35 0,000 000 000 01 йоктометр
Це таблиця розмірів частинок. І тут можна побачити що найменша частка Планківська частка, але оскільки вона занадто мола, Нейтрино є найменшою частинкою. Але для всесвіту менше лише Планківська довжина

Відповідь на безперервне питання: яка еволюціонувала разом із людством.

Люди колись думали, що піщинки були будівельними блоками того, що ми бачимо довкола нас. Потім був виявлений атом, і він вважався неподільним, поки він не був розщеплений, щоб виявити протони, нейтрони та електрони всередині. Вони теж не виявилися найменшими частинками у Всесвіті, оскільки вчені виявили, що протони та нейтрони складаються з трьох кварків кожен.

Поки вчені не змогли побачити жодних доказів того, що всередині кварків щось є і досягнуто фундаментального шару матерії або найменшої частки у Всесвіті.

І навіть якщо кварки та електрони неподільні вчені не знають, чи є вони найменшими бітами матерії в існуванні або якщо Всесвіт містить об'єкти, які є ще дрібнішими.

Найдрібніші частинки Всесвіту

Вони бувають різних смаків і розмірів, деякі мають дивовижний зв'язок, інші по суті випаровують один одного, багато з них мають фантастичні назви: кварки, що складаються з баріонів і мезонів, нейтрони і протони, нуклони, гіперони, мезони, баріони, нуклони, фотони і т.д. .д.

Бозон Хіггса, настільки важлива для науки частка, що її називають «часткою Бога». Вважається, що вона визначає масу всім іншим. Елемент був вперше теоретизований у 1964 році, коли вчені задавалися питанням, чому деякі частинки більш масивні за інші.

Бозон Хіггса пов'язаний з так званим полем Хіггса, який, як вважають, заповнюють Всесвіт. Два елементи (квант поля Хіггса та бозон Хіггса) відповідальні за те, щоб дати іншим масу. Названа на честь шотландського вченого Пітера Хіггса. За допомогою 14 березня 2013 р. офіційно оголошено про підтвердження існування Бозона Хіггса.

Багато вчених стверджують, що механізм Хіггса дозволив недостатню частину головоломки, щоб завершити існуючу «стандартну модель» фізики, яка описує відомі частки.

Бозон Хіггса принципово визначив масу всього, що існує у Всесвіті.

Кварки (в перекладі маячні) будівельні блоки протонів та нейтронів. Вони ніколи не самотні, існуючи лише у групах. Очевидно, сила, яка пов'язує кварки разом, збільшується з відстанню, тому що далі, важче їх розняти. Тому вільні кварки ніколи не існують у природі.

Кварки фундаментальні часткиє безструктурними, точковими розміром приблизно 10 -16 см .

Наприклад, протони і нейтрони складаються з трьох кварків, причому протони містять два однакових кварки, тоді як нейтрони мають два різні.

Суперсиметричність

Відомо, що фундаментальні «цеглинки» матерії ферміони – це кварки та лептони, а зберігачі сили бозони – це фотони, глюони. Теорія суперсиметрії говорить про те, що ферміони та бозони можуть перетворюватися один на одного.

Передбачувана теорія стверджує, що для кожної відомої частинки є споріднена, яку ми ще не виявили. Наприклад, для електрона це селекрон, кварка - скварк, фотона -фотіно, хіггса - хіггсіно.

Чому ми не спостерігаємо цієї суперсиметрії у Всесвіті зараз? Вчені вважають, що вони набагато важчі, ніж їхні звичайні споріднені частинки і чим важчі, тим коротший їхній термін служби. По суті вони починають руйнуватися, як тільки виникають. Створення суперсиметрії вимагає дуже великої кількості енергії, яка тільки існувала невдовзі після великого вибуху і може бути створена у великих прискорювачах як великий адронний колайдер.

Щодо того, чому симетрія виникла, фізики припускають, що симетрія, можливо, була порушена в якомусь прихованому секторі Всесвіту, який ми не можемо бачити чи торкатися, але можемо відчувати лише гравітаційно.

Нейтріно

Нейтрино легкі субатомні частинки, які свисчать скрізь із близькою швидкістю світла. Насправді, трильйони нейтрино течуть через ваше тіло будь-якої миті, хоча вони рідко взаємодіють із нормальною матерією.

Деякі походять від сонця, в той час як інші від космічних променів, що взаємодіють з атмосферою Землі та астрономічними джерелами, такими як зірки, що вибухають, на Чумацькому шляху та інші далекі галактики.

Антивещество

Вважається, що це нормальні частки мають антиречовини з однаковою масою, але протилежним зарядом. Коли матерія зустрічаються, вони знищують один одного. Наприклад, частка антиматерії протона є антипротоном, тоді як партнер антиматерії електрона називається позитроном. Антивещество відноситься до яких змогли визначити люди.

Гравітони

В галузі квантової механіки всі фундаментальні сили передаються частинками. Наприклад, світло складається з безмасових частинок, які називаються фотонами, які несуть електромагнітну силу. Так само гравітон є теоретичною частинкою, яка несе в собі силу гравітації. Вченим ще належить виявити гравітони, які складно знайти, тому що вони так слабко взаємодіють із речовиною.

Нитки енергії

В експериментах крихітні частинки, такі як кварки та електрони, діють як поодинокі точки матерії без просторового розподілу. Але точкові об'єкти ускладнюють закони фізики. Оскільки не можна наблизитися нескінченно близько до точки, оскільки діючі сили можуть стати нескінченно великими.

Ідея під назвою теорія суперструн може вирішити цю проблему. Теорія стверджує, що всі частинки замість того, щоб бути точковими, насправді є маленькими нитками енергії. Тобто всі об'єкти нашого світу складаються з вібруючих ниток та мембран енергії.
Ніщо не може бути нескінченно близьким до нитки, тому що одна частина завжди буде трохи ближче, ніж інша. Ця «лазівка», схоже, вирішує деякі проблеми нескінченності, роблячи ідею привабливою для фізиків. Тим не менше, вчені досі не мають експериментальних доказів того, що теорія струн вірна.

Інший спосіб вирішення точкової проблеми - сказати, що сам простір не є безперервним і гладким, а насправді складається з дискретних пікселів або зерен, які іноді називають просторово-часовою структурою. У цьому випадку дві частинки не зможуть нескінченно наближатися одна до одної, тому що вони завжди повинні бути розділені мінімальним розміром зерна простору.

Крапка чорної діри

Ще одним претендентом на звання найменша частка у Всесвіті є сингулярність (єдина точка) у центрі чорної дірки. Чорні діри утворюються, коли речовина конденсується в досить маленькому просторі, яке захоплює гравітація, змушуючи речовину втягнути всередину, зрештою конденсуючись на єдину точку нескінченної щільності. Принаймні за чинними законами фізики.

Але більшість експертів не вважають чорні дірки справді нескінченно щільними. Вони вважають, що ця нескінченність є результатом внутрішнього конфлікту між двома діючими теоріями – загальною теорією відносністю та квантовою механікою. Вони припускають, що коли теорія квантової гравітації може бути сформульована, справжня природа чорних дірок буде розкрита.

Планковська довжина

Нитки енергії і навіть найменша частка у Всесвіті може виявитися розміром із «довжину планка».

Довжина планки складає 1,6 х 10 -35 метрів (число 16 перед яким 34 нуля і десяткова точка) - незрозуміло малий масштаб, який пов'язаний з різними аспектами фізики.

Планковська довжина – «природна одиниця» виміру довжини, запропонована німецьким фізиком Максом Планком.

Довжина Планка занадто мала для будь-якого інструменту, щоб виміряти, але крім цього, вважається, що вона є теоретичною межею найкоротшої вимірної довжини. Відповідно до принципу невизначеності, жоден інструмент ніколи не повинен бути в змозі виміряти що-небудь менше, тому що в цьому діапазоні Всесвіт імовірнісний і невизначений.

Ця шкала також вважається розмежувальною лінією між загальною теорією відносності та квантовою механікою.

Планківська довжина відповідає відстані, де гравітаційне поле настільки сильне, що воно може почати робити чорні дірки з енергії поля.

Очевидно зараз, найменша частка у Всесвіті приблизно розміром із довжину планка: 1,6·10 −35 метрів

Зі шкільної лави було відомо, що найменша частка у Всесвіті електрон має негативний заряд і дуже маленьку масу, що дорівнює 9,109 х 10 - 31 кг, а класичний радіус електрона становить 2,82 х 10 -15 м.

Однак фізики вже оперують із найменшими частинками у Всесвіті планківського розміру, який дорівнює приблизно 1,6 х 10 −35 метрів.

Лікар фізико-математичних наук М. КАГАНОВ.

За давньою традицією журнал "Наука і життя" розповідає про новітні досягнення сучасної науки, про останні відкриття в галузі фізики, біології та медицини. Але щоб розуміти, наскільки вони важливі та цікаві, необхідно хоча б загалом мати уявлення про основи наук. Сучасна фізика розвивається стрімко, і люди старшого покоління, ті, хто навчався в школі та в інституті років 30-40 тому, з багатьма її положеннями незнайомі: тоді їх просто не існувало. А молоді наші читачі ще не встигли дізнатися про них: науково-популярна література практично перестала видаватися. Тому ми попросили давнього автора журналу М. І. Каганова розповісти про атоми та елементарні частинки і про закони, ними керуючих, про те, що ж є матерія. Мойсей Ісаакович Каганов - фізик-теоретик, автор та співавтор кількох сотень робіт з квантової теорії твердого тіла, теорії металів та магнетизму. Був провідним співробітником Інституту фізичних проблем ім. П. Л. Капиці та професором МДУ ім. М. В. Ломоносова, членом редколегій журналів "Природа" та "Квант". Автор багатьох науково-популярних статей та книг. Нині живе у Бостоні (США).

Наука та життя // Ілюстрації

Грецький філософ Демокріт першим вимовив слово "атом". Згідно з його вченням, атоми неподільні, незнищенні і перебувають у постійному русі. Вони нескінченно різноманітні, мають западини та опуклості, якими зчіплюються, утворюючи всі матеріальні тіла.

Таблиця 1. Найважливіші властивості електронів, протонів і нейтронів.

Атом дейтерію.

Англійський фізик Ернст Резерфорд по праву вважається основоположником ядерної фізики, вчення про радіоактивність та теорію будови атома.

На знімку: поверхня кристала вольфраму, збільшена у 10 мільйонів разів; кожна яскрава точка – його окремий атом.

Наука та життя // Ілюстрації

Працюючи над створенням теорії випромінювання, Макс Планк в 1900 прийшов до висновку, що атоми нагрітої речовини повинні випромінювати світло порціями, квантами, що мають розмірність дії (Дж.с) і енергію, пропорційну частоті випромінювання: Е = hn.

У 1923 році Луї де Бройль переніс ідею Ейнштейна про двоїсту природу світла - корпускулярно-хвильовий дуалізм - на речовину: рух частинки відповідає поширенню нескінченної хвилі.

Досліди щодо дифракції переконливо підтвердили теорію де Бройля, яка стверджувала, що рух будь-якої частинки супроводжується хвилею, довжина та швидкість якої залежать від маси та енергії частки.

Наука та життя // Ілюстрації

Досвідчений більярдист завжди знає, як покотяться кулі після удару, і легко заганяє їх у лузу. З атомними частинками набагато складніше. Траєкторію електрона, що летить, вказати неможливо: він не тільки частка, а й хвиля, нескінченна в просторі.

Вночі, коли в небі немає хмар, не видно Місяць і не заважають ліхтарі, небо заповнене яскравими зірками. Не обов'язково шукати знайомі сузір'я або намагатися знайти близькі до планети Землі. Просто дивіться! Намагайтеся уявити собі величезний простір, який заповнений світами і простягається на мільярди мільярдів світлових років. Тільки через відстань світи здаються точками, а багато з них такі далекі, що не помітні окремо і зливаються в туманності. Здається, що ми у центрі світобудови. Тепер ми знаємо, що це не так. Відмова від геоцентризму – велика заслуга науки. Потрібно було багато зусиль, щоб було усвідомлено: малютка-Земля рухається у випадковій, здавалося б, нічим не виділеній ділянці неоглядного (буквально!) простору.

Але Землі зародилося життя. Вона розвивалася настільки успішно, що зуміла зробити людину, здатну осягати навколишній світ, шукати і знаходити закони, що керують природою. Досягнення людства в пізнанні законів природи настільки вражають, що мимоволі відчуваєш гордість від приналежності до цієї щіпки розуму, загубленого на периферії пересічної Галактики.

З огляду на різноманітність всього, що нас оточує, вражає існування існування загальних законів. Не менш вражає те, що все побудовано з частинок лише трьох типів - електронів, протонів та нейтронів.

Щоб, використовуючи основні закони природи, вивести спостерігаються і передбачити нові властивості різноманітних речовин та об'єктів, створено складні математичні теорії, розібратися у яких непросто. Але контури наукової картини Світу можна осягнути, не вдаючись до суворої теорії. Звичайно, для цього необхідне бажання. Але не тільки: навіть на попереднє знайомство доведеться витратити певну працю. Потрібно постаратися збагнути нові факти, незнайомі явища, які на перший погляд не узгоджуються з наявним досвідом.

Досягнення науки часто призводять до думки, що для неї немає нічого святого: те, що вчора було істиною, сьогодні відкидається. Зі знаннями виникає розуміння того, як трепетно наука ставиться до кожної крихти накопиченого досвіду, з якою обережністю рухається вперед, особливо в тих випадках, коли доводиться відмовлятися від уявлень, що укорінилися.

Завдання цієї розповіді - познайомити з важливими характеристиками будови неорганічних речовин. Незважаючи на нескінченну різноманітність, їхня структура порівняно проста. Особливо, якщо порівнювати їх із будь-яким, навіть найпростішим живим організмом. Але є й загальне: всі живі організми, як і неорганічні речовини, збудовані з електронів, протонів та нейтронів.

Не можна осягнути неосяжне: для того щоб, хоча б загалом, познайомити з влаштуванням живих організмів, потрібна спеціальна розповідь.

ВСТУП

Різноманітність речей, предметів - всього, чим ми користуємося, що оточує нас, неоглядне. Не тільки за своїм призначенням і пристроєм, але й за матеріалами, що використовуються для їх створення, - речовинами, як прийнято говорити, коли немає необхідності підкреслювати їх функцію.

Речовини, матеріали виглядають суцільними, а дотик підтверджує те, що бачать очі. Здавалося б, немає винятків. Поточна вода і твердий метал, такі несхожі один на одного, подібні в одному: і метал, і вода суцільні. Щоправда, у воді можна розчинити сіль чи цукор. Вони знаходять собі у воді місце. Та й у тверде тіло, наприклад, у дерев'яну дошку, можна вбити цвях. Доклавши помітних зусиль, можна досягти того, що місце, яке було зайняте деревом, займе залізний цвях.

Ми добре знаємо: від суцільного тіла можна відламати невеликий шматочок, можна подрібнити будь-який матеріал. Іноді це важко, часом відбувається мимовільно, без нашої участі. Уявімо себе на пляжі, на піску. Ми розуміємо: піщинка - далеко не найдрібніша частка речовини, з якої складається пісок. Якщо постаратися, можна зменшити піщинки, наприклад, пропустивши через вальці - через два циліндри з дуже твердого металу. Потрапивши між вальцями, піщинка подрібнюється на дрібніші частини. По суті, так із зерна на млинах роблять муку.

Тепер, коли атом міцно увійшов у наше світовідчуття, дуже важко уявити, що люди не знали, обмежений процес дроблення або речовина можна подрібнювати до нескінченності.

Невідомо, коли люди вперше поставили собі це питання. Вперше він був зафіксований у творах давньогрецьких філософів. Деякі з них вважали, що, скільки не дроби речовина, воно допускає поділ на ще дрібніші частини - межі немає. Інші висловлювали думку, що існують дрібні неподільні частки, з яких і складається все. Щоб підкреслити, що ці частинки - межа дроблення, вони назвали їх атомами (по-давньогрецьки слово "атом" означає неподільний).

Необхідно назвати тих, хто першим висунув ідею існування атомів. Це - Демокріт (народився близько 460 або 470 року до нової ери, помер у глибокій старості) та Епікур (341-270 роки до нової ери). Отже, атомному навчанню майже 2500 років. Уявлення про атоми аж ніяк не відразу сприйняли всі. Ще років 150 тому впевнених у існуванні атомів мало навіть серед учених.

Справа в тому, що атоми дуже малі. Їх неможливо розглянути як простим оком, а й, наприклад, з допомогою мікроскопа, збільшує у 1000 раз. Давайте подумаємо: який розмір найменших частинок, які можна побачити? У різних людей різний зір, але, мабуть, усі погодяться, що побачити частку розміром менше 0,1 міліметра не можна. Тому, якщо скористатися мікроскопом, можна, хоч і важко, розглянути частинки розміром близько 0,0001 міліметра, або 10 -7 метра. Порівнявши розміри атомів і міжатомних відстаней (10 -10 метрів) з довжиною, прийнятої нами як межу можливості побачити, зрозуміємо, чому будь-яка речовина здається нам суцільною.

2500 років – величезний термін. Що б не відбувалося у світі, завжди знаходилися люди, які намагалися відповісти собі на питання, як влаштований навколишній світ. У якісь часи проблеми устрою світу хвилювали більше, у якісь – менше. Народження науки у її сучасному розумінні відбулося порівняно недавно. Вчені навчилися ставити експерименти - ставити природі питання та розуміти її відповіді, створювати теорії, що описують результати експериментів. Теорії зажадали строгих математичних методів отримання достовірних висновків. Наука пройшла довгий шлях. На цьому шляху, який для фізики почався близько 400 років тому з робіт Галілео Галілея (1564-1642), видобуто нескінченну кількість відомостей про будову речовини та властивості тіл різної природи, виявлено та зрозуміло нескінченну кількість різноманітних явищ.

Людство навчилося як пасивно розуміти природу, а й використовувати їх у своїх цілях.

Ми не розглядатимемо історію розвитку атомних уявлень протягом 2500 років та історію фізики протягом останніх 400 років. Наше завдання - по можливості коротко і наочно розповісти про те, з чого і як побудовано все - навколишні предмети, тіла і ми самі.

Як було сказано, всі речовини складаються з електронів, протонів і нейтронів. Знаю про це зі шкільних років, але мене не перестає вражати, що все збудовано з частинок лише трьох сортів! Адже світ такий різноманітний! До того ж і кошти, якими користується природа для будівництва, теж досить одноманітні.

Послідовний опис того, як збудовані речовини різного типу, - складна наука. Вона використовує серйозну математику. Треба наголосити - якоїсь іншої, простої теорії не існує. Але фізичні принципи, що лежать в основі розуміння будови і властивостей речовин, хоча вони нетривіальні і важко уявні, все ж таки зрозуміти можна. Своєю розповіддю ми спробуємо допомогти всім, кого цікавить устрій світу, в якому ми живемо.

МЕТОД ОСКОЛКІВ, АБО РОЗДІЛЯЙ І ПІЗНАВАЙ

Здавалося б, найбільш природний спосіб зрозуміти, як влаштований складний пристрій (іграшка або механізм), - розібрати, розкласти на складові. Треба бути дуже обережним, пам'ятаючи, що скласти буде значно важче. "Ломати - не будувати" - каже народна мудрість. І ще: з чого складається пристрій, ми, можливо, зрозуміємо, але, як працює, навряд. Варто іноді відгвинтити один гвинтик, і все - пристрій перестав працювати. Потрібно не так розібрати, скільки розібратися.

Оскільки йдеться не про фактичне розкладання всіх навколишніх предметів, речей, організмів, а про уявний, тобто про уявний, а не про справжній досвід, то можна не хвилюватися: збирати не доведеться. Крім того, не скупитимемося на зусилля. Не замислюватимемося, важко чи легко розкласти пристрій на складові. Секундочку. А звідки ми знаємо, що дійшли до краю? Може, додавши зусиль, зможемо піти далі? Признаємося собі: ми не знаємо, чи дійшли до краю. Доводиться скористатися загальноприйнятою думкою, розуміючи, що це не надто надійний аргумент. Але якщо пам'ятати, що це лише загальноприйнята думка, а не істина в останній інстанції, то небезпека невелика.

Нині загальноприйнято, що деталями, у тому числі все побудовано, служать елементарні частки. І при цьому далеко не усі. Подивившись у відповідний довідник, ми переконаємося: елементарних частинок понад триста. Велика кількість елементарних частинок змусило задуматися про можливість існування субелементарних частинок - частинок, з яких складаються елементарні частинки. Так виникла ідея кварків. Вони мають ту дивовижну властивість, що, мабуть, не існують у вільному стані. Кварків досить багато – шість, і у кожного є своя античастка. Можливо, подорож углиб матерії не закінчена.

Для нашої розповіді велика кількість елементарних частинок і існування субелементарних несуттєво. У побудові речовин безпосередню участь беруть електрони, протони та нейтрони - все збудовано тільки з них.

Перш ніж обговорювати властивості реальних частинок, замислимося, якими нам хотілося б бачити деталі, з яких усе побудовано. Коли йдеться про те, що хотілося б бачити, звісно, треба враховувати різноманітність поглядів. Відберемо кілька рис, які здаються обов'язковими.

По-перше, елементарні частинки повинні мати властивість поєднуватися в різноманітні структури.

По-друге, хочеться думати, що елементарні частки не знищені. Знаючи, яку довгу історію має світ, важко уявити, що частинки, з яких він складається, є смертними.

По-третє, хотілося б, щоб самих деталей було не надто багато. Дивлячись на будівельні блоки, ми бачимо, наскільки різноманітні споруди можуть бути створені з однакових елементів.

Знайомлячись з електронами, протонами і нейтронами, ми побачимо, що їх властивості не суперечать нашим побажанням, а бажанню простоти, безперечно, відповідає те, що у будові всіх речовин беруть участь лише три типи елементарних частинок.

ЕЛЕКТРОНИ, ПРОТОНИ, НЕЙТРОНИ

Наведемо найважливіші характеристики електронів, протонів та нейтронів. Вони зібрані до таблиці 1.

Величина заряду дана в кулонах, маса – у кілограмах (одиницях СІ); слова "спін" та "статистика" будуть пояснені нижче.

Звернімо увагу на відмінність у масі частинок: протони і нейтрони майже в 2000 разів важчі за електрони. Отже, маса будь-якого тіла майже цілком визначається масою протонів та нейтронів.

Нейтрон, як це випливає з його назви, нейтральний - його заряд дорівнює нулю. А протон та електрон мають однакові за величиною, але протилежні за знаком заряди. Електрон заряджений негативно, а протон – позитивно.

Серед характеристик частинок немає, здавалося б, важливої характеристики їхнього розміру. Описуючи будову атомів та молекул, електрони, протони та нейтрони можна вважати матеріальними точками. Про розміри протону та нейтрону доведеться згадати лише при описі атомних ядер. Навіть у порівнянні з розмірами атомів протони і нейтрони жахливо малі (близько 10 -16 метрів).

По суті, цей короткий розділ зводиться до представлення електронів, протонів та нейтронів як будівельного матеріалу всіх тіл у природі. Можна було б просто обмежитися таблицею 1, проте ми повинні зрозуміти, яким чином з електронів, протонів і нейтронів здійснюється будівництво, що змушує частки об'єднуватися в складніші конструкції та які ці конструкції.

АТОМ - НАЙБІЛЬШ ПРОСТА З СКЛАДНИХ КОНСТРУКЦІЙ

Атом багато. Виявилося необхідним та можливим упорядкувати їх спеціальним чином. Упорядкування дає можливість підкреслити різницю і подібність атомів. Розумне розташування атомів - нагорода Д. І. Менделєєва (1834-1907), який сформулював періодичний закон, що носить його ім'я. Якщо тимчасово відволіктися від існування періодів, то принцип розташування елементів дуже простий: вони розташовуються послідовно за вагою атомів. Найлегший – атом водню. Останній природний (не створений штучно) атом - атом урану, який важчий за нього в 200 з лишком разів.

Розуміння будови атомів пояснило наявність періодичності у властивостях елементів.

На самому початку XX століття Е. Резерфорд (1871-1937) переконливо показав, що майже вся маса атома зосереджена в його ядрі - невеликій (навіть у порівнянні з атомом) області простору: радіус ядра приблизно у 100 тисяч разів менший за розмір атома. Коли Резерфорд робив свої експерименти, ще не було відкрито нейтрону. З відкриттям нейтрону було зрозуміло, що ядра складаються з протонів і нейтронів, а атом природно уявляти собі як ядро, оточене електронами, число яких дорівнює числу протонів в ядрі - адже атом атом нейтральний. Протони та нейтрони, як будівельний матеріал ядра, отримали загальну назву – нуклони (з латинського nucleus -ядро). Цією назвою ми і користуватимемося.

Кількість нуклонів у ядрі прийнято позначати буквою А. Зрозуміло, що А = N + Z, де N- Число нейтронів в ядрі, а Z- Число протонів, рівне числу електронів в атомі. Число Аносить назву атомної маси, а Z -атомний номер. Атоми з однаковими атомними номерами називають ізотопами: у таблиці Менделєєва вони знаходяться в одній клітинці (грецькою мовою) ізос -рівний , топос -місце). Справа в тому, що хімічні властивості ізотопів майже тотожні. Якщо таблицю Менделєєва уважно розглянути, можна переконатися, що, строго кажучи, розташування елементів відповідає не атомній масі, а атомному номеру. Якщо елементів близько 100, то ізотопів понад 2000. Щоправда, багато хто з них нестійкі, тобто радіоактивні (від латинського radio- Випромінюю, activus- діяльний), вони розпадаються, випромінюючи різні випромінювання.

Досліди Резерфорда не тільки призвели до відкриття атомних ядер, але й показали, що в атомі діють ті ж електростатичні сили, які відштовхують один від одного однойменно заряджені тіла і притягують різноіменно заряджені один до одного (наприклад, кульки електроскопа).

Атом стійкий. Отже, електрони в атомі рухаються навколо ядра: відцентрова сила компенсує силу тяжіння. Розуміння цього спричинило створення планетарної моделі атома, у якій ядро - Сонце, а електрони - планети (з погляду класичної фізики, планетарна модель непослідовна, але це нижче).

Існує цілий ряд способів оцінити розмір атома. Різні оцінки призводять до близьких результатів: розміри атомів, звичайно, різні, але приблизно дорівнюють кільком десятим нанометрам (1 нм = 10 -9 м).

Розглянемо спочатку систему електронів атома.

У Сонячній системі планети притягуються до Сонця силою гравітації. У атомі діє електростатична сила. Її часто називають кулонівською на честь Шарля Огюстена Кулона (1736-1806), який встановив, що сила взаємодії між двома зарядами обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Той факт, що два заряди Q 1 та Q 2 притягуються або відштовхуються з силою, що дорівнює F C = Q 1 Q 2 /r 2 , де r- відстань між зарядами, зветься "Закон Кулона". Індекс С"присвоєний силі Fза першою літерою прізвища Кулона (французькою Coulomb). Серед різних тверджень мало знайдеться таких, які так само справедливо названі законом, як закон Кулона: адже область його застосування практично не обмежена. Заряджені тіла, яких би вони не були розмірів, а також атомні і навіть субатомні заряджені частинки - всі вони притягуються або відштовхуються відповідно до закону Кулона.

ВІДСТУП ПРО ГРАВІТАЦІЮ

З гравітацією людина знайомиться у ранньому дитинстві. Падаючи, він вчиться поважати силу тяжіння Землі. Знайомство з прискореним рухом зазвичай починається вивчення вільного падіння тіл - руху тіла під впливом гравітації.

Між двома тілами маси М 1 та М 2 діє сила F N =- GМ 1 М 2 /r 2 . Тут r- Відстань між тілами, G -гравітаційна постійна, рівна 6,67259.10 -11 м 3 кг -1 з -2 , індекс "N" дано на честь Ньютона (1643 – 1727). Цей вислів називають законом всесвітнього тяжіння, підкреслюючи його загальний характер. Сила F N визначає рух галактик, небесних тіл та падіння предметів на Землю. Закон всесвітнього тяжіння справедливий за будь-якої відстані між тілами. Зміни до картини гравітації, які внесла загальна теорія відносності Ейнштейна (1879-1955), ми згадувати не будемо.

І кулонівська електростатична сила, і ньютонівська сила всесвітнього тяжіння однаково (як 1/ r 2) зменшуються із збільшенням відстані між тілами. Це дозволяє порівняти дію обох сил на будь-якій відстані між тілами. Якщо силу кулонівського відштовхування двох протонів порівняти за величиною з силою їхнього гравітаційного тяжіння, то виявиться, що F N / F C = 10 -36 (Q 1 =Q 2 = e p; M 1 = =M 2 =m p). Тому гравітація скільки-небудь істотної ролі у будові атома не грає: вона надто мала порівняно з електростатичною силою.

Виявити електричні заряди і виміряти взаємодію між ними не важко. Якщо електрична сила така велика, то чому вона не важлива, коли, скажімо, падають, стрибають, кидають м'яч? Тому що здебільшого ми маємо справу з нейтральними (незарядженими) тілами. У просторі завжди багато заряджених частинок (електронів, іонів різного знака). Під впливом величезної (за атомними масштабами) електричної сили, що притягує, створеної зарядженим тілом, заряджені частинки спрямовуються до її джерела, прилипають до тіла і нейтралізують його заряд.

ХВИЛЬ ЧИ ЧАСТИНА? І ХВИЛЬ І ЧАСТИНА!

Про атомні і ще дрібніші, субатомні, часточки дуже важко розповідати головним чином тому, що їх властивостям ніяких аналогів у нашому повсякденному житті немає. Можна подумати, що частинки, у тому числі складаються такі маленькі атоми, зручно уявляти у вигляді матеріальних точок. Але все виявилося набагато складнішим.

Частка і хвиля... Здавалося б, навіть порівнювати безглуздо, настільки вони різні.

Напевно, коли думаєш про хвилю, то насамперед уявляєш собі морську поверхню, що хвилюється. Хвилі на берег приходять з відкритого моря, довжини хвиль – відстані між двома послідовними гребенями – можуть бути різними. Легко спостерігати хвилі, що мають довжину близько кількох метрів. При хвилюванні, мабуть, коливається маса води. Хвиля охоплює значний простір.

Хвиля періодична у часі та у просторі. Довжина хвилі ( λ ) - міра просторової періодичності. Періодичність хвильового руху в часі видно в повторюваності приходу гребенів хвиль до берега, а можна її виявити, наприклад, коливання поплавця вгору-вниз. Позначимо період хвильового руху - час, за який минає одна хвиля, - буквою Т. Величина, обернена до періоду, називається частотою ν = 1/Т. Найпростіші хвилі (гармонічні) мають певну частоту, яка змінюється у часі. Будь-який складний хвильовий рух може бути представлений у вигляді сукупності простих хвиль (див. "Наука і життя" № 11, 2001). Строго кажучи, проста хвиля займає нескінченний простір і існує нескінченно довго. Частка, як ми її уявляємо, і хвиля абсолютно не схожі.

З часів Ньютона йшла суперечка про природу світла. Що є світло - сукупність частинок (корпускул, від латинського corpusculum- тільце) чи хвиль? Теорії довго конкурували. Хвильова теорія перемогла: корпускулярна теорія не могла пояснити експериментальні факти (інтерференцію та дифракцію світла). З прямолінійним поширенням світлового променя хвильова теорія легко впоралася. Важливу роль зіграло те, що довжина світлових хвиль за життєвими поняттями дуже мала: діапазон довжин хвиль видимого світла від 380 до 760 нанометрів. Коротші електромагнітні хвилі - ультрафіолетові, рентгенівські і гамма-промені, а довші - інфрачервоні, міліметрові, сантиметрові та решта радіохвиль.

До кінця XIX століття перемога хвильової теорії світла над корпускулярною здавалася остаточною та безповоротною. Однак ХХ століття внесло серйозні корективи. Здавалося, що світло чи хвилі, чи частинки. Виявилося – і хвилі та частинки. Для частинок світла, для його квантів, як заведено говорити, було винайдено спеціальне слово - "фотон". Слово "квант" походить від латинського слова quantum- скільки, а "фотон" - від грецького слова photos -світло. Слова, що позначають назву частинок, здебільшого мають закінчення він. Як не дивно, в одних експериментах світло поводиться як хвилі, а в інших – як потік частинок. Поступово вдалося побудувати теорію, що передбачає, як, у якому експерименті поводитиметься світло. Нині ця теорія всіма прийнята, різна поведінка світла не викликає подиву.

Перші кроки завжди особливо важкі. Доводилося йти проти усталеної думки думки, висловлювати твердження, що здаються єрессю. Справжні вчені щиро вірять у ту теорію, яку вони використовують для опису явищ, що спостерігаються. Відмовитися від прийнятої теорії дуже важко. Перші кроки зробили Макс Планк (1858–1947) та Альберт Ейнштейн (1879–1955).

Згідно з Планком - Ейнштейном, саме окремими порціями, квантами, світло випромінюється і поглинається речовиною. Енергія, яку несе фотон, пропорційна його частоті: Е = hν. Коефіцієнт пропорційності hназвали постійною Планкою на честь німецького фізика, який ввів її в теорію випромінювання в 1900 році. І вже у першій третині XX століття стало зрозуміло, що постійна Планка – одна з найважливіших світових констант. Звичайно, вона була ретельно виміряна: h= 6,6260755.10 -34 Дж.с.

Квант світла – це багато чи мало? Частота видимого світла порядку 1014с-1. Нагадаємо: частота та довжина хвилі світла пов'язані співвідношенням ν = c/λ, де з= 299792458.10 10 м/с (точно) - швидкість світла у вакуумі. Енергія кванта hν, як неважко бачити, близько 10 -18 Дж. За рахунок цієї енергії можна підняти на висоту 1 сантиметр масу 10 -13 грама. За людськими масштабами жахливо мало. Але це маса 1014 електронів. У мікросвіті зовсім інші масштаби! Звичайно, людина не може відчути масу в 10 -13 грами, але око людини настільки чутливе, що може побачити окремі кванти світла - в цьому переконалися, зробивши низку тонких експериментів. У звичайних умовах людина не розрізняє "зернистість" світла, сприймаючи його як безперервний потік.

Знаючи, що світло має одночасно і корпускулярну і хвильову природу, легше уявити собі, що і "справжні" частинки мають хвильові властивості. Вперше таку єретичну думку висловив Луї де Бройль (1892–1987). Він намагався з'ясувати, яка природа хвилі, характеристики якої передбачив. Згідно з його теорією, частинкою масою m, що летить зі швидкістю vвідповідає хвилі з довжиною хвилі l = hmvта частотою ν = Е/h, де Е = mv 2/2 – енергія частки.

Подальший розвиток атомної фізики призвело до розуміння природи хвиль, що описують рух атомних та субатомних частинок. Виникла наука, що отримала назву "квантова механіка" (у перші роки її найчастіше називали хвильовою механікою).

Квантова механіка може бути застосована до руху мікроскопічних частинок. При розгляді руху звичайних тіл (наприклад, будь-яких деталей механізмів) немає сенсу враховувати квантові поправки (поправки, зобов'язані хвильовим властивостям матерії).

Один із проявів хвильового руху частинок - відсутність у них траєкторії. Для існування траєкторії необхідно, щоб у кожний момент часу частка мала певну координату та певну швидкість. Але саме це й заборонено квантовою механікою: чстиця не може мати одночасно й певного значення координати х, та певне значення швидкості v. Їх невизначеності Dхі Dvпов'язані співвідношенням невизначеностей, відкритим Вернером Гейзенбергом (1901-1974): D х D v ~ h/m, де m- маса частки, а h -постійна Планка. Постійну планку часто називають універсальним квантом "дії". Не уточнюючи термін діязвернемо увагу на епітет універсальний. Він наголошує, що співвідношення невизначеності справедливе завжди. Знаючи умови руху та масу частинки, можна оцінити, коли потрібно враховувати квантові закони руху (іншими словами, коли не можна знехтувати хвильовими властивостями частинок та їх наслідком – співвідношеннями невизначеності), а коли цілком можна користуватися класичними законами руху. Підкреслимо: якщо можна, то й потрібно, оскільки класична механіка значно простіше квантової.

Звернемо увагу на те, що постійна Планка поділяється на масу (вони входять до комбінацій. h/m). Чим маса більша, тим роль квантових законів менша.

Щоб відчути, коли знехтувати квантові властивості свідомо можна, постараємося оцінити величини невизначеностей D хта D v. Якщо D хта D vзневажливо малі в порівнянні з їх середніми (класичними) значеннями, формули класичної механіки чудово описують рух, якщо не малі, необхідно використовувати квантову механіку. Немає сенсу враховувати квантову невизначеність і тоді, коли інші причини (у рамках класичної механіки) призводять до більшої невизначеності, ніж співвідношення Гейзенберга.

Розглянемо приклад. Пам'ятаючи, що хочемо показати можливість користуватися класичною механікою, розглянемо "частку", маса якої 1 грам, а розмір 0,1 міліметра. За людськими масштабами це крупинка, легка, маленька частка. Але вона в 10 24 разів важча за протон і в мільйон разів більша за атом!

Нехай "наша" крупинка рухається в посудині, наповненій воднем. Якщо крупинка летить досить швидко, нам здається, що вона рухається прямою з певною швидкістю. Це враження помилкове: через удари молекул водню по крупинці її швидкість при кожному ударі трохи змінюється. Оцінимо, на скільки саме.

Нехай температура водню 300 К (температуру ми завжди вимірюємо за абсолютною шкалою, за шкалою Кельвіна; 300 К = 27 o С). Помноживши температуру в кельвінах на постійну Больцмана k B = 1,381.10 -16 Дж/К, ми висловимо її в енергетичних одиницях. Зміну швидкості крупинки можна підрахувати, скориставшись законом збереження кількості руху. При кожному зіткненні крупинки з молекулою водню швидкість змінюється приблизно на 10 -18 см/с. Зміна відбувається цілком випадково та у випадковому напрямку. Тому величину 10 -18 см/с природно вважати мірою класичної невизначеності швидкості крупинки (D v) кл для цього випадку. Отже, (D v) кл = 10 -18 см/с. Розташування крупинки визначити з більшою точністю, ніж 0,1 її розміру, мабуть, дуже важко. Приймемо (D х) кл = 10 -3 см. Нарешті, (D х) кл (D v) кл = 10 -3 .10 -18 = 10 -21. Здавалося б дуже маленька величина. У всякому разі, невизначеності швидкості та координати такі малі, що можна розглядати середній рух крупинки. Але порівняно з квантовою невизначеністю, продиктованою співвідношенням Гейзенберга (D х D v= 10 -27), класична неоднорідність величезна - у разі перевищує їх у мільйон разів.

Висновок: розглядаючи рух крупинки, враховувати її хвильові властивості, тобто існування квантової невизначеності координати та швидкості, не потрібно. Ось коли йдеться про рух атомних та субатомних частинок, ситуація різко змінюється.

Відповідь на безперервне питання: яка найменша частка у Всесвіті еволюціонував разом із людством.

Поки вчені не змогли побачити жодних доказів того, що всередині кварків щось є і досягнуто фундаментального шару матерії або найменшої частки у Всесвіті.

Найдрібніші частинки Всесвіту

Бозон Хіггса принципово визначив масу всього, що існує у Всесвіті.

Кварки

Кварки фундаментальні часткиє безструктурними, точковими розміром приблизно 10 -16 см.

Суперсиметричність

Нейтріно

Антивещество

Вважається, що це нормальні частки мають антиречовини з однаковою масою, але протилежним зарядом. Коли матерія зустрічаються, вони знищують один одного. Наприклад, частка антиматерії протона є антипротоном, тоді як партнер антиматерії електрона називається позитроном. Антиречовина відноситься до найдорожчих речовин у світі, які змогли визначити люди.

Гравітони

Нитки енергії

Ідея під назвою теорія суперструн може вирішити цю проблему. Теорія стверджує, що всі частинки замість того, щоб бути точковими, насправді є маленькими нитками енергії. Тобто всі об'єкти нашого світу складаються з вібруючих ниток та мембран енергії. Ніщо не може бути нескінченно близьким до нитки, тому що одна частина завжди буде трохи ближче, ніж інша. Ця «лазівка», схоже, вирішує деякі проблеми нескінченності, роблячи ідею привабливою для фізиків. Тим не менше, вчені досі не мають експериментальних доказів того, що теорія струн вірна.

Крапка чорної діри

Але більшість експертів не вважають чорні дірки справді нескінченно щільними. Вони вважають, що ця нескінченність є результатом внутрішнього конфлікту між двома теоріями, що діють, — загальною теорією відносністю і квантовою механікою. Вони припускають, що коли теорія квантової гравітації може бути сформульована, справжня природа чорних дірок буде розкрита.

Планковська довжина

Нитки енергії і навіть найменша частка у Всесвіті може виявитися розміром із «довжину планка».

Планковська довжина – «природна одиниця» виміру довжини, запропонована німецьким фізиком Максом Планком.

Ця шкала також вважається розмежувальною лінією між загальною теорією відносності та квантовою механікою.

Очевидно зараз, найменша частка у Всесвіті приблизно розміром із довжину планка: 1,6·10 −35 метрів

Висновки

Дивно влаштований цей світ: одні люби прагнуть створити щось монументальне та гігантське, щоб прославитися на весь світ і увійти в історію, а інші створюють мінімалістичні копії звичайних речей і вражають ними світ не менше. У цьому огляді зібрані найменші предмети, які існують на світі і при цьому є не менш функціональними, ніж повнорозмірні аналоги.

1. Пістолет SwissMiniGun

SwissMiniGun не більше, ніж звичайний ключ, але він здатний стріляти крихітними кулями, які вилітають зі ствола зі швидкістю понад 430 км/год. Це більш ніж достатньо, щоб убити людину з близької відстані.

2. Автомобіль Peel 50

При вазі всього 69 кг Peel 50 є найменшим автомобілем, коли-небудь допущеним для використання на дорогах. Цей триколісний «попеляц» міг розвивати швидкість 16 км/год.

3. Школа Калоу

ЮНЕСКО визнала іранську школу Калоу найменшою у світі. У ній всього 3 учні та колишній солдат Абдул-Мухаммед Шерані, який зараз працює вчителем.

4. Чайник вагою 1,4 грами

Він був створений майстром з кераміки Ву Руїшен. Хоча важить цей чайник лише 1,4 грама і поміщається на кінчику пальця, у ньому можна заварювати чай.

5. В'язниця Сарк

В'язниця Сарк була побудована на Нормандських островах у 1856 році. У ній було місце всього для 2 ув'язнених, які перебували в дуже обмежених умовах.

6. Tumbleweed

Цей будинок отримав назву "Перакати-поле" (Tumbleweed). Він був побудований Джеєм Шафером із Сан-Франциско. Хоча будинок менший, ніж шафи у деяких людей (його площа всього 9 квадратних метрів), у ньому є робоче місце, спальня та ванна з душем та туалетом.

7. Міллс Енд Парк

Міллс Енд Парк у місті Портленд - найменший парк у світі. Його діаметр складає всього... 60 сантиметрів. При цьому в парку є басейн для метеликів, мініатюрне колесо огляду і крихітні статуї.

8. Едвард Ніньо Ернандес

Зростання Едварда Ніньо Ернандеса з Колумбії – лише 68 сантиметрів. Книга рекордів Гіннесса визнала його найменшою людиною у світі.

9. Поліцейська ділянка у телефонній будці

По суті він анітрохи не більше за телефонну будку. Але це була дійсно функціонуюча поліцейська ділянка у місті Карабеллі, штат Флорида.

10. Скульптури Вілларда Вігана

Британський скульптор Віллард Віган, який страждав від дислексії та поганої успішності у школі, знайшов втіху у створенні мініатюрних творів мистецтва. Його скульптури ледь видно неозброєним оком.

11. Бактерія Mycoplasma Genitalium

12. Свинячий цирковірус

Хоча досі точаться дебати про те, що можна вважати «живим», а що ні, більшість біологів не класифікують вірус як живий організм через те, що він не може відтворюватись або не має метаболізму. Вірус, однак, може бути набагато меншим, ніж будь-який живий організм, включаючи бактерії. Найменшим є одноланцюговий ДНК вірус під назвою свинячий цирковірус. Його розмір - лише 17 нанометрів.

13. Амеба

Розмір найменшого об'єкта, видимого неозброєним оком, становить приблизно 1 міліметр. Це означає, що за певних умов людина може побачити амебу, інфузорію-туфельку і навіть людську яйцеклітину.

14. Кварки, лептони та антиречовина.

Протягом останнього століття вчені досягли великих успіхів у розумінні простору простору та мікроскопічних «будівельних блоків», з якого воно складається. Коли справа дійшла до з'ясування того, що є найменшою частинкою, що спостерігається у Всесвіті, люди зіткнулися з певними труднощами. Якоїсь миті вони думали, що це атом. Потім вчені виявили протон, нейтрон та електрон.

Але на цьому все не скінчилося. Сьогодні всі знають, що коли зіштовхувати ці частинки один з одним у таких місцях, як Великий адронний колайдер, їх можна розбити на ще дрібніші частинки, такі кварки, лептони і навіть антиречовина. Проблема полягає в тому, що неможливо визначити, що ж найменше, оскільки розмір на квантовому рівні стає несуттєвим, так само як і не діють всі звичні правила фізики (деякі частки не мають маси, інші навіть мають негативну масу).

15. Вібруючі струни субатомних частинок

Зважаючи на те, що було сказано вище щодо того, що поняття розміру не має значення на квантовому рівні, можна згадати теорію струн. Це трохи спірна теорія, яка передбачає, що всі субатомні частинки складаються з струн, що вібрують, які взаємодіють для створення таких речей, як маса і енергія. Отже, оскільки ці струни технічно немає фізичного розміру, можна стверджувати, що вони у якомусь сенсі «найменші» об'єкти у Всесвіті.