Väikseim osake mullas. Kõige kergemad ja massiivsemad elementaarosakesed

Neutriino, universumi uskumatult pisike osake, on teadlaste tähelepanu köitnud juba ligi sajandi. Neutriino uurimise eest on antud rohkem Nobeli auhindu kui muude osakeste kallal töötamise eest ning selle uurimiseks ehitatakse väikeriikide eelarvega tohutuid rajatisi. Venemaa Teaduste Akadeemia Tuumauuringute Instituudi vanemteadur, Moskva Füüsika ja Tehnoloogia Instituudi õppejõud ning Troitski nu-massi eksperimendis neutriino massi otsimiseks osaleja Aleksandr Nozik räägib, kuidas seda uurida, kuid mis kõige tähtsam, kuidas seda üldse tabada.

Varastatud energia müsteerium

Neutriinode uurimise ajalugu võib lugeda kui põnevat detektiivilugu. See osake pani teadlaste deduktiivseid võimeid proovile rohkem kui korra: kõiki mõistatusi ei suudetud kohe lahendada ja mõnda pole siiani lahendatud. Alustame avastamise ajaloost. Erinevat laadi radioaktiivseid lagunemisi hakati uurima 19. sajandi lõpus ja pole üllatav, et 1920. aastatel olid teadlaste arsenalis riistad mitte ainult lagunemise enda registreerimiseks, vaid ka eraldunud osakeste energia mõõtmiseks. , ehkki tänapäevaste standardite järgi mitte väga täpne. Instrumentide täpsuse kasvades kasvas teadlaste rõõm ja hämmeldus, mis muu hulgas kaasnes beetalagunemisega, mille käigus radioaktiivsest tuumast lendab välja elektron ja tuum ise muudab oma laengut. Sellist lagunemist nimetatakse kaheosaliseks, kuna selles moodustub kaks osakest - uus tuum ja elektron. Iga keskkooliõpilane selgitab, et sellise lagunemise korral on võimalik täpselt määrata fragmentide energiat ja impulssi, kasutades säilivusseadusi ja teades nende fragmentide masse. Teisisõnu, näiteks elektroni energia on teatud elemendi tuuma igal lagunemisel alati sama. Praktikas täheldati hoopis teistsugust pilti. Elektronide energia mitte ainult ei olnud fikseeritud, vaid levis ka pidevaks spektriks nullini, mis tekitas teadlastes hämmingut. See võib juhtuda ainult siis, kui keegi varastab beeta-lagunemisest energiat. Kuid tundub, et pole kedagi, kes seda varastaks.

Aja jooksul muutusid instrumendid aina täpsemaks ja peagi kadus võimalus sellist anomaaliat seadmete vea arvele panna. Nii tekkis mõistatus. Selle lahendust otsides väljendasid teadlased erinevaid, tänapäevaste standardite järgi isegi täiesti absurdseid oletusi. Niels Bohr ise tegi näiteks tõsise avalduse, et säilivusseadused elementaarosakeste maailmas ei kehti. Päeva päästis Wolfgang Pauli 1930. aastal. Ta ei saanud Tübingeni füüsikakonverentsil osaleda ja kuna ta ei saanud kaugjuhtimisega osaleda, saatis ta kirja, mida palus lugeda. Siin on väljavõtted sellest:

„Kallid radioaktiivsed daamid ja härrad. Ma palun teil kõige sobivamal hetkel tähelepanelikult kuulata sõnumitooja, kes selle kirja kohale toimetas. Ta ütleb teile, et olen leidnud suurepärase vahendi jäävusseaduse ja õige statistika jaoks. See seisneb elektriliselt neutraalsete osakeste olemasolu võimalikkuses ... Β-spektri katkematus saab selgeks, kui eeldame, et Β-lagunemise ajal kiirgab iga elektroniga selline “neutron” välja ja summa "neutroni" ja elektroni energia on konstantne ... "

Kirja lõpus olid järgmised read:

"Ära võta riske, ära võida. Olukorra tõsidus pidevat Β-spektrit silmas pidades muutub eriti silmatorkavaks pärast prof. Debye, kes ütles mulle kahetsusega: "Oh, parem on mitte mõelda sellest kõigest ... kui uutest maksudest." Seetõttu tuleb iga päästetee üle tõsiselt arutada. Seega, kallid radioaktiivsed inimesed, pange see proovile ja mõistke hinnangut."

Hiljem väljendas Pauli ise kartust, et kuigi tema idee päästab mikrokosmose füüsika, ei avastata katseliselt kunagi uut osakest. Nad ütlevad, et ta isegi vaidles oma kolleegidega, et kui osake on olemas, ei ole võimalik seda nende elu jooksul tuvastada. Järgmise paari aasta jooksul lõi Enrico Fermi beeta-lagunemise teooria, mis hõlmas osakest, mida ta nimetas neutriinoks, ja mis sobis suurepäraselt katsega. Pärast seda ei tekkinud kellelgi kahtlust, et hüpoteetiline osake on tegelikult olemas. 1956. aastal, kaks aastat enne Pauli surma, avastas Frederick Reinesi ja Clyde Cowani rühm neutriino katseliselt pöörd-beetalagunemisel (Reines sai Nobeli preemia).

Kadunud päikeseneutriinode juhtum

Niipea, kui sai selgeks, et neutriinosid, kuigi raskesti, saab siiski registreerida, hakkasid teadlased püüdma maavälist päritolu neutriinosid. Nende kõige ilmsem allikas on Päike. Selles toimuvad pidevalt tuumareaktsioonid ja võib välja arvutada, et iga maapinna ruutsentimeetrit läbib umbes 90 miljardit päikeseneutriinot sekundis.

Sel hetkel kõige rohkem tõhus meetod päikeseneutriinode püüdmine oli radiokeemiline meetod. Selle olemus on järgmine: päikeseneutriino saabub Maale, interakteerub tuumaga; selgub, ütleme, 37Ar tuum ja elektron (see on reaktsioon, mida kasutati Raymond Davise katses, mille eest ta hiljem Nobeli preemia pälvis). Pärast seda saab argooni aatomite arvu kokku lugedes öelda, mitu neutriinot detektori mahus kokkupuuteaja jooksul interakteeris. Praktikas pole asjad muidugi nii lihtsad. Tuleb mõista, et sadu tonne kaaluvas sihtmärgis on vaja loendada üksikuid argooni aatomeid. Masside suhe on ligikaudu sama, mis sipelga massi ja Maa massi vahel. Siis avastati, et ⅔ päikeseneutriinodest oli varastatud (mõõdetud voog osutus prognoositust kolm korda väiksemaks).

Muidugi langes kahtlus eelkõige Päikesele endale. Lõppude lõpuks saame tema siseelu hinnata ainult kaudsete märkide järgi. Pole teada, kuidas sellel neutriinod sünnivad, ja on isegi võimalik, et kõik Päikese mudelid on valed. Arutati päris palju erinevaid hüpoteese, kuid lõpuks hakkasid teadlased kalduma mõttele, et oluline pole mitte Päike, vaid neutriinode endi kavalus.

Väike ajalooline kõrvalepõige: neutriinode eksperimentaalse avastamise ja päikeseneutriinode uurimise katsete vahelisel perioodil tehti veel mitmeid huvitavaid avastusi. Esiteks avastati antineutriinod ja tõestati, et neutriinod ja antineutriinod osalevad vastastikmõjus erineval viisil. Veelgi enam, kõik neutriinod kõigis interaktsioonides on alati vasakukäelised (spinni projektsioon liikumissuunale on negatiivne) ja kõik antineutriinod on paremakäelised. Seda omadust ei täheldata mitte ainult kõigi elementaarosakeste puhul ainult neutriinode puhul, vaid see näitab ka kaudselt, et meie universum ei ole põhimõtteliselt sümmeetriline. Teiseks leiti, et igal laetud leptonil (elektronil, müonil ja tau leptonil) on oma neutriino tüüp või maitse. Pealegi interakteeruvad igat tüüpi neutriinod ainult oma leptonitega.

Tuleme tagasi oma päikeseprobleemi juurde. Veel 1950. aastatel tehti ettepanek, et leptoni maitset (teatud tüüpi neutriino) ei tohiks säilitada. See tähendab, et kui ühes reaktsioonis sündis elektronneutriino, siis teel teisele reaktsioonile võib neutriino riideid vahetada ja müüonina joosta. See võib seletada päikeseneutriinode puudumist radiokeemilistes katsetes, mis on tundlikud ainult elektronneutriinode suhtes. Seda hüpoteesi kinnitasid hiilgavalt päikese neutriinovoo mõõtmised stsintillatsioonikatsetes suure veesihtmärgi SNO ja Kamiokandega (mille eest anti hiljuti veel üks Nobeli preemia). Nendes katsetes ei uurita enam pöörd-beetalagunemist, vaid neutriinode hajumise reaktsiooni, mis võib toimuda mitte ainult elektronide, vaid ka müüonneutriinode puhul. Kui elektronneutriinode voo asemel hakati mõõtma igat tüüpi neutriinode koguvoogu, kinnitasid tulemused suurepäraselt neutriinode üleminekut ühelt tüübilt teisele ehk neutriinode võnkumisi.

Standardmudeli rünnak

Neutriinode võnkumiste avastamine, lahendades ühe probleemi, tekitas mitu uut. Põhimõte on see, et alates Pauli ajast on neutriinosid peetud massituteks osakesteks nagu footonid ja see sobis kõigile. Katsed neutriino massi mõõtmiseks jätkusid, kuid ilma suurema entusiasmita. Kõik on muutnud võnkumised, sest nende olemasoluks on mass, olgu see nii väike kui tahes, hädavajalik. Massi avastamine neutriinodes rõõmustas muidugi eksperimenteerijaid, kuid tekitas hämmingut teoreetikud. Esiteks ei sobi massiivsed neutriinod osakeste füüsika standardmudelisse, mida teadlased on ehitanud alates 20. sajandi algusest. Teiseks on neutriino sama salapärane vasakukäelisus ja antineutriino paremkäelisus hästi seletatav ainult massitute osakeste puhul. Massi olemasolul peaksid vasakukäelised neutriinod mõne tõenäosusega muutuma paremakäelisteks neutriinodeks ehk antiosakesteks, rikkudes pealtnäha kõigutamatut leptoniarvu jäävuse seadust, või isegi muutuma mingisugusteks neutriinodeks, mis seda ei tee. interaktsioonis osaleda. Tänapäeval nimetatakse selliseid hüpoteetilisi osakesi steriilseteks neutriinodeks.

Super-Kamiokande neutriinodetektor © Kamioka Observatoorium, ICRR (kosmiliste kiirte uurimise instituut), Tokyo ülikool

Loomulikult jätkusid neutriino massi eksperimentaalsed otsingud kohe järsult. Kuid kohe tekkis küsimus: kuidas mõõta millegi massi, mida ei saa kuidagi kinni püüda? On ainult üks vastus: neutriinosid üldse mitte püüda. Praeguseks on kõige aktiivsemalt arendamisel kaks suunda – neutriinode massi otsene otsimine beeta-lagunemisel ja neutriinovaba topelt-beetalagunemise vaatlemine. Esimesel juhul on idee väga lihtne. Tuum laguneb elektroni ja neutriino emissiooniga. Neutriinot ei ole võimalik püüda, küll aga on võimalik väga suure täpsusega püüda ja mõõta elektroni. Elektronispekter kannab ka teavet neutriino massi kohta. Selline eksperiment on osakeste füüsikas üks keerukamaid, kuid selle vaieldamatu eelis on see, et see põhineb energia ja impulsi jäävuse põhiprintsiipidel ning selle tulemus sõltub vähe. Nüüd on neutriino massi parim piir umbes 2 eV. See on 250 tuhat korda vähem kui elektron. See tähendab, et massi ennast ei leitud, vaid seda piiras ainult ülemine raam.

Topelt-beeta-lagunemisega on kõik keerulisem. Kui eeldada, et neutriino muutub pöörlemise käigus antineutriinoks (see mudel on nime saanud itaalia füüsiku Ettore Majorana järgi), siis on võimalik protsess, kus tuumas toimub samaaegselt kaks beetalagunemist, kuid neutriinod ei lenda välja. aga leping. Sellise protsessi tõenäosus on seotud neutriino massiga. Selliste katsete ülempiirid on paremad – 0,2 – 0,4 eV, kuid sõltuvad füüsilisest mudelist.

Massiivset neutriinoprobleemi pole veel lahendatud. Higgsi teooria ei suuda nii väikeseid masse seletada. See nõuab märkimisväärset komplikatsiooni või mõne kavalama seaduse kaasamist, mille järgi neutriinod muu maailmaga suhtlevad. Neutriinode uurimisega seotud füüsikutele esitatakse sageli küsimus: „Kuidas saab neutriinode uurimine tavalist võhikut aidata? Millist rahalist või muud kasu võib sellest osakesest saada? Füüsikud kehitavad õlgu. Ja nad tõesti ei tea seda. Kunagi kuulus pooljuhtdioodide uurimine puhtalt fundamentaalfüüsika alla, ilma selleta praktilise rakendamise. Erinevus seisneb selles, et tehnoloogiaid, mida arendatakse kaasaegsete neutriinofüüsika eksperimentide loomiseks, kasutatakse juba tööstuses laialdaselt, nii et iga sellesse valdkonda investeeritud sent tasub end üsna kiiresti ära. Nüüd tehakse maailmas mitmeid katseid, mille mastaap on võrreldav Suure Hadronipõrgeti mastaabiga; need katsed on suunatud eranditult neutriinode omaduste uurimisele. Kumba saab avada uus leht füüsikas on see teadmata, kuid see avastatakse kindlasti.

Mis on väikseim teadaolev osake? Tänapäeval peetakse neid universumi väikseimateks osakesteks. Universumi väikseim osake on Plancki osake must auk(Planck Black Hole), mis seni eksisteerib vaid teoreetiliselt. Plancki must auk – kõigist mustadest aukudest väikseim (massispektri diskreetsuse tõttu) – on omamoodi piiriobjekt. Kuid universumis avastati ka selle väikseim osake, mida nüüd hoolikalt uuritakse.

Venemaa kõrgeim punkt asub Kaukaasias. Siis muutusid kõige väiksemateks osakesteks mesonid, seejärel bosonid. See osake kuulub mustade aukude kategooriasse, kuna selle gravitatsiooniraadius on suurem kui kumbki pikkusega võrdne lained. Kõigist olemasolevatest mustadest aukudest on Plancki auk väikseim.

Ja need tekivad, nagu tavaliselt arvatakse, tuumareaktsioonide tulemusena. Hoolimata selle väikseima osakese sellisest hüpoteetilisest olemasolust universumis, on selle praktiline avastamine tulevikus täiesti võimalik. Selle tuvastamiseks loodi installatsioon, millest ainult Maa kõige laisem elanik polnud kuulnud – suur hadronite põrgataja. Higgsi boson sisse Sel hetkel väikseim osake neist, mille olemasolu on praktiliselt tõestatud.

Ja kui osakestel poleks massi, ei saaks universum eksisteerida. Selles ei saanud tekkida ainsatki ainet. Vaatamata selle osakese, Higgsi bosoni praktilisele tõestatud olemasolule, pole selle praktilisi rakendusi veel leiutatud. Meie maailm on tohutu ja selles toimub iga päev midagi huvitavat, midagi ebatavalist ja põnevat. Jääge meiega ja õppige kõige rohkem huvitavaid fakte kõikjalt maailmast, ebatavalistest inimestest või asjadest, looduse või inimese loomingust.

Elementaarosake on osake, millel puudub sisemine struktuur, see tähendab, et see ei sisalda teisi osakesi [u. üks]. Elementaarosakesed on kvantväljateooria põhiobjektid. Neid saab klassifitseerida spinni järgi: fermionidel on pooltäisarvuline spin, bosonitel aga täisarvuline spin. Elementaarosakeste füüsika standardmudel on teooria, mis kirjeldab elementaarosakeste omadusi ja vastastikmõjusid.

Neid klassifitseeritakse vastavalt nende osalemisele tugevas interaktsioonis. Hadroneid määratletakse kui tugevalt interakteeruvaid liitosakesi. Vaata ka parton (osake). Nende hulka kuuluvad pion, kaon, J/ψ meson ja paljud muud tüüpi mesonid. Tuumareaktsioonid ja radioaktiivne lagunemine võib muuta ühe nukliidi teiseks.

Aatom koosneb väikesest raskest positiivselt laetud tuumast, mida ümbritseb suhteliselt suur kerge elektronide pilv. On ka lühiealisi eksootilisi aatomeid, milles tuuma (positiivselt laetud osakese) rolli täidab positroon (positronium) või positiivne müüon (muoonium).

Kahjuks pole neid veel kuidagi õnnestunud registreerida ja need on olemas vaid teoreetiliselt. Ja kuigi tänapäeval on mustade aukude tuvastamiseks välja pakutud katseid, on nende rakendamise võimalus oluline probleem. Vastupidi, väikesed asjad võivad jääda märkamatuks, kuigi see ei muuda neid vähem tähtsaks. Haragua sfäär (Sphaerodactylus ariasae) on maailma väikseim roomaja. Selle pikkus on vaid 16-18 mm ja kaal 0,2 grammi.

Kõige väiksemad asjad maailmas

Väikseim üheahelaline DNA viirus on sigade tsirkoviirus. Per eelmisel sajandil teadus on astunud tohutu sammu universumi avaruse ja selle mikroskoopiliste ehitusmaterjalide mõistmise suunas.

Kunagi peeti aatomit väikseimaks osakeseks. Siis avastasid teadlased prootoni, neutroni ja elektroni. Nüüd teame, et osakesi kokku surudes (nagu näiteks Large Hadron Collideris) saab neid lagundada veelgi rohkemateks osakesteks, näiteks kvarkideks, leptoniteks ja isegi antiaineks. Probleem on ainult selles, et teha kindlaks, mis on vähem. Nii et mõnel osakesel puudub mass, mõnel on negatiivne mass. Selle küsimuse lahendus on sama, mis nulliga jagamine, st võimatu.

Kas sa arvad, et selles on midagi?, nimelt: Väikseim osake on Higgsi bason.

Ja kuigi sellistel stringidel pole füüsilisi parameetreid, viib inimese kalduvus kõike õigustada, et järeldada, et tegemist on universumi väikseimate objektidega. Astronoomia ja teleskoobid → Astronoomi ja astrofüüsiku küsimus ja vastus → Kas teie arvates on selles midagi?, nimelt…

Kõige väiksem viirus

Fakt on see, et selliste osakeste sünteesiks on vaja saavutada kiirendis 1026 elektronvoldine energia, mis on tehniliselt võimatu. Selliste osakeste mass on umbes 0,00001 grammi ja raadius on 1/1034 meetrit. Sellise musta augu lainepikkus on võrreldav selle gravitatsiooniraadiuse suurusega.

Kus on Maa universumis? Mis oli universumis enne suurt pauku? Mis juhtus enne universumi teket? Kui vana on universum? Nagu selgus, polnud see 13-aastase poisi kollektsioonis ainus laskemoon. Selliste osakeste struktuur on kriitiliselt minimaalne - neil pole peaaegu mingit massi ega aatomilaengut, kuna tuum on liiga väike. On numbreid, mis on nii uskumatult, uskumatult suured, et nende üleskirjutamiseks kuluks kogu universumil.

Kõige väiksemad palja silmaga nähtavad objektid

Google, sündinud 1920. aastal, et hoida lastes huvi suured numbrid. Miltoni sõnul on see arv, mille alguses on 1 ja seejärel nii palju nulle, kui jõuate enne väsimist kirjutada. Kui me räägime suurimast olulisest numbrist, siis on mõistlik argument, et see tähendab tõesti seda, et peate leidma suurima arvu väärtusega, mis maailmas tegelikult eksisteerib.

Seega on Päikese mass tonnides väiksem kui naelades. Suurim arv mis tahes reaalse maailma rakendusega – või antud juhul pärismaailma rakendusega – on ilmselt üks viimaseid hinnanguid universumite arvu kohta multiversumis. See arv on nii suur, et inimese aju sõna otseses mõttes ei suuda ta kõiki neid erinevaid universumeid tajuda, kuna aju on võimeline vaid ligikaudselt konfigureerima.

Siin on kogumik maailma väikseimatest asjadest, alates pisikestest mänguasjadest, miniatuursetest loomadest ja inimestest kuni hüpoteetilise subatomaarse osakeseni. Aatomid on väikseimad osakesed, milleks saab ainet keemiliste reaktsioonide teel jagada. Maailma väikseima teekannu lõi tunnustatud keraamik Wu Ruishen ja see kaalub vaid 1,4 grammi. 2004. aastal sai Rumaisa Rahmanist väikseim vastsündinud laps.

Küsimusele, mis on universumi väikseim osake? Quark, Neutrino, Higgsi boson või Plancki must auk? antud autori poolt Kaukaasia parim vastus on põhiosakeste suurus on null (raadius on null). Kaalu järgi. Seal on nullmassiga osakesi (footon, gluoon, graviton). Massiivsetest on neutriinodel väikseim mass (alla 0,28 eV / s ^ 2, täpsemalt pole neid veel mõõdetud). Sagedus, aeg - ei ole osakeste omadused. Elu aegadest võib rääkida, aga see on hoopis teine ​​vestlus.

Vastus alates õmblema[guru]
Mosk Zerobubus.

Vastus alates Mihhail Levin[guru]
tegelikult mikromaailmas "suuruse" mõiste praktiliselt puudub. Noh, tuuma kohta saab ikka rääkida mingist suuruse analoogist, näiteks elektronide kiirest sinna sattumise tõenäosuse kaudu, aga väiksemate puhul mitte.

Vastus alates ristima[guru]
elementaarosakese "suurus" - osakese omadus, mis peegeldab selle massi või elektrilaengu ruumilist jaotust; tavaliselt räägitakse nö. elektrilaengu jaotuse ruutkeskraadius (mis iseloomustab samaaegselt ka massijaotust)
Mõõtmisbosonid ja leptonid ei näita tehtud mõõtmiste täpsuse piires lõplikke "suurusi". See tähendab, et nende "suurused"< 10^-16 см
Erinevalt tõelistest elementaarosakestest on hadronite "mõõtmed" piiratud. Nende iseloomuliku ruutkeskmise raadiuse määrab suletusraadius (või kvarkide piiramine) ja see on suurusjärgus 10-13 cm. Sel juhul on see muidugi hadroniti erinev.

Vastus alates Kirill Odding[guru]
Üks suurtest füüsikutest ütles (mitte Niels Bohr tund aega?) "Kui teil õnnestub kvantmehaanikat visuaalselt selgitada, mine ja võtke oma Nobeli preemia."

Vastus alates SerKood Sergei Polikanov[guru]
Mis on universumi väikseim elementaarosake?
Gravitatsiooniefekti tekitavad elementaarosakesed.
Isegi vähem?
Elementaarosakesed, mis panevad liikuma need, mis tekitavad gravitatsiooniefekti
aga nemadki osalevad selles.
On isegi väiksemaid elementaarosakesi.
Nende parameetrid ei mahu isegi arvutustesse, sest struktuurid ja nende füüsikalised parameetrid on teadmata.

Vastus alates Miša Nikitin[aktiivne]
KVARK

Vastus alates Matipati kipirofinovitš[aktiivne]
PLANKO MUST AUK

Vastus alates Vend qwerty[algaja]
Kvargid on maailma väikseimad osakesed. Universumi jaoks pole suuruse mõistet, see on piiramatu. Kui leiutada masin inimese vähendamiseks, siis on võimalik kahandada lõpmatult vähem, vähem, vähem ... Jah, Kvark on väikseim "osake" Kuid on midagi, mis on väiksem kui osake. Kosmos. Mitte. Sellel on. suurus.

Vastus alates Anton Kurochka[aktiivne]
Prootonneutron 1*10^-15 1 femtomeeter
Quark-U Quark-D Electron 1*10^-18 1 attomeeter
Quark-S 4*10^-19 400 tseptomeetrit
Quark-C 1*10^-19 100 tseptomeetrit
Quark-B 3*10^-20 30 tseptomeetrit
Kõrge energiaga neutriino 1,5*10^-20 15 tseptomeetrit
Preoon 1*10^-21 1 tseptomeeter
Quark-T 1*10^-22 100 yoktomeetrit
MeV Neutrino 2*10^-23 20 yoktomeetrit
Neutrino 1*10^-24 1 yoktomeeter (väga väike!!!) -
Plonk osake 1,6*10^-35 0,000 000 000 016 yoktomeeter
Kvantvaht Quantum string 1*10^-35 0.000 000 000 01 yoktomeeter
See on osakeste suuruste tabel. Ja siin näete, et väikseim osake on Plancki osake, kuid kuna see on liiga väike, on Neutrino väikseim osake. Kuid universumi jaoks on ainult Plancki pikkus väiksem

Füüsikaliste ja matemaatikateaduste doktor M. KAGANOV.

Pika traditsiooni kohaselt räägib ajakiri "Teadus ja elu" viimastest saavutustest kaasaegne teadus, viimaste avastuste kohta füüsikas, bioloogias ja meditsiinis. Kuid selleks, et mõista, kui olulised ja huvitavad need on, on vaja vähemalt üldiselt omama arusaama teaduse põhitõdedest. Kaasaegne füüsika areneb kiiresti ja vanema põlvkonna inimestele, kes õppisid koolis ja instituudis 30–40 aastat tagasi, pole paljud selle sätted tuttavad: neid lihtsalt polnud siis. Ja meie noortel lugejatel pole veel olnud aega nende kohta õppida: populaarteaduslik kirjandus avaldamine praktiliselt lakkas. Seetõttu palusime ajakirja kauaaegsel autoril M. I. Kaganovil rääkida meile aatomitest ja elementaarosakestest ning neid reguleerivatest seadustest, sellest, mis asi on. Moisei Isaakovich Kaganov on teoreetiline füüsik, mitmesaja tahkete ainete kvantteooria, metallide teooria ja magnetismi teemalise töö autor ja kaasautor. Ta oli V.I. nimelise Füüsiliste Probleemide Instituudi juhtiv liige. P. L. Kapitsa ja Moskva Riikliku Ülikooli professor. M. V. Lomonosov, ajakirjade "Nature" ja "Quantum" toimetuskolleegiumi liige. Paljude populaarteaduslike artiklite ja raamatute autor. Praegu elab Bostonis (USA).

Teadus ja elu // Illustratsioonid

Kreeka filosoof Demokritos oli esimene, kes kasutas sõna "aatom". Tema õpetuse järgi on aatomid jagamatud, hävimatud ja pidevas liikumises. Nad on lõputult mitmekesised, neil on süvendid ja punnid, millega nad haakuvad, moodustades kõik materiaalsed kehad.

Tabel 1. Elektronide, prootonite ja neutronite olulisemad omadused.

deuteeriumi aatom.

Selle asutajaks peetakse inglise füüsikut Ernst Rutherfordi tuumafüüsika, radioaktiivsuse doktriin ja aatomi ehituse teooria.

Pildil: volframkristalli pind suurendatud 10 miljonit korda; iga hele täpp on tema individuaalne aatom.

Teadus ja elu // Illustratsioonid

Teadus ja elu // Illustratsioonid

Kiirgusteooria loomisel jõudis Max Planck 1900. aastal järeldusele, et kuumutatud aine aatomid peaksid kiirgama valgust osadena, kvantidena, mille toimemõõde (J.s) ja energia on võrdeline kiirgussagedusega: E. \u003d hn.

1923. aastal kandis Louis de Broglie Einsteini idee valguse duaalsest olemusest – laine-osakeste duaalsusest – mateeriasse: osakese liikumine vastab lõpmatu laine levimisele.

Difraktsioonikatsed kinnitasid veenvalt de Broglie teooriat, mis väitis, et iga osakese liikumisega kaasneb laine, mille pikkus ja kiirus sõltuvad osakese massist ja energiast.

Teadus ja elu // Illustratsioonid

Kogenud piljardimängija teab alati, kuidas pallid pärast tabamust veerevad, ja lööb need hõlpsalt taskusse. Aatomiosakestega on see palju keerulisem. Lendava elektroni trajektoori on võimatu näidata: see pole mitte ainult osake, vaid ka laine, ruumis lõpmatu.

Öösel, kui taevas pole pilvi, kuud pole näha ja tuled ei sega, on taevas täis eredalt säravaid tähti. Pole vaja otsida tuttavaid tähtkujusid ega püüda leida Maale lähedasi planeete. Lihtsalt vaata! Proovige ette kujutada tohutut ruumi, mis on täidetud maailmadega ja ulatub miljardeid miljardeid valgusaastaid. Vaid kauguse tõttu tunduvad maailmad olevat punktid ja paljud neist on nii kaugel, et ei ole eraldi eristatavad ja sulanduvad udukoguks. Tundub, et oleme universumi keskpunktis. Nüüd teame, et see pole nii. Geotsentrismi tagasilükkamine on teaduse suur teene. Kulus palju pingutust, et mõista, et väike Maa liigub juhuslikus, näiliselt jaotamata piiritu (sõna otseses mõttes!) ruumi osas.

Kuid elu tekkis Maal. See arenes nii edukalt, et õnnestus luua inimene, kes on võimeline mõistma ümbritsevat maailma, otsima ja leidma loodust reguleerivaid seadusi. Inimkonna saavutused loodusseaduste tundmisel on nii muljetavaldavad, et tahes-tahtmata tunneb ta uhkust selle üle, et kuulub sellesse mõistuse näputäiesse, mis on eksinud tavalise galaktika perifeeriasse.

Arvestades kõike, mis meid ümbritseb, on üldiste seaduste olemasolu hämmastav. See pole vähem silmatorkav kõik on ehitatud ainult kolme tüüpi osakestest – elektronidest, prootonitest ja neutronitest.

Selleks, et põhilisi loodusseadusi kasutades tuletada erinevate vaadeldavaid ja ennustada uusi omadusi erinevaid aineid ja objektid, kompleks matemaatilised teooriad, mida pole lihtne mõista. Aga kontuurid teaduslik pilt Maailma saab mõista ilma ranget teooriat kasutamata. See nõuab loomulikult soovi. Kuid mitte ainult: isegi esialgne tuttav peab natuke tööd tegema. Tuleb püüda mõista uusi fakte, tundmatuid nähtusi, mis esmapilgul ei ühti olemasoleva kogemusega.

Teaduse saavutused viivad sageli mõttele, et selle jaoks pole "miski püha": see, mis oli eile tõsi, heidetakse täna kõrvale. Teadmiste abil tekib arusaam, kui aupaklikult suhtub teadus igasse kogunenud kogemuste tera, millise ettevaatusega liigub edasi, eriti neil juhtudel, kui on vaja juurdunud ideid hüljata.

Selle loo eesmärk on tutvustada anorgaaniliste ainete struktuuri põhijooni. Vaatamata nende lõputule mitmekesisusele on nende struktuur suhteliselt lihtne. Eriti kui võrrelda mis tahes, isegi kõige lihtsama elusorganismiga. Kuid on üks ühine joon: kõik elusorganismid, nagu anorgaanilised ained koosnevad elektronidest, prootonitest ja neutronitest.

Mõõtmatust on võimatu omaks võtta: selleks, et vähemalt üldjoontes elusorganismide ehitust kurssi viia, on vaja erilist lugu.

Asjade, esemete mitmekesisus – kõik, mida me kasutame, mis meid ümbritseb, on piiritu. Mitte ainult nende otstarbes ja struktuuris, vaid ka nende loomiseks kasutatud materjalides - ainetes, nagu öeldakse, kui nende funktsiooni pole vaja rõhutada.

Ained, materjalid näevad välja tahked ja puudutus kinnitab seda, mida silmad näevad. Näib, et erandeid pole. Voolav vesi ja tahke metall, mis on üksteisest nii erinevad, on ühes asjas sarnased: nii metall kui vesi on tahked. Tõsi, soola või suhkrut saab vees lahustada. Nad leiavad oma koha vees. Jah ja sisse tahke, näiteks saab puuplaadi sisse lüüa naela. Märkimisväärse pingutusega on võimalik saavutada, et koha, mille hõivas puu, hõivab raudnael.

Teame väga hästi, et tahke keha küljest saab lahti murda väikese tüki, purustada võib praktiliselt iga materjali. Mõnikord on see raske, mõnikord juhtub see spontaanselt, ilma meie osaluseta. Kujutage ette, et olete rannas, liival. Me mõistame, et liivatera pole kaugeltki liiva moodustava aine väikseim osake. Kui proovite, saate liivaterasid vähendada näiteks rullide kaudu - läbi kahe väga kõva metalli silindri. Rullide vahele sattudes purustatakse liivatera väiksemateks tükkideks. Tegelikult tehakse nii jahu veskites teraviljast.

Nüüd, mil aatom on kindlalt meie maailmavaatesse sisenenud, on väga raske ette kujutada, et inimesed ei teadnud, kas purustamisprotsess on piiratud või kas ainet on võimalik lõpmatuseni purustada.

Pole teada, millal inimesed esimest korda endale selle küsimuse esitasid. See registreeriti esmakordselt Vana-Kreeka filosoofide kirjutistes. Mõned neist uskusid, et ükskõik kui fraktsionaalne aine on, võimaldab see jagada veelgi väiksemateks osadeks – piiri pole. Teised on väitnud, et on olemas pisikesed jagamatud osakesed, mis moodustavad kõik. Rõhutamaks, et need osakesed on purustamise piiriks, nimetasid nad neid aatomiteks (vanakreeka keeles tähendab sõna "aatom" jagamatut).

On vaja nimetada need, kes esitasid esimesena idee aatomite olemasolust. Need on Demokritos (sündinud umbes 460 või 470 eKr, suri küpses eas) ja Epikuros (341–270 eKr). Seega on aatomiteadus peaaegu 2500 aastat vana. Aatomite ideed ei võtnud kõik kohe omaks. Isegi 150 aastat tagasi oli vähe inimesi, kes olid aatomite olemasolus kindlad, isegi teadlaste seas.

Seda seetõttu, et aatomid on väga väikesed. Neid ei saa näha mitte ainult palja silmaga, vaid ka näiteks 1000 korda suurendava mikroskoobiga. Mõelgem: kui suured on kõige väiksemad osakesed, mida on võimalik näha? Kell erinevad inimesed erinev nägemus, kuid tõenäoliselt nõustuvad kõik, et osakest, mis on väiksem kui 0,1 millimeetrit, on võimatu näha. Seega, kui kasutate mikroskoopi, näete, kuigi vaevaliselt, osakesi, mille suurus on umbes 0,0001 millimeetrit ehk 10–7 meetrit. Võrreldes aatomite suurusi ja aatomitevahelisi kaugusi (10–10 meetrit) pikkusega, mis on meie poolt aktsepteeritud nägemisvõime piiriks, saame aru, miks mis tahes aine meile tahkena tundub.

2500 aastat on pikk aeg. Ükskõik, mis maailmas ka ei juhtuks, on alati olnud inimesi, kes on püüdnud vastata küsimusele, kuidas maailm nende ümber toimib. Mõnikord muretsesid maailmakorralduse probleemid rohkem, mõnikord vähem. Teadus selle tänapäevases tähenduses sündis suhteliselt hiljuti. Teadlased on õppinud eksperimenteerima – esitama loodusele küsimusi ja mõistma selle vastuseid, looma teooriaid, mis kirjeldavad katsete tulemusi. Teooriad nõudsid kehtivate järelduste tegemiseks rangeid matemaatilisi meetodeid. teadus läbis pikk tee. Sellel teel, mis sai füüsika jaoks alguse umbes 400 aastat tagasi Galileo Galilei (1564-1642) töödega, saadi lõpmatult palju teavet aine ehituse ja kehade omaduste kohta. erinev olemus avastanud ja mõistnud lõpmatu hulga erinevaid nähtusi.

Inimkond on õppinud loodust mitte ainult passiivselt mõistma, vaid ka seda oma eesmärkidel kasutama.

Me ei võta arvesse aatomikontseptsioonide arengu ajalugu 2500 aasta jooksul ja füüsika ajalugu viimase 400 aasta jooksul. Meie ülesanne on rääkida võimalikult lühidalt ja selgelt sellest, millest ja kuidas kõik on ehitatud - meid ümbritsevad objektid, kehad ja meie ise.

Nagu juba mainitud, koosneb kogu aine elektronidest, prootonitest ja neutronitest. Ma tean sellest alates kooliaastaid, kuid mind ei lakka hämmastama, et kõik on ehitatud ainult kolme tüüpi osakestest! Aga maailm on nii mitmekesine! Lisaks on üsna ühetaolised ka vahendid, mida loodus ehituse teostamiseks kasutab.

Erinevat tüüpi ainete järjekindel kirjeldus on keeruline teadus. Ta kasutab tõsist matemaatikat. Tuleb rõhutada, et muud lihtsat teooriat pole olemas. Aga füüsikalised põhimõtted, mis on ainete struktuuri ja omaduste mõistmise aluseks, kuigi need ei ole triviaalsed ja neid on raske ette kujutada, on siiski võimalik mõista. Püüame oma looga aidata kõiki, keda huvitab selle maailma struktuur, milles me elame.

Tundub, et kõige loomulikum viis mõista, kuidas teatud keeruline seade(mänguasi või mehhanism) - võtke lahti, lagunege selle koostisosadeks. Peate lihtsalt olema väga ettevaatlik, pidades meeles, et seda on palju keerulisem voltida. "Lõhkuda - mitte ehitada" - ütleb rahvatarkus. Ja veel üks asi: võib-olla saame aru, millest seade koosneb, kuid see, kuidas see töötab, on ebatõenäoline. Mõnikord on vaja üks kruvi lahti keerata ja ongi kõik – seade on lakanud töötamast. On vaja mitte niivõrd lahti võtta, vaid mõista.

Kuna me ei räägi kõigi meid ümbritsevate objektide, asjade, organismide tegelikust lagunemisest, vaid kujuteldavast, see tähendab vaimsest, mitte reaalsest kogemusest, siis ei pea te muretsema: te ei tee seda. tuleb koguda. Samuti ärgem koonerdagem pingutustega. Me ei mõtle sellele, kas seadet on keeruline või lihtne selle osadeks lahutada. Oota sekund. Ja kuidas me teame, et oleme jõudnud piirini? Võib-olla jõuame suurema vaevaga kaugemale? Tunnistame endale: me ei tea, kas oleme piirini jõudnud. Peame kasutama üldtunnustatud arvamust, mõistes, et see pole kuigi usaldusväärne argument. Kuid kui mäletate, et see on ainult üldtunnustatud arvamus, mitte lõplik tõde, siis on oht väike.

Nüüd on üldiselt aktsepteeritud, et elementaarosakesed on detailid, millest kõik on ehitatud. Ja kuigi mitte kõik. Vaadates sobivat teatmeteost, veendume: elementaarosakesi on rohkem kui kolmsada. Elementaarosakeste rohkus pani meid mõtlema alamelementaarosakeste olemasolu võimalikkusele - osakestele, mis moodustavad elementaarosakesed ise. Nii sündis kvarkide idee. Neil on see hämmastav vara, mida vabas riigis ilmselt ei eksisteeri. Kvarke on üsna palju - kuus ja igal neist on oma antiosakesed. Võib-olla pole teekond mateeria sügavustesse lõppenud.

Meie loo jaoks pole elementaarosakeste rohkus ja alamelementaarosakeste olemasolu hädavajalik. Elektronid, prootonid ja neutronid on otseselt seotud ainete ehitusega – kõik ehitatakse ainult neist.

Enne kui arutleme pärisosakeste omaduste üle, mõelgem, kuidas me tahaksime näha detaile, millest kõik on ehitatud. Kui rääkida sellest, mida me näha tahaksime, siis peame loomulikult arvestama vaadete mitmekesisusega. Toome välja mõned funktsioonid, mis tunduvad kohustuslikud.

Esiteks peab elementaarosakestel olema võime ühineda erinevateks struktuurideks.

Teiseks tahaksin arvata, et elementaarosakesed on hävimatud. Teades, kui pikk ajalugu on maailmal, on raske ette kujutada, et osakesed, millest see koosneb, on surelikud.

Kolmandaks tahaksin, et detaile ise ei oleks liiga palju. Ehitusplokke vaadates näeme, kuidas samadest elementidest saab luua erinevaid hooneid.

Tutvudes elektronide, prootonite ja neutronitega, näeme, et nende omadused ei lähe vastuollu meie soovidega ning lihtsuseihalus vastab kahtlemata sellele, et kõigi ainete ehituses osalevad vaid kolme tüüpi elementaarosakesed.

Toome välja elektronide, prootonite ja neutronite olulisemad omadused. Need on kogutud tabelisse 1.

Laengu suurus on antud kulonides, mass kilogrammides (SI ühikutes); sõnu "spin" ja "statistika" selgitatakse allpool.

Pöörakem tähelepanu osakeste masside erinevusele: prootonid ja neutronid on peaaegu 2000 korda raskemad kui elektronid. Järelikult on iga keha mass peaaegu täielikult määratud prootonite ja neutronite massiga.

Neutron, nagu nimigi ütleb, on neutraalne – selle laeng on null. Prootonil ja elektronil on sama suurusjärk, kuid märgilaengud on vastupidised. Elektron on negatiivselt laetud ja prooton positiivselt laetud.

Osakeste omaduste hulgas pole näiliselt olulist tunnust - nende suurust. Materiaalseteks punktideks võib pidada aatomite ja molekulide struktuuri kirjeldamist, elektrone, prootoneid ja neutroneid. Prootoni ja neutroni suurust tuleb meeles pidada ainult aatomituumade kirjeldamisel. Isegi aatomite suurusega võrreldes on prootonid ja neutronid koletu väikesed (suurusjärgus 10-16 meetrit).

Põhimõtteliselt on see lühike osa taandatud elektronide, prootonite ja neutronite kui kõigi looduses leiduvate kehade ehitusplokkide esitlemisele. Võiksime piirduda lihtsalt tabeliga 1, kuid me peame mõistma, kuidas elektronidest, prootonitest ja neutronitest teostatakse ehitust, mille tõttu osakesed ühinevad rohkemaks keerulised struktuurid ja mis need struktuurid on.

Aatomeid on palju. Vajalikuks ja võimalikuks osutus nende eriline korraldamine. Järjestamine võimaldab rõhutada aatomite erinevust ja sarnasust. Aatomite mõistlik paigutus on D. I. Mendelejevi (1834-1907) teene, kes sõnastas tema nime kandva perioodilise seaduse. Kui perioodide olemasolu ajutiselt ignoreerida, siis on elementide paigutuse põhimõte ülimalt lihtne: need on järjestatud järjestikku vastavalt aatomite massile. Kõige kergem on vesinikuaatom. Viimane looduslik (mitte kunstlikult loodud) aatom on uraani aatom, mis on temast üle 200 korra raskem.

Aatomite struktuuri mõistmine selgitas perioodilisuse olemasolu elementide omadustes.

Päris 20. sajandi alguses näitas E. Rutherford (1871-1937) veenvalt, et peaaegu kogu aatomi mass on koondunud selle tuumasse – väikesesse (isegi aatomiga võrreldes) ruumipiirkonda: aatomi raadius. tuum on ligikaudu 100 tuhat korda suurem väiksem suurus aatom. Kui Rutherford katseid tegi, ei olnud neutronit veel avastatud. Neutroni avastamisega saadi aru, et tuumad koosnevad prootonitest ja neutronitest ning loomulik on kujutada aatomit tuumana, mida ümbritsevad elektronid, mille arv võrdub prootonite arvuga tuumas – ju , on aatom tervikuna neutraalne. Nagu prootonid ja neutronid ehitusmaterjal tuumad on ühiselt tuntud kui nukleonid (ladina keelest tuum- tuum). See on nimi, mida me kasutame.

Nukleonide arvu tuumas tähistatakse tavaliselt tähega AGA. Selge see A = N + Z, kus N on neutronite arv tuumas ja Z- prootonite arv, mis võrdub elektronide arvuga aatomis. Number AGA nimetatakse aatommassiks ja Z- aatomnumber. Sama aatomnumbriga aatomeid nimetatakse isotoopideks: perioodilisustabelis on nad samas rakus (kreeka keeles isos - võrdne , topos - koht). Fakt on see, et Keemilised omadused isotoobid on peaaegu identsed. Kui vaatate perioodilisustabelit hoolikalt läbi, näete, et rangelt võttes ei vasta elementide paigutus aatommass, vaid aatomnumber. Kui elemente on umbes 100, siis isotoope on üle 2000. Tõsi, paljud neist on ebastabiilsed ehk radioaktiivsed (ladina keelest raadio- kiirgama activus- aktiivne), nad lagunevad, eraldades erinevat kiirgust.

Rutherfordi katsed ei viinud mitte ainult aatomituumade avastamiseni, vaid näitasid ka, et aatomis toimivad samad elektrostaatilised jõud, mis tõrjuvad üksteisest sarnase laenguga kehasid ja meelitavad üksteise külge vastupidiselt laetud kehasid (näiteks elektroskoobi kuulid).

Aatom on stabiilne. Seetõttu liiguvad elektronid aatomis ümber tuuma: tsentrifugaaljõud kompenseerib tõmbejõudu. Selle mõistmine viis aatomi planeedimudeli loomiseni, milles tuum on Päike ja elektronid on planeedid (klassikalise füüsika seisukohalt on planetaarmudel ebajärjekindel, kuid sellest allpool) .

Aatomi suuruse hindamiseks on mitmeid viise. Erinevad hinnangud viivad sarnaste tulemusteni: aatomite suurused on loomulikult erinevad, kuid ligikaudu võrdne mitme kümnendikuga nanomeetrist (1 nm = 10–9 m).

Mõelge kõigepealt aatomi elektronide süsteemile.

AT Päikesesüsteem planeete tõmbab Päikese poole gravitatsioon. Aatomis toimib elektrostaatiline jõud. Seda nimetatakse sageli Coulombiks Charles Augustin Coulombi (1736–1806) järgi, kes tegi kindlaks, et kahe laengu vastasmõju jõud on pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga. Asjaolu, et kaks tasu K 1 ja K 2 tõmmatakse või tõrjutakse jõuga, mis on võrdne F C = Q 1 K 2 /r 2 , kus r- laengute vahelist kaugust nimetatakse "Coulombi seaduseks". Indeks" FROM" määratud sundima F Coulombi perekonnanime esitähega (prantsuse keeles Coulomb). Kõige erinevamate väidete hulgas on vähe neid, mida sama õigustatult nimetatakse seaduseks kui Coulombi seadust: selle kohaldamisala on ju praktiliselt piiramatu. Laetud kehad, olenemata nende suurusest, samuti aatomi- ja isegi subatomaarsed laetud osakesed – need kõik tõmbavad või tõrjuvad vastavalt Coulombi seadusele.

Inimestele tutvustatakse gravitatsiooni juba varakult. Kukkudes õpib ta austama Maa poole suunatud gravitatsioonijõudu. Kiirendatud liikumisega tutvumine algab tavaliselt kehade vabalangemise – keha liikumise gravitatsiooni mõjul – uurimisega.

Kahe massiga keha vahel M 1 ja M 2 mõjub jõud F N=- GM 1 M 2 /r 2 . Siin r- kehadevaheline kaugus, G- gravitatsioonikonstant on võrdne 6,67259,10 -11 m 3 kg -1 s -2 , indeks "N" on antud Newtoni (1643 - 1727) auks. Seda väljendit nimetatakse seaduseks gravitatsiooni rõhutades selle üldist iseloomu. Tugevus F N määrab galaktikate, taevakehade liikumise ja objektide langemise Maale. Universaalse gravitatsiooni seadus kehtib mis tahes kehadevahelise kauguse korral. Muutused gravitatsioonipildis, mis tehtud üldine teooria Einsteini relatiivsusteooriat (1879-1955) me ei maini.

Nii Coulombi elektrostaatiline jõud kui ka Newtoni universaalse gravitatsioonijõud on samad (nagu 1/ r 2) väheneb kehadevahelise kauguse suurenedes. See võimaldab võrrelda mõlema jõu toimet ükskõik millisel kehadevahelisel kaugusel. Kui võrrelda kahe prootoni Coulombi tõukejõudu suurusjärgus nende gravitatsioonilise külgetõmbejõuga, siis selgub, et F N / F C= 10 -36 (K 1 =K 2 = e p; M 1 = =M 2 =m p). Seetõttu ei mängi gravitatsioon aatomi struktuuris olulist rolli: see on elektrostaatilise jõuga võrreldes liiga väike.

Elektrilaengute tuvastamine ja nendevahelise vastasmõju mõõtmine pole keeruline. Kui elektrijõud on nii suur, siis miks pole see oluline, kui nad näiteks kukuvad, hüppavad, viskavad palli? Sest enamasti on meil tegemist neutraalsete (laetud) kehadega. Ruumis on alati palju laetud osakesi (elektrone, erineva märgiga ioone). Laetud keha tekitatud tohutu (aatomi skaalal) atraktiivse elektrijõu mõjul tormavad laetud osakesed selle allika juurde, kleepuvad keha külge ja neutraliseerivad selle laengu.

Väga raske on rääkida aatomitest ja veelgi väiksematest, subatomilistest osakestest, peamiselt seetõttu, et nende omadustel pole meie igapäevaelus analooge. Võib arvata, et osakesi, millest nii väikesed aatomid moodustavad, saab vormis mugavalt esitada materiaalsed punktid. Kuid kõik osutus palju keerulisemaks.

Osake ja laine... Näib, et isegi võrdlemine on mõttetu, nad on nii erinevad.

Tõenäoliselt kujutate lainele mõeldes ennekõike ette merepinna lainet. Lained kaldale tulevad avameri, lainepikkused – kahe järjestikuse harja vahelised kaugused – võivad olla erinevad. Lihtne on jälgida laineid, mille pikkus on mitu meetrit. Segamise ajal vee mass ilmselgelt kõigub. Laine katab märkimisväärse ala.

Laine on ajas ja ruumis perioodiline. Lainepikkus ( λ ) on ruumilise perioodilisuse mõõt. Lainete liikumise perioodilisus ajas on nähtav laineharjade kaldale jõudmise sageduses ja seda saab tuvastada näiteks ujuki üles-alla võnkumise järgi. Tähistagem laine liikumise perioodi - aega, mille jooksul üks laine läbib - tähega T. Perioodi pöördväärtust nimetatakse sageduseks ν = 1/T. Kõige lihtsamatel lainetel (harmoonilistel) on teatud sagedus, mis ajas ei muutu. Mis tahes keerulist laineliikumist saab kujutada lihtsate lainete kogumina (vt "Teadus ja elu" nr 11, 2001). Rangelt võttes hõivab lihtne laine lõpmatu ruumi ja eksisteerib lõputult. Osake, nagu me seda ette kujutame, ja laine on täiesti erinevad.

Alates Newtoni ajast on vaieldud valguse olemuse üle. Mis on valgus - osakeste kogum (korpusklid, ladina keelest korpuskulum- keha) või lained? Teooriad on pikka aega võistelnud. Laineteooria võitis: korpuskulaarteooria ei suutnud seletada eksperimentaalseid fakte (valguse interferents ja difraktsioon). Laineteooria tuli kergesti toime valguskiire sirgjoonelise levimisega. Olulist rolli mängis asjaolu, et valguslainete lainepikkus on igapäevaste mõistete kohaselt väga väike: lainepikkuste vahemik. nähtav valgus 380 kuni 760 nanomeetrit. Lühem elektromagnetlained- ultraviolett-, röntgen- ja gammakiired ning pikemad - infrapuna-, millimeetri-, sentimeetri- ja kõik muud raadiolained.

19. sajandi lõpuks tundus valguse laineteooria võit korpuskulaarse üle lõplik ja pöördumatu. 20. sajand tegi aga tõsiseid korrektiive. See tundus olevat valgus või lained või osakesed. Selgus – nii lained kui ka osakesed. Valguse osakeste ja selle kvantide jaoks, nagu öeldakse, leiutati spetsiaalne sõna - "footon". Sõna "kvant" pärineb ladinakeelsest sõnast kvant- kui palju ja "footon" - alates Kreeka sõna fotod- valgus. Osakeste nime tähistavatel sõnadel on enamikul juhtudel lõpp ta. Üllataval kombel käitub valgus mõnes katses nagu lained, teistes aga nagu osakeste voog. Järk-järgult õnnestus ehitada teooria, mis ennustab, kuidas, millises katses valgus käitub. Praegu aktsepteerivad seda teooriat kõik, valguse erinev käitumine enam ei üllata.

Esimesed sammud on alati eriti rasked. Pidin minema vastuollu teaduses väljakujunenud arvamusega, väljendama väiteid, mis tundusid ketserlusena. Tõelised teadlased usuvad siiralt teooriasse, mida nad vaadeldavate nähtuste kirjeldamiseks kasutavad. Aktsepteeritud teooriast loobumine on väga raske. Esimesed sammud tegid Max Planck (1858-1947) ja Albert Einstein (1879-1955).

Planck-Einsteini sõnul kiirgab ja neeldub aine valgust eraldi osadena, kvantidena. Footoni poolt kantav energia on võrdeline selle sagedusega: E = h v. Proportsionaalsustegur h Plancki konstant sai nime saksa füüsiku järgi, kes tutvustas seda 1900. aastal kiirgusteooriasse. Ja juba 20. sajandi esimesel kolmandikul sai selgeks, et Plancki konstant on üks tähtsamaid maailmakonstante. Loomulikult mõõdeti seda hoolikalt: h= 6.6260755.10 -34 J.s.

Valguskvant – kas seda on palju või vähe? Nähtava valguse sagedus on umbes 10 14 s -1. Tuletame meelde, et valguse sagedus ja lainepikkus on seotud suhtega ν = c/λ, kus Koos= 299792458.10 10 m/s (täpselt) - valguse kiirus vaakumis. kvantenergia hν, nagu on hästi näha, on umbes 10 -18 J. Tänu sellele energiale saab 10 -13 grammi massi tõsta 1 sentimeetri kõrgusele. Inimlikus mastaabis koletult väike. Kuid see on 10 14 elektroni mass. Mikrokosmoses on mastaap hoopis teine! Loomulikult ei tunne inimene 10–13-grammist massi, kuid inimese silm on nii tundlik, et suudab näha üksikuid valguskvante – seda kinnitas rida peeneid katseid. AT normaalsetes tingimustes inimene ei erista valguse "tera", tajudes seda pideva vooluna.

Teades, et valgusel on nii korpuskulaarne kui laineline olemus, on lihtsam ette kujutada, et "päris" osakestel on ka lainelised omadused. Esimest korda väljendas sellist ketserlikku mõtet Louis de Broglie (1892-1987). Ta ei püüdnud välja selgitada, milline on selle laine olemus, mille omadusi ta ennustas. Tema teooria järgi massiosake m, lendab kiirusega v, vastab lainele lainepikkusega l = hmv ja sagedus ν = E/h, kus E = mv 2 /2 - osakeste energia.

Aatomifüüsika edasine areng viis aatomi- ja subatomiliste osakeste liikumist kirjeldavate lainete olemuse mõistmiseni. Tekkis teadus, mida nimetati "kvantmehaanikaks" (esimestel aastatel nimetati seda sageli lainemehaanikaks).

Kvantmehaanika on rakendatav mikroskoopiliste osakeste liikumisel. Arvestades tavakehade liikumist (näiteks mehhanismide mistahes üksikasju), pole mõtet arvestada kvantkorrektsioone (aine lainelistest omadustest tulenevaid parandusi).

Osakeste lainelise liikumise üks ilminguid on nende trajektoori puudumine. Trajektoori olemasoluks on vajalik, et igal ajahetkel oleks osakesel kindel koordinaat ja kindel kiirus. Kuid just see on kvantmehaanika poolt keelatud: osakesel ei saa olla samal ajal teatud koordinaadi väärtust. X ja teatud kiiruse väärtus v. Nende ebakindlus Dx ja dv on seotud Werner Heisenbergi (1901-1974) avastatud määramatuse seosega: D X D v ~ h/m, kus m on osakese mass ja h- Plancki konstant. Plancki konstanti nimetatakse sageli universaalseks "tegevuse" kvantiks. Ilma terminit täpsustamata tegevust, pöörake tähelepanu epiteedile universaalne. Ta rõhutab, et määramatuse seos on alati tõsi. Teades liikumistingimusi ja osakese massi, on võimalik hinnata, millal on vaja arvestada liikumise kvantseadusi (ehk millal ei saa osakeste lainelised omadused ja nende tagajärg, määramatuse seosed jätta tähelepanuta) ja kui seda on täiesti võimalik kasutada klassikalised seadused liikumine. Rõhutame, et kui see on võimalik, siis on see vajalik, kuna klassikaline mehaanika on palju lihtsam kui kvantmehaanika.

Pange tähele, et Plancki konstant jagatakse massiga (need sisalduvad kombinatsioonides h/m). Mida suurem on mass, seda väiksem on kvantseaduste roll.

Et tunnetada, millal on kindlasti võimalik kvantomadusi tähelepanuta jätta, proovime hinnata määramatuste D suurusi X ja D v. Kui D X ja D v on nende keskmiste (klassikaliste) väärtustega võrreldes tühised, klassikalise mehaanika valemid kirjeldavad liikumist suurepäraselt, kui mitte väike, siis on vaja kasutada kvantmehaanikat. Kvantmääramatust pole mõtet arvesse võtta isegi siis, kui muud põhjused (klassikalise mehaanika raames) toovad kaasa suurema määramatuse kui Heisenbergi seos.

Vaatleme ühte näidet. Pidades silmas, et tahame näidata klassikalise mehaanika kasutamise võimalust, kaaluge "osakest", mille mass on 1 gramm ja suurus 0,1 millimeetrit. Inimese mastaabis on see tera, kerge, väike osake. Kuid see on 10 24 korda raskem kui prooton ja miljon korda suurem kui aatom!

Laske "meie" viljal liikuda vesinikuga täidetud anumas. Kui vili lendab piisavalt kiiresti, siis meile tundub, et see liigub kindla kiirusega sirgjooneliselt. See mulje on ekslik: vesiniku molekulide mõju tõttu terale muutub selle kiirus iga löögiga veidi. Hindame, kui palju.

Olgu vesiniku temperatuur 300 K (temperatuuri mõõdame alati absoluutskaalal, Kelvini skaalal; 300 K = 27 o C). Temperatuuri kelvinites korrutamine Boltzmanni konstandiga k B , = 1 381,10 -16 J/K, väljendame seda energiaühikutes. Tera kiiruse muutust saab arvutada impulsi jäävuse seaduse abil. Iga tera kokkupõrke korral vesiniku molekuliga muutub selle kiirus ligikaudu 10–18 cm / s. Muutus on täiesti juhuslik ja suvalises suunas. Seetõttu on loomulik, et väärtust 10–18 cm/s mõõdetakse tera kiiruse klassikalise määramatusega (D v) cl sel juhul. Niisiis (D v) cl \u003d 10 -18 cm / s. Ilmselt on väga raske määrata tera asukohta täpsusega, mis on suurem kui 0,1 selle suurusest. Võtame vastu (D X) cl \u003d 10 -3 cm. Lõpuks (D X) cl (D v) cl \u003d 10 -3,10 -18 \u003d 10 -21. Tundub, et see summa on väga väike. Igal juhul on kiiruse ja asukoha määramatused nii väikesed, et võib arvestada tera keskmist liikumist. Kuid võrreldes Heisenbergi seose dikteeritud kvantmääramatusega (D X D v= 10 -27), klassikaline ebahomogeensus on tohutu – antud juhul ületab see seda miljon korda.

Järeldus: tera liikumist silmas pidades ei ole vaja arvestada selle laineomadusi, see tähendab koordinaatide ja kiiruse kvantmääramatuse olemasolu. Kui rääkida aatomi- ja subatomiliste osakeste liikumisest, siis olukord muutub dramaatiliselt.

Suhkru väikseim osake on suhkru molekul. Nende struktuur on selline, et suhkur maitseb magusalt. Ja veemolekulide struktuur on selline, et puhas vesi ei tundu magus.

4. Molekulid koosnevad aatomitest

Ja vesiniku molekul on vesiniku aine väikseim osake. Aatomite väikseimad osakesed on elementaarosakesed: elektronid, prootonid ja neutronid.

Kogu teadaolev aine Maal ja kaugemal koosneb keemilised elemendid. Kokku looduslikult esinevad elemendid – 94. Millal normaalne temperatuur Neist 2 on vedelas olekus, 11 gaasilises olekus ja 81 (sh 72 metalli) on tahkes olekus. Niinimetatud "aine neljas olek" on plasma ehk olek, milles negatiivselt laetud elektronid ja positiivselt laetud ioonid on pidevas liikumises. Jahvatuspiiriks on tahke heelium, mis, nagu 1964. aastal kindlaks tehti, peaks olema üheaatomiline pulber. 1872. aastal avastatud TCDD ehk 2, 3, 7, 8-tetraklorodibenso-p-dioksiin on surmav kontsentratsioonis 3,1 10–9 mol/kg, mis on 150 tuhat korda tugevam kui samasugune tsüaniididoos.

Aine koosneb üksikutest osakestest. Erinevate ainete molekulid on erinevad. 2 hapnikuaatomit. Need on polümeeri molekulid.

Lihtsalt kompleksist: universumi väikseima osakese mõistatus või kuidas püüda neutriinot

Elementaarosakeste füüsika standardmudel on teooria, mis kirjeldab elementaarosakeste omadusi ja vastastikmõjusid. Kõikidel kvarkidel on ka elektrilaeng, mis on 1/3 elementaarlaengu kordne. Nende antiosakesed on antileptonid (elektroni antiosakest nimetatakse ajaloolistel põhjustel positroniks). Hüperonid, nagu Λ-, Σ-, Ξ- ja Ω-osakesed, sisaldavad ühte või mitut s-kvarki, lagunevad kiiresti ja on raskemad kui nukleonid. Molekulid on aine väikseimad osakesed, mis säilitavad endiselt oma keemilised omadused.

Millist rahalist või muud kasu võib sellest osakesest saada? Füüsikud kehitavad õlgu. Ja nad tõesti ei tea seda. Kunagi kuulus pooljuhtdioodide uurimine puhtalt fundamentaalfüüsika alla, ilma praktilise rakenduseta.

Higgsi boson on teadusele nii oluline osake, et seda on hüüdnimega "Jumala osake". Just tema, nagu teadlased usuvad, annab massi kõigile teistele osakestele. Need osakesed hakkavad lagunema kohe pärast sündi. Osakese loomine nõuab tohutu hulk energiat, nagu see, mis on toodetud Suure Paugu käigus. Mis puudutab superpartnerite suuremat suurust ja kaalu, siis teadlased usuvad, et sümmeetria on rikutud universumi varjatud sektoris, mida ei saa näha ega leida. Näiteks koosneb valgus nullmassiga osakestest, mida nimetatakse footoniteks ja mis kannavad elektromagnetilist jõudu. Samamoodi on gravitonid teoreetilised osakesed, mis kannavad gravitatsioonijõudu. Teadlased üritavad endiselt gravitoneid leida, kuid seda on väga raske teha, kuna need osakesed suhtlevad ainega väga nõrgalt.