Pienin hiukkanen maaperässä. Kevyimmät ja massiivisimmat alkuainehiukkaset

Neutriino, uskomattoman pieni hiukkanen maailmankaikkeudessa, on kiinnittänyt tutkijoiden huomion lähes vuosisadan ajan. Neutriinon tutkimuksesta on myönnetty enemmän Nobel-palkintoja kuin minkään muun hiukkasen tutkimuksesta, ja sen tutkimiseen rakennetaan valtavia tiloja pienten valtioiden budjetilla. Venäjän tiedeakatemian ydintutkimuslaitoksen vanhempi tutkija, Moskovan fysiikan ja tekniikan instituutin lehtori ja Troitskin nu-massakokeeseen osallistuva neutrinomassaa etsivä Aleksanteri Nozik kertoo kuinka sitä tutkitaan, mutta mikä tärkeintä, miten se ylipäätään saa kiinni.

Varastetun energian mysteeri

Neutriinojen tutkimuksen historiaa voidaan lukea kiehtovana dekkarina. Tämä hiukkanen testasi tutkijoiden deduktiivisia kykyjä useammin kuin kerran: kaikkia arvoituksia ei voitu ratkaista heti, ja joitain ei ole vielä ratkaistu. Aloitetaan löytöhistoriasta. Erilaisia ​​radioaktiivisia hajoamisia alettiin tutkia 1800-luvun lopulla, eikä ole yllättävää, että 1920-luvulla tiedemiehillä oli arsenaalissaan instrumentteja paitsi itse hajoamisen tallentamiseen, myös säteilevien hiukkasten energian mittaamiseen. , vaikkakaan ei kovin tarkkaa nykystandardien mukaan. Instrumenttien tarkkuuden lisääntyessä tiedemiesten ilo kasvoi ja hämmennys liittyi muun muassa beetahajoamiseen, jossa elektroni lentää ulos radioaktiivisesta ytimestä ja ydin itse muuttaa varaustaan. Tällaista hajoamista kutsutaan kahdeksi hiukkaseksi, koska siinä muodostuu kaksi hiukkasta - uusi ydin ja elektroni. Jokainen lukiolainen selittää, että on mahdollista määrittää tarkasti fragmenttien energia ja liikemäärä tällaisessa hajoamisessa käyttämällä säilymislakeja ja tuntemalla näiden fragmenttien massat. Toisin sanoen esimerkiksi elektronin energia on aina sama tietyn alkuaineen ytimen missä tahansa hajoamisessa. Käytännössä nähtiin täysin erilainen kuva. Elektronien energiaa ei vain ollut kiinteä, vaan se myös levisi jatkuvaan spektriin nollaan, mikä hämmensi tutkijoita. Tämä voi tapahtua vain, jos joku varastaa energiaa beetahajoamisesta. Mutta ei näytä olevan ketään, joka varastaisi sitä.

Ajan myötä instrumenteista tuli yhä tarkempia, ja pian mahdollisuus lukea tällainen poikkeavuus laitteiston virheestä katosi. Näin syntyi mysteeri. Ratkaisua etsiessään tutkijat esittivät erilaisia, jopa täysin absurdeja oletuksia nykypäivän standardien mukaan. Esimerkiksi Niels Bohr itse totesi vakavasti, että säilymislait eivät päde alkuainehiukkasten maailmassa. Wolfgang Pauli pelasti päivän 1930. Hän ei voinut osallistua Tübingenin fysiikan konferenssiin, ja koska hän ei voinut osallistua etänä, hän lähetti kirjeen, jonka hän pyysi luettavaksi. Tässä otteita siitä:

"Hyvät radioaktiiviset naiset ja herrat. Pyydän teitä kuuntelemaan tarkkaavaisesti sopivimpana hetkenä viestintuojaa, joka toimitti tämän kirjeen. Hän kertoo, että olen löytänyt erinomaisen työkalun säilymislakiin ja oikeaan tilastoon. Se piilee sähköisesti neutraalien hiukkasten olemassaolon mahdollisuudessa ... Β-spektrin jatkuvuus tulee selväksi, jos oletetaan, että Β-hajoamisen aikana joka elektroni emittoi tällaista "neutronia" ja "neutronin" ja elektronin energiat ovat vakioita ... "

Kirjeen lopussa olivat seuraavat rivit:

"Älä ota riskejä, älä voita. Tilanteen vakavuus jatkuvaa Β-spektriä tarkasteltaessa tulee erityisen silmiinpistävää prof. Debye, joka sanoi minulle pahoitellen: "Voi, on parempi olla ajattelematta tätä kaikkea... uusina veroina." Siksi jokaisesta tiestä pelastukseen on keskusteltava vakavasti. Joten, rakkaat radioaktiiviset ihmiset, pankaa se testiin ja tuomitsekaa."

Myöhemmin Pauli itse ilmaisi pelkonsa siitä, että vaikka hänen ideansa pelastaa mikrokosmoksen fysiikan, uutta hiukkasta ei koskaan löydettä kokeellisesti. He sanovat, että hän jopa väitti kollegoidensa kanssa, että jos hiukkanen on olemassa, sitä ei voida havaita heidän elinaikanaan. Seuraavien vuosien aikana Enrico Fermi loi teorian beetahajoamisesta, johon sisältyi hiukkanen, jota hän kutsui neutriinoksi, ja joka sopi loistavasti kokeeseen. Sen jälkeen kenelläkään ei ollut epäilystäkään hypoteettisen hiukkasen olemassaolosta. Vuonna 1956, kaksi vuotta ennen Paulin kuolemaa, Frederick Reinesin ja Clyde Cowanin ryhmä löysi kokeellisesti neutrinon käänteisessä beetahajoamisessa (Reines sai Nobel palkinto).

Kadonneiden aurinkoneutriinien tapaus

Heti kun kävi selväksi, että neutriinoja, vaikkakin vaikeita, voidaan silti rekisteröidä, tutkijat alkoivat yrittää vangita maan ulkopuolista alkuperää olevia neutriinoja. Niiden ilmeisin lähde on aurinko. Siinä tapahtuu jatkuvasti ydinreaktioita, ja voidaan laskea, että noin 90 miljardia auringon neutriinoa sekunnissa kulkee jokaisen neliösenttimetrin läpi maan pinnasta.

Sillä hetkellä eniten tehokas menetelmä Auringon neutriinojen pyydystäminen oli radiokemiallinen menetelmä. Sen olemus on seuraava: Auringon neutrino saapuu Maahan, on vuorovaikutuksessa ytimen kanssa; osoittautuu esimerkiksi 37Ar-ydin ja elektroni (tämä on reaktio, jota käytettiin Raymond Davisin kokeessa, josta hänelle myöhemmin myönnettiin Nobel-palkinto). Sen jälkeen argonatomien lukumäärää laskemalla voidaan sanoa kuinka monta neutriinoa vuorovaikutuksessa ilmaisimen tilavuudessa valotusajan aikana. Käytännössä asiat eivät tietenkään ole niin yksinkertaisia. On ymmärrettävä, että satoja tonneja painavassa kohteessa on laskettava yksittäiset argonatomit. Massien suhde on suunnilleen sama kuin muurahaisen massan ja Maan massan välillä. Silloin havaittiin, että ⅔ aurinkoneutriinoista oli varastettu (mitattu virtaus osoittautui kolme kertaa ennustettua pienemmäksi).

Tietysti ensinnäkin epäilys lankesi itse aurinkoon. Loppujen lopuksi voimme arvioida hänen sisäistä elämäänsä vain epäsuorien merkkien perusteella. Ei tiedetä, kuinka neutriinot syntyvät sille, ja on jopa mahdollista, että kaikki Auringon mallit ovat vääriä. Keskusteltiin melko paljon erilaisista hypoteeseista, mutta lopulta tiedemiehet alkoivat taipua ajatukseen, ettei Auringolla ole väliä, vaan neutriinojen itsensä viekkaalla luonteella.

Pieni historiallinen poikkeama: neutriinojen kokeellisen löydön ja aurinkoneutriinojen tutkimuskokeiden välisenä aikana tapahtui useita mielenkiintoisempia löytöjä. Ensin löydettiin antineutriinoja ja osoitettiin, että neutriinot ja antineutriinot osallistuvat vuorovaikutukseen eri tavoin. Lisäksi kaikki neutriinot kaikissa vuorovaikutuksissa ovat aina vasenkätisiä (spin projektio liikesuuntaan on negatiivinen), ja kaikki antineutriinot ovat oikeakätisiä. Tämä ominaisuus havaitaan kaikkien alkuainehiukkasten joukossa vain neutriinoilla, vaan se osoittaa myös epäsuorasti, että universumimme ei ole periaatteessa symmetrinen. Toiseksi havaittiin, että jokaisella varautuneella leptonilla (elektronilla, myonilla ja tau-leptonilla) on oma neutriinotyyppinsä tai -makunsa. Lisäksi kunkin tyypin neutriinot ovat vuorovaikutuksessa vain leptoniensa kanssa.

Palataan aurinkoongelmiimme. Vielä 1950-luvulla ehdotettiin, että leptonin makua (eräänlainen neutriino) ei pitäisi säilyttää. Eli jos elektronineutrino syntyi yhdessä reaktiossa, niin matkalla toiseen reaktioon neutrino voi vaihtaa vaatteita ja toimia myonina. Tämä voisi selittää auringon neutriinojen puutteen radiokemiallisissa kokeissa, jotka ovat herkkiä vain elektronineutriinoille. Tämä hypoteesi vahvistettiin loistavasti auringon neutriinovuon mittauksilla tuikekokeissa suurella vesikohde SNO:lla ja Kamiokandella (joista äskettäin myönnettiin toinen Nobel-palkinto). Näissä kokeissa ei enää tutkita käänteistä beetan hajoamista, vaan neutriinojen sirontareaktiota, joka voi tapahtua paitsi elektronien, myös myonien neutriinojen kanssa. Kun elektronineutriinojen vuon sijasta alettiin mitata kaikentyyppisten neutriinojen kokonaisvirtaa, tulokset vahvistivat täydellisesti neutriinojen siirtymisen tyypistä toiseen eli neutriinovärähtelyt.

Hyökkäys vakiomallia vastaan

Neutriinovärähtelyjen löytäminen, joka ratkaisi yhden ongelman, loi useita uusia. Tärkeintä on, että Paulin ajoista lähtien neutriinoja on pidetty massattomina hiukkasina, kuten fotoneina, ja tämä sopi kaikille. Neutriinomassan mittausyritykset jatkuivat, mutta ilman suurta innostusta. Värähtelyt ovat muuttaneet kaiken, koska niiden olemassaoloon massa, oli kuinka pieni tahansa, on välttämätön. Massan löytäminen neutriinoista tietysti ilahdutti kokeilijoita, mutta hämmentyi teoreetikot. Ensinnäkin massiiviset neutriinot eivät sovi hiukkasfysiikan standardimalliin, jota tiedemiehet ovat rakentaneet 1900-luvun alusta lähtien. Toiseksi, sama salaperäinen neutrinon vasenkätisyys ja antineutrinon oikeakätisyys selittyy hyvin vain jälleen massattomille hiukkasille. Vasenkätisten neutriinojen tulisi massan läsnä ollessa jollain todennäköisyydellä muuttua oikeakätisiksi neutriinoiksi eli antihiukkasiksi, jotka rikkovat horjumattoman leptonluvun säilymislakia, tai jopa jonkinlaisiksi neutriinoiksi, jotka eivät osallistua vuorovaikutukseen. Nykyään tällaisia ​​hypoteettisia hiukkasia kutsutaan steriileiksi neutriinoiksi.

Super-Kamiokande Neutrino Detector © Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), Tokion yliopisto

Tietenkin neutrinomassan kokeellinen etsintä jatkui välittömästi äkillisesti. Mutta heti heräsi kysymys: kuinka mitata sellaisen massa, jota ei saa millään tavalla kiinni? On vain yksi vastaus: olla saamatta neutriinoja kiinni. Toistaiseksi aktiivisimmin kehitetään kahta suuntaa - neutriinojen massan suoraa etsintä beetahajoamisessa ja neutriinittoman kaksois-beetahajoamisen havainnointia. Ensimmäisessä tapauksessa idea on hyvin yksinkertainen. Ydin hajoaa elektronin ja neutrinon emission myötä. Neutriinoa ei ole mahdollista saada kiinni, mutta elektroni on mahdollista saada kiinni ja mitata erittäin suurella tarkkuudella. Elektronispektri sisältää myös tietoa neutrinon massasta. Tällainen koe on yksi hiukkasfysiikan monimutkaisimmista, mutta sen kiistaton etu on, että se perustuu energian ja liikemäärän säilymisen perusperiaatteisiin ja sen tulos riippuu vähän. Nyt neutrinon massan paras raja on noin 2 eV. Tämä on 250 tuhatta kertaa vähemmän kuin elektronin. Eli itse massaa ei löytynyt, vaan vain yläkehys rajoitti.

Kaksinkertaisen beeta-hajoamisen kanssa kaikki on monimutkaisempaa. Jos oletetaan, että neutriino muuttuu antineutriinoksi kierroksen aikana (tämä malli on nimetty italialaisen fyysikon Ettore Majoranan mukaan), niin prosessi on mahdollinen, kun ytimessä tapahtuu samanaikaisesti kaksi beetahajoamista, mutta neutriinot eivät lennä ulos. vaan sopimus. Tällaisen prosessin todennäköisyys liittyy neutriinomassaan. Tällaisten kokeiden ylärajat ovat paremmat - 0,2 - 0,4 eV - mutta riippuvat fysikaalisesta mallista.

Massiivista neutrino-ongelmaa ei ole vielä ratkaistu. Higgsin teoria ei voi selittää niin pieniä massoja. Se vaatii merkittävän monimutkaisen tai joidenkin ovelampien lakien mukaan, joiden mukaan neutriinot ovat vuorovaikutuksessa muun maailman kanssa. Neutriinojen tutkimukseen osallistuvilta fyysikoilta kysytään usein: "Kuinka neutriinojen tutkimus voi auttaa keskivertomaallikkoa? Mitä taloudellista tai muuta hyötyä tästä hiukkasesta voidaan saada? Fyysikot kohauttavat olkiaan. Ja he eivät todellakaan tiedä sitä. Puolijohdediodien tutkiminen kuului kerran puhtaasti perusfysiikkaan, ilman mitään käytännön sovellus. Erona on, että teknologiat, joita kehitetään nykyaikaisten neutrinofysiikan kokeiden luomiseksi, ovat jo laajalti käytössä teollisuudessa, joten jokainen tälle alueelle sijoitettu penni maksaa itsensä takaisin melko nopeasti. Nyt maailmassa tehdään useita kokeita, joiden mittakaava on verrattavissa Large Hadron Colliderin mittakaavaan; Nämä kokeet on suunnattu yksinomaan neutriinojen ominaisuuksien tutkimiseen. Kumpi voi avata uusi sivu fysiikassa sitä ei tunneta, mutta se löydetään varmasti.

Mikä on pienin tunnettu hiukkanen? Nykyään niitä pidetään maailmankaikkeuden pienimpinä hiukkasina. Universumin pienin hiukkanen on Planck-hiukkanen musta aukko(Planck Black Hole), joka on toistaiseksi olemassa vain teoriassa. Planckin musta aukko - pienin kaikista mustista aukoista (massaspektrin diskreettisyyden vuoksi) - on eräänlainen rajaobjekti. Mutta maailmankaikkeudesta löydettiin myös sen pienin hiukkanen, jota nyt tutkitaan huolellisesti.

Venäjän korkein kohta sijaitsee Kaukasuksella. Sitten mesoneista tuli pienimmät hiukkaset, sitten bosonit. Tämä hiukkanen kuuluu mustien aukkojen luokkaan, koska sen gravitaatiosäde on suurempi kuin jompikumpi yhtä pitkä kuin pituus aallot. Kaikista olemassa olevista mustista aukoista Planckin aukko on pienin.

Ja ne muodostuvat, kuten yleisesti uskotaan, ydinreaktioiden seurauksena. Huolimatta tämän maailmankaikkeuden pienimmän hiukkasen hypoteettisesta olemassaolosta, sen käytännön löytö tulevaisuudessa on täysin mahdollista. Sen havaitsemiseksi luotiin installaatio, josta vain maapallon laiskin asukas ei ollut kuullut - Suuri hadronitörmätin. Higgsin bosoni päällä Tämä hetki pienin hiukkanen niistä, joiden olemassaolo on käytännössä todistettu.

Ja jos hiukkasilla ei olisi massaa, maailmankaikkeutta ei voisi olla olemassa. Siihen ei voinut muodostua yhtään ainetta. Huolimatta tämän hiukkasen, Higgsin bosonin, olemassaolosta, käytännön sovelluksia ei ole vielä keksitty. Maailmamme on valtava ja siinä tapahtuu joka päivä jotain mielenkiintoista, jotain epätavallista ja kiehtovaa. Pysy kanssamme ja opi eniten mielenkiintoisia seikkoja kaikkialta maailmasta, epätavallisista ihmisistä tai asioista, luonnon tai ihmisen luomuksista.

Alkuainepartikkeli on hiukkanen, jolla ei ole sisäistä rakennetta, eli se ei sisällä muita hiukkasia [n. yksi]. Alkuainehiukkaset ovat kvanttikenttäteorian perusobjekteja. Ne voidaan luokitella spinin mukaan: fermioneilla on puolikokonaisluku spin, kun taas bosonien spin on kokonaisluku. Alkuainehiukkasfysiikan standardimalli on teoria, joka kuvaa alkuainehiukkasten ominaisuuksia ja vuorovaikutuksia.

Ne luokitellaan sen mukaan, miten he osallistuvat vahvaan vuorovaikutukseen. Hadronit määritellään voimakkaasti vuorovaikutuksessa oleviksi yhdistehiukkasiksi. Katso myös parton (hiukkanen). Näitä ovat pioni, kaon, J/ψ meson ja monet muut mesonityypit. Ydinreaktiot ja radioaktiivinen hajoaminen voi muuttaa nuklidin toiseksi.

Atomi koostuu pienestä, raskaasta, positiivisesti varautuneesta ytimestä, jota ympäröi suhteellisen suuri, kevyt elektronipilvi. On myös lyhytikäisiä eksoottisia atomeja, joissa ytimen (positiivisesti varautuneen hiukkasen) rooli on positronilla (positronium) tai positiivisella myonilla (muonium).

Valitettavasti niitä ei ole vielä voitu jotenkin rekisteröidä, ja ne ovat olemassa vain teoriassa. Ja vaikka tänään on ehdotettu kokeita mustien aukkojen havaitsemiseksi, niiden toteuttamismahdollisuus on merkittävä ongelma. Päinvastoin, pienet asiat voivat jäädä huomaamatta, vaikka se ei tee niistä vähemmän tärkeitä. Haraguan pallo (Sphaerodactylus ariasae) on maailman pienin matelija. Sen pituus on vain 16-18 mm ja paino 0,2 grammaa.

Maailman pienimmät asiat

Pienin yksijuosteinen DNA-virus on sian sirkovirus. Per viime vuosisata tiede on ottanut valtavan askeleen kohti maailmankaikkeuden laajuuden ja sen mikroskooppisten rakennusmateriaalien ymmärtämistä.

Aikoinaan atomia pidettiin pienimpänä hiukkasena. Sitten tutkijat löysivät protonin, neutronin ja elektronin. Nyt tiedämme, että työntämällä hiukkasia yhteen (kuten esimerkiksi Large Hadron Colliderissa), ne voidaan hajottaa vielä useammiksi hiukkasiksi, kuten kvarkeiksi, leptoneiksi ja jopa antiaineiksi. Ongelma on vain sen määrittämisessä, mikä on vähemmän. Joten joillain hiukkasilla ei ole massaa, joillakin on negatiivinen massa. Ratkaisu tähän kysymykseen on sama kuin jakaminen nollalla, eli mahdotonta.

Onko tässä mielestäsi jotain? Nimittäin: Pienin hiukkanen on Higgsin basoni.

Ja vaikka sellaisilla merkkijonoilla ei ole fyysisiä parametreja, ihmisen taipumus perustella kaikkea johtaa meidät siihen johtopäätökseen, että nämä ovat maailmankaikkeuden pienimmät esineet. Tähtitiede ja teleskoopit → Tähtitieteilijän ja astrofyysikon kysymys ja vastaus → Onko tässä mielestäsi jotain?, nimittäin…

Pienin virus

Tosiasia on, että tällaisten hiukkasten synteesiä varten on tarpeen saavuttaa 1026 elektronivoltin energia kiihdyttimessä, mikä on teknisesti mahdotonta. Tällaisten hiukkasten massa on noin 0,00001 grammaa ja säde on 1/1034 metriä. Tällaisen mustan aukon aallonpituus on verrattavissa sen gravitaatiosäteen kokoon.

Missä maapallo on maailmankaikkeudessa? Mitä universumissa oli ennen alkuräjähdystä? Mitä tapahtui ennen maailmankaikkeuden muodostumista? Kuinka vanha universumi on? Kuten kävi ilmi, tämä ei ollut ainoa patruuna 13-vuotiaan pojan kokoelmassa. Tällaisten hiukkasten rakenne on kriittisesti minimaalinen - niillä ei ole melkein mitään massaa eikä atomivarausta ollenkaan, koska ydin on liian pieni. On lukuja, jotka ovat niin uskomattoman, uskomattoman suuria, että niiden kirjoittaminen muistiin vaatisi koko maailmankaikkeuden.

Pienimmät paljaalla silmällä näkyvät esineet

Google, syntynyt vuonna 1920 tapana pitää lapset kiinnostuneena suuria lukuja. Miltonin mukaan se on luku, jossa on ensin 1 ja sitten niin monta nollia kuin voit kirjoittaa ennen kuin väsyt. Jos puhumme suurimmasta merkitsevästä numerosta, on järkevä argumentti, että tämä todella tarkoittaa, että sinun on löydettävä suurin numero, jolla on arvo, joka todella on maailmassa.

Siten Auringon massa tonneissa on pienempi kuin paunassa. Suurin luku millä tahansa reaalimaailman sovelluksella - tai tässä tapauksessa todellisen maailman sovelluksella - on luultavasti yksi viimeisimmistä arvioista universumien lukumäärästä multiversumissa. Tämä luku on niin suuri, että ihmisaivot kirjaimellisesti ei pysty havaitsemaan kaikkia näitä erilaisia ​​universumeja, koska aivot pystyvät vain karkeasti konfiguraatioihin.

Tässä on kokoelma maailman pienimmistä asioista pienistä leluista, minieläimistä ja ihmisistä hypoteettisiin subatomisiin hiukkasiin. Atomit ovat pienimpiä hiukkasia, joihin aine voidaan jakaa kemiallisilla reaktioilla. Maailman pienimmän teekannun on luonut kuuluisa keraamikko Wu Ruishen, ja se painaa vain 1,4 grammaa. Vuonna 2004 Rumaisa Rahmanista tuli pienin vastasyntynyt lapsi.

Kysymykseen mikä on maailmankaikkeuden pienin hiukkanen? Quark, Neutrino, Higgs Boson vai Planck Black Hole? kirjoittajan antama Kaukasialainen paras vastaus on perushiukkasten kaikkien koko on nolla (säde on nolla). Painon mukaan. On hiukkasia, joiden massa on nolla (fotoni, gluoni, gravitoni). Massiivisista neutriinoilla on pienin massa (alle 0,28 eV / s ^ 2, tarkemmin sanottuna niitä ei ole vielä mitattu). Taajuus, aika - eivät ole hiukkasten ominaisuuksia. Voit puhua elämän ajoista, mutta tämä on eri keskustelu.

Vastaus osoitteesta ommel[guru]
Mosk Zerobubus.

Vastaus osoitteesta Mihail Levin[guru]
itse asiassa mikromaailmassa ei käytännössä ole "koon" käsitettä. No, ytimelle voidaan vielä puhua jostain koon analogista, esimerkiksi elektronien joutumisen todennäköisyyden kautta säteestä, mutta pienempien ei.

Vastaus osoitteesta kastamaan[guru]
alkuainehiukkasen "koko" - hiukkasen ominaisuus, joka heijastaa sen massan tai sähkövarauksen spatiaalista jakautumista; yleensä puhutaan ns. sähkövarausjakauman (joka samalla luonnehtii massajakaumaa) neliön keskiarvosäde
Mittausbosonit ja leptonit, suoritettujen mittausten tarkkuuden rajoissa, eivät paljasta rajallisia "kokoja". Tämä tarkoittaa, että niiden "koot"< 10^-16 см
Toisin kuin todelliset alkuainehiukkaset, hadronin "mitat" ovat rajallisia. Niiden ominaisen neliöjuurisäteen määrää rajaussäde (tai kvarkkien rajoittuminen) ja se on suuruusluokkaa 10-13 cm. Tässä tapauksessa se tietysti vaihtelee hadroneista hadroneihin.

Vastaus osoitteesta Kirill Odding[guru]
Eräs suurista fyysikoista sanoi (ei Niels Bohr tunnin ajan?) "Jos onnistut selittämään kvanttimekaniikan visuaalisesti, mene hakemaan Nobel-palkintosi."

Vastaus osoitteesta SerKodi Sergei Polikanov[guru]
Mikä on maailmankaikkeuden pienin alkuainehiukkanen?
Alkuainehiukkaset luovat gravitaatiovaikutuksen.
Jopa vähemmän?
Alkuainehiukkaset, jotka panevat liikkeelle ne, jotka luovat gravitaatiovaikutuksen
mutta he myös osallistuvat siihen.
On vielä pienempiä alkuainehiukkasia.
Niiden parametrit eivät edes mahdu laskelmiin, koska rakenteet ja niiden fysikaaliset parametrit ovat tuntemattomia.

Vastaus osoitteesta Misha Nikitin[aktiivinen]
KVARKKI

Vastaus osoitteesta Matipati kipirofinovich[aktiivinen]
PLANKON MUSTA REIKÄ

Vastaus osoitteesta Bro qwerty[aloittelija]
Kvarkit ovat maailman pienimmät hiukkaset. Universumilla ei ole käsitettä koosta, se on rajaton. Jos keksit koneen ihmisen vähentämiseksi, on mahdollista vähentää loputtomasti vähemmän, vähemmän, vähemmän... Kyllä, Quark on pienin "hiukkanen" Mutta on jotain pienempää kuin hiukkanen. Avaruus. Ei. Sillä on. koko.

Vastaus osoitteesta Anton Kurochka[aktiivinen]
Protonineutroni 1*10^-15 1 femtometri
Quark-U Quark-D Electron 1*10^-18 1 attometri
Quark-S 4*10^-19 400 zeptometriä
Quark-C 1*10^-19 100 zeptometriä
Quark-B 3*10^-20 30 zeptometriä
Korkean energian neutriino 1,5*10^-20 15 zeptometriä
Preon 1*10^-21 1 zeptometri
Quark-T 1*10^-22 100 yoktometriä
MeV Neutrino 2*10^-23 20 yoktometriä
Neutrino 1*10^-24 1 yoktometri (erittäin pieni koko!!!) -
Plonk-hiukkanen 1,6*10^-35 0,000 000 000 016 yoktometri
Kvanttivaahto Quantum String 1*10^-35 0.000 000 000 01 yoktometri
Tämä on hiukkaskokojen taulukko. Ja tässä näet, että pienin hiukkanen on Planck-hiukkanen, mutta koska se on liian pieni, Neutrino on pienin hiukkanen. Mutta universumissa vain Planckin pituus on pienempi

Fysikaalisten ja matemaattisten tieteiden tohtori M. KAGANOV.

Pitkän perinteen mukaisesti "Science and Life" -lehti kertoo viimeisimmistä saavutuksista moderni tiede, fysiikan, biologian ja lääketieteen viimeisimmistä löydöistä. Mutta ymmärtääksemme, kuinka tärkeitä ja mielenkiintoisia ne ovat, on välttämätöntä ainakin yleisesti ottaen sinulla on ymmärrys tieteen perusteista. Nykyaikainen fysiikka kehittyy nopeasti, ja vanhemman sukupolven ihmiset, jotka opiskelivat koulussa ja instituutissa 30–40 vuotta sitten, eivät tunne monia sen säännöksiä: niitä ei yksinkertaisesti ollut silloin olemassa. Ja nuoret lukijamme eivät ole vielä ehtineet oppia niistä: populaaritieteellistä kirjallisuutta julkaisu on käytännössä lakannut. Siksi pyysimme M. I. Kaganovia, lehden pitkäaikaista kirjoittajaa, kertomaan meille atomeista ja alkuainehiukkasista ja niitä hallitsevista laeista, siitä, mitä aine on. Moisei Isaakovich Kaganov on teoreettinen fyysikko, useiden satojen kiinteiden aineiden kvanttiteoriaa, metalliteoriaa ja magnetismia käsittelevien artikkeleiden kirjoittaja ja toinen kirjoittaja. Hän oli V.I.:n mukaan nimetyn fyysisten ongelmien instituutin johtava jäsen. P. L. Kapitsa ja Moskovan valtionyliopiston professori. M. V. Lomonosov, Nature- ja Quantum-lehtien toimituskunnan jäsen. Monien populaaritieteellisten artikkeleiden ja kirjojen kirjoittaja. Asuu nykyään Bostonissa (USA).

Tiede ja elämä // Kuvituksia

Kreikkalainen filosofi Demokritos käytti ensimmäisenä sanaa "atomi". Hänen opetustensa mukaan atomit ovat jakamattomia, tuhoutumattomia ja jatkuvassa liikkeessä. Ne ovat äärettömän erilaisia, niissä on painaumia ja pullistumia, joiden kanssa ne kiinnittyvät toisiinsa muodostaen kaikki aineelliset kappaleet.

Taulukko 1. Elektronien, protonien ja neutronien tärkeimmät ominaisuudet.

deuterium-atomi.

Englantilaista fyysikkoa Ernst Rutherfordia pidetään sen perustajana ydinfysiikka, oppi radioaktiivisuudesta ja teoria atomin rakenteesta.

Kuvassa: volframikiteen pinta 10 miljoonaa kertaa suurennettuna; jokainen kirkas piste on sen oma atomi.

Tiede ja elämä // Kuvituksia

Tiede ja elämä // Kuvituksia

Säteilyteoriaa luotaessa Max Planck vuonna 1900 tuli siihen tulokseen, että kuumennetun aineen atomien tulee lähettää valoa osissa, kvantteina, joiden toiminnan ulottuvuus (J.s) ja energia on verrannollinen säteilytaajuuteen: E \u003d hn.

Vuonna 1923 Louis de Broglie siirsi Einsteinin ajatuksen valon kaksoisluonteesta - aalto-hiukkas-kaksoisisuudesta - aineeseen: hiukkasen liike vastaa äärettömän aallon etenemistä.

Diffraktiokokeet vahvistivat vakuuttavasti de Broglien teorian, jonka mukaan minkä tahansa hiukkasen liikettä seuraa aalto, jonka pituus ja nopeus riippuvat hiukkasen massasta ja energiasta.

Tiede ja elämä // Kuvituksia

Kokenut biljardipelaaja tietää aina, kuinka pallot pyörivät osuman jälkeen, ja ajaa ne helposti taskuun. Atomihiukkasten kanssa se on paljon vaikeampaa. Lentävän elektronin liikeradan osoittaminen on mahdotonta: se ei ole vain hiukkanen, vaan myös aalto, ääretön avaruudessa.

Yöllä, kun taivaalla ei ole pilviä, kuu ei ole näkyvissä ja valot eivät häiritse, taivas on täynnä kirkkaasti loistavia tähtiä. Ei tarvitse etsiä tuttuja tähtikuvioita tai yrittää löytää planeettoja lähellä maata. Katso vain! Yritä kuvitella valtava avaruus, joka on täynnä maailmoja ja joka ulottuu miljardeja miljardeja valovuosia. Ainoastaan ​​etäisyyden vuoksi maailmat näyttävät olevan pisteitä, ja monet niistä ovat niin kaukana, että niitä ei voida erottaa erikseen ja sulautuvat sumuksi. Näyttää siltä, ​​​​että olemme maailmankaikkeuden keskellä. Nyt tiedämme, että näin ei ole. Geosentrismin hylkääminen on tieteen suuri ansio. Kesti paljon vaivaa tajuta, että pieni maapallo liikkuu satunnaisessa, näennäisesti jakamattomassa osassa rajatonta (kirjaimellisesti!) avaruutta.

Mutta elämä syntyi maan päällä. Se kehittyi niin menestyksekkäästi, että se onnistui tuottamaan ihmisen, joka kykenee ymmärtämään ympäröivää maailmaa, etsimään ja löytämään luontoa hallitsevia lakeja. Ihmiskunnan saavutukset luonnonlakien tuntemisessa ovat niin vaikuttavia, että voi tahtomattaan olla ylpeä kuulumisestaan ​​tähän tavallisen galaksin reuna-alueelle kadonneeseen järjen ripaukseen.

Kun otetaan huomioon kaiken ympärillämme olevan monimuotoisuus, yleisten lakien olemassaolo on hämmästyttävää. Se ei ole vähemmän silmiinpistävää kaikki on rakennettu vain kolmen tyyppisistä hiukkasista - elektroneista, protoneista ja neutroneista.

Jotta voidaan luonnon peruslakeja käyttäen johtaa havaittavissa olevia ja erilaisten uusien ominaisuuksien ennustamiseen erilaisia ​​aineita ja esineitä, monimutkaisia matemaattisia teorioita, joita ei ole helppo ymmärtää. Mutta ääriviivat tieteellinen kuva Maailma voidaan ymmärtää ilman tiukkaa teoriaa. Tämä tietysti vaatii halua. Mutta ei vain: jopa alustava tuttavuus joutuu viettämään jonkin verran työtä. On tarpeen yrittää ymmärtää uusia tosiasioita, tuntemattomia ilmiöitä, jotka ensi silmäyksellä eivät ole samaa mieltä olemassa olevan kokemuksen kanssa.

Tieteen saavutukset johtavat usein ajatukseen, että sille "mikään ei ole pyhää": se, mikä oli totta eilen, hylätään tänään. Tiedon myötä syntyy ymmärrys siitä, kuinka kunnioittavasti tiede kohtelee jokaista kertynyttä kokemusta, millä varovaisuudella se etenee, varsinkin niissä tapauksissa, joissa on välttämätöntä luopua juurtuneista ideoista.

Tämän tarinan tarkoituksena on esitellä epäorgaanisten aineiden rakenteen peruspiirteet. Huolimatta niiden loputtomasta valikoimasta, niiden rakenne on suhteellisen yksinkertainen. Varsinkin verrattuna mihin tahansa, jopa yksinkertaisimpaan elävään organismiin. Mutta on yksi yhteinen asia: kaikki elävät organismit, kuten epäorgaaniset aineet koostuvat elektroneista, protoneista ja neutroneista.

Äärimmäisyyttä on mahdotonta omaksua: elävien organismien rakenteeseen ainakin yleisellä tasolla tutustumiseksi tarvitaan erityinen tarina.

Asioiden, esineiden monimuotoisuus - kaikki mitä käytämme, mikä meitä ympäröi, on rajatonta. Ei vain niiden tarkoituksessa ja rakenteessa, vaan myös niiden luomiseen käytetyissä materiaaleissa - aineissa, kuten sanotaan, kun niiden toimintaa ei tarvitse korostaa.

Aineet, materiaalit näyttävät kiinteiltä, ​​ja kosketus vahvistaa sen, mitä silmät näkevät. Vaikuttaa siltä, ​​​​että poikkeuksia ei ole. Virtaava vesi ja kiinteä metalli, jotka ovat niin erilaisia, ovat samanlaisia ​​yhdessä asiassa: sekä metalli että vesi ovat kiinteitä. Totta, suola tai sokeri voidaan liuottaa veteen. He löytävät paikkansa vedessä. Kyllä ja sisään kiinteä naula voidaan esimerkiksi lyödä puulautaan. Huomattavalla vaivalla on mahdollista saavuttaa, että puun miehittämä paikka on rautanaula.

Tiedämme erittäin hyvin, että kiinteästä kappaleesta voidaan murskata pieni pala, käytännössä mikä tahansa materiaali voidaan murskata. Joskus se on vaikeaa, joskus se tapahtuu spontaanisti, ilman meidän osallistumistamme. Kuvittele itsesi rannalla, hiekalla. Ymmärrämme, että hiekanjyvä on kaukana hiekan muodostavan aineen pienimmistä hiukkasista. Jos yrität, voit vähentää hiekan rakeita esimerkiksi kuljettamalla telojen läpi - kahden erittäin kovametallisylinterin läpi. Telojen välissä hiekanjyvä murskataan pienemmiksi paloiksi. Itse asiassa näin jauhoja valmistetaan viljasta myllyissä.

Nyt kun atomi on lujasti tullut maailmankuvaamme, on hyvin vaikea kuvitella, että ihmiset eivät tienneet, onko murskausprosessi rajoitettu vai voidaanko aine murskata äärettömään.

Ei tiedetä, milloin ihmiset ensimmäisen kerran kysyivät itseltään tämän kysymyksen. Se kirjattiin ensimmäisen kerran muinaisten kreikkalaisten filosofien kirjoituksiin. Jotkut heistä uskoivat, että riippumatta siitä, kuinka murto-osa aine on, se mahdollistaa jakamisen vielä pienempiin osiin - rajaa ei ole. Toiset ovat ehdottaneet, että on olemassa pieniä jakamattomia hiukkasia, jotka muodostavat kaiken. Korostaakseen, että nämä hiukkaset ovat murskauksen raja, he kutsuivat niitä atomeiksi (muinaisessa kreikassa sana "atomi" tarkoittaa jakamatonta).

On tarpeen nimetä ne, jotka ensin esittivät ajatuksen atomien olemassaolosta. Nämä ovat Demokritos (syntyi noin 460 tai 470 eaa., kuoli kypsänä vanhuudessa) ja Epikuros (341-270 eKr.). Atomitiede on siis lähes 2500 vuotta vanha. Kaikki eivät suinkaan heti hyväksyneet ideaa atomeista. Vielä 150 vuotta sitten harvat ihmiset uskoivat atomien olemassaoloon, jopa tutkijoiden joukossa.

Tämä johtuu siitä, että atomit ovat hyvin pieniä. Niitä ei voi nähdä paitsi paljaalla silmällä, myös esimerkiksi mikroskoopilla, joka suurentaa 1000 kertaa. Ajatellaan: mikä on pienimpien nähtävissä olevien hiukkasten koko? klo erilaiset ihmiset erilainen näkemys, mutta luultavasti kaikki ovat yhtä mieltä siitä, että on mahdotonta nähdä hiukkasta, joka on pienempi kuin 0,1 millimetriä. Siksi, jos käytät mikroskooppia, voit, vaikkakin vaikeasti, nähdä hiukkasia, joiden koko on noin 0,0001 millimetriä tai 10-7 metriä. Vertaamalla atomien kokoja ja atomien välisiä etäisyyksiä (10-10 metriä) pituuteen, jonka olemme hyväksyneet näkemisen rajaksi, ymmärrämme, miksi jokin aine näyttää meistä kiinteältä.

2500 vuotta on pitkä aika. Riippumatta siitä, mitä maailmassa tapahtuu, on aina ollut ihmisiä, jotka ovat yrittäneet vastata kysymykseen siitä, kuinka heidän ympärillään oleva maailma toimii. Joskus maailmanjärjestyksen ongelmat huolestuttivat enemmän, toisinaan - vähemmän. Tieteen synty nykyisessä merkityksessään tapahtui suhteellisen hiljattain. Tiedemiehet ovat oppineet kokeilemaan - esittämään luonnolle kysymyksiä ja ymmärtämään sen vastauksia, luomaan teorioita, jotka kuvaavat kokeiden tuloksia. Teoriat vaativat tiukkoja matemaattisia menetelmiä pätevien johtopäätösten tekemiseen. tiede meni ohi pitkä matka. Tällä tiellä, joka fysiikan kannalta alkoi noin 400 vuotta sitten Galileo Galilein (1564-1642) työstä, saatiin ääretön määrä tietoa aineen rakenteesta ja kappaleiden ominaisuuksista. erilainen luonne löysi ja ymmärsi äärettömän määrän erilaisia ​​ilmiöitä.

Ihmiskunta on oppinut paitsi passiivisesti ymmärtämään luontoa myös käyttämään sitä omiin tarkoituksiinsa.

Emme käsittele atomikäsitteiden kehityksen historiaa yli 2500 vuoden ajalta ja fysiikan historiaa viimeisten 400 vuoden ajalta. Tehtävämme on kertoa mahdollisimman lyhyesti ja selkeästi siitä, mistä ja miten kaikki on rakennettu - ympärillämme olevat esineet, kehomme ja me itse.

Kuten jo mainittiin, kaikki aine koostuu elektroneista, protoneista ja neutroneista. Tiedän siitä kouluvuosia, mutta minua ei lakkaa hämmästyttämästä, että kaikki on rakennettu vain kolmen tyyppisistä hiukkasista! Mutta maailma on niin monipuolinen! Lisäksi keinot, joita luonto käyttää rakentamiseen, ovat varsin yhtenäisiä.

Johdonmukainen kuvaus erityyppisten aineiden rakentamisesta on monimutkainen tiede. Hän käyttää vakavaa matematiikkaa. On korostettava, että muuta yksinkertaista teoriaa ei ole. Mutta fyysisiä periaatteita, jotka ovat aineiden rakenteen ja ominaisuuksien ymmärtämisen taustalla, vaikka ne eivät ole triviaaleja ja vaikeasti kuviteltavia, voidaan silti ymmärtää. Tarinallamme yritämme auttaa kaikkia, jotka ovat kiinnostuneita maailman rakenteesta, jossa elämme.

Vaikuttaa siltä, ​​​​että luonnollisin tapa ymmärtää, kuinka tietty monimutkainen laite(lelu tai mekanismi) - pura, hajota sen osiin. Sinun on vain oltava erittäin varovainen, muistaen, että se on paljon vaikeampaa kippaa. "Rikkoa - ei rakentaa" - sanoo kansanviisaus. Ja vielä yksi asia: mistä laite koostuu, ehkä ymmärrämme, mutta kuinka se toimii, on epätodennäköistä. Joskus on tarpeen ruuvata yksi ruuvi irti, ja siinä se - laite on lakannut toimimasta. Ei tarvitse niinkään purkaa, vaan ymmärtää.

Koska emme puhu kaikkien ympärillämme olevien esineiden, asioiden, organismien todellisesta hajoamisesta, vaan kuvitteellisesta eli mentaalista, emme todellisesta kokemuksesta, sinun ei tarvitse huolehtia: et. täytyy kerätä. Älkäämme myöskään säästäkö vaivaa. Emme ajattele, onko vaikeaa vai helppoa hajottaa laite osiin. Hetkinen. Ja mistä tiedämme, että olemme saavuttaneet rajan? Ehkä suuremmalla vaivalla pääsemme pidemmälle? Myönnämme itsellemme: emme tiedä, olemmeko saavuttaneet rajan. Meidän on käytettävä yleisesti hyväksyttyä mielipidettä ja ymmärrettävä, että tämä ei ole kovin luotettava argumentti. Mutta jos muistat, että tämä on vain yleisesti hyväksytty mielipide, ei lopullinen totuus, vaara on pieni.

Nykyään on yleisesti hyväksyttyä, että alkuainehiukkaset toimivat yksityiskohtina, joista kaikki rakennetaan. Ja vaikka ei kaikki. Tarkasteltuamme sopivaa hakuteosta olemme vakuuttuneita: alkuainehiukkasia on yli kolmesataa. Alkuainehiukkasten runsaus sai meidät ajattelemaan alielementaaristen hiukkasten olemassaolon mahdollisuutta - hiukkasia, jotka muodostavat itse alkuainehiukkaset. Näin syntyi idea kvarkeista. Heillä on se hämmästyttävä omaisuus, joita ei ilmeisesti ole olemassa vapaassa tilassa. Kvarkeja on melko paljon - kuusi, ja jokaisella on oma antihiukkasensa. Ehkä matka aineen syvyyksiin ei ole ohi.

Tarinallemme alkuainehiukkasten runsaus ja alielementaaristen hiukkasten olemassaolo eivät ole olennaisia. Elektronit, protonit ja neutronit ovat suoraan mukana aineiden rakentamisessa - kaikki rakennetaan vain niistä.

Ennen kuin keskustelemme todellisten hiukkasten ominaisuuksista, mietitään kuinka haluaisimme nähdä yksityiskohdat, joista kaikki on rakennettu. Kun on kyse siitä, mitä haluaisimme nähdä, meidän on tietysti otettava huomioon näkemysten monimuotoisuus. Poimitaanpa muutamia ominaisuuksia, jotka vaikuttavat pakollisilta.

Ensinnäkin alkuainehiukkasilla on oltava kyky yhdistyä erilaisiksi rakenteiksi.

Toiseksi haluaisin ajatella, että alkuainehiukkaset ovat tuhoutumattomia. Kun tiedämme, kuinka pitkä historia maailmalla on, on vaikea kuvitella, että hiukkaset, joista se koostuu, ovat kuolevaisia.

Kolmanneksi haluaisin, että yksityiskohdat eivät ole liikaa. Rakennuspalikoita tarkastellessamme näemme, kuinka samoista elementeistä voidaan luoda erilaisia ​​rakennuksia.

Tutustuessamme elektroneihin, protoniin ja neutroneihin, näemme, että niiden ominaisuudet eivät ole ristiriidassa toiveidemme kanssa, ja yksinkertaisuuden halu vastaa epäilemättä sitä tosiasiaa, että vain kolmen tyyppisiä alkuainehiukkasia osallistuu kaikkien aineiden rakenteeseen.

Esitetään elektronien, protonien ja neutronien tärkeimmät ominaisuudet. Ne on koottu taulukkoon 1.

Varauksen suuruus on annettu kuloneina, massa kilogrammoina (SI-yksikköinä); sanat "spin" ja "tilastot" selitetään alla.

Huomioikaa hiukkasten massojen ero: protonit ja neutronit ovat lähes 2000 kertaa painavampia kuin elektronit. Näin ollen minkä tahansa kappaleen massa määräytyy lähes kokonaan protonien ja neutronien massasta.

Neutroni on nimensä mukaisesti neutraali - sen varaus on nolla. Protonilla ja elektronilla on sama suuruus, mutta vastakkaiset merkkivaraukset. Elektroni on varautunut negatiivisesti ja protoni positiivisesti.

Hiukkasten ominaisuuksien joukossa ei ole näennäisesti tärkeää ominaisuutta - niiden kokoa. Atomien ja molekyylien, elektronien, protonien ja neutronien rakenteen kuvaamista voidaan pitää aineellisina pisteinä. Protonin ja neutronin koko tulee muistaa vain atomiytimiä kuvattaessa. Jopa atomien kokoon verrattuna protonit ja neutronit ovat hirvittävän pieniä (luokkaa 10-16 metriä).

Pohjimmiltaan tämä lyhyt osa rajoittuu elektronien, protonien ja neutronien esittämiseen kaikkien luonnon kappaleiden rakennuspalikoina. Voisimme yksinkertaisesti rajoittua taulukkoon 1, mutta meidän on ymmärrettävä, miten elektroneista, protoneista ja neutroneista rakennetaan, mikä saa hiukkaset yhdistymään enemmän monimutkaiset rakenteet ja mitä nämä rakenteet ovat.

Atomia on monia. Se osoittautui tarpeelliseksi ja mahdolliseksi järjestää ne erityisellä tavalla. Järjestys mahdollistaa atomien eron ja samankaltaisuuden korostamisen. Atomien järkevä järjestely on D. I. Mendelejevin (1834-1907) ansio, joka muotoili hänen nimeään kantavan jaksollisen lain. Jos jätämme väliaikaisesti huomiotta jaksojen olemassaolon, niin alkuaineiden järjestelyperiaate on erittäin yksinkertainen: ne on järjestetty peräkkäin atomien painon mukaan. Kevyin on vetyatomi. Viimeinen luonnollinen (ei keinotekoisesti luotu) atomi on uraaniatomi, joka on yli 200 kertaa sitä raskaampi.

Atomien rakenteen ymmärtäminen selitti jaksollisuuden esiintymisen alkuaineiden ominaisuuksissa.

Aivan 1900-luvun alussa E. Rutherford (1871-1937) osoitti vakuuttavasti, että melkein koko atomin massa on keskittynyt sen ytimeen - pieneen (jopa atomiin verrattuna) avaruusalueeseen: atomin säteeseen. ydin on noin 100 tuhatta kertaa pienempi koko atomi. Kun Rutherford teki kokeita, neutronia ei ollut vielä löydetty. Neutronin löytämisen myötä ymmärrettiin, että ytimet koostuvat protoneista ja neutroneista, ja on luonnollista kuvitella atomi ytimeksi, jota ympäröivät elektronit, joiden lukumäärä on yhtä suuri kuin protonien lukumäärä ytimessä - loppujen lopuksi , atomi kokonaisuudessaan on neutraali. Kuten protonit ja neutronit rakennusmateriaali ytimiä kutsutaan yhteisesti nukleoneiksi (latinasta ydin- ydin). Tätä nimeä tulemme käyttämään.

Nukleonien lukumäärä ytimessä on yleensä merkitty kirjaimella MUTTA. Se on selvää A = N + Z, missä N on neutronien lukumäärä ytimessä ja Z- protonien lukumäärä, joka on yhtä suuri kuin elektronien lukumäärä atomissa. Määrä MUTTA kutsutaan atomimassaksi ja Z- atominumero. Saman atominumeron atomeja kutsutaan isotoopeiksi: jaksollisessa taulukossa ne ovat samassa solussa (kreikaksi isos - yhtä suuri , topos - paikka). Tosiasia on, että Kemiallisia ominaisuuksia isotoopit ovat lähes identtisiä. Jos harkitset huolellisesti jaksollista taulukkoa, voit nähdä, että tarkasti ottaen elementtien järjestely ei vastaa atomimassa, mutta atominumero. Jos alkuaineita on noin 100, niin isotooppeja on yli 2000. Totta, monet niistä ovat epävakaita, eli radioaktiivisia (latinasta radio- säteilee activus- aktiivinen), ne hajoavat ja lähettävät erilaisia ​​säteilyjä.

Rutherfordin kokeet eivät johtaneet vain atomiytimien löytämiseen, vaan osoittivat myös, että atomissa toimivat samat sähköstaattiset voimat, jotka hylkivät samankaltaisia ​​varautuneita kappaleita toisistaan ​​ja houkuttelevat vastakkaisesti varautuneita kappaleita (esimerkiksi elektroskooppipalloja) toisiinsa.

Atomi on vakaa. Siksi atomin elektronit liikkuvat ytimen ympäri: keskipakovoima kompensoi vetovoimaa. Tämän ymmärtäminen johti atomin planeettamallin luomiseen, jossa ydin on aurinko ja elektronit ovat planeettoja (klassisen fysiikan näkökulmasta planeettamalli on epäjohdonmukainen, mutta siitä lisää alla) .

On olemassa useita tapoja arvioida atomin koko. Erilaiset arviot johtavat samanlaisiin tuloksiin: atomien koot ovat tietysti erilaisia, mutta suurin piirtein useita nanometrin kymmenesosia (1 nm = 10 -9 m).

Tarkastellaan ensin atomin elektronijärjestelmää.

AT aurinkokunta planeetat vetoavat aurinkoon painovoiman vaikutuksesta. Atomissa vaikuttaa sähköstaattinen voima. Sitä kutsutaan usein Coulomiksi Charles Augustin Coulombin (1736-1806) mukaan, joka totesi, että kahden varauksen välinen vuorovaikutusvoima on kääntäen verrannollinen niiden välisen etäisyyden neliöön. Se, että kaksi maksua K 1 ja K 2 vetää puoleensa tai torjuu voimalla, joka on yhtä suuri kuin F C = Q 1 K 2 /r 2 , missä r- varausten välistä etäisyyttä kutsutaan "Coulombin laiksi". Indeksi " FROM" määrätty pakottamaan F Coulombin sukunimen ensimmäisellä kirjaimella (ranskaksi Coulomb). Monimuotoisimpien lausuntojen joukossa on muutamia sellaisia, joita kutsutaan yhtä oikeutetusti laista kuin Coulombin lakia: sen sovellettavuus on loppujen lopuksi käytännössä rajaton. Varautuneet kappaleet koosta riippumatta sekä atomi- ja jopa subatomiset varautuneet hiukkaset - ne kaikki houkuttelevat tai hylkivät Coulombin lain mukaisesti.

Ihminen tutustuu painovoimaan varhaisessa iässä. Pudotessaan hän oppii kunnioittamaan maan painovoimaa. Tutustuminen kiihtyvään liikkeeseen alkaa yleensä kappaleiden vapaan pudotuksen tutkimuksella - kehon liikkeellä painovoiman vaikutuksen alaisena.

Kahden massakappaleen välissä M 1 ja M 2 voima vaikuttaa F N=- GM 1 M 2 /r 2 . Tässä r- ruumiiden välinen etäisyys, G- gravitaatiovakio yhtä suuri kuin 6,67259,10 -11 m 3 kg -1 s -2 , indeksi "N" on annettu Newtonin (1643 - 1727) kunniaksi. Tätä ilmaisua kutsutaan laiksi painovoima korostaa sen yleistä luonnetta. Vahvuus F N määrittää galaksien, taivaankappaleiden liikkeen ja esineiden putoamisen maahan. Universaalin gravitaatiolaki pätee kaikilla kappaleiden välisillä etäisyyksillä. Muutokset painovoiman kuvassa, joka teki yleinen teoria Einsteinin suhteellisuusteoriaa (1879-1955), emme mainitse.

Sekä Coulombin sähköstaattinen voima että Newtonin universaalin gravitaatiovoima ovat samat (kuten 1/ r 2) pienenevät kappaleiden välisen etäisyyden kasvaessa. Tämän avulla voit verrata molempien voimien toimintaa millä tahansa etäisyydellä kappaleiden välillä. Jos kahden protonin Coulombin hylkimisvoimaa verrataan suuruudeltaan niiden vetovoiman vetovoimaan, niin käy ilmi, että F N / F C= 10 -36 (K 1 =K 2 = e p; M 1 = =M 2 =m p). Siksi painovoimalla ei ole merkittävää roolia atomin rakenteessa: se on liian pieni sähköstaattiseen voimaan verrattuna.

Sähkövarausten havaitseminen ja niiden välisen vuorovaikutuksen mittaaminen ei ole vaikeaa. Jos sähkövoima on niin suuri, miksi se ei ole tärkeää, kun he esimerkiksi putoavat, hyppäävät tai heittävät palloa? Koska useimmissa tapauksissa olemme tekemisissä neutraalien (varautumattomien) kappaleiden kanssa. Avaruudessa on aina paljon varautuneita hiukkasia (elektroneja, erimerkkisiä ioneja). Varautuneen kappaleen luoman valtavan (atomimittakaavassa) houkuttelevan sähkövoiman vaikutuksesta varautuneet hiukkaset ryntäävät lähteeseensä, tarttuvat kehoon ja neutraloivat sen varauksen.

On erittäin vaikeaa puhua atomihiukkasista ja vielä pienemmistä subatomisista hiukkasista, pääasiassa siksi, että niiden ominaisuuksilla ei ole analogia jokapäiväisessä elämässämme. Voidaan ajatella, että hiukkaset, jotka muodostavat niin pieniä atomeja, voidaan kätevästi esittää muodossa aineellisia pisteitä. Mutta kaikki osoittautui paljon monimutkaisemmaksi.

Hiukkanen ja aalto... Vaikuttaa siltä, ​​että edes vertaaminen on merkityksetöntä, ne ovat niin erilaisia.

Todennäköisesti, kun ajattelet aaltoa, kuvittelet ensin merenpinnan aallon. Aallot rantaan tulevat aavalla merellä, aallonpituudet - kahden peräkkäisen harjan väliset etäisyydet - voivat olla erilaisia. Useiden metrien luokkaa olevia aaltoja on helppo havaita. Sekoituksen aikana on selvää, että veden massa vaihtelee. Aalto peittää huomattavan tilan.

Aalto on jaksollinen ajassa ja tilassa. Aallonpituus ( λ ) on spatiaalisen jaksollisuuden mitta. Aallon liikkeen jaksollisuus ajassa näkyy aallonharjojen rantaan tulotaajuudessa, ja se voidaan havaita esimerkiksi kellukkeen ylös ja alas värähtelyllä. Merkitään aallon liikkeen jaksoa - aikaa, jonka aikana yksi aalto kulkee - kirjaimella T. Jakson käänteislukua kutsutaan taajuudeksi ν = 1/T. Yksinkertaisimmilla aalloilla (harmonisilla) on tietty taajuus, joka ei muutu ajan myötä. Mikä tahansa monimutkainen aaltoliike voidaan esittää yksinkertaisten aaltojen joukkona (katso "Tiede ja elämä" nro 11, 2001). Tarkkaan ottaen yksinkertainen aalto vie äärettömän tilan ja on olemassa loputtomasti. Hiukkanen, sellaisena kuin me sen kuvittelemme, ja aalto ovat täysin erilaisia.

Newtonin ajoista lähtien on käyty keskustelua valon luonteesta. Mikä on valo - kokoelma hiukkasia (korpuskkelit, latinasta corpusculum- keho) tai aallot? Teoriat ovat kilpailleet pitkään. Aaltoteoria voitti: korpuskulaarinen teoria ei pystynyt selittämään kokeellisia tosiasioita (valon interferenssi ja diffraktio). Aaltoteoria selviytyi helposti valonsäteen suoraviivaisesta etenemisestä. Tärkeä rooli oli sillä, että valoaaltojen aallonpituus on jokapäiväisten käsitteiden mukaan hyvin pieni: aallonpituusalue näkyvä valo 380 - 760 nanometriä. Lyhyempi elektromagneettiset aallot- ultravioletti-, röntgen- ja gamma-säteet ja pidemmät - infrapuna-, millimetri-, sentti- ja kaikki muut radioaallot.

1800-luvun loppuun mennessä valon aaltoteorian voitto korpuskulaarisesta vaikutti lopulliselta ja peruuttamattomalta. 1900-luvulla tehtiin kuitenkin vakavia muutoksia. Se näytti olevan valoa, aaltoja tai hiukkasia. Kävi ilmi - sekä aallot että hiukkaset. Valohiukkasille, sen kvanteille, kuten sanotaan, keksittiin erityinen sana - "fotoni". Sana "kvantti" tulee latinan sanasta kvantti- kuinka paljon ja "fotoni" - alkaen Kreikan sana kuvat- valoa. Partikkelien nimeä ilmaisevilla sanoilla on useimmissa tapauksissa loppu hän. Yllättäen joissakin kokeissa valo käyttäytyy aaltoina, kun taas toisissa se käyttäytyy kuin hiukkasvirta. Vähitellen pystyttiin rakentamaan teoria, joka ennustaa, kuinka, missä kokeessa valo käyttäytyy. Tällä hetkellä tämä teoria on kaikkien hyväksymä, valon erilainen käyttäytyminen ei ole enää yllättävää.

Ensimmäiset askeleet ovat aina erityisen vaikeita. Minun täytyi vastustaa tieteessä vakiintunutta mielipidettä, ilmaista harhaoppia vaikuttavia lausuntoja. Todelliset tiedemiehet uskovat vilpittömästi teoriaan, jolla he kuvaavat havaittuja ilmiöitä. Hyväksytystä teoriasta on erittäin vaikea luopua. Ensimmäiset askeleet ottivat Max Planck (1858-1947) ja Albert Einstein (1879-1955).

Planck-Einsteinin mukaan aine emittoi ja absorboi valoa erillisissä osissa, kvanteissa. Fotonin kuljettama energia on verrannollinen sen taajuuteen: E = h v. Suhteellisuustekijä h Planckin vakio on nimetty saksalaisen fyysikon mukaan, joka esitteli sen säteilyteoriaan vuonna 1900. Ja jo 1900-luvun ensimmäisellä kolmanneksella kävi selväksi, että Planckin vakio on yksi tärkeimmistä maailmanvakioista. Luonnollisesti se mitattiin huolellisesti: h= 6.6260755.10 -34 J.s.

Valon kvantti - onko se paljon vai vähän? Näkyvän valon taajuus on noin 10 14 s -1. Muista, että valon taajuus ja aallonpituus liittyvät suhteeseen ν = c/λ, missä Kanssa= 299792458.10 10 m/s (täsmälleen) - valon nopeus tyhjiössä. kvanttienergiaa hν, kuten on helppo nähdä, on noin 10 -18 J. Tämän energian ansiosta 10 -13 gramman massa voidaan nostaa 1 senttimetrin korkeuteen. Ihmisen mittakaavassa hirvittävän pieni. Mutta tämä on 10 14 elektronin massa. Mikrokosmuksessa mittakaava on täysin erilainen! Ihminen ei tietenkään voi tuntea 10-13 gramman massaa, mutta ihmissilmä on niin herkkä, että se näkee yksittäiset valokvantit - tämä vahvistettiin sarjassa hienovaraisia ​​kokeita. AT normaaleissa olosuhteissa henkilö ei erottele valon "jyvää" ja havaitsee sen jatkuvana virtana.

Kun tiedetään, että valolla on sekä korpuskulaarinen että aaltomainen luonne, on helpompi kuvitella, että "oikeilla" hiukkasilla on myös aaltoominaisuuksia. Ensimmäisen kerran tällaisen harhaoppisen ajatuksen ilmaisi Louis de Broglie (1892-1987). Hän ei yrittänyt selvittää, mikä oli aallon luonne, jonka ominaisuudet hän ennusti. Hänen teoriansa mukaan massahiukkanen m, lentää suurella nopeudella v, vastaa aaltoa, jonka aallonpituus on l = hmv ja taajuus ν = E/h, missä E = mv 2/2 - hiukkasenergia.

Atomifysiikan jatkokehitys johti ymmärrykseen atomien ja subatomisten hiukkasten liikettä kuvaavien aaltojen luonteesta. Syntyi tiede, jota kutsuttiin "kvanttimekaniikaksi" (alkuvuosina sitä kutsuttiin usein aaltomekaniikaksi).

Kvanttimekaniikka soveltuu mikroskooppisten hiukkasten liikkeeseen. Tarkasteltaessa tavallisten kappaleiden liikettä (esimerkiksi mekanismien yksityiskohtia), ei ole mitään järkeä ottaa huomioon kvanttikorjauksia (aineen aaltoominaisuuksista johtuvia korjauksia).

Yksi hiukkasten aaltoliikkeen ilmenemismuoto on niiden liikeradan puuttuminen. Liikeradan olemassaoloon on välttämätöntä, että hiukkasella on jokaisella ajanhetkellä tietty koordinaatti ja tietty nopeus. Mutta juuri tämä on kvanttimekaniikka kieltää: hiukkasella ei voi olla samanaikaisesti tiettyä koordinaattiarvoa. X, ja tietty nopeusarvo v. Heidän epävarmuutensa Dx ja dv liittyvät Werner Heisenbergin (1901-1974) löytämään epävarmuussuhteeseen: D X D v ~ h/m, missä m on hiukkasen massa ja h- Planck on vakio. Planckin vakiota kutsutaan usein yleismaailmalliseksi "toimintakvanttiksi". Ilman termiä toiminta, kiinnitä huomiota epiteettiin yleismaailmallinen. Hän korostaa, että epävarmuussuhde on aina totta. Tietäen hiukkasen liikeolosuhteet ja massa on mahdollista arvioida milloin on tarpeen ottaa huomioon liikkeen kvanttilaki (eli milloin hiukkasten aaltoominaisuudet ja niiden seuraus, epävarmuussuhteet, eivät voi jättää huomiotta), ja kun se on täysin mahdollista käyttää klassisia lakeja liikettä. Korostamme, että jos se on mahdollista, niin se on välttämätöntä, koska klassinen mekaniikka on paljon yksinkertaisempaa kuin kvanttimekaniikka.

Huomaa, että Planckin vakio jaetaan massalla (ne sisältyvät yhdistelmiin h/m). Mitä suurempi massa, sitä pienempi kvanttilakien rooli.

Jotta voisimme tuntea, milloin on varmasti mahdollista jättää huomiotta kvanttiominaisuudet, yritämme arvioida epävarmuustekijöiden D suuruudet X ja D v. Jos D X ja D v ovat mitättömiä verrattuna niiden keskimääräisiin (klassiseen) arvoihin, klassisen mekaniikan kaavat kuvaavat liikettä täydellisesti, jos ei pienikään, kvanttimekaniikkaa on käytettävä. Kvanttiepävarmuutta ei ole järkevää ottaa huomioon, vaikka muut syyt (klassisen mekaniikan puitteissa) johtavat suurempaan epävarmuuteen kuin Heisenbergin relaatio.

Tarkastellaanpa yhtä esimerkkiä. Pitäen mielessä, että haluamme näyttää mahdollisuuden käyttää klassista mekaniikkaa, harkitse "hiukkasta", jonka massa on 1 gramma ja koko 0,1 millimetriä. Ihmisen mittakaavassa tämä on jyvä, kevyt, pieni hiukkanen. Mutta se on 10 24 kertaa raskaampi kuin protoni ja miljoona kertaa suurempi kuin atomi!

Anna "meidän" viljamme liikkua vedyllä täytetyssä astiassa. Jos vilja lentää tarpeeksi nopeasti, meistä näyttää siltä, ​​että se liikkuu suorassa linjassa tietyllä nopeudella. Tämä vaikutelma on virheellinen: vetymolekyylien vaikutuksesta rakeen sen nopeus muuttuu hieman jokaisella törmäyksellä. Arvioidaan kuinka paljon.

Olkoon vedyn lämpötila 300 K (lämpötila mitataan aina absoluuttisella asteikolla, Kelvinin asteikolla; 300 K = 27 o C). Kerrotaan lämpötila kelvineinä Boltzmannin vakiolla k B , = 1 381,10 -16 J/K, ilmaistaan ​​se energiayksiköissä. Raenopeuden muutos voidaan laskea liikemäärän säilymislain avulla. Jokaisella rakeen törmäyksellä vetymolekyylin kanssa sen nopeus muuttuu noin 10-18 cm / s. Muutos on täysin satunnainen ja satunnaiseen suuntaan. Siksi on luonnollista pitää arvoa 10 -18 cm/s jyvän nopeuden klassisen epävarmuuden mittana (D v) cl tässä tapauksessa. Joten (D v) cl \u003d 10 -18 cm / s. On ilmeisesti erittäin vaikeaa määrittää jyvän sijaintia tarkkuudella, joka on suurempi kuin 0,1 sen koosta. Hyväksytään (D X) cl \u003d 10 -3 cm. Lopuksi (D X) cl (D v) cl \u003d 10 -3,10 -18 \u003d 10 -21. Se näyttää olevan hyvin pieni määrä. Joka tapauksessa nopeuden ja sijainnin epävarmuudet ovat niin pieniä, että voidaan ajatella rakeen keskimääräistä liikettä. Mutta verrattuna Heisenberg-relaation sanelemaan kvanttiepävarmuuteen (D X D v= 10 -27), klassinen epähomogeenisuus on valtava - tässä tapauksessa se ylittää sen miljoona kertaa.

Johtopäätös: jyvän liikettä tarkasteltaessa ei ole tarpeen ottaa huomioon sen aalto-ominaisuuksia, eli koordinaattien ja nopeuden kvanttiepävarmuuden olemassaoloa. Mitä tulee atomien ja subatomisten hiukkasten liikkumiseen, tilanne muuttuu dramaattisesti.

Sokerin pienin hiukkanen on sokerimolekyyli. Niiden rakenne on sellainen, että sokeri maistuu makealta. Ja vesimolekyylien rakenne on sellainen, että puhdas vesi ei näytä makealta.

4. Molekyylit koostuvat atomeista

Ja vetymolekyyli on vetyaineen pienin hiukkanen. Atomien pienimmät hiukkaset ovat alkuainehiukkasia: elektronit, protonit ja neutronit.

Kaikki tunnettu aine maan päällä ja sen ulkopuolella koostuu kemiallisia alkuaineita. Kaikki yhteensä luonnossa esiintyvät alkuaineet - 94. Milloin normaali lämpötila Niistä 2 on nestemäisiä, 11 kaasumaisia ​​ja 81 (mukaan lukien 72 metallia) kiinteässä tilassa. Niin sanottu "aineen neljäs tila" on plasma, tila, jossa negatiivisesti varautuneet elektronit ja positiivisesti varautuneet ionit ovat jatkuvassa liikkeessä. Jauhatusraja on kiinteä helium, jonka, kuten vuonna 1964 todettiin, pitäisi olla yksiatominen jauhe. Vuonna 1872 löydetty TCDD eli 2, 3, 7, 8-tetraklooridibentso-p-dioksiini on tappava pitoisuutena 3,1 10–9 mol/kg, mikä on 150 tuhatta kertaa vahvempi kuin vastaava annos syanidia.

Aine koostuu yksittäisistä hiukkasista. Eri aineiden molekyylit ovat erilaisia. 2 happiatomia. Nämä ovat polymeerimolekyylejä.

Vain kompleksista: maailmankaikkeuden pienimmän hiukkasen mysteeri tai kuinka saada kiinni neutriino

Alkuainehiukkasfysiikan standardimalli on teoria, joka kuvaa alkuainehiukkasten ominaisuuksia ja vuorovaikutuksia. Kaikilla kvarkeilla on myös sähkövaraus, joka on 1/3:n kerrannainen alkuainevarauksesta. Niiden antihiukkaset ovat antileptoneja (elektronin antihiukkasta kutsutaan positroniksi historiallisista syistä). Hyperonit, kuten Λ-, Σ-, Ξ- ja Ω-hiukkaset, sisältävät yhden tai useamman s-kvarkin, hajoavat nopeasti ja ovat raskaampia kuin nukleonit. Molekyylit ovat aineen pienimmät hiukkaset, jotka säilyttävät edelleen kemialliset ominaisuutensa.

Mitä taloudellista tai muuta hyötyä tästä hiukkasesta voidaan saada? Fyysikot kohauttavat olkiaan. Ja he eivät todellakaan tiedä sitä. Puolijohdediodien tutkiminen kuului aikoinaan puhtaasti perusfysiikkaan ilman käytännön sovellutuksia.

Higgsin bosoni on tieteelle niin tärkeä hiukkanen, että se on saanut lempinimen "jumalahiukkaseksi". Kuten tiedemiehet uskovat, se on se, joka antaa massan kaikille muille hiukkasille. Nämä hiukkaset alkavat hajota heti syntyessään. Partikkelin luominen vaatii suuri määrä energiaa, kuten alkuräjähdyksen tuottamaa. Mitä tulee superkumppanien suurempaan kokoon ja painoon, tutkijat uskovat, että symmetria on murtunut universumin piilossa olevasta sektorista, jota ei voida nähdä tai löytää. Esimerkiksi valo koostuu nollamassaisista hiukkasista, joita kutsutaan fotoneiksi ja jotka kuljettavat sähkömagneettista voimaa. Samoin gravitonit ovat teoreettisia hiukkasia, jotka kantavat painovoimaa. Tutkijat yrittävät edelleen löytää gravitoneja, mutta se on erittäin vaikeaa tehdä, koska nämä hiukkaset vuorovaikuttavat hyvin heikosti aineen kanssa.