La plus petite particule du sol. Les particules élémentaires les plus légères et les plus massives

Les neutrinos, une particule incroyablement petite de l’univers, fascinent les scientifiques depuis près d’un siècle. Plus de prix Nobel ont été décernés pour des recherches sur les neutrinos que pour des travaux sur n'importe quelle autre particule, et d'immenses installations sont construites pour les étudier avec le budget des petits États. Alexander Nozik, chercheur principal à l'Institut de recherche nucléaire de l'Académie des sciences de Russie, enseignant au MIPT et participant à l'expérience « Troitsk nu-mass » visant à rechercher la masse des neutrinos, explique comment l'étudier, mais la plupart et surtout, comment l’attraper en premier lieu.

Le mystère de l'énergie volée

L’histoire de la recherche sur les neutrinos peut être lue comme un fascinant roman policier. Cette particule a testé plus d'une fois les capacités déductives des scientifiques : toutes les énigmes n'ont pas pu être résolues immédiatement, et certaines n'ont pas encore été résolues. Commençons par l'histoire de la découverte. Les désintégrations radioactives de toutes sortes ont commencé à être étudiées à la fin du XIXe siècle, et il n'est pas surprenant que dans les années 1920, les scientifiques disposaient dans leur arsenal non seulement d'instruments pour enregistrer la désintégration elle-même, mais aussi pour mesurer l'énergie des particules qui s'échappent. bien que pas particulièrement précis par rapport aux normes actuelles. À mesure que la précision des instruments augmentait, la joie des scientifiques et la perplexité associée, entre autres choses, à la désintégration bêta, dans laquelle un électron s'envole d'un noyau radioactif et le noyau lui-même change de charge, augmentaient également. Cette désintégration est appelée désintégration à deux particules, car elle produit deux particules : un nouveau noyau et un électron. N'importe quel lycéen expliquera qu'il est possible de déterminer avec précision l'énergie et l'impulsion des fragments lors d'une telle désintégration en utilisant les lois de conservation et en connaissant les masses de ces fragments. En d’autres termes, l’énergie d’un électron, par exemple, sera toujours la même lors de toute désintégration du noyau d’un certain élément. Dans la pratique, une situation complètement différente a été observée. Non seulement l’énergie des électrons n’était pas fixe, mais elle était également répartie dans un spectre continu allant jusqu’à zéro, ce qui a dérouté les scientifiques. Cela ne peut se produire que si quelqu'un vole l'énergie de la désintégration bêta. Mais il semble qu’il n’y ait personne pour le voler.

Au fil du temps, les instruments sont devenus de plus en plus précis et la possibilité d'attribuer une telle anomalie à une erreur d'équipement a rapidement disparu. Un mystère surgit alors. À la recherche de sa solution, les scientifiques ont exprimé diverses hypothèses, voire complètement absurdes selon les normes actuelles. Niels Bohr lui-même, par exemple, a déclaré sérieusement que les lois de conservation ne s'appliquent pas au monde des particules élémentaires. Wolfgang Pauli a sauvé la situation en 1930. Il n'a pas pu assister à la conférence de physique à Tübingen et, ne pouvant y participer à distance, a envoyé une lettre dont il a demandé à être lue. En voici des extraits :

«Chers dames et messieurs radioactifs. Je vous demande d'écouter avec attention, au moment le plus opportun, le messager qui a remis cette lettre. Il vous dira que j'ai trouvé un excellent remède à la loi de conservation et à la statistique correcte. Cela réside dans la possibilité de l'existence de particules électriquement neutres... La continuité du spectre B deviendra claire si l'on suppose que lors de la désintégration B, un tel « neutron » est émis avec chaque électron, et la somme des les énergies du « neutron » et de l’électron sont constantes… »

A la fin de la lettre se trouvaient les lignes suivantes :

« Si vous ne prenez pas de risques, vous ne gagnerez pas. La gravité de la situation lorsqu’on considère le spectre B continu devient particulièrement claire après les paroles du Prof. Debye, qui m'a dit avec regret : "Oh, il vaut mieux ne pas considérer tout cela... comme de nouveaux impôts." Il est donc nécessaire de discuter sérieusement de chaque chemin vers le salut. Alors, chers radioactifs, mettez cela à l’épreuve et jugez.

Plus tard, Pauli lui-même a exprimé ses craintes que, même si son idée sauvait la physique du micromonde, la nouvelle particule ne serait jamais découverte expérimentalement. Ils disent qu'il a même soutenu avec ses collègues que si la particule existait, il ne serait pas possible de la détecter au cours de leur vie. Au cours des années suivantes, Enrico Fermi développa une théorie de la désintégration bêta impliquant une particule qu'il appela neutrino, qui concordait brillamment avec l'expérience. Après cela, plus personne n’a eu de doute sur l’existence réelle de la particule hypothétique. En 1956, deux ans avant la mort de Pauli, des neutrinos furent découverts expérimentalement en désintégration bêta inverse par l'équipe de Frederick Reines et Clyde Cowan (Reines reçut un prix Nobel).

Le cas des neutrinos solaires manquants

Lorsqu’il est devenu clair que les neutrinos, bien que difficiles, pouvaient encore être détectés, les scientifiques ont commencé à essayer de détecter les neutrinos d’origine extraterrestre. Leur source la plus évidente est le Soleil. Des réactions nucléaires s'y produisent constamment et on peut calculer qu'environ 90 milliards de neutrinos solaires par seconde traversent chaque centimètre carré de la surface terrestre.

À ce moment-là, le plus méthode efficace la capture des neutrinos solaires était une méthode radiochimique. Son essence est la suivante : un neutrino solaire arrive sur Terre, interagit avec le noyau ; le résultat est, disons, un noyau 37Ar et un électron (c'est exactement la réaction qui a été utilisée dans l'expérience de Raymond Davis, pour laquelle il a reçu plus tard le prix Nobel). Après cela, en comptant le nombre d'atomes d'argon, nous pouvons dire combien de neutrinos ont interagi dans le volume du détecteur pendant l'exposition. En pratique, bien sûr, tout n’est pas si simple. Vous devez comprendre que vous devez compter les atomes d’argon dans une cible pesant des centaines de tonnes. Le rapport de masse est à peu près le même qu’entre la masse d’une fourmi et la masse de la Terre. C’est alors qu’on découvre que les ⅔ des neutrinos solaires ont été volés (le flux mesuré était trois fois inférieur à celui prévu).

Bien entendu, les soupçons se sont d’abord portés sur le Soleil lui-même. Après tout, on ne peut juger de sa vie intérieure que par des signes indirects. On ne sait pas comment les neutrinos y sont créés, et il est même possible que tous les modèles du Soleil soient erronés. De nombreuses hypothèses différentes ont été discutées, mais les scientifiques ont finalement commencé à se tourner vers l'idée que ce n'était pas le Soleil, mais la nature rusée des neutrinos eux-mêmes.

Une petite digression historique : entre la découverte expérimentale des neutrinos et les expériences d'étude des neutrinos solaires, plusieurs découvertes plus intéressantes ont eu lieu. Premièrement, les antineutrinos ont été découverts et il a été prouvé que les neutrinos et les antineutrinos participent différemment aux interactions. De plus, dans toutes les interactions, tous les neutrinos sont toujours gauchers (la projection du spin sur la direction du mouvement est négative) et tous les antineutrinos sont droitiers. Non seulement cette propriété n’est observée parmi toutes les particules élémentaires que dans les neutrinos, mais elle indique aussi indirectement que notre Univers n’est, en principe, pas symétrique. Deuxièmement, il a été découvert que chaque lepton chargé (lepton électronique, muon et tau) possède son propre type, ou saveur, de neutrino. De plus, les neutrinos de chaque type n’interagissent qu’avec leur lepton.

Revenons à notre problème solaire. Dans les années 50 du 20e siècle, il a été suggéré qu'il n'était pas nécessaire de conserver la saveur leptonique (un type de neutrino). Autrement dit, si un neutrino électronique est né au cours d'une réaction, alors sur le chemin d'une autre réaction, le neutrino peut changer de vêtements et fonctionner comme un muon. Cela pourrait expliquer le manque de neutrinos solaires dans les expériences radiochimiques sensibles uniquement aux neutrinos électroniques. Cette hypothèse a été brillamment confirmée par les mesures du flux de neutrinos solaires dans les expériences de scintillation à grande cible d'eau SNO et Kamiokande (pour lesquelles un autre prix Nobel a été récemment attribué). Dans ces expériences, ce n'est plus la désintégration bêta inverse qui est étudiée, mais la réaction de diffusion des neutrinos, qui peut se produire non seulement avec les neutrinos électroniques, mais aussi avec les neutrinos muoniques. Lorsqu'au lieu du flux de neutrinos électroniques, ils ont commencé à mesurer le flux total de tous les types de neutrinos, les résultats ont parfaitement confirmé la transition des neutrinos d'un type à un autre, ou les oscillations des neutrinos.

Assaut contre le modèle standard

La découverte des oscillations des neutrinos, après avoir résolu un problème, en a créé plusieurs nouveaux. Le fait est que depuis l’époque de Pauli, les neutrinos étaient considérés comme des particules sans masse comme les photons, et cela convenait à tout le monde. Les tentatives pour mesurer la masse des neutrinos se sont poursuivies, mais sans grand enthousiasme. Les oscillations ont tout changé, puisque la masse, aussi petite soit-elle, est nécessaire à leur existence. La découverte de la masse des neutrinos a certes ravi les expérimentateurs, mais a intrigué les théoriciens. Premièrement, les neutrinos massifs ne rentrent pas dans le modèle standard de la physique des particules, que les scientifiques élaborent depuis le début du 20e siècle. Deuxièmement, la même gaucherie mystérieuse des neutrinos et la même gaucherie des antineutrinos ne s’expliquent bien que, encore une fois, pour les particules sans masse. S'il y a une masse, les neutrinos gauchers devraient, avec une certaine probabilité, se transformer en neutrinos droitiers, c'est-à-dire en antiparticules, violant la loi apparemment immuable de conservation du nombre de leptons, ou même se transformer en une sorte de neutrinos qui ne ne participe pas à l’interaction. Aujourd’hui, ces particules hypothétiques sont communément appelées neutrinos stériles.

Détecteur de neutrinos "Super Kamiokande" © Observatoire de Kamioka, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), Université de Tokyo

Bien entendu, la recherche expérimentale de la masse du neutrino a immédiatement repris de manière spectaculaire. Mais la question s'est immédiatement posée : comment mesurer la masse de quelque chose qui ne peut être attrapé ? Il n’y a qu’une seule réponse : ne pas capter de neutrinos du tout. Aujourd'hui, deux directions sont les plus activement développées : la recherche directe de la masse des neutrinos en désintégration bêta et l'observation de la double désintégration bêta sans neutrinos. Dans le premier cas, l’idée est très simple. Le noyau se désintègre avec le rayonnement des électrons et des neutrinos. Il n’est pas possible de capturer un neutrino, mais il est possible de capturer et de mesurer un électron avec une très grande précision. Le spectre électronique contient également des informations sur la masse des neutrinos. Une telle expérience est l’une des plus difficiles de la physique des particules, mais son avantage absolu est qu’elle repose sur les principes de base de la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement et que son résultat ne dépend que de peu. Actuellement, la meilleure limite de masse des neutrinos est d’environ 2 eV. C'est 250 000 fois moins que celui d'un électron. Autrement dit, la masse elle-même n'a pas été trouvée, mais n'était limitée que par le cadre supérieur.

Avec la double désintégration bêta, les choses sont plus compliquées. Si nous supposons qu'un neutrino se transforme en antineutrino lors d'un retournement de spin (ce modèle porte le nom du physicien italien Ettore Majorana), alors un processus est possible lorsque deux désintégrations bêta se produisent simultanément dans le noyau, mais les neutrinos ne s'envolent pas, mais sont réduits. La probabilité d’un tel processus est liée à la masse du neutrino. Les limites supérieures de telles expériences sont meilleures – 0,2 – 0,4 eV – mais dépendent du modèle physique.

Le problème des neutrinos massifs n’est pas encore résolu. La théorie de Higgs ne peut pas expliquer des masses aussi petites. Cela nécessite des complications importantes ou l'utilisation de lois plus astucieuses selon lesquelles les neutrinos interagissent avec le reste du monde. Les physiciens impliqués dans la recherche sur les neutrinos se voient souvent poser la question suivante : « Comment la recherche sur les neutrinos peut-elle aider l’individu moyen ? Quel avantage financier ou autre peut être tiré de cette particule ? Les physiciens haussent les épaules. Et ils ne le savent vraiment pas. Autrefois, l'étude des diodes semi-conductrices relevait de la physique purement fondamentale, sans aucun application pratique. La différence est que les technologies développées pour créer des expériences modernes de physique des neutrinos sont désormais largement utilisées dans l'industrie, de sorte que chaque centime investi dans ce domaine est rentable assez rapidement. Actuellement, plusieurs expériences sont menées dans le monde, dont l'échelle est comparable à celle du Grand collisionneur de hadrons ; ces expériences visent exclusivement à étudier les propriétés des neutrinos. Dans lequel d'entre eux sera-t-il possible d'ouvrir nouvelle page en physique, c'est inconnu, mais on le découvrira à coup sûr.

Quelle est la plus petite particule connue ? Elles sont actuellement considérées comme les plus petites particules de l’Univers. La plus petite particule de l'Univers est la particule de Planck trou noir(Trou noir de Planck), qui n'existe jusqu'à présent qu'en théorie. Le trou noir de Planck est le plus petit de tous les trous noirs (en raison de la discrétion de son spectre de masse) et constitue une sorte d'objet frontière. Mais la plus petite particule a également été découverte dans l’Univers, qui fait désormais l’objet d’une étude approfondie.

Le point culminant de la Russie est situé dans le Caucase. Puis les mésons sont devenus les plus petites particules, puis les bosons. Cette particule est classée comme trou noir car son rayon gravitationnel est supérieur ou supérieur à égal à la longueur vagues. De tous les trous noirs existants, celui de Planck est le plus petit.

Et ils se forment, comme on le croit généralement, à la suite de réactions nucléaires. Malgré l'existence hypothétique de cette plus petite particule de l'Univers, sa découverte pratique dans le futur est tout à fait possible. C'est pour sa découverte qu'a été créée une installation dont seul l'habitant le plus paresseux de la Terre n'a pas entendu parler : le Grand collisionneur de hadrons. le boson de Higgs ce moment la plus petite particule de celles dont l'existence a été pratiquement prouvée.

Et si les particules n’avaient pas de masse, l’univers ne pourrait pas exister. Aucune substance ne pouvait s’y former. Malgré l'existence pratiquement prouvée de cette particule, le boson de Higgs, ses applications pratiques n'ont pas encore été inventées. Notre monde est immense et quelque chose d’intéressant, d’inhabituel et de fascinant s’y produit chaque jour. Restez avec nous et découvrez chaque jour ce qu'il y a de plus important faits intéressants du monde entier, sur des personnes ou des choses inhabituelles, sur les créations de la nature ou de l'homme.

Une particule élémentaire est une particule sans structure interne, c'est-à-dire ne contenant pas d'autres particules [env. 1]. Les particules élémentaires sont des objets fondamentaux de la théorie quantique des champs. Ils peuvent être classés par spin : les fermions ont un spin demi-entier et les bosons ont un spin complet. Le modèle standard de la physique des particules est une théorie qui décrit les propriétés et les interactions des particules élémentaires.

Ils sont classés selon leur participation à l'interaction forte. Les hadrons sont définis comme des particules composites fortement interagissant. Voir aussi parton (particule). Ceux-ci incluent le pion, le kaon, le méson J/ψ et de nombreux autres types de mésons. Réactions nucléaires et désintégration radioactive peut transformer un nucléide en un autre.

Un atome est constitué d’un petit noyau lourd chargé positivement, entouré d’un nuage d’électrons relativement grand et léger. Il existe également des atomes exotiques à vie courte dans lesquels le rôle de noyau (particule chargée positivement) est joué par un positron (positronium) ou un muon positif (muonium).

Malheureusement, il n'a pas encore été possible de les enregistrer d'une manière ou d'une autre, et ils n'existent qu'en théorie. Et bien que des expériences aient été proposées aujourd'hui pour détecter les trous noirs, la possibilité de leur mise en œuvre se heurte à un problème important. Au contraire, de petites choses peuvent passer inaperçues, même si elles n’en sont pas moins importantes. Le sphéro Charaguan (Sphaerodactylus ariasae) est le plus petit reptile du monde. Sa longueur n'est que de 16 à 18 mm et son poids est de 0,2 gramme.

Les plus petites choses du monde

Le plus petit virus à ADN simple brin est le circovirus porcin. Derrière le siècle dernier La science a fait d’énormes progrès dans la compréhension de l’immensité de l’Univers et de ses matériaux de construction microscopiques.

Autrefois, la plus petite particule était considérée comme un atome. Ensuite, les scientifiques ont découvert le proton, le neutron et l'électron. Nous savons désormais qu’en brisant les particules les unes contre les autres (comme dans le Grand collisionneur de hadrons), elles peuvent être décomposées en encore plus de particules, comme des quarks, des leptons et même de l’antimatière. Le problème est seulement de déterminer ce qui est moins. Ainsi, certaines particules n’ont pas de masse, d’autres ont une masse négative. La solution à cette question équivaut à diviser par zéro, c’est-à-dire que c’est impossible.

Pensez-vous qu'il y a quelque chose là-dedans ?, à savoir : La plus petite particule de Higgs.

Et bien que de telles cordes n'aient pas de paramètres physiques, la tendance humaine à tout justifier nous amène à conclure qu'il s'agit des plus petits objets de l'Univers. Astronomie et télescopes → Questions et réponses d'un astronome et astrophysique → Selon vous, qu'y a-t-il là-dedans ?, à savoir...

Le plus petit virus

Le fait est que pour synthétiser de telles particules, il est nécessaire d’atteindre une énergie de 1026 électrons-volts dans un accélérateur, ce qui est techniquement impossible. La masse de ces particules est de l'ordre de 0,00001 gramme et le rayon est de 1/1034 mètre. La longueur d’onde d’un tel trou noir est comparable à la taille de son rayon gravitationnel.

Où se trouve la Terre dans l’univers ? Qu'y avait-il dans l'univers avant le big bang ? Que s'est-il passé avant la formation de l'Univers ? Quel âge a l’univers ? Il s’est avéré que ce n’était pas la seule munition de la collection du garçon de 13 ans. La structure de ces particules est extrêmement minime : elles n'ont presque aucune masse ni aucune charge atomique, car le noyau est trop petit. Il y a des nombres qui sont tellement incroyablement grands qu’il faudrait même l’univers entier pour les écrire.

Les plus petits objets visibles à l'œil nu

Google, né en 1920 pour intéresser les enfants grands nombres. Il s'agit d'un nombre, selon Milton, dans lequel la première place est 1, puis autant de zéros que vous pourriez écrire avant de vous fatiguer. Si nous parlons du plus grand nombre significatif, il existe un argument raisonnable selon lequel cela signifie en fait que vous devez trouver le plus grand nombre avec une valeur qui existe réellement dans le monde.

Ainsi, la masse du Soleil en tonnes sera inférieure à celle en livres. Le plus grand nombre ayant une application dans le monde réel – ou dans ce cas-ci une application dans le monde réel – est probablement l’une des dernières estimations du nombre d’univers dans le multivers. Ce nombre est si grand que cerveau humain ne sera littéralement pas capable de percevoir tous ces différents univers, puisque le cerveau n'est capable que de configurations approximatives.

Voici une collection des plus petites choses du monde, allant des minuscules jouets, des animaux et des personnes miniatures à une hypothétique particule subatomique. Les atomes sont les plus petites particules dans lesquelles la matière peut être divisée à l'aide de réactions chimiques. La plus petite théière du monde a été créée par le célèbre céramiste Wu Ruishen et ne pèse que 1,4 gramme. En 2004, Rumaisa Rahman est devenue le plus petit nouveau-né.

À la question Quelle est la plus petite particule de l’univers ? Quark, neutrino, boson de Higgs ou trou noir de Planck ? donné par l'auteur caucasien la meilleure réponse est que les particules fondamentales sont toutes de taille nulle (le rayon est nul). Par poids. Il existe des particules de masse égale à zéro (photon, gluon, graviton). Parmi les plus massifs, les neutrinos ont la plus petite masse (moins de 0,28 eV/s^2, plus précisément non encore mesurée). La fréquence et le temps ne sont pas des caractéristiques des particules. Vous pouvez parler des moments de la vie, mais c'est une conversation différente.

Réponse de Point[gourou]
Mosk zérobubus.

Réponse de Mikhaïl Levine[gourou]
En fait, il n’existe pratiquement aucune notion de « taille » dans le microcosme. Eh bien, pour un noyau, vous pouvez toujours parler d'une sorte d'analogue de taille, par exemple, à travers la probabilité que des électrons d'un faisceau y pénètrent, mais pour les plus petits, non.

Réponse de faire du Christ[gourou]
la « taille » d'une particule élémentaire est une caractéristique d'une particule qui reflète la répartition spatiale de sa masse ou de sa charge électrique ; ils parlent généralement de ce qu'on appelle. rayon carré moyen de la distribution de charge électrique (qui caractérise simultanément la distribution de masse)
Les bosons de jauge et les leptons, dans la limite de la précision des mesures effectuées, ne présentent pas de « dimensions » finies. Cela signifie que leurs « tailles »< 10^-16 см
Contrairement aux particules véritablement élémentaires, les « tailles » des hadrons sont finies. Leur rayon quadratique caractéristique est déterminé par le rayon de confinement (ou confinement des quarks) et est de l'ordre de grandeur égal à 10^-13 cm et varie bien entendu d'un hadron à l'autre.

Réponse de Kirill Odding[gourou]
Un des grands physiciens a dit (peut-être pas Niels Bohr ?) : « Si vous parvenez à expliquer mécanique quantique en termes visuels, allez chercher votre prix Nobel. »

Réponse de SerShkod Polikanov Sergueï[gourou]
Quelle est la plus petite particule élémentaire de l'univers ?
Particules élémentaires créant un effet gravitationnel.
Encore moins?
Particules élémentaires qui mettent en mouvement celles qui créent l'effet gravitationnel
mais eux-mêmes sont impliqués dans cela.
Il y en a encore plus petits particules élémentaires.
Leurs paramètres ne rentrent même pas dans les calculs car les structures et leurs paramètres physiques sont inconnus.

Réponse de Misha Nikitine[actif]
QUARK

Réponse de Matipati Kipirofinovitch[actif]
TROU NOIR DE PLANCK

Réponse de Frère qwerty[débutant]
Les quarks sont les plus petites particules du monde. Pour l’univers, il n’y a pas de notion de taille ; il est illimité. Si vous inventez une machine pour rendre une personne plus petite, alors il sera possible de rétrécir infiniment plus petit, plus petit, plus petit... Oui, le quark est la plus petite « particule » Mais il existe quelque chose de plus petit qu'une particule. Espace. Pas. Il a. Taille.

Réponse de Anton Kourochka[actif]
Proton Neutron 1*10^-15 1 femtomètre
Quark-U Quark-D Electron 1*10^-18 1 attomètre
Quark-S 4*10^-19 400 zeptomètres
Quark-C 1*10^-19 100 zeptomètres
Quark-B 3*10^-20 30 zeptomètres
Neutrino hautes énergies 1,5*10^-20 15 zeptomètres
Preon 1*10^-21 1 zeptomètre
Quark-T 1*10^-22 100 yoctomètres
MeV Neutrino 2*10^-23 20 yoctomètres
Neutrino 1*10^-24 1 yoctomètre - (très petite taille !!!) -
Particule Plonk 1,6*10^-35 0,000 000 000 016 yoctomètre
Mousse quantique Corde quantique 1*10^-35 0,000 000 000 01 yoktomètre
Il s'agit d'un tableau de tailles de particules. Et ici vous pouvez voir que la plus petite particule est la particule de Planck, mais comme elle est trop petite, le Neutrino est la plus petite particule. Mais pour l’univers, seule la longueur de Planck est plus petite

Docteur en Sciences Physiques et Mathématiques M. KAGANOV.

Selon une longue tradition, la revue "Science et Vie" parle des dernières réalisations science moderne, sur les dernières découvertes dans le domaine de la physique, de la biologie et de la médecine. Mais pour comprendre à quel point ils sont importants et intéressants, il faut au moins Plan général avoir une compréhension des bases de la science. La physique moderne se développe rapidement et les personnes de la génération plus âgée, celles qui ont étudié à l'école et au collège il y a 30 à 40 ans, ne connaissent pas bon nombre de ses dispositions : elles n'existaient tout simplement pas à l'époque. Et nos jeunes lecteurs n’ont pas encore eu le temps de les connaître : littérature non-fictionnelle a pratiquement cessé d'être publié. C'est pourquoi nous avons demandé à l'auteur de longue date de la revue M.I. Kaganov de parler des atomes et des particules élémentaires et des lois qui les régissent, de ce qu'est la matière. Moses Isaakovich Kaganov est un physicien théoricien, auteur et co-auteur de plusieurs centaines d'ouvrages sur la théorie quantique des solides, la théorie des métaux et le magnétisme. Il était l'un des principaux employés de l'Institut des problèmes physiques qui porte son nom. P. L. Kapitsa et professeur à l'Université d'État de Moscou. M. V. Lomonosov, membre des comités de rédaction des revues "Nature" et "Quantum". Auteur de nombreux articles et livres de vulgarisation scientifique. Vit maintenant à Boston (USA).

Science et vie // Illustrations

Le philosophe grec Démocrite fut le premier à utiliser le mot « atome ». Selon son enseignement, les atomes sont indivisibles, indestructibles et constamment en mouvement. Ils sont infiniment variés, ont des dépressions et des convexités avec lesquelles ils s'emboîtent, formant tous les corps matériels.

Tableau 1. Les caractéristiques les plus importantes des électrons, des protons et des neutrons.

Atome de deutérium.

Le physicien anglais Ernst Rutherford est à juste titre considéré comme le fondateur Physique nucléaire, la doctrine de la radioactivité et la théorie de la structure atomique.

Sur la photo : la surface d'un cristal de tungstène, agrandie 10 millions de fois ; chaque point brillant est son atome individuel.

Science et vie // Illustrations

Science et vie // Illustrations

Travaillant à la création de la théorie du rayonnement, Max Planck est arrivé en 1900 à la conclusion que les atomes de matière chauffée devraient émettre de la lumière par portions, quanta, ayant une dimension d'action (J.s) et une énergie proportionnelle à la fréquence du rayonnement : E = hn .

En 1923, Louis de Broglie transfère l'idée d'Einstein sur la double nature de la lumière - la dualité onde-particule - à la matière : le mouvement d'une particule correspond à la propagation d'une onde infinie.

Les expériences de diffraction ont confirmé de manière convaincante la théorie de de Broglie, selon laquelle le mouvement de toute particule est accompagné d'une onde dont la longueur et la vitesse dépendent de la masse et de l'énergie de la particule.

Science et vie // Illustrations

Un joueur de billard expérimenté sait toujours comment les boules rouleront après avoir été frappées et les enfoncera facilement dans la poche. Avec les particules atomiques, c’est beaucoup plus difficile. Il est impossible d’indiquer la trajectoire d’un électron en vol : ce n’est pas seulement une particule, mais aussi une onde, infinie dans l’espace.

La nuit, lorsqu'il n'y a pas de nuages ​​dans le ciel, que la lune n'est pas visible et qu'aucune lumière ne gêne, le ciel est rempli d'étoiles brillantes. Il n’est pas nécessaire de rechercher des constellations familières ou d’essayer de trouver des planètes proches de la Terre. Regarde juste! Essayez d'imaginer un espace immense rempli de mondes et s'étendant sur des milliards de milliards d'années-lumière. C'est uniquement à cause de la distance que les mondes apparaissent comme des points, et beaucoup d'entre eux sont si éloignés qu'ils ne peuvent pas être distingués individuellement et se fondent en nébuleuses. Il semble que nous soyons au centre de l'univers. Nous savons maintenant que ce n'est pas vrai. Le rejet du géocentrisme est un grand mérite de la science. Il a fallu beaucoup d'efforts pour se rendre compte que la petite Terre se déplace dans une zone aléatoire et apparemment non marquée d'un vaste (littéralement !) espace.

Mais la vie est née sur Terre. Il s'est développé avec un tel succès qu'il a pu produire une personne capable de comprendre le monde qui l'entourait, de rechercher et de trouver les lois qui régissent la nature. Les réalisations de l’humanité dans la compréhension des lois de la nature sont si impressionnantes qu’on se sent involontairement fier d’appartenir à cette pincée d’intelligence perdue à la périphérie d’une galaxie ordinaire.

Compte tenu de la diversité de tout ce qui nous entoure, l’existence de lois générales est étonnante. Non moins étonnant, c'est que tout est construit à partir de seulement trois types de particules : les électrons, les protons et les neutrons.

Afin, en utilisant les lois fondamentales de la nature, de dériver des observables et de prédire de nouvelles propriétés de divers différentes substances et objets créés complexes théories mathématiques, qui ne sont pas du tout faciles à comprendre. Mais les contours image scientifique Le monde peut être compris sans recourir à une théorie stricte. Naturellement, cela demande du désir. Mais ce n'est pas tout : même une connaissance préliminaire nécessitera un certain travail. Nous devons essayer de comprendre des faits nouveaux, des phénomènes inconnus qui, à première vue, ne correspondent pas à l'expérience existante.

Les acquis de la science conduisent souvent à l’idée que « rien n’est sacré » pour elle : ce qui était vrai hier est aujourd’hui rejeté. La connaissance permet de comprendre avec quel respect la science traite chaque grain d'expérience accumulée, avec quelle prudence elle avance, en particulier dans les cas où il est nécessaire d'abandonner des idées enracinées.

Le but de cette histoire est de présenter les caractéristiques fondamentales de la structure des substances inorganiques. Malgré leur infinie variété, leur structure est relativement simple. Surtout si vous les comparez avec n’importe quel organisme vivant, même le plus simple. Mais il y a aussi quelque chose en commun : tous les organismes vivants, comme substances inorganiques, construit à partir d’électrons, de protons et de neutrons.

Il est impossible d’en saisir l’immensité : pour introduire, au moins en termes généraux, la structure des organismes vivants, il faut une histoire particulière.

La variété des choses, des objets, de tout ce que nous utilisons, de ce qui nous entoure, est immense. Non seulement par leur objectif et leur conception, mais aussi par les matériaux utilisés pour les créer - des substances, comme on dit, lorsqu'il n'est pas nécessaire de souligner leur fonction.

Les substances et les matériaux semblent solides et le sens du toucher confirme ce que voient les yeux. Il semblerait qu'il n'y ait aucune exception. L’eau qui coule et le métal solide, si différents l’un de l’autre, se ressemblent sur un point : le métal et l’eau sont tous deux solides. Certes, vous pouvez dissoudre du sel ou du sucre dans l'eau. Ils trouvent leur place dans l'eau. Oui et dans solide, par exemple, vous pouvez enfoncer un clou dans une planche de bois. Avec un effort considérable, vous pouvez obtenir que la place occupée par l'arbre soit occupée par un clou en fer.

Nous le savons bien : vous pouvez détacher un petit morceau d’un corps solide, vous pouvez broyer presque n’importe quel matériau. Parfois c’est difficile, parfois cela arrive spontanément, sans notre participation. Imaginons-nous sur la plage, sur le sable. On l'a bien compris : un grain de sable est loin d'être la plus petite particule de la substance qui compose le sable. Si vous essayez, vous pouvez réduire les grains de sable, par exemple en les faisant passer dans des rouleaux - dans deux cylindres en métal très dur. Une fois entre les rouleaux, le grain de sable est broyé en morceaux plus petits. Essentiellement, c'est ainsi que la farine est fabriquée à partir de grains dans les moulins.

Maintenant que l'atome est fermement entré dans notre perception du monde, il est très difficile d'imaginer que les gens ne savaient pas si le processus de broyage est limité ou si la substance peut être broyée indéfiniment.

On ne sait pas quand les gens se sont posé cette question pour la première fois. Il a été enregistré pour la première fois dans les écrits de philosophes grecs anciens. Certains d'entre eux pensaient que peu importe la taille d'une substance, elle pouvait être divisée en parties encore plus petites - il n'y avait pas de limite. D'autres ont exprimé l'idée qu'il existe de minuscules particules indivisibles à partir desquelles tout est constitué. Pour souligner que ces particules constituent la limite de la fragmentation, ils les ont appelées atomes (en grec ancien, le mot « atome » signifie indivisible).

Il faut nommer ceux qui ont été les premiers à avancer l'idée de l'existence des atomes. Il s'agit de Démocrite (né vers 460 ou 470 avant JC) nouvelle ère, mort très âgé) et Épicure (341-270 av. J.-C.). La science atomique a donc près de 2 500 ans. Le concept d’atomes n’a pas été immédiatement accepté par tout le monde. Il y a environ 150 ans encore, peu de gens étaient convaincus de l'existence des atomes, même parmi les scientifiques.

Le fait est que les atomes sont très petits. Ils ne peuvent pas être vus non seulement à l'œil nu, mais aussi, par exemple, avec un microscope grossissant 1000 fois. Réfléchissons-y : quelle est la taille des plus petites particules visibles ? U personnes différentes une vue différente, mais tout le monde conviendra probablement qu'il est impossible de voir une particule inférieure à 0,1 millimètre. Par conséquent, si vous utilisez un microscope, vous pouvez, bien que difficilement, voir des particules mesurant environ 0,0001 millimètres, soit 10 à 7 mètres. En comparant la taille des atomes et les distances interatomiques (10 à 10 mètres) avec la longueur que nous avons acceptée comme limite de la capacité de voir, nous comprendrons pourquoi toute substance nous semble solide.

2500 ans, c'est une période énorme. Peu importe ce qui se passait dans le monde, il y avait toujours des gens qui essayaient de répondre à la question de savoir comment fonctionne le monde qui les entourait. À certaines époques, les problèmes liés à la structure du monde étaient plus préoccupants, à d’autres moins. La naissance de la science au sens moderne du terme s’est produite relativement récemment. Les scientifiques ont appris à mener des expériences, à poser des questions à la nature et à comprendre ses réponses, à créer des théories décrivant les résultats des expériences. Les théories nécessitaient des méthodes mathématiques rigoureuses pour parvenir à des conclusions fiables. La science a parcouru un long chemin. Sur ce chemin, qui a commencé pour la physique il y a environ 400 ans avec les travaux de Galileo Galilei (1564-1642), une quantité infinie d'informations a été obtenue sur la structure de la matière et les propriétés des corps. de nature différente, une infinité de phénomènes divers ont été découverts et compris.

L’humanité a appris non seulement à comprendre passivement la nature, mais aussi à l’utiliser à ses propres fins.

Nous ne considérerons pas l’histoire du développement des concepts atomiques sur 2 500 ans ni l’histoire de la physique sur les 400 dernières années. Notre tâche est de raconter aussi brièvement et clairement que possible ce qui et comment tout est construit - les objets qui nous entourent, les corps et nous-mêmes.

Comme nous l’avons déjà mentionné, toute matière est constituée d’électrons, de protons et de neutrons. Je suis au courant de ça années scolaires, mais cela ne cesse de m'étonner que tout soit construit à partir de particules de trois types seulement ! Mais le monde est si diversifié ! De plus, les moyens que la nature utilise pour réaliser la construction sont également assez monotones.

Décrire de manière cohérente comment différents types de substances sont construits est une science complexe. Elle utilise des mathématiques sérieuses. Il faut souligner qu’il n’existe pas d’autre théorie simple. Mais principes physiques, qui sous-tendent la compréhension de la structure et des propriétés des substances, bien qu'elles ne soient pas triviales et difficiles à imaginer, elles peuvent toujours être comprises. Avec notre histoire, nous essaierons d'aider tous ceux qui s'intéressent à la structure du monde dans lequel nous vivons.

Il semblerait que la manière la plus naturelle de comprendre comment quelque chose fonctionne appareil complexe(jouet ou mécanisme), - démonter, décomposer en éléments constitutifs. Il faut juste être très prudent, en gardant à l'esprit que le pliage sera beaucoup plus difficile. "Briser n'est pas construire", dit la sagesse populaire. Et encore une chose : nous pouvons comprendre en quoi consiste l'appareil, mais il est peu probable que nous comprenions comment il fonctionne. Parfois, vous devez dévisser une vis, et c'est tout : l'appareil cesse de fonctionner. Il ne faut pas tant démonter que comprendre.

Puisque nous ne parlons pas de la décomposition réelle de tous les objets, choses, organismes qui nous entourent, mais d'imaginaire, c'est-à-dire d'expérience mentale, et non d'expérience réelle, alors vous n'avez pas à vous inquiéter : vous n'avez pas à vous inquiéter. il faut collecter. Par ailleurs, ne lésinons pas sur nos efforts. Ne réfléchissons pas à la question de savoir s'il est difficile ou facile de décomposer l'appareil en ses composants. Juste une seconde. Comment savons-nous que nous avons atteint la limite ? Peut-être qu’avec plus d’efforts, nous pourrons aller plus loin ? Admettons-le : nous ne savons pas si nous avons atteint la limite. Il faut utiliser l'opinion généralement admise, en sachant que ce n'est pas un argument très fiable. Mais si l’on se souvient qu’il ne s’agit que d’une opinion généralement acceptée et non de la vérité ultime, le danger est alors minime.

Il est désormais généralement admis que les éléments à partir desquels tout est construit sont des particules élémentaires. Et ce n'est pas tout. Après avoir consulté l'ouvrage de référence correspondant, nous en serons convaincus : il existe plus de trois cents particules élémentaires. L'abondance de particules élémentaires nous a fait réfléchir à la possibilité de l'existence de particules sous-élémentaires - des particules qui constituent elles-mêmes les particules élémentaires. C'est ainsi qu'est née l'idée des quarks. Ils ont ça propriété incroyable, qui n’existent apparemment pas dans un État libre. Il existe un grand nombre de quarks - six, et chacun a sa propre antiparticule. Peut-être que le voyage dans les profondeurs de la matière n’est pas terminé.

Pour notre histoire, l’abondance de particules élémentaires et l’existence de particules sous-élémentaires n’ont pas d’importance. Les électrons, les protons et les neutrons sont directement impliqués dans la construction des substances - tout est construit uniquement à partir d'eux.

Avant de discuter des propriétés des particules réelles, réfléchissons à ce que nous aimerions voir, les pièces à partir desquelles tout est construit. Lorsqu’il s’agit de ce que nous aimerions voir, nous devons bien entendu tenir compte de la diversité des points de vue. Sélectionnons quelques fonctionnalités qui semblent obligatoires.

Premièrement, les particules élémentaires doivent avoir la capacité de se combiner en diverses structures.

Deuxièmement, j'aimerais penser que les particules élémentaires sont indestructibles. Sachant lequel longue histoire a un monde, il est difficile d’imaginer que les particules qui le composent soient mortelles.

Troisièmement, j'aimerais qu'il n'y ait pas trop de détails. En regardant les blocs de construction, nous voyons combien de structures différentes peuvent être créées à partir des mêmes éléments.

En nous familiarisant avec les électrons, les protons et les neutrons, nous verrons que leurs propriétés ne contredisent pas nos souhaits, et le désir de simplicité correspond sans doute au fait que seuls trois types de particules élémentaires participent à la structure de toutes les substances.

Présentons les caractéristiques les plus importantes des électrons, des protons et des neutrons. Ils sont rassemblés dans le tableau 1.

L'ampleur de la charge est donnée en coulombs, la masse en kilogrammes (unités SI) ; Les mots « spin » et « statistiques » seront expliqués ci-dessous.

Faisons attention à la différence de masse des particules : les protons et les neutrons sont près de 2000 fois plus lourds que les électrons. Par conséquent, la masse de tout corps est presque entièrement déterminée par la masse des protons et des neutrons.

Le neutron, comme son nom l’indique, est neutre : sa charge est nulle. Et un proton et un électron ont des charges de même ampleur, mais de signe opposé. Un électron est chargé négativement et un proton est chargé positivement.

Parmi les caractéristiques des particules, il ne semble y avoir aucune caractéristique importante- leur taille. Décrire la structure des atomes et des molécules, les électrons, les protons et les neutrons peuvent être considérés comme des points matériels. Les tailles du proton et du neutron ne devront être prises en compte que lors de la description des noyaux atomiques. Même comparés à la taille des atomes, les protons et les neutrons sont monstrueusement petits (de l’ordre de 10 à 16 mètres).

Essentiellement, cette courte section revient à présenter les électrons, les protons et les neutrons comme éléments constitutifs de tous les corps dans la nature. On pourrait simplement se limiter au tableau 1, mais il faut comprendre comment les électrons, les protons et les neutrons une construction est effectuée, ce qui amène les particules à se combiner en plus conceptions complexes et quelles sont ces conceptions.

Il existe de nombreux atomes. Il s'est avéré nécessaire et possible de les disposer d'une manière particulière. La mise en ordre permet de souligner les différences et les similitudes des atomes. La disposition raisonnable des atomes est le mérite de D.I. Mendeleev (1834-1907), qui a formulé la loi périodique qui porte son nom. Si l’on ignore temporairement l’existence des périodes, le principe de la disposition des éléments est extrêmement simple : ils sont disposés séquentiellement en fonction du poids des atomes. Le plus léger est l'atome d'hydrogène. Le dernier atome naturel (non créé artificiellement) est l’atome d’uranium, qui est plus de 200 fois plus lourd.

Comprendre la structure des atomes explique la présence d'une périodicité dans les propriétés des éléments.

Au tout début du XXe siècle, E. Rutherford (1871-1937) montra de manière convaincante que la quasi-totalité de la masse d'un atome est concentrée dans son noyau - une petite région de l'espace (même comparée à un atome) : le rayon de l'espace. le noyau est environ 100 mille fois taille plus petite atome. Lorsque Rutherford effectua ses expériences, le neutron n'avait pas encore été découvert. Avec la découverte du neutron, on s'est rendu compte que les noyaux sont constitués de protons et de neutrons, et il est naturel de considérer un atome comme un noyau entouré d'électrons dont le nombre est égal au nombre de protons dans le noyau - après tout, l’atome dans son ensemble est neutre. Les protons et les neutrons sont comme materiel de construction grains, reçus Nom commun- les nucléons (du latin noyau - cœur). C'est le nom que nous utiliserons.

Le nombre de nucléons dans un noyau est généralement indiqué par la lettre UN. Il est clair que A = N + Z, Où N est le nombre de neutrons dans le noyau, et Z- le nombre de protons égal au nombre d'électrons dans un atome. Nombre UN est appelée masse atomique, et Z- numéro atomique. Les atomes ayant le même numéro atomique sont appelés isotopes : dans le tableau périodique, ils sont situés dans la même cellule (en grec ISO -égal , topos - lieu). Le fait est que Propriétés chimiques les isotopes sont presque identiques. Si vous examinez attentivement le tableau périodique, vous pouvez être convaincu qu'à proprement parler, la disposition des éléments ne correspond pas masse atomique, et le numéro atomique. S'il y a environ 100 éléments, alors il y en a plus de 2000. Certes, beaucoup d'entre eux sont instables, c'est-à-dire radioactifs (du latin radio- Je rayonne, actif- actifs), ils se désintègrent en émettant diverses radiations.

Les expériences de Rutherford ont non seulement conduit à la découverte des noyaux atomiques, mais ont également montré que les mêmes forces électrostatiques agissent dans l'atome, qui repoussent les corps chargés de la même manière les uns des autres et attirent les uns vers les autres des corps chargés différemment (par exemple, des boules d'électroscope).

L'atome est stable. Par conséquent, les électrons d’un atome se déplacent autour du noyau : la force centrifuge compense la force d’attraction. Comprendre cela a conduit à la création d'un modèle planétaire de l'atome, dans lequel le noyau est le Soleil et les électrons sont les planètes (du point de vue de la physique classique, le modèle planétaire est incohérent, mais nous y reviendrons plus loin).

Il existe plusieurs façons d’estimer la taille d’un atome. Différentes estimations conduisent à des résultats similaires : les tailles des atomes sont bien sûr différentes, mais approximativement égales à plusieurs dixièmes de nanomètre (1 nm = 10 -9 m).

Considérons d'abord le système d'électrons d'un atome.

DANS système solaire les planètes sont attirées vers le Soleil par gravité. Une force électrostatique agit dans un atome. On l'appelle souvent Coulomb en l'honneur de Charles Augustin Coulomb (1736-1806), qui établit que la force d'interaction entre deux charges est inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Le fait que deux accusations Q 1 et Q 2 attirer ou repousser avec une force égale à F C =Q 1 Q 2 /r 2 , Où r- la distance entre les charges est appelée « Loi de Coulomb ». Indice " AVEC" affecté à la force F par la première lettre du nom de famille de Coulomb Coulomb). Parmi les énoncés les plus divers, rares sont ceux qui sont aussi justement qualifiés de loi que la loi de Coulomb : après tout, son champ d’application est pratiquement illimité. Les corps chargés, quelle que soit leur taille, ainsi que les particules chargées atomiques, voire subatomiques, s'attirent ou se repoussent selon la loi de Coulomb.

Une personne se familiarise avec la gravité petite enfance. En tombant, il apprend à respecter la force de gravité vers la Terre. La connaissance du mouvement accéléré commence généralement par l'étude chute libre corps - mouvements du corps sous l'influence de la gravité.

Entre deux corps de masse M 1 et M 2 actes de force F N=- Directeur général 1 M 2 /r 2 . Ici r- distance entre les corps, G- constante gravitationnelle égale à 6.67259.10 -11 m 3 kg -1 s -2 , l'indice « N » est donné en l'honneur de Newton (1643 - 1727). Cette expression s'appelle la loi gravité universelle, soulignant son caractère universel. Forcer F N détermine le mouvement des galaxies, des corps célestes et la chute des objets sur Terre. La loi de la gravitation universelle est valable à n'importe quelle distance entre les corps. Modifications de l'image de la gravité provoquées par théorie générale relativité d'Einstein (1879-1955), nous n'en parlerons pas.

La force électrostatique coulombienne et la force newtonienne de gravitation universelle sont les mêmes (comme 1/ r 2) diminuer avec l'augmentation de la distance entre les corps. Cela vous permet de comparer l'action des deux forces à n'importe quelle distance entre les corps. Si la force de répulsion coulombienne de deux protons est comparée en ampleur à la force de leur attraction gravitationnelle, il s'avère que F N/ F C= 10 -36 (Q 1 =Q 2 = e p ; M 1 = =M 2 =m p). La gravité ne joue donc aucun rôle significatif dans la structure de l’atome : elle est trop petite par rapport à la force électrostatique.

Détecter les charges électriques et mesurer les interactions entre elles n’est pas difficile. Si la force électrique est si grande, alors pourquoi n'est-elle pas importante, par exemple, lorsque l'on tombe, saute, lance une balle ? Car dans la plupart des cas, nous avons affaire à des corps neutres (non chargés). Il y a toujours beaucoup de particules chargées (électrons, ions de signes différents) dans l'espace. Sous l'influence d'une énorme force électrique attractive (à l'échelle atomique) créée par un corps chargé, les particules chargées se précipitent vers sa source, adhèrent au corps et neutralisent sa charge.

Il est très difficile de parler de particules atomiques et même de particules subatomiques plus petites, principalement parce que leurs propriétés n'ont pas d'analogues dans notre vie quotidienne. On pourrait penser qu’il serait pratique de penser aux particules qui composent des atomes aussi petits que points matériels. Mais tout s’est avéré bien plus compliqué.

Une particule et une onde... Il semblerait inutile de comparer, tant elles sont différentes.

Probablement, lorsque vous pensez à une vague, vous imaginez d’abord une surface marine ondulante. Les vagues viennent au rivage de pleine mer, les longueurs d'onde - les distances entre deux crêtes successives - peuvent être différentes. Il est aisé d'observer des vagues ayant une longueur de l'ordre de plusieurs mètres. Lors des vagues, la masse d'eau vibre évidemment. La vague couvre une zone importante.

L'onde est périodique dans le temps et dans l'espace. Longueur d'onde ( λ ) est une mesure de la périodicité spatiale. La périodicité du mouvement des vagues dans le temps est visible dans la fréquence d'arrivée des crêtes des vagues sur le rivage, et elle peut être détectée, par exemple, par l'oscillation d'un flotteur de haut en bas. Désignons la période de mouvement des vagues - le temps pendant lequel une onde passe - par la lettre T. L'inverse de la période est appelé fréquence ν = 1/T. Les ondes les plus simples (harmoniques) ont une certaine fréquence qui ne change pas dans le temps. Tout mouvement ondulatoire complexe peut être représenté comme un ensemble d'ondes simples (voir « Science et vie » n° 11, 2001). À proprement parler, une simple onde occupe un espace infini et existe pour une durée infiniment longue. Une particule, telle que nous l’imaginons, et une onde sont complètement différentes.

Depuis l’époque de Newton, il y a un débat sur la nature de la lumière. La lumière est un ensemble de particules (corpuscules, du latin corpuscule- petit corps) ou des vagues ? Les théories se sont longtemps affrontées. La théorie ondulatoire l'a emporté : la théorie corpusculaire n'a pas pu expliquer les faits expérimentaux (interférences et diffraction de la lumière). La théorie ondulatoire s’est facilement adaptée à la propagation rectiligne d’un faisceau lumineux. Un rôle important a été joué par le fait que la longueur des ondes lumineuses, selon les concepts quotidiens, est très petite : la gamme de longueurs d'onde lumière visible de 380 à 760 nanomètres. Les ondes électromagnétiques les plus courtes sont les rayons ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma, et les plus longues sont les ondes infrarouges, millimétriques, centimétriques et toutes les autres ondes radio.

À fin du 19ème siècle siècle, la victoire de la théorie ondulatoire de la lumière sur la théorie corpusculaire semble définitive et irrévocable. Cependant, le XXe siècle a apporté de sérieux ajustements. Cela ressemblait à de la lumière, des vagues ou des particules. Il s'est avéré qu'il s'agissait à la fois d'ondes et de particules. Pour les particules de lumière, pour ses quanta, comme on dit, un mot spécial a été inventé - « photon ». Le mot « quantique » vient du latin quantum- combien, et "photon" - depuis mot grec Photos - lumière. Les mots désignant les noms de particules ont dans la plupart des cas la terminaison Il. Étonnamment, dans certaines expériences, la lumière se comporte comme des ondes, tandis que dans d’autres, elle se comporte comme un flux de particules. Peu à peu, il a été possible d’élaborer une théorie prédisant le comportement de la lumière dans telle ou telle expérience. Aujourd’hui, cette théorie est acceptée par tout le monde ; le comportement différent de la lumière n’est plus surprenant.

Les premiers pas sont toujours particulièrement difficiles. J’ai dû aller à l’encontre de l’opinion scientifique établie et faire des déclarations qui ressemblaient à une hérésie. Les vrais scientifiques croient sincèrement à la théorie qu’ils utilisent pour décrire les phénomènes qu’ils observent. Il est très difficile d'abandonner une théorie acceptée. Les premiers pas ont été réalisés par Max Planck (1858-1947) et Albert Einstein (1879-1955).

Selon Planck-Einstein, c'est dans des portions distinctes, des quanta, que la lumière est émise et absorbée par la matière. L'énergie transportée par un photon est proportionnelle à sa fréquence : E = hν. Facteur de proportionnalité h appelée constante de Planck en l'honneur du physicien allemand qui l'introduisit dans la théorie des radiations en 1900. Et déjà dans le premier tiers du 20e siècle, il est devenu clair que la constante de Planck est l’une des constantes mondiales les plus importantes. Naturellement, il a été soigneusement mesuré : h= 6.6260755.10 -34 J.s.

Un quantum de lumière est-il beaucoup ou peu ? La fréquence de la lumière visible est d'environ 10 14 s -1 . Rappel : la fréquence et la longueur d'onde de la lumière sont liées par la relation ν = c/λ, où Avec= 299792458.10 10 m/s (exactement) - la vitesse de la lumière dans le vide. Énergie quantique hν, comme il est facile de le voir, est d'environ 10 à 18 J. Grâce à cette énergie, une masse de 10 à 13 grammes peut être élevée à une hauteur de 1 centimètre. À l’échelle humaine, c’est monstrueusement petit. Mais c'est une masse de 10 14 électrons. Dans le microcosme, l’échelle est complètement différente ! Bien sûr, une personne ne peut pas sentir une masse de 10 à 13 grammes, mais l'œil humain est si sensible qu'il peut voir des quanta de lumière individuels - cela a été confirmé par une série d'expériences subtiles. DANS conditions normales une personne ne distingue pas le « grain » de lumière, le percevant comme un flux continu.

Sachant que la lumière a une nature à la fois corpusculaire et ondulatoire, il est plus facile d’imaginer que les « vraies » particules ont également des propriétés ondulatoires. Cette pensée hérétique a été exprimée pour la première fois par Louis de Broglie (1892-1987). Il n'a pas cherché à découvrir quelle était la nature de la vague dont il avait prédit les caractéristiques. Selon sa théorie, une particule de masse m, volant à grande vitesse v, correspond à une onde de longueur d'onde l = hmv et fréquence ν = E/h, Où E = mv 2/2 - énergie des particules.

Le développement ultérieur de la physique atomique a conduit à une compréhension de la nature des ondes qui décrivent le mouvement des particules atomiques et subatomiques. Une science est née appelée « mécanique quantique » (dans les premières années, on l’appelait plus souvent mécanique ondulatoire).

La mécanique quantique s'applique au mouvement des particules microscopiques. Lorsqu'on considère le mouvement de corps ordinaires (par exemple, n'importe quelle partie de mécanismes), il ne sert à rien de prendre en compte les corrections quantiques (corrections dues aux propriétés ondulatoires de la matière).

L’une des manifestations du mouvement ondulatoire des particules est leur absence de trajectoire. Pour qu'une trajectoire existe, il faut qu'à chaque instant la particule ait une certaine coordonnée et une certaine vitesse. Mais c'est précisément ce qui est interdit par la mécanique quantique : une particule ne peut pas avoir simultanément une certaine valeur de coordonnée X, et une certaine valeur de vitesse v. Leurs incertitudes Dx Et Dv lié par la relation d'incertitude découverte par Werner Heisenberg (1901-1974) : D X D v ~ h/m, Où m est la masse de la particule, et h- La constante de Planck. La constante de Planck est souvent appelée le quantum universel de « l’action ». Sans préciser le terme action, faites attention à l'épithète universel. Il souligne que la relation d'incertitude est toujours valable. Connaissant les conditions de mouvement et la masse d'une particule, il est possible d'estimer quand il est nécessaire de prendre en compte les lois quantiques du mouvement (en d'autres termes, quand les propriétés ondulatoires des particules et leurs conséquences - les relations d'incertitude) ne peuvent pas être prises en compte. être négligé, et quand il est tout à fait possible d'utiliser lois classiques mouvements. Soulignons : si c’est possible, alors c’est nécessaire, puisque la mécanique classique est nettement plus simple que la mécanique quantique.

Veuillez noter que la constante de Planck est divisée par la masse (elles sont incluses dans les combinaisons h/m). Plus la masse est grande, moins les lois quantiques jouent un rôle.

Pour sentir quand il est certainement possible de négliger les propriétés quantiques, nous allons tenter d'estimer les incertitudes D X et D v. Si D X et D v sont négligeables par rapport à leurs valeurs moyennes (classiques), les formules de la mécanique classique décrivent parfaitement le mouvement ; si elles ne sont pas petites, il faut recourir à la mécanique quantique. Cela n’a aucun sens de prendre en compte l’incertitude quantique même lorsque d’autres raisons (dans le cadre de la mécanique classique) conduisent à une incertitude plus grande que la relation de Heisenberg.

Regardons un exemple. En gardant à l’esprit que nous voulons montrer la possibilité d’utiliser la mécanique classique, considérons une « particule » dont la masse est de 1 gramme et dont la taille est de 0,1 millimètre. À l’échelle humaine, il s’agit d’un grain, d’une petite particule légère. Mais il est 10 à 24 fois plus lourd qu’un proton et un million de fois plus gros qu’un atome !

Laissez « notre » grain se déplacer dans un récipient rempli d’hydrogène. Si un grain vole assez vite, il nous semble qu’il se déplace en ligne droite à une certaine vitesse. Cette impression est erronée : en raison des impacts des molécules d'hydrogène sur le grain, sa vitesse change légèrement à chaque impact. Estimons exactement combien.

Supposons que la température de l'hydrogène soit de 300 K (nous mesurons toujours la température sur une échelle absolue, sur l'échelle Kelvin ; 300 K = 27 o C). Multiplier la température en Kelvin par la constante de Boltzmann k B = 1.381.10 -16 J/K, nous l'exprimerons en unités d'énergie. La variation de la vitesse d’un grain peut être calculée à l’aide de la loi de conservation de la quantité de mouvement. A chaque collision d'un grain avec une molécule d'hydrogène, sa vitesse change d'environ 10 à 18 cm/s. Le changement se produit de manière totalement aléatoire et dans une direction aléatoire. Il est donc naturel de considérer la valeur de 10 -18 cm/s comme mesure de l'incertitude classique de la vitesse des grains (D v) cl pour ce cas. Donc (D. v) classe = 10 -18 cm/s. Il est apparemment très difficile de déterminer l'emplacement d'un grain avec une précision supérieure à 0,1 de sa taille. Acceptons (D X) cl = 10 -3 cm Finalement, (D X) classe (D v) cl = 10 -3 .10 -18 = 10 -21 . Cela semblerait une très petite valeur. Dans tous les cas, les incertitudes sur la vitesse et la position sont si faibles que le mouvement moyen du grain peut être pris en compte. Mais comparé à l'incertitude quantique dictée par la relation de Heisenberg (D X D v= 10 -27), l'hétérogénéité classique est énorme - dans ce cas elle la dépasse un million de fois.

Conclusion : lorsque l'on considère le mouvement d'un grain, tenez-en compte propriétés des vagues, c'est-à-dire que l'existence d'une incertitude quantique de position et de vitesse n'est pas nécessaire. En ce qui concerne le mouvement des particules atomiques et subatomiques, la situation change radicalement.

La plus petite particule de sucre est une molécule de sucre. Leur structure est telle que le sucre a un goût sucré. Et la structure des molécules d’eau est telle que l’eau pure ne semble pas douce.

4. Les molécules sont constituées d’atomes

Et une molécule d'hydrogène sera la plus petite particule de la substance hydrogène. Les plus petites particules des atomes sont les particules élémentaires : électrons, protons et neutrons.

Toute la matière connue sur Terre et au-delà est composée de éléments chimiques. Totaléléments naturels – 94. Avec température normale 2 d’entre eux sont à l’état liquide, 11 sont à l’état gazeux et 81 (dont 72 métaux) sont à l’état solide. Le « quatrième état de la matière » est le plasma, un état dans lequel les électrons chargés négativement et les ions chargés positivement sont en mouvement constant. La limite de broyage est l'hélium solide qui, comme cela a été établi en 1964, devrait être une poudre monoatomique. La TCDD, ou 2, 3, 7, 8-tétrachlorodibenzo-p-dioxine, découverte en 1872, est mortelle à une concentration de 3,1 × 10-9 mol/kg, soit 150 000 fois plus forte qu'une dose similaire de cyanure.

La matière est constituée de particules individuelles. Les molécules de différentes substances sont différentes. 2 atomes d'oxygène. Ce sont des molécules polymères.

À propos du complexe : le mystère de la plus petite particule de l'Univers, ou comment capter un neutrino

Le modèle standard de la physique des particules est une théorie qui décrit les propriétés et les interactions des particules élémentaires. Tous les quarks ont aussi charge électrique, un multiple de 1/3 de la charge élémentaire. Leurs antiparticules sont des antileptons (l'antiparticule d'un électron est appelée positon). raisons historiques). Les hypérons, tels que les particules Λ, Σ, Ξ et Ω, contiennent un ou plusieurs quarks s, se désintègrent rapidement et sont plus lourds que les nucléons. Les molécules sont les plus petites particules d'une substance qui conservent encore leurs propriétés chimiques.

Quel avantage financier ou autre peut être tiré de cette particule ? Les physiciens haussent les épaules. Et ils ne le savent vraiment pas. Autrefois, l’étude des diodes semi-conductrices relevait de la physique purement fondamentale, sans aucune application pratique.

Le boson de Higgs est une particule si importante pour la science qu’elle a été surnommée la « particule de Dieu ». C'est ce qui, comme le pensent les scientifiques, donne de la masse à toutes les autres particules. Ces particules commencent à se décomposer dès leur naissance. La création d'une particule nécessite énorme montanténergie, comme celle produite par le Big Bang. Concernant plus grande taille et le poids des superpartenaires, les scientifiques pensent que la symétrie a été brisée dans un secteur caché de l'univers qui ne peut être ni vu ni trouvé. Par exemple, la lumière est constituée de particules de masse nulle appelées photons, qui transportent une force électromagnétique. De même, les gravitons sont des particules théoriques qui transportent la force de gravité. Les scientifiques tentent toujours de trouver des gravitons, mais c'est très difficile, car ces particules interagissent très faiblement avec la matière.