În ce constă totul? Prolog. cunoașterea existenței sau a ceea ce este cea mai mică particulă din univers

Cea mai mică particulă de zahăr este o moleculă de zahăr. Structura lor este astfel încât zahărul are un gust dulce. Și structura moleculelor de apă este de așa natură încât apa pură nu pare dulce.

4. Moleculele sunt formate din atomi

Și o moleculă de hidrogen va fi cea mai mică particulă a substanței hidrogen. Cele mai mici particule de atomi sunt particule elementare: electroni, protoni și neutroni.

Toată materia cunoscută de pe Pământ și dincolo de aceasta este compusă din elemente chimice. Numărul total de elemente naturale este de 94. La temperatură normală, 2 dintre ele sunt în stare lichidă, 11 sunt în stare gazoasă și 81 (inclusiv 72 de metale) sunt în stare solidă. Așa-numita „a patra stare a materiei” este plasma, o stare în care electronii încărcați negativ și ionii încărcați pozitiv sunt în mișcare constantă. Limita de măcinare este heliul solid, care, așa cum a fost stabilit în 1964, ar trebui să fie o pulbere monoatomică. TCDD, sau 2, 3, 7, 8-tetraclorodibenzo-p-dioxină, descoperită în 1872, este letal la o concentrație de 3,1 × 10–9 mol/kg, care este de 150 de mii de ori mai puternică decât o doză similară de cianură.

Materia constă din particule individuale. Moleculele diferitelor substanțe sunt diferite. 2 atomi de oxigen. Acestea sunt molecule de polimer.

Cam despre complex: misterul celei mai mici particule din Univers sau cum să prinzi un neutrin

Modelul standard al fizicii particulelor este o teorie care descrie proprietățile și interacțiunile particulelor elementare. Toți quarcii au, de asemenea, o sarcină electrică care este un multiplu de 1/3 din sarcina elementară. Antiparticulele lor sunt antileptoni (antiparticula electronului este numită pozitron din motive istorice). Hiperonii, cum ar fi particulele Λ, Σ, Ξ și Ω, conțin unul sau mai mulți cuarci s, se degradează rapid și sunt mai grei decât nucleonii. Moleculele sunt cele mai mici particule dintr-o substanță care încă o rețin Proprietăți chimice.

Ce beneficii financiare sau de altă natură pot fi obținute din această particule? Fizicienii ridică din umeri. Și ei chiar nu știu asta. Pe vremuri, studiul diodelor semiconductoare era pur fizică fundamentală, fără nicio aplicație practică.

Bosonul Higgs este o particulă atât de importantă pentru știință încât a fost supranumită „particulă a lui Dumnezeu”. Acesta este ceea ce, după cum cred oamenii de știință, dă masă tuturor celorlalte particule. Aceste particule încep să se descompună de îndată ce se nasc. Crearea unei particule necesită o cantitate imensă de energie, cum ar fi cea produsă de Big Bang. În ceea ce privește dimensiunea și greutatea mai mare a superpartenerilor, oamenii de știință cred că simetria a fost ruptă într-un sector ascuns al universului care nu poate fi văzut sau găsit. De exemplu, lumina este formată din particule cu masă zero numite fotoni, care poartă o forță electromagnetică. De asemenea, gravitonii sunt particule teoretice care poartă forța gravitației. Oamenii de știință încă încearcă să găsească gravitonii, dar acest lucru este foarte dificil, deoarece aceste particule interacționează foarte slab cu materia.

Răspunsul la întrebarea în curs: care este cea mai mică particulă din Univers care a evoluat odată cu omenirea.

Oamenii au crezut odată că grăunțele de nisip sunt elementele de bază ale ceea ce vedem în jurul nostru. Atomul a fost apoi descoperit și considerat a fi indivizibil până când a fost divizat pentru a dezvălui protonii, neutronii și electronii din interior. De asemenea, nu s-au dovedit a fi cele mai mici particule din Univers, deoarece oamenii de știință au descoperit că protonii și neutronii constau din trei quarci fiecare.

Până acum, oamenii de știință nu au reușit să vadă nicio dovadă că există ceva în interiorul quarcilor și că s-a atins cel mai fundamental strat de materie sau cea mai mică particulă din Univers.

Și chiar dacă quarcii și electronii sunt indivizibili, oamenii de știință nu știu dacă sunt cele mai mici bucăți de materie existente sau dacă Universul conține obiecte care sunt și mai mici.

Cele mai mici particule din Univers

Ele vin în diferite arome și dimensiuni, unele au conexiuni uimitoare, altele se evaporă în esență între ele, multe dintre ele au nume fantastice: quarci formați din barioni și mezoni, neutroni și protoni, nucleoni, hiperoni, mezoni, barioni, nucleoni, fotoni, etc. .d.

Bosonul Higgs este o particulă atât de importantă pentru știință încât este numită „particulă a lui Dumnezeu”. Se crede că determină masa tuturor celorlalți. Elementul a fost teoretizat pentru prima dată în 1964, când oamenii de știință s-au întrebat de ce unele particule erau mai masive decât altele.

Bosonul Higgs este asociat cu așa-numitul câmp Higgs, despre care se crede că umple Universul. Două elemente (cuantica câmpului Higgs și bosonul Higgs) sunt responsabile pentru a da masa celorlalți. Numit după omul de știință scoțian Peter Higgs. Cu ajutorul zilei de 14 martie 2013 a fost anunțată oficial confirmarea existenței Bosonului Higgs.

Mulți oameni de știință susțin că mecanismul Higgs a rezolvat piesa lipsă a puzzle-ului pentru a completa „modelul standard” existent al fizicii, care descrie particulele cunoscute.

Bosonul Higgs a determinat în mod fundamental masa a tot ceea ce există în Univers.

Quarci

Cuarcii (adică quarcii) sunt blocurile de construcție ale protonilor și neutronilor. Nu sunt niciodată singuri, existând doar în grupuri. Aparent, forța care leagă quarcii împreună crește odată cu distanța, așa că, cu cât mergi mai departe, cu atât va fi mai dificil să-i separați. Prin urmare, quarcii liberi nu există niciodată în natură.

Quarcii sunt particule fundamentale sunt lipsite de structură, ascuțite aproximativ 10-16 cm în dimensiune.

De exemplu, protonii și neutronii sunt formați din trei quarci, protonii conținând doi quarci identici, în timp ce neutronii au doi diferiți.

Supersimetrie

Se știe că „blocurile” fundamentale ale materiei, fermionii, sunt quarcii și leptonii, iar gardienii forței, bosonii, sunt fotonii și gluonii. Teoria supersimetriei spune că fermionii și bosonii se pot transforma unul în celălalt.

Teoria prezisă afirmă că pentru fiecare particulă pe care o cunoaștem, există una înrudită pe care nu am descoperit-o încă. De exemplu, pentru un electron este un selectron, un quarc este un squark, un foton este un photino, iar un higgs este un higgsino.

De ce nu observăm această supersimetrie în Univers acum? Oamenii de știință cred că sunt mult mai grei decât verii lor obișnuiți și cu cât sunt mai grei, cu atât durata lor de viață este mai scurtă. De fapt, ele încep să se prăbușească de îndată ce apar. Crearea supersimetriei necesită foarte cantitate mare energie care a existat abia la scurt timp după big bangși ar putea fi creat în acceleratoare mari precum Large Hadron Collider.

În ceea ce privește motivul pentru care a apărut simetria, fizicienii teoretizează că simetria ar fi putut fi ruptă într-un sector ascuns al Universului pe care nu-l putem vedea sau atinge, dar îl putem simți doar gravitațional.

Neutrino

Neutrinii sunt particule subatomice ușoare care fluieră peste tot la viteza luminii. De fapt, trilioane de neutrini curg prin corpul tău în orice moment, deși rareori interacționează cu materia normală.

Unele provin de la soare, în timp ce altele din razele cosmice care interacționează cu atmosfera Pământului și surse astronomice, cum ar fi stelele care explodează pe Calea lacteeși alte galaxii îndepărtate.

Antimaterie

Se crede că toate particulele normale au antimaterie cu aceeași masă, dar cu sarcină opusă. Când materia se întâlnește, se distrug reciproc. De exemplu, particula de antimaterie a unui proton este un antiproton, în timp ce partenerul de antimaterie al unui electron se numește pozitron. Antimateria este una dintre cele mai scumpe substanțe din lume pe care oamenii le-au putut identifica.

Gravitoni

În domeniul mecanicii cuantice, toate forțele fundamentale sunt transmise de particule. De exemplu, lumina este formată din particule fără masă numite fotoni, care poartă o forță electromagnetică. De asemenea, gravitonul este o particulă teoretică care poartă forța gravitației. Oamenii de știință nu au detectat încă gravitonii, care sunt greu de găsit, deoarece interacționează atât de slab cu materia.

Fire de energie

În experimente, particulele minuscule, cum ar fi quarcii și electronii, acționează ca puncte unice ale materiei, fără distribuție spațială. Dar obiectele punctuale complică legile fizicii. Din moment ce este imposibil să te apropii la infinit de un punct, din moment ce forte active, poate deveni infinit de mare.

O idee numită teoria superstringurilor ar putea rezolva această problemă. Teoria afirmă că toate particulele, în loc să fie punctiforme, sunt de fapt fire mici de energie. Adică, toate obiectele din lumea noastră constau din fire vibrante și membrane de energie. Nimic nu poate fi infinit aproape de fir, pentru că o parte va fi întotdeauna puțin mai aproape decât cealaltă. Această lacună pare să rezolve unele dintre problemele cu infinitul, făcând ideea atractivă pentru fizicieni. Cu toate acestea, oamenii de știință încă nu au dovezi experimentale că teoria corzilor este corectă.

O altă modalitate de a rezolva problema punctului este să spunem că spațiul în sine nu este continuu și neted, ci este de fapt format din pixeli sau granule discrete, uneori numite structură spațiu-timp. În acest caz, cele două particule nu se vor putea apropia una de cealaltă la infinit, deoarece trebuie să fie întotdeauna separate dimensiune minimă boabe de spațiu.

Punct de gaură neagră

Un alt candidat pentru titlul de cea mai mică particule din Univers este singularitatea (un singur punct) din centrul unei găuri negre. Găurile negre se formează atunci când materia se condensează în suficientă spatiu mic, pe care gravitația o apucă, făcând ca materia să fie trasă spre interior, condensându-se în cele din urmă într-un singur punct de densitate infinită. Cel puțin conform legile actuale fizică.

Dar majoritatea experților nu cred că găurile negre sunt cu adevărat infinit de dense. Ei cred că acest infinit este rezultatul conflict internîntre două teorii actuale – relativitatea generală și mecanica cuantică. Ei sugerează că atunci când teoria gravitației cuantice poate fi formulată, adevărata natură a găurilor negre va fi dezvăluită.

Lungimea Planck

Firele de energie și chiar și cea mai mică particulă din Univers pot avea dimensiunea unei „lungime planck”.

Lungimea barei este de 1,6 x 10 -35 metri (numărul 16 este precedat de 34 de zerouri și un punct zecimal) - o scară de neînțeles, care este asociată cu diverse aspecte ale fizicii.

Lungimea Planck este o „unitate naturală” de lungime care a fost propusă de fizicianul german Max Planck.

Lungimea lui Planck este prea scurtă pentru a fi măsurată de orice instrument, dar dincolo de aceasta, se crede că reprezintă limita teoretică a celei mai scurte lungimi măsurabile. Conform principiului incertitudinii, niciun instrument nu ar trebui să poată măsura ceva mai puțin, deoarece în acest interval universul este probabilist și incert.

Această scară este, de asemenea, considerată linia de despărțire dintre relativitatea generală și mecanica cuantică.

Lungimea Planck corespunde distanței la care câmpul gravitațional este atât de puternic încât poate începe să facă găuri negre din energia câmpului.

Aparent acum, cea mai mică particulă din Univers are aproximativ dimensiunea unei scânduri: 1,6 x 10 -35 metri

concluzii

De la școală se știa că cea mai mică particulă din Univers, electronul, are o sarcină negativă și o masă foarte mică, egală cu 9,109 x 10 - 31 kg, iar raza clasică a electronului este de 2,82 x 10 -15 m.

Cu toate acestea, fizicienii operează deja cu cele mai mici particule din Univers, dimensiunea Planck, care este de aproximativ 1,6 x 10 -35 metri.

La întrebarea Care este cea mai mică particulă din univers? Quark, Neutrino, Bosonul Higgs sau gaura neagră Planck? dat de autor caucazian cel mai bun răspuns este Particulele fundamentale au toate dimensiunea zero (raza este zero). După greutate. Există particule cu masă egală cu zero (foton, gluon, graviton). Dintre cei masivi, neutrinii au cea mai mică masă (mai puțin de 0,28 eV/s^2, mai precis încă nemăsurată). Frecvența și timpul nu sunt caracteristici ale particulelor. Puteți vorbi despre vremurile vieții, dar aceasta este o conversație diferită.

Răspuns de la coase[guru]
Mosk zerobubus.

Răspuns de la Mihail Levin[guru]
De fapt, nu există practic niciun concept de „dimensiune” în microcosmos. Ei bine, pentru un nucleu puteți vorbi în continuare despre un fel de analog de dimensiune, de exemplu, prin probabilitatea ca electronii dintr-un fascicul să intre în el, dar pentru cei mai mici - nu.

Răspuns de la face pe Hristos[guru]
„mărimea” unei particule elementare este o caracteristică a unei particule care reflectă distribuția spațială a masei sau a sarcinii sale electrice; de obicei ei vorbesc despre așa-zisa. rază pătrată medie a distribuției sarcinii electrice (care caracterizează simultan distribuția de masă)
Bosonii și leptonii gauge, în limitele preciziei măsurătorilor efectuate, nu prezintă „dimensiuni” finite. Aceasta înseamnă că „dimensiunile” lor< 10^-16 см
Spre deosebire de particulele cu adevărat elementare, „dimensiunile” hadronilor sunt finite. Raza lor rădăcină medie pătrată caracteristică este determinată de raza de confinare (sau confinarea quarcilor) și este de ordinul mărimii egală cu 10^-13 cm. Mai mult, desigur, variază de la hadron la hadron.

Răspuns de la Kirill Odding[guru]
Unul dintre marii fizicieni a spus (poate că nu Niels Bohr?) „Dacă reușești să explici mecanica cuantică în termeni vizuali, du-te și primești Premiul Nobel.”

Răspuns de la SerShkod Polikanov Serghei[guru]
Care este cea mai mică particulă elementară din univers?
Particule elementare care creează un efect gravitațional.
Chiar mai puțin?
Particule elementare care le pun în mișcare pe cele care creează efectul gravitațional
dar ei înșiși sunt implicați în asta.
Există particule elementare și mai mici.
Parametrii lor nici măcar nu se încadrează în calcule, deoarece structurile și parametrii lor fizici sunt necunoscute.

Răspuns de la Misha Nikitin[activ]
CUARK

Răspuns de la Matipati kipirofinovici[activ]
PLANCK GAURA NEGRA

Răspuns de la Frate qwerty[incepator]
Quarcii sunt cele mai mici particule din lume. Pentru univers nu există un concept de dimensiune, acesta este nelimitat. Dacă inventați o mașină pentru a face o persoană mai mică, atunci va fi posibil să vă micșorați infinit mai mic, mai mic, mai mic... Da, Quark este cea mai mică „particulă” Dar există ceva mai mic decât o particulă. Spaţiu. Nu. Are. Mărimea.

Răspuns de la Anton Kurochka[activ]
Proton Neutron 1*10^-15 1 femtometru
Quark-U Quark-D Electron 1*10^-18 1 attometru
Quark-S 4*10^-19 400 zeptometre
Quark-C 1*10^-19 100 zeptometre
Quark-B 3*10^-20 30 zeptometre
Neutrini de înaltă energie 1,5*10^-20 15 zeptometre
Preon 1*10^-21 1 zeptometru
Quark-T 1*10^-22 100 yoctometre
MeV Neutrino 2*10^-23 20 yoctometre
Neutrino 1*10^-24 1 yoctometru - (dimensiuni foarte mici!!!) -
Particulă Plonk 1,6*10^-35 0,000 000 000 016 yoctometru
Spumă cuantică șir cuantic 1*10^-35 0,000 000 000 01 yoktometru
Acesta este un tabel cu dimensiunile particulelor. Și aici puteți vedea că cea mai mică particulă este particula Planck, dar deoarece este prea mică, Neutrino este cea mai mică particulă. Dar pentru univers, doar lungimea Planck este mai mică

Răspunsul la întrebarea fără sfârșit: care a evoluat odată cu umanitatea.

Până acum, oamenii de știință nu au reușit să vadă nicio dovadă că există ceva în interiorul quarcilor și că s-a atins cel mai fundamental strat de materie sau cea mai mică particulă din Univers.

Cele mai mici particule din Univers

Mulți oameni de știință susțin că mecanismul Higgs a rezolvat piesa lipsă a puzzle-ului pentru a completa „modelul standard” existent al fizicii, care descrie particulele cunoscute.

Bosonul Higgs a determinat în mod fundamental masa a tot ceea ce există în Univers.

Quarcii sunt particule fundamentale sunt lipsite de structură, ascuțite aproximativ 10-16 cm în dimensiune .

De exemplu, protonii și neutronii sunt formați din trei quarci, protonii conținând doi quarci identici, în timp ce neutronii au doi diferiți.

Supersimetrie

De ce nu observăm acum această supersimetrie în Univers? Oamenii de știință cred că sunt mult mai grei decât verii lor obișnuiți și cu cât sunt mai grei, cu atât durata lor de viață este mai scurtă. De fapt, ele încep să se prăbușească de îndată ce apar. Crearea supersimetriei necesită o cantitate destul de mare de energie, care a existat doar la scurt timp după Big Bang și ar putea fi creată în acceleratoare mari, cum ar fi Large Hadron Collider.

Neutrino

Unele provin din soare, în timp ce altele provin din razele cosmice care interacționează cu atmosfera Pământului și surse astronomice, cum ar fi stelele care explodează în Calea Lactee și alte galaxii îndepărtate.

Antimaterie

Se crede că toate particulele normale au antimaterie cu aceeași masă, dar cu sarcină opusă. Când materia se întâlnește, se distrug reciproc. De exemplu, particula de antimaterie a unui proton este un antiproton, în timp ce partenerul de antimaterie al unui electron se numește pozitron. Antimateria se referă la cele pe care oamenii le-au putut identifica.

Gravitoni

Fire de energie

În experimente, particulele minuscule, cum ar fi quarcii și electronii, acționează ca puncte unice ale materiei, fără distribuție spațială. Dar obiectele punctuale complică legile fizicii. Deoarece este imposibil să te apropii infinit de un punct, deoarece forțele care acționează pot deveni infinit de mari.

O idee numită teoria superstringurilor ar putea rezolva această problemă. Teoria afirmă că toate particulele, în loc să fie punctiforme, sunt de fapt fire mici de energie. Adică, toate obiectele din lumea noastră constau din fire vibrante și membrane de energie.
Nimic nu poate fi infinit aproape de fir, pentru că o parte va fi întotdeauna puțin mai aproape decât cealaltă. Această lacună pare să rezolve unele dintre problemele cu infinitul, făcând ideea atractivă pentru fizicieni. Cu toate acestea, oamenii de știință încă nu au dovezi experimentale că teoria corzilor este corectă.

O altă modalitate de a rezolva problema punctului este să spunem că spațiul în sine nu este continuu și neted, ci este de fapt format din pixeli sau granule discrete, uneori numite structură spațiu-timp. În acest caz, cele două particule nu se vor putea apropia una de cealaltă la infinit, deoarece ele trebuie întotdeauna separate printr-o dimensiune minimă a granulelor de spațiu.

Punct de gaură neagră

Un alt candidat pentru titlul de cea mai mică particule din Univers este singularitatea (un singur punct) din centrul unei găuri negre. Găurile negre se formează atunci când materia se condensează într-un spațiu suficient de mic încât să se apuce de gravitație, determinând ca materia să fie trasă în interior, condensându-se în cele din urmă într-un singur punct de densitate infinită. Cel puțin conform legilor actuale ale fizicii.

Dar majoritatea experților nu cred că găurile negre sunt cu adevărat infinit de dense. Ei cred că această infinitate este rezultatul unui conflict intern între două teorii actuale - relativitatea generală și mecanica cuantică. Ei sugerează că atunci când teoria gravitației cuantice poate fi formulată, adevărata natură a găurilor negre va fi dezvăluită.

Lungimea Planck

Firele de energie și chiar și cea mai mică particulă din Univers pot avea dimensiunea unei „lungime planck”.

Lungimea barei este de 1,6 x 10 -35 metri (numărul 16 este precedat de 34 de zerouri și un punct zecimal) - o scară de neînțeles, care este asociată cu diverse aspecte ale fizicii.

Lungimea Planck este o „unitate naturală” de lungime care a fost propusă de fizicianul german Max Planck.

Această scară este, de asemenea, considerată linia de despărțire dintre relativitatea generală și mecanica cuantică.

Lungimea Planck corespunde distanței la care câmpul gravitațional este atât de puternic încât poate începe să facă găuri negre din energia câmpului.

Aparent acum, cea mai mică particulă din Univers are aproximativ dimensiunea unei scânduri: 1,6 x 10 -35 metri

Cu toate acestea, fizicienii operează deja cu cele mai mici particule din Univers, dimensiunea Planck, care este de aproximativ 1,6 x 10 -35 metri.

Doctor în Științe Fizice și Matematice M. KAGANOV.

Conform unei tradiții îndelungate, se vorbește despre revista „Știință și viață”. ultimele realizăriștiință modernă, despre cele mai recente descoperiri din domeniul fizicii, biologiei și medicinei. Dar pentru a înțelege cât de importante și interesante sunt acestea, este necesar să avem cel puțin o înțelegere generală a elementelor de bază ale științei. Fizica modernă se dezvoltă rapid, iar oamenii din generația mai în vârstă, cei care au studiat la școală și la facultate în urmă cu 30-40 de ani, nu sunt familiarizați cu multe dintre prevederile ei: pur și simplu nu existau atunci. Iar tinerii noștri cititori nu au avut încă timp să învețe despre ele: literatura de știință populară practic a încetat să mai fie publicată. Prin urmare, l-am rugat pe autorul de lungă durată al revistei M.I Kaganov să vorbească despre atomi și particulele elementare și despre legile care le guvernează, despre ce este materia. Moses Isaakovich Kaganov - fizician teoretician, autor și coautor a câteva sute de lucrări despre teoria cuantica stare solidă, teoria metalelor și magnetismului. A fost un angajat de frunte al Institutului de Probleme Fizice, numit după. P. L. Kapitsa și profesor la Universitatea de Stat din Moscova. M. V. Lomonosov, membru al redacției revistelor „Nature” și „Quantum”. Autor al multor articole și cărți de popularitate. Acum locuiește în Boston (SUA).

Știință și viață // Ilustrații

Filosoful grec Democrit a fost primul care a folosit cuvântul „atom”. Conform învățăturii sale, atomii sunt indivizibili, indestructibili și în continuă mișcare. Sunt infinit de variate, au depresiuni și convexități cu care se împletesc, formând toate corpurile materiale.

Tabelul 1. Cele mai importante caracteristici ale electronilor, protonilor și neutronilor.

Atom de deuteriu.

Fizicianul englez Ernst Rutherford este considerat pe bună dreptate fondatorul fizicii nucleare, al doctrinei radioactivității și al teoriei structurii atomice.

În fotografie: suprafața unui cristal de tungsten, mărită de 10 milioane de ori; fiecare punct luminos este atomul său individual.

Știință și viață // Ilustrații

Lucrând la crearea teoriei radiațiilor, Max Planck în 1900 a ajuns la concluzia că atomii de materie încălzită ar trebui să emită lumină în porțiuni, cuante, având o dimensiune de acțiune (J.s) și energie proporțională cu frecvența radiației: E = hn .

În 1923, Louis de Broglie a transferat în materie ideea lui Einstein despre natura duală a luminii - dualitate undă-particulă -: mișcarea unei particule corespunde propagării unei unde infinite.

Experimentele de difracție au confirmat în mod convingător teoria lui de Broglie, care afirma că mișcarea oricărei particule este însoțită de o undă, a cărei lungime și viteză depind de masa și energia particulei.

Știință și viață // Ilustrații

Un jucător de biliard cu experiență știe întotdeauna cum se vor rostogoli bilele după ce sunt lovite și le introduce cu ușurință în buzunar. Cu particulele atomice este mult mai dificil. Este imposibil de indicat traiectoria unui electron zburător: nu este doar o particulă, ci și o undă, infinită în spațiu.

Noaptea, când nu sunt nori pe cer, luna nu este vizibilă și nu există lumini în cale, cerul este plin de stele strălucitoare. Nu este necesar să căutați constelații familiare sau să încercați să găsiți planete aproape de Pământ. Doar priveste! Încercați să vă imaginați un spațiu imens care este plin de lumi și se întinde pe miliarde de miliarde de ani lumină. Doar din cauza distanței lumile par a fi puncte, iar multe dintre ele sunt atât de departe încât nu se pot distinge individual și se contopesc în nebuloase. Se pare că suntem în centrul universului. Acum știm că acest lucru nu este adevărat. Respingerea geocentrismului este un mare merit al științei. A fost nevoie de mult efort pentru a realiza că micul Pământ se mișcă într-o zonă aleatorie, aparent nemarcată, a spațiului vast (la propriu!).

Dar viața a apărut pe Pământ. S-a dezvoltat cu atâta succes încât a reușit să producă o persoană capabilă să înțeleagă lumea din jurul său, să caute și să găsească legile care guvernează natura. Realizările omenirii în înțelegerea legilor naturii sunt atât de impresionante, încât te simți involuntar mândru că aparții acestui vârf de inteligență, pierdut la periferia unei Galaxii obișnuite.

Având în vedere diversitatea a tot ceea ce ne înconjoară, existența legilor generale este uimitoare. Nu mai puțin uimitor este asta totul este construit din doar trei tipuri de particule - electroni, protoni și neutroni.

Pentru a, folosind legile de bază ale naturii, pentru a deriva observabile și a prezice noi proprietăți ale diferitelor substanțe și obiecte, complex teorii matematice, care nu sunt deloc ușor de înțeles. Dar contururile tabloului științific al Lumii pot fi înțelese fără a recurge la o teorie strictă. Desigur, acest lucru necesită dorință. Dar nu numai atât: chiar și o cunoaștere preliminară va necesita ceva muncă. Trebuie să încercăm să înțelegem fapte noi, fenomene necunoscute care la prima vedere nu sunt de acord cu experiența existentă.

Realizările științei duc adesea la ideea că „nimic nu este sacru” pentru ea: ceea ce era adevărat ieri este aruncat astăzi. Odată cu cunoașterea vine și înțelegerea cu cât de respectuos tratează știința fiecare grăunte de experiență acumulată, cu ce precauție avansează, mai ales în cazurile în care este necesar să se abandoneze ideile înrădăcinate.

Scopul acestei povestiri este de a introduce caracteristicile fundamentale ale structurii substanțelor anorganice. În ciuda varietății nesfârșite, structura lor este relativ simplă. Mai ales dacă le compari cu oricare, chiar și cu cel mai simplu organism viu. Dar există și ceva în comun: toate organismele vii, precum substanțele anorganice, sunt construite din electroni, protoni și neutroni.

Este imposibil de înțeles imensitatea: pentru a introduce, cel puțin în termeni generali, structura organismelor vii, este nevoie de o poveste aparte.

INTRODUCERE

Varietatea lucrurilor, a obiectelor - tot ceea ce folosim, ceea ce ne înconjoară, este imensă. Nu numai prin scopul și designul lor, ci și prin materialele folosite pentru a le crea - substanțe, după cum se spune, atunci când nu este nevoie să le subliniem funcția.

Substanțele și materialele arată solide, iar simțul tactil confirmă ceea ce văd ochii. S-ar părea că nu există excepții. Apa curgătoare și metalul solid, atât de diferite unul de celălalt, sunt similare într-un singur lucru: atât metalul, cât și apa sunt solide. Adevărat, puteți dizolva sarea sau zahărul în apă. Își găsesc un loc în apă. Da, și într-un corp solid, de exemplu în placa de lemn, poți băga un cui. Cu un efort considerabil, puteți realiza ca locul care a fost ocupat de copac să fie ocupat de un cui de fier.

Știm bine: puteți rupe o bucată mică dintr-un corp solid, puteți șlefui aproape orice material. Uneori este dificil, alteori se întâmplă spontan, fără participarea noastră. Să ne imaginăm pe plajă, pe nisip. Înțelegem: un grăunte de nisip este departe de cea mai mică particulă a substanței din care constă nisipul. Dacă încercați, puteți reduce boabele de nisip, de exemplu, trecându-le prin role - prin doi cilindri din foarte metal dur. Odată ajuns între role, bobul de nisip este zdrobit în bucăți mai mici. În esență, așa se face făina din cereale în mori.

Acum că atomul a intrat ferm în percepția noastră asupra lumii, este foarte greu de imaginat că oamenii nu știau dacă procesul de zdrobire este limitat sau substanța poate fi zdrobită la infinit.

Nu se știe când oamenii și-au pus prima dată această întrebare. A fost consemnată pentru prima dată în scrierile filosofilor greci antici. Unii dintre ei credeau că, oricât de mică este o substanță, aceasta poate fi împărțită în părți și mai mici - nu există limită. Alții au exprimat ideea că există particule minuscule indivizibile din care constă totul. Pentru a sublinia faptul că aceste particule sunt limita fragmentării, ei le-au numit atomi (în greacă veche cuvântul „atom” înseamnă indivizibil).

Este necesar să îi numim pe cei care au prezentat pentru prima dată ideea existenței atomilor. Este vorba despre Democrit (născut în jurul anilor 460 sau 470 î.Hr., murit la o vârstă foarte înaintată) și Epicur (341-270 î.Hr.). Deci, știința atomică are aproape 2500 de ani. Conceptul de atomi nu a fost imediat acceptat de toată lumea. Chiar și cu aproximativ 150 de ani în urmă, puțini oameni erau încrezători în existența atomilor, chiar și printre oamenii de știință.

Adevărul este că atomii sunt foarte mici. Ele nu pot fi văzute nu numai cu ochiul liber, ci și, de exemplu, cu un microscop care mărește de 1000 de ori. Să ne gândim: care este dimensiunea celor mai mici particule care pot fi văzute? U oameni diferiti viziune diferită, dar probabil toată lumea va fi de acord că este imposibil să vezi o particulă mai mică de 0,1 milimetri. Prin urmare, dacă utilizați un microscop, puteți, deși cu dificultate, să vedeți particule care măsoară aproximativ 0,0001 milimetri, sau 10 -7 metri. Comparând dimensiunile atomilor și distanțele interatomice (10 -10 metri) cu lungimea pe care am acceptat-o ca limită a capacității de a vedea, vom înțelege de ce orice substanță ni se pare solidă.

2500 de ani este un timp imens. Indiferent de ce s-a întâmplat în lume, au existat întotdeauna oameni care au încercat să răspundă la întrebarea cum funcționează lumea din jurul lor. Uneori, problemele structurii lumii au fost mai mult o preocupare, alteori - mai puțin. Nașterea științei în sensul ei modern a avut loc relativ recent. Oamenii de știință au învățat să efectueze experimente - să pună întrebări naturii și să-i înțeleagă răspunsurile, să creeze teorii care descriu rezultatele experimentelor. Teoriile au necesitat metode matematice riguroase pentru a ajunge la concluzii de încredere. Știința a parcurs un drum lung. Pe această cale, care pentru fizică a început cu aproximativ 400 de ani în urmă cu lucrarea lui Galileo Galilei (1564-1642), s-a obținut o cantitate infinită de informații despre structura materiei și proprietățile corpurilor de diferite naturi, un număr infinit de au fost descoperite şi înţelese diverse fenomene.

Omenirea a învățat nu numai să înțeleagă pasiv natura, ci și să o folosească în propriile sale scopuri.

Nu vom lua în considerare istoria dezvoltării conceptelor atomice de peste 2500 de ani și istoria fizicii în ultimii 400 de ani. Sarcina noastră este să spunem cât mai pe scurt și clar posibil despre ce și cum este construit totul - obiectele din jurul nostru, corpurile și noi înșine.

După cum am menționat deja, toată materia constă din electroni, protoni și neutroni. Știu despre asta încă de la școală, dar nu încetează să mă uimească că totul este construit din particule de doar trei tipuri! Dar lumea este atât de diversă! În plus, mijloacele pe care natura le folosește pentru realizarea construcțiilor sunt și ele destul de monotone.

O descriere coerentă a modului în care sunt construite substanțele tipuri diferite, este o știință complexă. Ea folosește niște matematici serioase. Trebuie subliniat că nu există o altă teorie simplă. Dar principiile fizice care stau la baza înțelegerii structurii și proprietăților substanțelor, deși nu sunt banale și greu de imaginat, pot fi încă înțelese. Cu povestea noastră vom încerca să ajutăm pe toți cei care sunt interesați de structura lumii în care trăim.

METODA FRAGMENTĂRII, SAU ÎMPĂRȚI ȘI ÎNȚELEGE

S-ar părea că cel mai natural mod de a înțelege cum funcționează un anumit dispozitiv complex (jucărie sau mecanism) este să-l dezasamblați și să-l descompuneți în părțile sale componente. Trebuie doar să fii foarte atent, amintindu-ți că plierea va fi mult mai dificilă. „A sparge nu înseamnă a construi”, spune înțelepciunea populară. Și încă ceva: putem înțelege în ce constă dispozitivul, dar este puțin probabil să înțelegem cum funcționează. Uneori trebuie să deșurubați un șurub și gata - dispozitivul nu mai funcționează. Este necesar nu atât de mult să dezasamblați, cât să înțelegeți.

Deoarece despre care vorbim nu despre descompunerea efectivă a tuturor obiectelor, lucrurilor, organismelor din jurul nostru, ci despre imaginar, adică despre mental, și nu despre experiența reală, atunci nu trebuie să vă faceți griji: nu trebuie să colectați. Mai mult, să nu ne zgârim cu eforturile noastre. Să nu ne gândim dacă este dificil sau ușor să descompuneți dispozitivul în părțile sale componente. Doar o secunda. De unde știm că am ajuns la limită? Poate cu mai mult efort putem merge mai departe? Să recunoaștem în fața noastră: nu știm dacă am ajuns la limită. Trebuie să folosim opinia general acceptată, realizând că acesta nu este un argument foarte de încredere. Dar dacă vă amintiți că aceasta este doar o opinie general acceptată și nu adevărul suprem, atunci pericolul este mic.

Acum este general acceptat că părțile din care este construit totul sunt particule elementare. Și totuși asta nu este tot. După ce am analizat cartea de referință corespunzătoare, ne vom convinge: există mai mult de trei sute de particule elementare. Abundența particulelor elementare ne-a făcut să ne gândim la posibilitatea existenței unor particule subelementare - particule care alcătuiesc particulele elementare în sine. Așa a apărut ideea quarcilor. Au asta proprietate uimitoare, care aparent nu există într-un stat liber. Există destul de mulți quarci - șase și fiecare are propria sa antiparticulă. Poate că călătoria în adâncurile materiei nu s-a încheiat.

Pentru povestea noastră, abundența particulelor elementare și existența celor subelementare este lipsită de importanță. Electronii, protonii și neutronii sunt direct implicați în construcția substanțelor - totul este construit doar din ele.

Înainte de a discuta despre proprietățile particulelor reale, să ne gândim la ce am dori să vedem părțile din care este construit totul. Când vine vorba de ceea ce ne-am dori să vedem, desigur, trebuie să ținem cont de diversitatea opiniilor. Să selectăm câteva funcții care par obligatorii.

În primul rând, particulele elementare trebuie să aibă capacitatea de a se combina în diferite structuri.

În al doilea rând, aș dori să cred că particulele elementare sunt indestructibile. Ştiind care poveste lunga are o lume, este greu de imaginat că particulele din care constă sunt muritoare.

În al treilea rând, aș vrea să nu fie prea multe detalii. Privind blocurile de construcție, vedem câte structuri diferite pot fi create din aceleași elemente.

Familiarizându-ne cu electronii, protonii și neutronii, vom vedea că proprietățile lor nu contrazic dorințele noastre, iar dorința de simplitate corespunde, fără îndoială, faptului că doar trei tipuri de particule elementare iau parte la structura tuturor substanțelor.

ELECTRONI, PROTONI, NEUTRONI

Să prezentăm cele mai importante caracteristici ale electronilor, protonilor și neutronilor. Sunt colectate în tabelul 1.

Mărimea sarcinii este dată în coulombi, masa în kilograme (unități SI); Cuvintele „spin” și „statistici” vor fi explicate mai jos.

Să fim atenți la diferența de masă a particulelor: protonii și neutronii sunt de aproape 2000 de ori mai grei decât electronii. În consecință, masa oricărui corp este aproape în întregime determinată de masa protonilor și neutronilor.

Neutronul, după cum sugerează și numele, este neutru - sarcina lui este zero. Și un proton și un electron au sarcini de aceeași mărime, dar cu semn opus. Un electron este încărcat negativ și un proton este încărcat pozitiv.

Printre caracteristicile particulelor s-ar părea că nu caracteristică importantă- dimensiunea lor. Descrierea structurii atomilor și moleculelor, electronilor, protonilor și neutronilor pot fi considerate puncte materiale. Dimensiunile protonului și neutronului vor trebui reținute numai atunci când descriem nucleele atomice. Chiar și în comparație cu dimensiunea atomilor, protonii și neutronii sunt monstruos de mici (de ordinul a 10 -16 metri).

În esență, această scurtă secțiune se reduce la introducerea electronilor, protonii și neutronilor ca elemente de bază ale tuturor corpurilor din natură. Ne-am putea limita pur și simplu la Tabelul 1, dar trebuie să înțelegem cum electronii, protonii și neutronii se realizează construcția, ceea ce face ca particulele să se combine în mai multe desene complexeși care sunt aceste modele.

ATOMUL ESTE CEA MAI SIMPĂ DINTRE STRUCTURILE COMPLEXE

Sunt mulți atomi. S-a dovedit a fi necesar și posibil să le aranjezi într-un mod special. Ordonarea face posibilă sublinierea diferențelor și asemănărilor atomilor. Aranjarea rezonabilă a atomilor este meritul lui D.I Mendeleev (1834-1907), care a formulat legea periodică care îi poartă numele. Dacă ignorăm temporar existența perioadelor, principiul dispunerii elementelor este extrem de simplu: acestea sunt dispuse secvenţial în funcție de greutatea atomilor. Cel mai ușor este atomul de hidrogen. Ultimul atom natural (nu creat artificial) este atomul de uraniu, care este de peste 200 de ori mai greu.

Înțelegerea structurii atomilor a explicat prezența periodicității în proprietățile elementelor.

La începutul secolului al XX-lea, E. Rutherford (1871-1937) a arătat în mod convingător că aproape întreaga masă a unui atom este concentrată în nucleul său - o regiune mică (chiar în comparație cu un atom) a spațiului: raza nucleul este de aproximativ 100 de mii de ori dimensiune mai mică atom. Când Rutherford și-a efectuat experimentele, neutronul nu fusese încă descoperit. Odată cu descoperirea neutronului, s-a realizat că nucleele constau din protoni și neutroni și este firesc să ne gândim la un atom ca la un nucleu înconjurat de electroni, al cărui număr este egal cu numărul de protoni din nucleu - după toate, atomul ca întreg este neutru. Protonii și neutronii sunt ca material de construcții nucleii se numesc colectiv nucleoni (din latină nucleu - miez). Acesta este numele pe care îl vom folosi.

Numărul de nucleoni dintr-un nucleu este de obicei notat cu literă A. Este clar că A = N + Z, Unde N este numărul de neutroni din nucleu și Z- numărul de protoni, egală cu numărul electroni într-un atom. Număr A se numește masă atomică și Z- numar atomic. Atomii cu aceleași numere atomice se numesc izotopi: în tabelul periodic se află în aceeași celulă (în greacă isos - egal , topos - loc). Faptul este că proprietățile chimice ale izotopilor sunt aproape identice. Dacă examinezi cu atenție tabelul periodic, poți fi convins că, strict vorbind, dispunerea elementelor nu corespunde masei atomice, ci numărului atomic. Dacă există aproximativ 100 de elemente, atunci există mai mult de 2000 de izotopi Adevărat, mulți dintre ei sunt instabili, adică radioactivi (din latină radio- Radiez, activus- active), se degradează, emitând diverse radiații.

Experimentele lui Rutherford nu numai că au dus la descoperirea nucleelor atomice, dar au arătat și că aceleași forțe electrostatice acționează în atom, care resping corpurile încărcate similar unele de altele și le atrag pe cele încărcate diferit unele de altele (de exemplu, bile de electroscop).

Atomul este stabil. În consecință, electronii dintr-un atom se mișcă în jurul nucleului: forța centrifugă compensează forța de atracție. Înțelegerea acestui lucru a condus la crearea unui model planetar al atomului, în care nucleul este Soarele, iar electronii sunt planete (din punct de vedere fizica clasica, modelul planetar este inconsecvent, dar mai multe despre asta mai jos).

Există mai multe moduri de a estima dimensiunea unui atom. Evaluări diverse conduce la rezultate similare: dimensiunile atomilor, desigur, sunt diferite, dar aproximativ egale cu câteva zecimi de nanometru (1 nm = 10 -9 m).

Să luăm mai întâi în considerare sistemul de electroni al unui atom.

ÎN sistem solar planetele sunt atrase de Soare de gravitație. Într-un atom acționează o forță electrostatică. Este adesea numit Coulomb în onoarea lui Charles Augustin Coulomb (1736-1806), care a stabilit că forța de interacțiune dintre două sarcini este invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele. Faptul că două acuzații Q 1 și Q 2 atrage sau respinge cu o forță egală cu F C =Q 1 Q 2 /r 2 , Unde r- distanța dintre sarcini se numește „Legea lui Coulomb”. Index " CU" atribuit forţei F prin prima literă a numelui lui Coulomb (în franceză Coulomb). Printre cele mai diverse enunțuri, există puține care sunt numite drept lege precum legea lui Coulomb: la urma urmei, domeniul de aplicare al acesteia este practic nelimitat. Corpurile încărcate, indiferent de dimensiunea lor, precum și particulele încărcate atomice și chiar subatomice - toate atrag sau resping în conformitate cu legea lui Coulomb.

O DESCOPERIRE DESPRE GRAVITATE

O persoană se familiarizează cu gravitația în copilărie timpurie. Prin cădere, el învață să respecte forța gravitațională față de Pământ. A face cunoștință mișcare acceleratăîncepe de obicei cu studiul căderii libere a corpurilor - mișcarea unui corp sub influența gravitației.

Între două corpuri de masă M 1 și M 2 acte de forta F N=- GM 1 M 2 /r 2 . Aici r- distanta dintre corpuri, G- constantă gravitațională egală cu 6,67259,10 -11 m 3 kg -1 s -2 , indicele „N” este dat în cinstea lui Newton (1643 - 1727). Această expresie se numește lege gravitația universală, subliniindu-i caracterul universal. Forta F N determină mișcarea galaxiilor, corpurilor cerești și căderea obiectelor pe Pământ. Legea gravitației universale este valabilă la orice distanță dintre corpuri. Nu vom aminti schimbările în tabloul gravitației pe care le-a introdus teoria generală a relativității a lui Einstein (1879-1955).

Atât forța electrostatică Coulomb cât și forța newtoniană de gravitație universală sunt aceleași (ca 1/ r 2) scad odată cu creșterea distanței dintre corpuri. Acest lucru vă permite să comparați acțiunea ambelor forțe la orice distanță dintre corpuri. Dacă forța de respingere coulombiană a doi protoni este comparată ca mărime cu forța atracției gravitaționale a acestora, rezultă că F N/ F C= 10 -36 (Q 1 =Q 2 = e p; M 1 = =M 2 =m p). Prin urmare, gravitația nu joacă niciun rol semnificativ în structura atomului: este prea mică în comparație cu forța electrostatică.

Descoperi sarcini electrice iar măsurarea interacțiunii dintre ele nu este dificilă. Dacă forța electrică este atât de mare, atunci de ce nu este importantă atunci când, să zicem, cădeți, săriți, aruncați o minge? Pentru că în cele mai multe cazuri avem de-a face cu corpuri neutre (neîncărcate). Există întotdeauna o mulțime de particule încărcate (electroni, ioni) în spațiu semn diferit). Sub influența unei forțe de atracție uriașe (la scară atomică). forta electrica create de un corp încărcat, particulele încărcate se grăbesc la sursa lui, se lipesc de corp și îi neutralizează încărcătura.

UND SAU PARTICULA? ATÂT UNDE, CÂT PARTICULA!

Este foarte dificil să vorbim despre particule atomice și chiar mai mici, subatomice, în principal pentru că proprietățile lor nu au analogi în Viata de zi cu zi Nu. S-ar putea crede că ar fi convenabil să ne gândim la particulele care alcătuiesc atomi atât de mici ca puncte materiale. Dar totul s-a dovedit a fi mult mai complicat.

O particulă și o undă... S-ar părea că nu are rost să comparăm, sunt atât de diferite.

Probabil, când te gândești la un val, în primul rând îți imaginezi o suprafață a mării ondulată. Valurile vin la mal din marea deschisa lungimile de unda - distantele dintre doua creste succesive - pot fi diferite. Este ușor de observat valuri având o lungime de ordinul a câțiva metri. În timpul valurilor, masa de apă vibrează evident. Valul acoperă o zonă semnificativă.

Unda este periodică în timp și spațiu. lungime de unda ( λ ) este o măsură a periodicității spațiale. Periodicitatea mișcării valurilor în timp este vizibilă în frecvența de sosire a crestelor valurilor la țărm și poate fi detectată, de exemplu, prin oscilația unui plutitor în sus și în jos. Să notăm cu literă perioada mișcării undei - timpul în care trece o undă T. Reciproca perioadei se numește frecvență ν = 1/T. Cele mai simple unde (armonice) au o anumită frecvență, care nu se schimbă în timp. Orice mișcare ondulatorie complexă poate fi reprezentată ca un set de unde simple (vezi „Știința și viața” nr. 11, 2001). Strict vorbind, o undă simplă ocupă spațiu infinit și există pentru o perioadă de timp infinit de lungă. O particulă, așa cum ne imaginăm, și o undă sunt complet diferite.

De pe vremea lui Newton, a existat o dezbatere despre natura luminii. Ceea ce este lumina este o colecție de particule (corpuscule, din latină corpusculum- corp mic) sau valuri? Teoriile au concurat mult timp. Teoria undelor a câștigat: teoria corpusculară nu a putut explica faptele experimentale (interferența și difracția luminii). Teoria undelor a făcut față cu ușurință propagării rectilinie a unui fascicul de lumină. Un rol important l-a jucat faptul că lungimea undelor luminoase, conform conceptelor de zi cu zi, este foarte mică: gama de lungimi de undă lumina vizibila de la 380 la 760 nanometri. Undele electromagnetice mai scurte sunt ultraviolete, razele X și razele gamma, iar cele mai lungi sunt infraroșu, milimetric, centimetru și toate celelalte unde radio.

Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, victoria teoriei ondulatorii a luminii asupra teoriei corpusculare părea definitivă și irevocabilă. Cu toate acestea, secolul al XX-lea a făcut ajustări serioase. Părea ca lumină sau valuri sau particule. S-a dovedit - atât valuri, cât și particule. Pentru particulele de lumină, pentru cuantele sale, după cum se spune, a fost inventat cuvânt special- „foton”. Cuvântul „quantum” provine din cuvântul latin cuantic- câte, și „foton” - din cuvântul grecesc fotografii - ușoară. Cuvintele care indică numele particulelor au în majoritatea cazurilor finalul El. În mod surprinzător, în unele experimente lumina se comportă ca undele, în timp ce în altele se comportă ca un flux de particule. Treptat, a fost posibil să se construiască o teorie care a prezis cum se va comporta lumina în acel experiment. În zilele noastre această teorie este acceptată de toată lumea, comportamentul diferit al luminii nu mai este surprinzător.

Primii pași sunt întotdeauna deosebit de dificili. A trebuit să merg împotriva opiniei consacrate în știință și să fac afirmații care păreau erezie. Oamenii de știință adevărați cred cu adevărat în teoria pe care o folosesc pentru a descrie fenomenele pe care le observă. Este foarte greu să abandonezi o teorie acceptată. Primii pași au fost făcuți de Max Planck (1858-1947) și Albert Einstein (1879-1955).

Potrivit lui Planck - Einstein, lumina este emisă și absorbită de materie în porțiuni separate, cuante. Energia transportată de un foton este proporțională cu frecvența acestuia: E = hν. Factorul de proporționalitate h numită constanta lui Planck în onoarea fizicianului german care a introdus-o în teoria radiațiilor în 1900. Și deja în prima treime a secolului al XX-lea a devenit clar că constanta lui Planck este una dintre cele mai importante constante ale lumii. Desigur, a fost măsurat cu atenție: h= 6,6260755,10 -34 J.s.

Un cuantum de lumină este mult sau puțin? Frecvența luminii vizibile este de aproximativ 10 14 s -1. Reamintim: frecvența și lungimea de undă a luminii sunt legate de relația ν = c/λ, unde Cu= 299792458.10 10 m/s (exact) - viteza luminii în vid. Energia cuantică hν, după cum este ușor de observat, este de aproximativ 10 -18 J. Datorită acestei energii, o masă de 10 -13 grame poate fi ridicată la o înălțime de 1 centimetru. La scară umană, este monstruos de mic. Dar aceasta este o masă de 10 14 electroni. În microcosmos scara este complet diferită! Desigur, o persoană nu poate simți o masă de 10 -13 grame, dar ochiul uman este atât de sensibil încât poate vedea cuante individuale de lumină - acest lucru a fost confirmat de o serie de experimente subtile. În condiții normale, o persoană nu distinge „granul” de lumină, percepându-l ca un flux continuu.

Știind că lumina are atât o natură corpusculară, cât și o natură ondulatorie, este mai ușor să ne imaginăm că particulele „reale” au și proprietăți ondulatorii. Acest gând eretic a fost exprimat pentru prima dată de Louis de Broglie (1892-1987). Nu a încercat să afle care este natura valului, ale cărui caracteristici le-a prezis. Conform teoriei sale, o particulă cu masă m, zburând cu viteză v, corespunde unei unde cu lungimea de undă l = hmv si frecventa ν = E/h, Unde E = mv 2/2 - energia particulelor.

Dezvoltarea ulterioară a fizicii atomice a condus la înțelegerea naturii undelor care descriu mișcarea particulelor atomice și subatomice. A apărut o știință numită „mecanica cuantică” (în primii ani a fost numită mai des mecanică ondulatorie).

Mecanica cuantică se aplică mișcării particulelor microscopice. Când luăm în considerare mișcarea corpurilor obișnuite (de exemplu, orice părți ale mecanismelor), nu are rost să luăm în considerare corecțiile cuantice (corecții datorate proprietăților de undă ale materiei).

Una dintre manifestările mișcării ondulatorii a particulelor este lipsa lor de traiectorie. Pentru ca o traiectorie să existe, este necesar ca în fiecare moment de timp particula să aibă o anumită coordonată și o anumită viteză. Dar tocmai acest lucru este interzis de mecanica cuantică: o particulă nu poate avea simultan o anumită valoare a coordonatei X, și o anumită valoare a vitezei v. Incertitudinile lor DxȘi Dv legat de relația de incertitudine descoperită de Werner Heisenberg (1901-1974): D X D v ~ h/m, Unde m este masa particulei și h- constanta lui Planck. Constanta lui Planck este adesea numită cuantumul universal al „acțiunii”. Fără a preciza termenul acțiune, fii atent la epitet universal. El subliniază că relația de incertitudine este întotdeauna valabilă. Cunoscând condițiile de mișcare și masa particulei, se poate estima când este necesar să se țină cont de legile cuantice ale mișcării (cu alte cuvinte, când proprietățile de undă ale particulelor și consecința lor - relațiile de incertitudine) nu pot fi neglijate. , iar când este destul de posibil să se folosească legile clasice ale mișcării. Să subliniem: dacă este posibil, atunci este necesar, deoarece mecanica clasică este semnificativ mai simplă decât mecanica cuantică.

Vă rugăm să rețineți că constanta lui Planck este împărțită la masă (sunt incluse în combinații h/m). Cu cât masa este mai mare, cu atât rolul legilor cuantice este mai mic.

Pentru a simți când este cu siguranță posibil să neglijăm proprietățile cuantice, vom încerca să estimăm incertitudinile D X si D v. Daca D X si D v sunt neglijabile în comparație cu valorile lor medii (clasice), formulele mecanicii clasice descriu perfect mișcarea dacă nu sunt mici, este necesar să se folosească mecanica cuantică. Nu are sens să luăm în considerare incertitudinea cuantică chiar și atunci când alte motive (în cadrul mecanicii clasice) conduc la o incertitudine mai mare decât relația Heisenberg.

Să ne uităm la un exemplu. Ținând cont de faptul că dorim să arătăm posibilitatea utilizării mecanicii clasice, luăm în considerare o „particulă” a cărei masă este de 1 gram și a cărei dimensiune este de 0,1 milimetri. La scară umană, acesta este un bob, o particulă ușoară, mică. Dar este de 10 24 de ori mai greu decât un proton și de un milion de ori mai mare decât un atom!

Lăsați cerealele „noastre” să se miște într-un vas plin cu hidrogen. Dacă un bob zboară suficient de repede, ni se pare că se mișcă în linie dreaptă cu o anumită viteză. Această impresie este eronată: din cauza impactului moleculelor de hidrogen asupra boabelor, viteza acestuia se modifică ușor cu fiecare impact. Să estimăm exact cât.

Fie ca temperatura hidrogenului să fie de 300 K (măsurăm întotdeauna temperatura cu scară absolută, pe scara Kelvin; 300 K = 27 o C). Înmulțirea temperaturii în Kelvin cu constanta lui Boltzmann k B = 1.381.10 -16 J/K, o vom exprima în unități de energie. Modificarea vitezei unui bob poate fi calculată folosind legea conservării impulsului. La fiecare ciocnire a unui cereal cu o moleculă de hidrogen, viteza acestuia se modifică cu aproximativ 10 -18 cm/s. Schimbarea are loc complet aleatoriu și într-o direcție aleatorie. Prin urmare, este firesc să luăm în considerare valoarea de 10 -18 cm/s ca măsură a incertitudinii clasice a vitezei boabelor (D v) cl pentru acest caz. Deci, (D v) clasa = 10 -18 cm/s. Aparent, este foarte dificil să determinați locația unui cereale cu o precizie mai mare de 0,1 din dimensiunea sa. Să acceptăm (D X) cl = 10 -3 cm În cele din urmă, (D X) clasa (D v) cl = 10 -3 .10 -18 = 10 -21 . S-ar părea o valoare foarte mică. În orice caz, incertitudinile în viteză și poziție sunt atât de mici încât poate fi luată în considerare mișcarea medie a boabelor. Dar în comparație cu incertitudinea cuantică dictată de relația lui Heisenberg (D X D v= 10 -27), eterogenitatea clasică este enormă - în acest caz o depășește de un milion de ori.

Concluzie: atunci când se ia în considerare mișcarea unui bob, nu este nevoie să se țină cont de proprietățile sale de undă, adică de existența incertitudinii cuantice a coordonatelor și vitezei. Când vine vorba de mișcarea particulelor atomice și subatomice, situația se schimbă dramatic.