Микромир – мир атомов и элементарных частиц

Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^{-16 см, а время жизни — от бесконечности до 10-24} сек. В области реально, экспериментально изучаемого мира физики фиксируют размеры порядка 10^–16 см (в тысячу раз меньше размеров атомных ядер). Микромир выделяется как объект квантовой механики, в том числе релятивистской, учитывающей одновременно и квантованность, и относительность (релятивность) процессов в микромире, их структурных, пространственно-временных и энергетических характеристик.

Еще с древнейших времен человек пытался познать первооснову мира, то, из чего состоит все. Ранее такой основой считались атомы. Затем выяснилось, что атомы и даже атомные ядра делимы.

Прежде всего был открыт электрон. Его характеристики были определены в 1897 г. Дж. Дж. Томсоном. Было установлено, что ион водорода, который Резерфорд назвал в 1914 г. протоном, является элементарным носителем положительного заряда. В 1920 г. Резерфордом было предсказано существование нейтрона, который был открыт в 1932 г. В том же году был открыт позитрон.

Элементарными (субъядерными) частицами называют такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. Они подразделяются на стабильные и нестабильные. Всем элементарным частицам присущи такие основные черты:

1. частицы, пока существуют, неизменны.

2. частицы одного сорта абсолютно одинаковы, неразличимы;

3. частицы могут рождаться и исчезать.

Согласно стандартной модели всё вещество (включая свет) состоит из 12 фундаментальных элементарных частиц и 12 частиц-переносчиков взаимодействий. В это число входят кварки (из которых состоят протоны и нейтроны), электроны, фотоны и другие элементарные частицы.

Всем элементарным частицам присущ корпускулярно-волновой дуализм: с одной стороны, частицы представляют собой единые, неделимые объекты, с другой стороны, они в определённом смысле «размазаны» в пространстве. При определённых условиях такая «размазанность» может принимать даже макроскопические размеры. Квантовая механика описывает частицу используя так называемую волновую функцию, которая определяет не где точно находится частица, а где бы она могла находиться и с какой вероятностью. Таким образом, поведение частиц носит принципиально вероятностный характер: вследствие вероятностной «размазанности» частицы в пространстве мы не можем с абсолютной уверенностью определить её местоположение (принцип неопределённости). Но в макромире дуализм незначителен.

Пока неизвестны причины того, почему имеется именно такой набор частиц, причины наличия массы у некоторых из них и ряда других параметров. Перед физикой стоит задача построить теорию, в которой свойства частиц вытекали бы из свойств вакуума.

К настоящему времени открыто несколько сотен элементарных частиц. Естественно, что столь большое число элементарных частиц нуждается в конкретной классификации.

Все элементарные частицы характеризуются такими параметрами, как масса покоя (фотон, движущийся со скоростью света, имеет массу покоя равную нулю, электрон – наилегчайший с ненулевой массой покоя, протоны и нейтроны в 2000, а Z-частица в 200000 раз тяжелее электрона), электрический заряд (он всегда кратен заряду электрона, равному –1, либо вовсе отсутствует), спин (момент импульса частицы, у бозонов спины целые – 0, 1, 2, а у фермионов полуцелые – например ½), и время жизни (стабильные – электрон, протон, фотон и нейтрино и нестабильные, с временем жизни от 15 минут до триллионных и более малых долей секунды).

В основе классификации элементарных частиц лежит их возможность участвовать в тех или иных видах фундаментальных взаимодействий.

Классификация элементарных частиц:

1. Фотоны – кванты электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаимодействия, но участвуют в электромагнитном.

2. Лептоны – элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. Класс лептонов состоит из шести частиц (электрон, мюон, тау-лептон и три вида нейтрино) и шести античастиц.

3. Адроны – частицы, которые способны участвовать в сильном взаимодействии. Адронов очень много. Они состоят из кварков, и все их большое разнообразие можно свести к сочетанию кварков — элементарных частиц с дробным электрическим зарядом 1/3 или 2/3. Класс кварков состоит из шести частиц и шести античастиц. Кварки не встречаются в свободном состоянии, а образуют связанные соединения.

- Барионы – адроны, образуемые комбинациями трех кварков (протон, нейтрон и др.).

- Мезоны – адроны, состоящие из кварка и антикварка, это сильно взаимодействующие нестабильные частицы.

4. Частицы — переносчики взаимодействий: фотон (электромагнитное взаимодействие: фотон не имеет массы, что обусловливает большой радиус этого взаимодействия), мезоны (слабое взаимодействие), глюоны (сильное взаимодействие), гравитоны (гравитационное взаимодействие). Так, электромагнитное взаимодействие передается нейтральным. Переносчики слабого взаимодействия — два промежуточных векторных бозона W^± и один нейтральный Z-бозон обладают большой массой и обеспечивают осуществление слабого взаимодействия только на очень коротких расстояниях.

5. Кварки: Сейчас известно, что адроны состоят из кварков и антикварков. На сегодняшний день кварки и антикварки считаются неделимыми, их по 6 типов, которые называются «ароматами» (flowers): u (up), d (down), с (charm), s (strangeness), t (top) и b (bottom). Самое необычное свойство кварков заключается в том, что они существуют только внутри адронов и не наблюдаются как самостоятельно существующие частицы. имеют дробный электрический и барионный заряд. Барионы и мезоны состоят из кварков.

Также элементарные частицы можно классифицировать следующим образом:

1) По спину: на фермионы (полуцелый спин) и бозоны (целый спин).

2) По времени жизни частицы можно разбить на:

1) стабильные (электрон, протон, фотон, нейтрино);

2) квазистабильные — распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимодействий (нейтрон);

3) нестабильные — распадающиеся вследствие сильного взаимодействия (π -мезоны).

3) По массе все частицы разделены на три класса:

· барионы (тяжелые): протон, нейтрон, гипероны, часть резонансов. Из них стабилен протон. Все они - фермионы. Имеют барионный заряд +1. Участвуют во всех типах взаимодействий.

· мезоны (средние, промежуточные): пи-мезоны, ка-мезоны и др. Нестабильны. Являются бозонами (нулевой или целочисленный спин). Барионного заряда нет. Участвуют во всех типах взаимодействий. Барионы + мезоны = адроны.

· лептоны (легкие): мюон, нейтрино, электрон. Мюоны являются фермионами, не участвуют в сильных взаимодействиях и обладают лептонным зарядом.

Вне этих классов находится фотон: не лептон и не адрон. Лептонного заряда нет, в сильных взаимодействиях не участвует. Участвует в электромагнитных взаимодействиях, его спин = 1, а масса покоя = 0.

При определенных условиях у частицы есть «двойник», античастица с противоположным знаком. У античастиц такие же массы, время жизни, спин, изоспин, как и у частиц. При встрече друг с другом частица и античастица аннигилируют, т.е. превращаются в другие частицы.

Основные положения современной атомистики:

1) атом является сложной материальной структурой, представляет собой мельчайшую частицу химического элемента;

2) у каждого элемента существуют разновидности атомов (содержащиеся в природных объектах или искусственно синтезированы);

3) атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого; эти процессы осуществляются либо самопроизвольно (естественные радиоактивные превращения), либо искусственным путем (посредством различных ядерных реакций).

Вещество, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни, состоит из атомов. В состав атомов входит атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а также электроны, «вращающиеся» вокруг ядра (квантовая механика использует понятие «электронное облако»). Протоны и нейтроны относятся к адронам (которые состоят из кварков). Следует отметить, что в лабораторных условиях удалось получить «атомы», состоящие и из других элементарных частиц.

Атомы каждого химического элемента имеют в своём составе одно и то же количество протонов, называемое атомным номером или зарядом ядра. Однако количество нейтронов может различаться, поэтому один химический элемент может быть представлен несколькими изотопами. В настоящее время известно свыше 110 элементов, наиболее массивные из которых нестабильны.

Атомы могут взаимодействовать друг с другом, образуя химические вещества. Взаимодействие происходит на уровне их электронных оболочек. Химические вещества чрезвычайно многообразны. Наука пока не решила задачу точного предсказания физических свойств химических веществ.