По научным основам инновационных технологий

     Классификация  

     Фундаментальные частицы в стандартной модели, включая фермионы как частицы материи, и бозоны, рассматриваемые как переносчики взаимодействий. Шесть кварков выделены фиолетовым цветом. Три столбца таблицы соответствуют трём поколениям фермионов.

Стандартная модель задумывалась таким образом, чтобы с помощью небольшого числа фундаментальных частиц (шести кварков, шести лептонов и четырёх бозонов) можно было описать все известные элементарные частицы, их распады и взаимодействия друг с другом. В теории предполагается также до сих пор не обнаруженный бозон Хиггса.

Поскольку кваркам приписывается спин ½ , они считаются фермионами исходя из связи между спином и статистикой. В стандартной модели лептоны не взаимодействуют посредством сильного взаимодействия, тогда как кварки обладают цветовым зарядом и могут взаимодействовать таким образом (см. раздел " Сильное взаимодействие и цветовой заряд"). За счёт сильного взаимодействия кварков предполагается образование из них составных частиц – адронов.

     Кварки, определяющие квантовые числа адронов, называются валентные кварки. Считается, что кроме валентных кварков адрон может содержать неопределённое количество виртуальных кварков, антикварков и глюонов, не изменяющих квантовое состояние адрона.

Адроны  подразделяются на два семейства: барионы состоят из трёх кварков, а мезоны из кварка и антикварка. Протон и нейтрон являются самыми распространёнными барионами, из которых состоит атомное ядро. Известно множество адронов и обнаружено ещё больше их резонансных состояний, отличающихся кварковым составом и кантовыми числами кварков. Некоторые состояния частиц не укладываются в стандартную схему, их квантовые числа не сочетаются с идеей обычного кваркового состава, поэтому такие частицы получили название экзотичные адроны. Предполагается, например, что существуют тетракварки, содержащие комбинацию из двух кварков и двух антикварков, и пентакварки из четырёх кварков и антикварка. Несколько исследовательских групп, начиная с 2000 гг., объявили о существовании экзотичных адронов, обнаруженных ими в экспериментах, и интерпретируемых как тетракварки и пентакварки. Из-за противоречий со стандартной теорией статус этих частиц до сих пор не утверждён.

       Частицы второго и третьего поколений  более массивны и нестабильны, что  приводит их к распаду и превращению  в частицы первого поколения  посредством слабого взаимодействия. U-кварк и d-кварк, как составные части нуклонов, оказываются самыми распространёнными в природе. Массивные кварки возникают лишь на короткое время при столкновениях частиц высоких энергий, например, космических лучей, а также в ускорителях частиц.

Кварки  имеют электрический заряд, аромат, цветной заряд, спин и массу и  являются в стандартной теории единственными  частицами, участвующими во всех известных  взаимодействиях. При этом обычная гравитация ввиду её малой величины по сравнению с другими силами в теории частиц практически не рассматривается.

       Утверждается, что кварки имеют дробную величину электрического заряда, либо – ⅓, либо + ⅔ от значения элементарного заряда, в зависимости от своего аромата. U-кварк, c-кварк и t-кварк, относящиеся к верхним кваркам, имеют электрический заряд + ⅔ . D-кварк, s-кварк и b-кварк, относящиеся к нижним кваркам, имеют электрический заряд – ⅓. Заряды антикварков противоположны зарядам соответствующих кварков. Поскольку заряды элементарных частиц целые и должны равняться сумме зарядов кварков, это накладывает ограничение на комбинации составляющих частицы кварков. Например, нейтрон состоит из двух d-кварков и одного u-кварка, а протон с электрическим зарядом 1 (в единицах элементарного заряда) состоит из двух u-кварков и одного d-кварка.

     Большинство элементарных частиц обладают спином, причём направление спина является одной из степеней свободы. Спин частицы, как правило, связан с её вращением вокруг собственной оси, тогда как для составных объектов наподобие атомного ядра вклад в полный момент импульса делают и спиновые и орбитальные моменты импульса нуклонов. В субстанциональной модели электрон в атоме рассматривается как облако и приобретает свой спин при вращении центра облака относительно ядра. Что касается кварков, то они зачастую считаются точечными частицами.

Спин  определяется как вектор, длина которого кратна h/(2π), где h есть постоянная Планка. Для величины h/(2π) также существует своё собственное название ħ ("h с чертой"), называемое постоянной Дирака. Принятое для кварков значение спина таково, что его проекция на выделенную ось равна +ħ/2 либо −ħ/2; поэтому кварки рассматриваются как фермионы, то есть частицы с полуцелым спином.

Слабое  взаимодействие

Основная  статья: Слабое взаимодействие

     Диаграмма Фейнмана, показывающая бета-распад нейтрона как системы из трёх кварков. D-кварк превращается в u-кварк и виртуальный W−бозон, последний даёт электрон и антинейтрино.

     Превращение кварка одного аромата в другой аромат происходит только в результате слабого  взаимодействия. Для этого требуется  поглощение или излучение W-бозона, так что верхние кварки (u, c, t) могут перейти в нижние кварки (d, s, b) и наоборот.

     Как бета-распад нейтрона, так и обратный процесс электронного захвата используются в медицинской практике (например в позитронно-эмиссионной томографии), а также в экспериментах по детектированию нейтрино.

Как правило, кварки преимущественно превращаются в другие кварки внутри своего поколения

     Кварки  имеют свойство, называемое цветовой заряд. Существуют три вида цветового заряда, условно обозначаемые как синий, зелёный и красный. Цветовой заряд никак не связан со спектром видимого света и цветом, различаемым человеческим глазом. Каждый цвет имеет дополнение в виде своего антицвета —антисиний, антизелёный и соответственно антикрасный. В отличие от кварков, антикварки обладают не цветом, а антицветом, то есть противоположным цветовым.

     В квантовой хромодинамике сильное взаимодействие сводится к взаимодействию кварков посредством их электрических и цветовых зарядов и глюонов как переносчиков взаимодействия. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. При соединении двух кварков (антикварков) в мезон или трёх кварков (антикварков) в барион цвета кварков и антицвета антикварков всегда таковы, что суммарный цветовой заряд частицы равен нулю.

     В современной физике для описания взаимодействия элементарных частиц широко используется калибровочная симметрия, являющаяся одним из видов групп симметрии. С точки зрения симметрии, соотношения не меняются, если произвести сдвиги или вращения системы отсчёта в пространстве. Аналогично принимается, что явления в хромодинамике не изменятся при вращении в трёхмерном цветовом пространстве. Данные вращения соотносятся со сменой цвета и с преобразованиями кварков.

     Из-за непривычного свойства сильного взаимодействия — конфайнмента — часто неспециалистами задаётся вопрос: а откуда мы уверены, что кварки существуют, если их никто никогда не увидит в свободном виде? Может, они — лишь математическая абстракция, и протон вовсе не состоит из них?

и простейшей гипотезой относительно строения адронов.

     Тем не менее, реальность существования кварков продолжает оставаться гипотетической. Они могут оказаться всего лишь красивой математической гипотезой, а для реального существования в природе они должны наблюдаться и в свободном виде. Ведь кварками могут казаться отдельные полу периоды переменного электромагнитного поля элементарных частиц в полевой теории (их число в точности равно числу предполагаемых кварков в адронах). - В этом случае понятно, почему кварки не наблюдаются в природе в свободном виде. Ведь в опытах по рассеянию наблюдаются не кварки - а стоячие электромагнитные волны.

     Принципиально иным подходом к строению элементарных частиц является полевая теория элементарных частиц. Она утверждает, что в природе имеется бесконечное число элементарных частиц, каждая из которых имеет бесконечное число возбужденных состояний. Согласно данной теории, все элементарные частицы состоят из электромагнитного поля и поэтому разбить их на части можно только в рамках математики. Мы только начинаем познавать микромир, и гипотеза кварков также нужна физике как в свое время были нужны теплород и электрическая жидкость. Но со временем она неизбежно разделит судьбу последних.

     Катализаторы  и ингибиторы химических реакций.

     Катализатор — химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции. Количество катализатора, в отличие от других реагентов, после реакции не изменяется. Обеспечивая более быстрый путь для реакции, катализатор реагирует с исходным веществом, получившееся промежуточное соединение подвергается превращениям и в конце расщепляется на продукт и катализатор. Затем катализатор снова реагирует с исходным веществом, и этот каталитический цикл многократно (до миллиона раз) повторяется.

     Катализаторы  подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Гомогенный катализатор находится в одной фазе с реагирующими веществами, гетерогенный — образует самостоятельную фазу, отделённую границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества. Типичными гомогенными катализаторами являются кислоты и основания. В качестве гетерогенных катализаторов применяются металлы, их оксиды и сульфиды.

     Реакции одного и того же типа могут протекать  как с гомогенными, так и с  гетерогенными катализаторами. Так, наряду с растворами кислот применяются  имеющие кислотные свойства твёрдые Al₂O₃, TiO₂, ThO₂, алюмосиликаты, цеолиты. Гетерогенные катализаторы с основными свойствами: CaO, BaO, MgO.

     Гетерогенные  катализаторы имеют, как правило, сильно развитую поверхность, для чего их распределяют на инертном носителе (силикагель, оксид алюминия, активированный уголь и др.).Для каждого типа реакций эффективны только определённые катализаторы. Кроме уже упомянутых кислотно-основных, существуют катализаторы окисления-восстановления; для них характерно присутствие переходного металла или его соединения (Со⁺³, V₂O₅+MoO₃). В этом случае катализ осуществляется путём изменения степени окисления переходного металла.

Много реакций осуществлено при помощи катализаторов, которые действуют  через координацию реагентов у атома или иона переходного металла (Ti, Rh, Ni). Такой катализ называется координационным.

     Если  катализатор обладает хиральными свойствами, то из оптически неактивного субстрата получается оптически активный продукт.

В современной  науке и технике часто применяют  системы из нескольких катализаторов, каждый из которых ускоряет разные стадии реакции. Катализатор также может увеличивать скорость одной из стадий каталитического цикла, осуществляемого другим катализатором. Здесь имеет место «катализ катализа», или катализ второго уровня.В биохимических реакциях роль катализаторов играют ферменты.