Структурные уровни и системная организация материи. Структуры микромира

Структурные уровни и системная  организация материи

Структуры микромира

 

1. Структурные уровни материи  

 

Характерной чертой материи  является ее структура, поэтому одной  из важнейших задач естествознания является исследование этой структуры.

В настоящее время принято, что наиболее естественным  и наглядным признаком структуры материи являются характерный размер объекта на данном уровне и его масса. В соответствии с этими представлениями выделяются следующие уровни:

 

Уровни	Условные границы
	Размер, м	Масса, кг
Микромир	r<=10-8	m <= 1010
Макромир	r » 10-8  - 107	m » 10-10 – 1020
Мегамир	r >107	m > 1020

 

 

Понятие «микромир» охватывает фундаментальные и элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.  Макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, начиная с элементарное единицей живого – клетки, человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами. Наиболее крупные объекты (планеты, звезды, галактики и их скопления образуют мегамир.  Важно сознавать, что жестких границ между этими мирами нет, а речь идет лишь о различных уровнях рассмотрения материи.

Для каждого из рассмотренных  основных уровней, в свою очередь, можно  выделить подуровни, характеризуемые  своей структурой, своими особенностями  организации.

 

Структурный уровень  материи	Подуровни
МИКРОМИР	Физический  уровень: субатомный  уровень: кварки, лептоны ядерный уровень: нуклоны, ядра атомов Атомный уровень: атомы химических элементов Молекулярный  уровень: молекулы веществ
МАКРОМИР	Макромолекулярный уровень: полимеры, комплексы молекул Физические тела
МЕГАМИР	Уровень планет, геологических  объектов Уровень планет, геологических  объектов Уровень планет, геологических  объектов Уровень Метагалактики

 

Изучение материи на ее различных структурных уровнях  требует своих специфических  средств и методов.

 

 

 2. Элементарные  частицы, фундаментальные частицы

Элементарные  частицы – это частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома. К ним относят также и те частицы, которые получают при помощи мощных ускорителей частиц. Есть элементарные частицы, которые возникают при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют миллионные доли секунды, затем распадаются, превращаются в другие элементарные частицы или испускают энергию в форме излучения.  К наиболее известным элементарным частицам относятся электрон, фотон, пи-мезон, мюон, нейтрино. В строгом смысле слова элементарные частицы не должны содержать в себе какие-либо другие частицы. Однако далеко не все из наиболее известных элементарных частиц удовлетворяют этому требованию. Было обнаружено, что элементарные частицы могут взаимно превращаться, т.е. не являются «последними кирпичиками» мироздания. В настоящее время уже известны сотни элементарных частиц, хотя согласно теории их число не должно быть особенно большим. Новейшие исследования, в частности, подтверждают выдвинутую ранее гипотезу о существовании еще «более элементарных» частиц – кварков.

Классификация элементарных частиц:

- по массе: с нулевой массой (фотон); лёгкие (лептоны); тяжёлые (адроны)

(к лептонам относятся  электрон и нейтрино, к адронам  – протоны и нейтроны, протоны  и нейтроны состоят их 3х кварков)

- по времени  жизни: стабильные (протон, электрон, нейтрино), нестабильные (свободный нейтрон (живет не более 10 минут, затем распадается на протон, электрон и антинейтрино)) и резонансы (нестабильные короткоживущие)

- по зарядам (электрическому, цветовому, гравитационному – масса)

- по спину: бозоны – кванты полей (с целочисленным спином — фотон, мезоны) и фермионы - частицы вещества (с полуцелым спином — все лептоны, кварки, барионы), подчиняющиеся принципу Паули.

Принцип Паули (частицы с  полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии, например, в атоме не может  быть электронов, у которых все  квантовые числа одинаковы)

Фундаментальные частицы. 

Оказалось, таким образом, что дать определение элементарной частицы не так просто. В обычном  употреблении  физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами и атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона. После установления сложной структуры многих элементарных частиц потребовалось ввести новое понятие – фундаментальные частицы, под которыми понимаются  микрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободной частиц. 

Во всех взаимодействиях  элементарные частицы ведут себя как единое целое. Характеристиками элементарных частиц являются, кроме  массы покоя, электрического заряда, спина, также такие специфические  характеристики (квантовые числа), как  барионный заряд, лептонный заряд, гиперзаряд, странность и т.п. Существует несколько групп элементарных частиц, различающихся  по своим свойствам и характеру взаимодействия. Принято делить их на два больших класса (см. рис.1).

Фермионы ( в честь Э. Ферми) составляют вещество, бозоны (в честь Шатьендраната Бозе) переносят взаимодействие. Кварки входят в состав адронов (<греч. сильный). Лептоны (<греч. легкий) могут иметь электрический заряд, могут быть нейтральными. Заряженные лептоны могут, как и электроны (относящиеся к их числу) вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда могут проходить беспрепятственно через вещество (хоть через всю Землю) не взаимодействуя с ним. У каждой частицы есть античастица, отличающаяся только зарядом.

Между частицами существует четыре типа взаимодействия, каждое из которых переносится своим типом  бозонов. Фотон, или квант света  переносит электромагнитное взаимодействие. Глюоны осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки. Векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц. 

Характеристики элементарных частиц.  

Физические величины, характеризующие  элементарные частицы, это масса, заряд, спин, время жизни, внутренние квантовые  числа.

Спин (англ. spin — вертеть[-ся]) характеризует — собственный момент количества движения элементарных частиц. Спин имеет квантовую природу и не связан с перемещением частицы как целого.

Ква́нтовое число́ — численное значение какой-либо квантованной переменной микроскопического объекта (элементарной частицы, ядра, атома и т. д.), характеризующее состояние частицы. Задание квантовых чисел полностью характеризует состояние частицы. Квантовые числа – целые или дробные числа, определяющие возможные значения физических величин, характеризующих квантовую систему (молекулу, атом, атомное ядро, элементарную частицу). Квантовые числа отражают дискретность (квантованность) физических величин, характеризующих микросистему. Набор квантовых чисел, исчерпывающе описывающих микросистему, называют полным^[1].

Помимо квантовых чисел, отражающих пространственно-временную  симметрию микросистемы, существенную роль у частиц играют так называемые внутренние квантовые числа. Ряд из них, такие как спин и электрический заряд, сохраняются во всех взаимодействиях, другие в некоторых взаимодействиях не сохраняются. Так кварковое квантовое число «странность», сохраняющееся в сильном взаимодействии, не сохраняется в слабом взаимодействии, что отражает разную природу этих взаимодействий.  

3. Виртуальные частицы.

Виртуальные частицы – это частицы, существующие в промежуточных, имеющих малую длительность, состояниях, для которых не выполняется обычное соотношение между энергией, импульсом и массой. Другие характеристики виртуальных частиц - электрический заряд, спин, и т.д. - такие же, как у соответствующих реальных частиц.

Понятие виртуальных частиц и виртуальных процессов занимает центральное место в современной  квантовой теории поля. В этой теории взаимодействие частиц и их взаимные превращения рассматриваются как рождение или поглощение одной свободной частицей других (виртуальных) частиц. Любая частица непрерывно испускает и поглощает виртуальные различных типов. Например, протон испускает и поглощает виртуальные пи-мезоны и, благодаря этому, оказывается окружённым облаком виртуальных частиц.

С точки зрения классической физики, свободная частица (частица, на которую не действуют внешние  силы, т. е. покоящаяся или движущаяся равномерно и прямолинейно) не может  ни породить, ни поглотить другую частицу (например, свободный электрон не может  ни испустить, ни поглотить фотон), так  как в таких процессах нарушался  бы либо закон сохранения энергии, либо закон сохранения импульса. Действительно, покоящийся электрон имеет минимальную  возможную энергию (энергию покоя, равную, согласно теории относительности, m₀с², где m₀ - масса покоя электрона, с - скорость света). Поэтому такой электрон не может испустить фотон, всегда обладающий энергией: при этом нарушался бы закон сохранения энергии. Если электрон движется с постоянной скоростью, он также не может (за счёт своей кинетической энергии) породить фотон, так как в таком процессе нарушался бы закон сохранения импульса: потеря импульса электроном, связанная с потерей энергии на рождение фотона, была бы большей импульса фотона, соответствующего его энергии (из-за различия масс этих частиц). То же относится и к процессу поглощения фотона свободным электроном.

 

В квантовой механике, поскольку  имеет место соотношение неопределенностей  между энергией кванта и длительностью его существования, взаимодействие элементарных частиц, осуществляемое через испускание и поглощение виртуальных частиц – квантов поля – возможно.

 

Виртуальные частицы, существование  которых нашло экспериментальное  подтверждение – это фотон, глюон и мезон.

 

Теория великого объединения. Согласно современным представлениям, при очень высоких температурах (и, соответственно, энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно. Так, при энергии 100 ГэВ объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соответствует температуре Вселенной через 10^-10 с после Большого Взрыва. Это открытие, сделанное в ЦЕРНе, позволяет предположить, что при энергии порядка 10¹⁵ ГэВ произойдет объединение электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий, а при 10¹⁹ ГэВ к ним присоединится и гравитационное. Эти теории называются Теориями Великого Объединения (ТВО).

Проблема элементарных частиц связана с самыми основами естественно-научной картины мира, и изучается она  в некотором отрыве от других областей физики. Здесь особенно интересно то, что ответы на многие вопросы, связанные с элементарными частицами ищутся в современной космологии, в моделях первичного нуклеосинтеза, т.е. ядерного синтеза в первые мгновения после Большого Взрыва – гипотетического Начала Вселенной. Именно в этот период, как считается были порождены элементарные частицы. Дело еще и в том, что ускорителей, на которых можно было бы получить энергии, соответствующие энергиям объединения трех и четырех взаимодействий пока не предвидится, поэтому и обращаются к вселенной, чтобы найти в ней возможные ограничения для огромного числа элементарных частиц. Таким образом, в последние 30 лет между физикой элементарных частиц и космологией существует тесная связь. Совокупность астрофизических данных можно рассматривать как «экспериментальный материал», накопленный в результате работы Вселенной как гигантского ускорителя частиц. 

 

 

  

 

4. Атомное ядро 

 

 

 

Рис. 2

 

 Под ядром атома понимается его центральная часть, в которой сосредоточена практически вся масса атома и весь его положительный заряд. Ядро состоит из нуклонов – протонов и нейтронов (обозначение p иn). Масса протона m_P = 1,673×10^-27 =1,836m_e , m_n  = 1,675×10^-27 = 1835,5m_e.  Масса ядра не равна сумме масс протонов и нейтронов, входящих в него (т.н. «дефект масс»).

Протон несет элементарный положительный заряд, нейтрон –  частица незараженная. Число электронов в атоме равно порядковому  номеру Z  элемента в таблице Менделеева, а число протонов, поскольку в целом атом нейтрален, равно числу электронов.

Число нейтронов в ядре определяется  следующим образом: N_P = A – Z, где А – массовое число, т.е. целое число, ближайшее к атомной массе элемента в таблице Менделеева, Z – зарядовое число (число нейтронов). Для обозначения ядер применяется  запись   _ZX^A, где Х – символ химического элемента в таблице Менделеева. Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами. Сейчас известно более 300 устойчивых и более 1000 неустойчивых изотопов. С неустойчивыми изотопами связано явление радиоактивности – ядерного распада.

Ядро в целом – устойчивая система, для его разрушения необходимо затратить энергию. Эта энергия  называется энергией связи ядра. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи. Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами, представляющими сильное взаимодействие и имеют обменный характер.

Ядерные силы обладают рядом  свойств:

Ядерные силы являются короткодействующими (радиус действия порядка 10^-15 м) На этих расстояниях они значительно превышают кулоновские силы отталкивания протонов. При значительном уменьшении расстояния притяжение нуклонов сменяется отталкиванием (см. рис.2).