Prolog. viden om eksistens eller hvad er den mindste partikel i universet? Kun om komplekset: mysteriet om den mindste partikel i universet, eller hvordan man fanger en neutrino

Svaret på det uendelige spørgsmål: hvilken der udviklede sig med menneskeheden.

Folk troede engang, at sandkorn var byggestenene i det, vi ser omkring os. Atomet blev derefter opdaget og mente at være udeleligt, indtil det blev splittet for at afsløre protonerne, neutronerne og elektronerne indeni. De viste sig heller ikke at være de mindste partikler i universet, da videnskabsmænd opdagede, at protoner og neutroner består af tre kvarker hver.

Indtil videre har forskerne ikke kunnet se nogen beviser for, at der er noget inde i kvarkerne, og at det mest fundamentale lag af stof eller den mindste partikel i universet er nået.

Og selvom kvarker og elektroner er udelelige, ved forskerne ikke, om de er de mindste stykker stof, der findes, eller om universet indeholder objekter, der er endnu mindre.

De mindste partikler i universet

De kommer i forskellige smage og størrelser, nogle har fantastisk forbindelse, andre fordamper i det væsentlige hinanden, mange af dem har fantastiske navne: kvarker bestående af baryoner og mesoner, neutroner og protoner, nukleoner, hyperoner, mesoner, baryoner, nukleoner, fotoner osv.

Higgs-bosonen er en partikel, der er så vigtig for videnskaben, at den kaldes "Gud-partiklen". Det menes, at det bestemmer massen af alle andre. Grundstoffet blev først teoretiseret i 1964, da videnskabsmænd undrede sig over, hvorfor nogle partikler var mere massive end andre.

Higgs-bosonen er forbundet med det såkaldte Higgs-felt, som menes at fylde universet. To grundstoffer (Higgs feltkvante og Higgs boson) er ansvarlige for at give de andre masse. Opkaldt efter den skotske videnskabsmand Peter Higgs. Ved hjælp af 14. marts 2013 blev bekræftelsen af Higgs Bosons eksistens officielt annonceret.

Mange videnskabsmænd hævder, at Higgs-mekanismen har løst den manglende brik i puslespillet for at fuldende den eksisterende "standardmodel" af fysik, som beskriver kendte partikler.

Higgs-bosonen bestemte fundamentalt massen af alt, hvad der eksisterer i universet.

Kvarker (hvilket betyder kvarker) er byggestenene til protoner og neutroner. De er aldrig alene, de eksisterer kun i grupper. Tilsyneladende stiger kraften, der binder kvarker sammen, med afstanden, så jo længere du kommer, jo sværere bliver det at adskille dem. Derfor eksisterer der aldrig frie kvarker i naturen.

Kvarker er fundamentale partikler er strukturløse, spidse cirka 10-16 cm i størrelse .

For eksempel består protoner og neutroner af tre kvarker, hvor protoner indeholder to identiske kvarker, mens neutroner har to forskellige.

Supersymmetri

Det er kendt, at de grundlæggende "byggesten" af stof, fermioner, er kvarker og leptoner, og kraftens vogtere, bosoner, er fotoner og gluoner. Teorien om supersymmetri siger, at fermioner og bosoner kan forvandle sig til hinanden.

Den forudsagte teori siger, at for hver partikel, vi kender, er der en relateret en, som vi endnu ikke har opdaget. For eksempel er det for en elektron en selectron, en kvark er en squark, en foton er en photino, og en higgs er en higgsino.

Hvorfor observerer vi ikke denne supersymmetri i universet nu? Forskere mener, at de er meget tungere end deres almindelige fætre, og jo tungere de er, jo kortere levetid. Faktisk begynder de at falde sammen, så snart de opstår. At skabe supersymmetri kræver meget stor mængde energi, der kun eksisterede kort efter stort brag og kunne muligvis skabes i store acceleratorer som Large Hadron Collider.

Med hensyn til hvorfor symmetrien opstod, teoretiserer fysikere, at symmetrien kan være blevet brudt i en eller anden skjult sektor af universet, som vi ikke kan se eller røre ved, men kun kan føles gravitationsmæssigt.

Neutrino

Neutrinoer er lette subatomære partikler, der fløjter overalt tæt på lysets hastighed. Faktisk strømmer billioner af neutrinoer gennem din krop til enhver tid, selvom de sjældent interagerer med normalt stof.

Nogle kommer fra solen, mens andre fra kosmiske stråler interagerer med Jordens atmosfære og astronomiske kilder såsom eksploderende stjerner i Mælkevejen og andre fjerne galakser.

Antistof

Alle normale partikler menes at have antistof med samme masse, men modsat ladning. Når materien mødes, ødelægger de hinanden. For eksempel er en protons antistofpartikel en antiproton, mens en elektrons antistofpartner kaldes en positron. Antistof refererer til dem, som folk har været i stand til at identificere.

Gravitoner

Inden for kvantemekanikken overføres alle grundlæggende kræfter af partikler. For eksempel består lys af masseløse partikler kaldet fotoner, som bærer en elektromagnetisk kraft. Ligeledes er gravitonen en teoretisk partikel, der bærer tyngdekraften. Forskere har endnu ikke opdaget gravitoner, som er svære at finde, fordi de interagerer så svagt med stof.

Tråde af energi

I eksperimenter fungerer bittesmå partikler som kvarker og elektroner som enkelte punkter af stof uden rumlig fordeling. Men punktobjekter komplicerer fysikkens love. Da det er umuligt at komme uendeligt tæt på et punkt, siden aktive kræfter, kan blive uendelig stor.

En idé kaldet superstrengteori kunne løse dette problem. Teorien siger, at alle partikler, i stedet for at være punktlignende, faktisk er små tråde af energi. Det vil sige, at alle objekter i vores verden består af vibrerende tråde og membraner af energi.
Intet kan være uendeligt tæt på tråden, for den ene del vil altid være lidt tættere end den anden. Dette smuthul ser ud til at løse nogle af problemerne med uendeligheden, hvilket gør ideen attraktiv for fysikere. Forskere har dog stadig ingen eksperimentelle beviser for, at strengteori er korrekt.

En anden måde at løse punktproblemet på er at sige, at selve rummet ikke er kontinuerligt og glat, men faktisk består af diskrete pixels eller korn, nogle gange kaldet rum-tidsstruktur. I dette tilfælde vil de to partikler ikke være i stand til at nærme sig hinanden i det uendelige, fordi de altid skal være adskilt af en minimumskornstørrelse.

Sort hul spids

En anden udfordrer til titlen som den mindste partikel i universet er singulariteten (et enkelt punkt) i midten af et sort hul. Sorte huller dannes, når stof kondenserer til et rum, der er lille nok til, at tyngdekraften griber, hvilket får stof til at blive trukket indad og til sidst kondenseres til et enkelt punkt med uendelig tæthed. I hvert fald ifølge fysikkens nuværende love.

Men de fleste eksperter mener ikke, at sorte huller virkelig er uendeligt tætte. De mener, at denne uendelighed er resultatet af en intern konflikt mellem to aktuelle teorier – generel relativitetsteori og kvantemekanik. De foreslår, at når teorien om kvantetyngdekraft kan formuleres, vil den sande natur af sorte huller blive afsløret.

Planck længde

Tråde af energi og selv den mindste partikel i universet kan være på størrelse med en "plank-længde".

Længden af søjlen er 1,6 x 10 -35 meter (tallet 16 er foranstillet af 34 nuller og et decimaltegn) - en uforståelig lille skala, der er forbundet med forskellige aspekter af fysik.

Planck-længden er en "naturlig enhed" for længdemåling, som blev foreslået af den tyske fysiker Max Planck.

Plancks længde er for kort til at noget instrument kan måle, men ud over det menes det at repræsentere den teoretiske grænse for den korteste målbare længde. Ifølge usikkerhedsprincippet bør intet instrument nogensinde kunne måle noget mindre, fordi universet i dette område er sandsynligt og usikkert.

Denne skala betragtes også som skillelinjen mellem generel relativitetsteori og kvantemekanik.

Planck-længden svarer til den afstand, hvor gravitationsfeltet er så stærkt, at det kan begynde at lave sorte huller af feltets energi.

Tilsyneladende nu er den mindste partikel i universet omtrent på størrelse med en planke: 1,6 x 10 −35 meter

Fra skolen vidste man, at den mindste partikel i universet, elektronen, har en negativ ladning og en meget lille masse, svarende til 9,109 x 10 - 31 kg, og elektronens klassiske radius er 2,82 x 10 -15 m.

Imidlertid opererer fysikere allerede med de mindste partikler i universet, Planck-størrelsen, som er cirka 1,6 x 10-35 meter.

Neutrinoer, en utrolig lille partikel i universet, har fascineret videnskabsmænd i næsten et århundrede. Der er blevet uddelt flere Nobelpriser for forskning i neutrinoer end for arbejde med nogen anden partikel, og der bygges enorme installationer for at studere den med små staters budget. Alexander Nozik, seniorforsker ved Institute of Nuclear Research ved Det Russiske Videnskabsakademi, lærer ved MIPT og deltager i "Troitsk nu-masse"-eksperimentet for at søge efter neutrinomassen, fortæller, hvordan man studerer den, men de fleste vigtigst, hvordan man fanger det i første omgang.

Mysteriet om stjålet energi

Neutrinoforskningens historie kan læses som en fascinerende detektivhistorie. Denne partikel har testet videnskabsmænds deduktive evner mere end én gang: ikke hver gåde kunne løses med det samme, og nogle er endnu ikke blevet løst. Lad os starte med opdagelsens historie. Radioaktive henfald forskellige slags begyndte at blive undersøgt i slutningen af det 19. århundrede, og det er ikke overraskende, at videnskabsmænd i 1920'erne havde i deres arsenal ikke kun instrumenter til at registrere selve henfaldet, men også til at måle energien af undslippende partikler, omend ikke specielt nøjagtig efter nutidens standarder. Efterhånden som instrumenternes nøjagtighed steg, steg videnskabsmændenes glæde og forvirringen blandt andet forbundet med beta-henfald, hvor en elektron flyver ud af en radioaktiv kerne, og kernen selv ændrer sin ladning. Dette henfald kaldes to-partikler, da det producerer to partikler - en ny kerne og en elektron. Enhver gymnasieelev vil forklare, at det er muligt nøjagtigt at bestemme energien og momentum af fragmenter i et sådant henfald ved hjælp af bevarelseslove og ved at kende masserne af disse fragmenter. Med andre ord vil energien af for eksempel en elektron altid være den samme i ethvert henfald af kernen i et bestemt grundstof. I praksis så man et helt andet billede. Elektronenergien var ikke blot ikke fikseret, men blev også spredt ud i et kontinuerligt spektrum ned til nul, hvilket forbløffede forskerne. Dette kan kun ske, hvis nogen stjæler energi fra beta-henfald. Men der ser ikke ud til at være nogen til at stjæle den.

Med tiden blev instrumenterne mere og mere nøjagtige, og snart forsvandt muligheden for at tilskrive en sådan anomali til en udstyrsfejl. Således opstod et mysterium. På jagt efter dens løsning har videnskabsmænd udtrykt forskellige, endda fuldstændig absurde efter nutidens standarder, antagelser. Niels Bohr selv kom for eksempel med en seriøs udtalelse om, at fredningslove ikke gælder i elementarpartiklernes verden. Wolfgang Pauli reddede dagen i 1930. Han var ude af stand til at deltage i fysikkonferencen i Tübingen, og ude af stand til at deltage på afstand sendte han et brev, som han bad om at blive læst. Her er uddrag fra den:

"Kære radioaktive mine damer og herrer. Jeg beder dig om at lytte med opmærksomhed på det mest passende tidspunkt til den budbringer, der afleverede dette brev. Han vil fortælle dig, at jeg har fundet et glimrende middel mod fredningsloven og korrekte statistikker. Det ligger i muligheden for eksistensen af elektrisk neutrale partikler... Kontinuiteten af B-spektret vil blive tydelig, hvis vi antager, at der under B-henfald udsendes en sådan "neutron" sammen med hver elektron, og summen af "neutronens" og elektronens energi er konstant..."

I slutningen af brevet var der følgende linjer:

"Hvis du ikke tager risici, vinder du ikke. Alvoren af situationen, når man betragter det kontinuerlige B-spektrum, bliver især tydeligt efter ordene fra Prof. Debye sagde med beklagelse til mig: "Åh, det er bedre ikke at tænke på alt dette ... som nye skatter." Derfor er det nødvendigt seriøst at diskutere hver vej til frelse. Så, kære radioaktive mennesker, sæt dette på prøve og bedøm.”

Senere udtrykte Pauli selv frygt for, at selvom hans idé reddede mikroverdenens fysik, ville den nye partikel aldrig blive opdaget eksperimentelt. De siger, at han endda argumenterede med sine kolleger for, at hvis partiklen eksisterede, ville det ikke være muligt at opdage den i løbet af deres levetid. I løbet af de næste par år udviklede Enrico Fermi en teori om beta-henfald, der involverede en partikel, som han kaldte neutrinoen, hvilket stemte glimrende overens med eksperimentet. Herefter var der ingen, der var i tvivl om, at den hypotetiske partikel faktisk eksisterede. I 1956, to år før Paulis død, blev neutrinoer eksperimentelt opdaget i omvendt beta-henfald af holdet af Frederick Reines og Clyde Cowan (Reines modtog en Nobel pris).

Sagen om de forsvundne solneutrinoer

Så snart det blev klart, at neutrinoer, selvom de er komplekse, stadig kunne påvises, begyndte videnskabsmænd at forsøge at fange neutrinoer udenjordisk oprindelse. Deres mest åbenlyse kilde er Solen. Der sker konstant kernereaktioner i den, og det kan beregnes, at hver kvadratcentimeter jordens overflade Omkring 90 milliarder solneutrinoer passerer hvert sekund.

I det øjeblik mest effektiv metode at fange solneutrinoer var en radiokemisk metode. Dens essens er denne: en solneutrino ankommer til Jorden, interagerer med kernen; resultatet er f.eks. en 37Ar-kerne og en elektron (det er præcis den reaktion, der blev brugt i forsøget med Raymond Davis, som han senere fik Nobelprisen for). Herefter kan vi ved at tælle antallet af argonatomer sige, hvor mange neutrinoer, der interagerede i detektorvolumenet under eksponeringen. I praksis er alt selvfølgelig ikke så enkelt. Du skal forstå, at du skal tælle enkelte argonatomer i et mål, der vejer hundredvis af tons. Masseforholdet er omtrent det samme som mellem massen af en myre og jordens masse. Det var da, det blev opdaget, at ⅔ af solneutrinoer var blevet stjålet (den målte flux var tre gange mindre end forudsagt).

Mistanken faldt naturligvis først på selve Solen. Vi kan trods alt kun bedømme hans indre liv ud fra indirekte tegn. Det vides ikke, hvordan neutrinoer er skabt på den, og det er endda muligt, at alle modeller af Solen er forkerte. En hel del forskellige hypoteser blev diskuteret, men til sidst begyndte forskerne at hælde til ideen om, at det ikke var Solen, men neutrinoernes snedige natur.

En lille historisk digression: i perioden mellem den eksperimentelle opdagelse af neutrinoer og eksperimenter med at studere solneutrinoer, skete der flere flere interessante opdagelser. Først blev antineutrinoer opdaget, og det blev bevist, at neutrinoer og antineutrinoer deltager forskelligt i interaktioner. Desuden er alle neutrinoer i alle interaktioner altid venstrehåndede (projektionen af spin på bevægelsesretningen er negativ), og alle antineutrinoer er højrehåndede. Ikke alene observeres denne egenskab blandt alle elementarpartikler kun i neutrinoer, den indikerer også indirekte, at vores univers i princippet ikke er symmetrisk. For det andet blev det opdaget, at hver ladet lepton (elektron, muon og taulepton) har sin egen type eller smag af neutrino. Desuden interagerer neutrinoer af hver type kun med deres lepton.

Lad os vende tilbage til vores solproblem. Tilbage i 50'erne af det 20. århundrede blev det foreslået, at den leptoniske smag (en type neutrino) ikke behøver at blive bevaret. Det vil sige, at hvis en elektronneutrino blev født i én reaktion, så kan neutrinoen på vej til en anden reaktion skifte tøj og løbe som en myon. Dette kunne forklare manglen på solneutrinoer i radiokemiske eksperimenter, der kun er følsomme over for elektronneutrinoer. Denne hypotese blev på glimrende vis bekræftet af målinger af solneutrinofluxen i SNO- og Kamiokande-scintillationseksperimenterne med store vandmål (som en anden Nobelpris for nylig blev tildelt). I disse forsøg er det ikke længere omvendt beta-henfald, der studeres, men neutrino-spredningsreaktionen, som ikke kun kan forekomme med elektroner, men også med muon-neutrinoer. Da de i stedet for fluxen af elektronneutrinoer begyndte at måle den samlede flux af alle typer neutrinoer, bekræftede resultaterne perfekt overgangen af neutrinoer fra en type til en anden, eller neutrinoscillationer.

Angreb på standardmodellen

Opdagelsen af neutrinoscillationer, efter at have løst et problem, skabte flere nye. Pointen er, at neutrinoer siden Paulis tid er blevet betragtet som masseløse partikler som fotoner, og det passede alle. Forsøg på at måle massen af neutrinoer fortsatte, men uden den store entusiasme. Oscillationer ændrede alt, da masse, uanset hvor lille, er påkrævet for deres eksistens. Opdagelsen af masse i neutrinoer glædede naturligvis forsøgspersoner, men undrede teoretikere. For det første passer massive neutrinoer ikke ind i standardmodellen for partikelfysik, som videnskabsmænd har bygget siden begyndelsen af det 20. århundrede. For det andet er den samme mystiske venstrehåndethed af neutrinoer og højrehåndethed af antineutrinoer kun godt forklaret, igen, for masseløse partikler. Hvis der er masse, bør venstrehåndede neutrinoer med en vis sandsynlighed blive til højrehåndede, det vil sige til antipartikler, der overtræder den tilsyneladende uforanderlige lov om bevarelse af leptontallet, eller endda blive til en slags neutrinoer, der gør ikke deltage i samspillet. I dag kaldes sådanne hypotetiske partikler almindeligvis sterile neutrinoer.

Neutrino detektor "Super Kamiokande" © Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), Tokyo University

Naturligvis genoptog den eksperimentelle eftersøgning af neutrinomassen straks skarpt. Men spørgsmålet opstod straks: hvordan måler man massen af noget, der ikke kan fanges? Der er kun ét svar: fange slet ikke neutrinoer. I dag udvikles to retninger mest aktivt - den direkte søgen efter massen af neutrinoer i beta-henfald og observationen af neutrinoløst dobbelt beta-henfald. I det første tilfælde er ideen meget enkel. Kernen henfalder med elektron- og neutrinostråling. Det er ikke muligt at fange en neutrino, men det er muligt at fange og måle en elektron med meget høj nøjagtighed. Elektronspektret bærer også information om neutrinomassen. Et sådant eksperiment er et af de sværeste inden for partikelfysik, men dets utvivlsomme fordel er, at det er baseret på grundlæggende principper bevarelse af energi og momentum og dets resultat afhænger af lidt. I øjeblikket er den bedste grænse for neutrinomasse omkring 2 eV. Dette er 250 tusind gange mindre end for en elektron. Det vil sige, at selve massen ikke blev fundet, men kun var begrænset af den øverste ramme.

Med dobbelt beta-forfald er tingene mere komplicerede. Hvis vi antager, at en neutrino bliver til en antineutrino under et spin flip (denne model kaldes efter den italienske fysiker Ettore Majorana), så er en proces mulig, når to beta-henfald sker samtidigt i kernen, men neutrinoerne flyver ikke ud, men er reduceret. Sandsynligheden for en sådan proces er relateret til neutrinomassen. De øvre grænser i sådanne eksperimenter er bedre - 0,2 – 0,4 eV - men afhænger af den fysiske model.

Problemet med massive neutrinoer er endnu ikke løst. Higgsteorien kan ikke forklare så små masser. Det kræver betydelig komplikation eller brug af nogle mere snedige love, ifølge hvilke neutrinoer interagerer med resten af verden. Fysikere involveret i neutrinoforskning bliver ofte stillet spørgsmålet: “Hvordan kan neutrinoforskning hjælpe den gennemsnitlige person? Hvilken økonomisk eller anden fordel kan man opnå ved denne partikel? Fysikere trækker på skuldrene. Og de ved det virkelig ikke. Engang var studiet af halvlederdioder ren fundamental fysik uden nogen praktisk anvendelse. Forskellen er, at de teknologier, der udvikles til at skabe moderne eksperimenter inden for neutrinofysik, er meget udbredt i industrien nu, så hver en krone, der investeres i dette område, betaler sig ret hurtigt. I øjeblikket udføres adskillige eksperimenter rundt om i verden, hvis skala er sammenlignelig med omfanget af Large Hadron Collider; disse eksperimenter er udelukkende rettet mod at studere neutrinoers egenskaber. Det er uvist, i hvilken af dem det vil være muligt at åbne en ny side i fysik, men den vil helt sikkert blive åbnet.

Verden og videnskaben står aldrig stille. For nylig skrev fysiklærebøger selvsikkert, at elektronen er den mindste partikel. Så blev mesoner de mindste partikler, derefter bosoner. Og nu har videnskaben opdaget en ny for det meste mindste partikel i universet- Planck sort hul. Sandt nok er det stadig kun åbent i teorien. Denne partikel er klassificeret som et sort hul, fordi dens gravitationsradius er større end eller lig med bølgelængden. Af alle de eksisterende sorte huller er Plancks det mindste.

Disse partiklers levetid er for kort til at gøre deres praktiske påvisning mulig. I hvert fald på dette øjeblik. Og de dannes, som det almindeligvis antages, som et resultat nukleare reaktioner. Men det er ikke kun Planck sorte hullers levetid, der forhindrer deres opdagelse. Nu er dette desværre umuligt ud fra et teknisk synspunkt. For at syntetisere Planck sorte huller er der brug for en energiaccelerator på mere end tusind elektronvolt.

Video:

På trods af denne hypotetiske eksistens af denne mindste partikel i universet, er dens praktisk opdagelse i fremtiden er meget muligt. For ikke så længe siden kunne den legendariske Higgs-boson trods alt heller ikke opdages. Det var for sin opdagelse, at der blev skabt en installation, som kun den dovne indbygger på Jorden ikke har hørt om - Large Hadron Collider. Forskernes tillid til disse undersøgelsers succes var med til at opnå et sensationelt resultat. Higgs-bosonen er i øjeblikket den mindste partikel, hvis eksistens er praktisk talt bevist. Dens opdagelse er meget vigtig for videnskaben, den tillod alle partikler at erhverve masse. Og hvis partikler ikke havde nogen masse, kunne universet ikke eksistere. Der kunne ikke dannes et eneste stof i det.

På trods af den praktisk talt beviste eksistens af denne partikel, Higgs-bosonen, er praktiske anvendelser for den endnu ikke blevet opfundet. For nu er dette blot teoretisk viden. Men i fremtiden er alt muligt. Ikke alle opdagelser inden for fysik havde umiddelbart praktisk anvendelse. Ingen ved, hvad der vil ske om hundrede år. Som nævnt tidligere står verden og videnskaben jo aldrig stille.

Doktor i fysiske og matematiske videnskaber M. KAGANOV.

Ifølge en lang tradition taler tidsskriftet "Science and Life" om de seneste præstationer moderne videnskab, om de seneste opdagelser inden for fysik, biologi og medicin. Men for at forstå, hvor vigtige og interessante de er, er det nødvendigt i det mindste generelle oversigt have en forståelse af det grundlæggende i videnskaben. Moderne fysik udvikler sig hurtigt, og folk af den ældre generation, dem, der studerede i skole og college for 30-40 år siden, er ikke bekendt med mange af dens bestemmelser: de eksisterede simpelthen ikke dengang. Og vores unge læsere har endnu ikke haft tid til at lære om dem: populærvidenskabelig litteratur er praktisk talt ophørt med at blive udgivet. Derfor bad vi den mangeårige forfatter af magasinet M.I. Kaganov om at tale om atomer og elementarpartikler og de love, der styrer dem, om hvad materie er. Moses Isaakovich Kaganov er en teoretisk fysiker, forfatter og medforfatter til flere hundrede værker om kvanteteorien om faste stoffer, teorien om metaller og magnetisme. Han var en førende medarbejder ved Institute of Physical Problems opkaldt efter. P. L. Kapitsa og professor ved Moscow State University. M. V. Lomonosov, medlem af redaktionen for tidsskrifterne "Nature" og "Quantum". Forfatter til mange populærvidenskabelige artikler og bøger. Bor nu i Boston (USA).

Videnskab og liv // Illustrationer

Den græske filosof Demokritos var den første til at bruge ordet "atom". Ifølge hans lære er atomer udelelige, uforgængelige og er inde konstant bevægelse. De er uendeligt varierede, har fordybninger og konveksiteter, som de griber ind i og danner alle materielle legemer.

Tabel 1. De vigtigste egenskaber ved elektroner, protoner og neutroner.

Deuterium atom.

Den engelske fysiker Ernst Rutherford betragtes med rette som grundlæggeren kernefysik, læren om radioaktivitet og teorien om atomstruktur.

På billedet: overfladen af en wolframkrystal, forstørret 10 millioner gange; hvert lyspunkt er dets individuelle atom.

Videnskab og liv // Illustrationer

Ved at arbejde på skabelsen af teorien om stråling kom Max Planck i 1900 til den konklusion, at atomer af opvarmet stof skulle udsende lys i portioner, kvanter, med en aktionsdimension (J.s) og energi proportional med strålingsfrekvensen: E = hn .

I 1923 overførte Louis de Broglie Einsteins idé om lysets dobbelte natur - bølge-partikel-dualitet - til stof: bevægelsen af en partikel svarer til udbredelsen af en uendelig bølge.

Diffraktionseksperimenter bekræftede overbevisende de Broglies teori, som sagde, at enhver partikels bevægelse er ledsaget af en bølge, hvis længde og hastighed afhænger af partiklens masse og energi.

Videnskab og liv // Illustrationer

En erfaren billardspiller ved altid, hvordan boldene ruller efter at være blevet ramt, og kører dem nemt ned i lommen. Med atomare partikler er det meget vanskeligere. Det er umuligt at angive en flyvende elektrons bane: det er ikke kun en partikel, men også en bølge, uendelig i rummet.

Om natten, når der ikke er skyer på himlen, månen ikke er synlig og ingen lys er i vejen, er himlen fyldt med stærkt lysende stjerner. Det er ikke nødvendigt at lede efter kendte konstellationer eller forsøge at finde planeter tæt på Jorden. Bare se! Prøv at forestille dig et enormt rum, der er fyldt med verdener og strækker sig over milliarder af milliarder af lysår. Det er kun på grund af afstanden, at verdenerne ser ud til at være punkter, og mange af dem er så langt væk, at de ikke kan skelnes individuelt og smelter sammen i tåger. Det ser ud til, at vi er i centrum af universet. Nu ved vi, at det ikke er sandt. Afvisningen af geocentrisme er en stor videnskabens fortjeneste. Det krævede en stor indsats at indse, at den lille Jord bevæger sig i et tilfældigt, tilsyneladende umarkeret område med stort (bogstaveligt talt!) rum.

Men livet opstod på Jorden. Det udviklede sig så vellykket, at det var i stand til at frembringe en person, der var i stand til at forstå verden omkring ham, søge efter og finde de love, der styrer naturen. Menneskehedens præstationer med at forstå naturens love er så imponerende, at du ufrivilligt føler dig stolt over at tilhøre denne knivspids af intelligens, der er fortabt i periferien af en almindelig galakse.

I betragtning af mangfoldigheden af alt, der omgiver os, er eksistensen af generelle love forbløffende. Ikke mindre fantastisk er det alt er bygget af kun tre typer partikler – elektroner, protoner og neutroner.

For at bruge de grundlæggende naturlove til at udlede observerbare og forudsige nye egenskaber ved forskellige stoffer og genstande, kompleks matematiske teorier, som slet ikke er lette at forstå. Men konturerne af det videnskabelige billede af verden kan forstås uden at ty til streng teori. Det kræver naturligvis lyst. Men ikke kun det: selv foreløbig bekendtskab vil kræve noget arbejde. Vi skal forsøge at forstå nye fakta, ukendte fænomener, der ved første øjekast ikke stemmer overens med eksisterende erfaringer.

Videnskabens resultater fører ofte til ideen om, at "intet er helligt" for det: det, der var sandt i går, kasseres i dag. Med viden følger en forståelse af, hvor ærbødigt videnskaben behandler hvert enkelt korn af akkumuleret erfaring, med hvilken forsigtighed den bevæger sig fremad, især i de tilfælde, hvor det er nødvendigt at opgive indgroede ideer.

Formålet med denne historie er at introducere de grundlæggende træk ved strukturen af uorganiske stoffer. På trods af den uendelige variation er deres struktur relativt enkel. Især hvis du sammenligner dem med en hvilken som helst, selv den simpleste levende organisme. Men der er også noget til fælles: alle levende organismer, som f.eks uorganiske stoffer, bygget af elektroner, protoner og neutroner.

Det er umuligt at fatte uhyrligheden: For at introducere, i det mindste generelt, strukturen af levende organismer, er der brug for en særlig historie.

INTRODUKTION

Variationen af ting, genstande - alt, hvad vi bruger, som omgiver os, er enorm. Ikke kun af deres formål og design, men også af de materialer, der bruges til at skabe dem - stoffer, som de siger, når der ikke er behov for at understrege deres funktion.

Stoffer og materialer ser solide ud, og følesansen bekræfter, hvad øjnene ser. Det ser ud til, at der ikke er nogen undtagelser. Flydende vand og fast metal, så forskellige fra hinanden, ligner hinanden på én ting: både metal og vand er faste. Sandt nok kan du opløse salt eller sukker i vand. De finder et sted for sig selv i vandet. Ja og ind solid, for eksempel kan du slå et søm i en træplade. Med betydelig indsats kan du opnå, at det sted, der blev besat af træet, bliver besat af et jernsøm.

Vi ved godt: du kan brække et lille stykke af en solid krop, du kan slibe næsten ethvert materiale. Nogle gange er det svært, nogle gange sker det spontant, uden vores deltagelse. Lad os forestille os os selv på stranden, i sandet. Vi forstår: et sandkorn er langt fra den mindste partikel af det stof, som sand består af. Hvis du prøver, kan du reducere sandkornene, for eksempel ved at føre dem gennem ruller - gennem to cylindre lavet af meget hårdt metal. En gang imellem valserne knuses sandkornet i mindre stykker. I bund og grund er det sådan, mel fremstilles af korn i møller.

Nu hvor atomet er gået solidt ind i vores opfattelse af verden, er det meget svært at forestille sig, at folk ikke vidste, om knuseprocessen er begrænset, eller om stoffet kan knuses i det uendelige.

Det er uvist, hvornår folk første gang stillede sig selv dette spørgsmål. Det blev først optaget i skrifter af gamle græske filosoffer. Nogle af dem mente, at uanset hvor lille et stof er, kan det opdeles i endnu mindre dele – der er ingen grænse. Andre udtrykte ideen om, at der er små udelelige partikler, som alt består af. For at understrege, at disse partikler er grænsen for fragmentering, kaldte de dem atomer (på oldgræsk betyder ordet "atom" udelelige).

Det er nødvendigt at nævne dem, der først fremsatte ideen om eksistensen af atomer. Disse er Demokrit (født omkring 460 eller 470 f.Kr., død i en meget høj alder) og Epikur (341-270 f.Kr.). Så atomvidenskab er næsten 2500 år gammel. Begrebet atomer blev ikke umiddelbart accepteret af alle. Selv for omkring 150 år siden var der få mennesker, der var sikre på eksistensen af atomer, selv blandt videnskabsmænd.

Faktum er, at atomer er meget små. De kan ikke kun ses med det blotte øje, men også for eksempel med et mikroskop, der forstørrer 1000 gange. Lad os tænke over det: hvad er størrelsen på de mindste partikler, der kan ses? U forskellige mennesker anderledes syn, men nok vil alle være enige om, at det er umuligt at se en partikel mindre end 0,1 millimeter. Hvis du bruger et mikroskop, kan du derfor, omend med besvær, se partikler, der måler omkring 0,0001 millimeter eller 10 -7 meter. Ved at sammenligne størrelsen af atomer og interatomiske afstande (10 -10 meter) med den længde, vi accepterede som grænsen for evnen til at se, vil vi forstå, hvorfor ethvert stof virker solidt for os.

2500 år er en enorm tid. Uanset hvad der skete i verden, var der altid mennesker, der forsøgte at besvare spørgsmålet om, hvordan verden omkring dem fungerer. Nogle gange var problemerne med verdens struktur mere bekymrende, andre - mindre. Videnskabens fødsel i sin moderne forstand fandt sted relativt for nylig. Forskere har lært at udføre eksperimenter - at stille spørgsmål til naturen og forstå dens svar, at skabe teorier, der beskriver resultaterne af eksperimenter. Teorierne krævede strenge matematiske metoder for at nå pålidelige konklusioner. Videnskaben er nået langt. På denne vej, som for fysikken begyndte for omkring 400 år siden med Galileo Galileis (1564-1642) arbejde, er der opnået en uendelig mængde information om stoffets struktur og egenskaberne ved legemer af forskellig natur, et uendeligt antal af forskellige fænomener er blevet opdaget og forstået.

Menneskeheden har lært ikke kun at passivt forstå naturen, men også at bruge den til sine egne formål.

Vi vil ikke overveje historien om udviklingen af atomare begreber over 2500 år og fysikkens historie over de sidste 400 år. Vores opgave er at fortælle så kort og tydeligt som muligt om, hvad og hvordan alt er bygget op – genstandene omkring os, kroppe og os selv.

Som allerede nævnt består alt stof af elektroner, protoner og neutroner. Jeg har vidst om dette siden skolen, men det holder aldrig op med at forbløffe mig, at alt er bygget af partikler af kun tre typer! Men verden er så forskellig! Derudover er de midler, naturen bruger til at udføre byggeri, også ret ensformige.

En sammenhængende beskrivelse af, hvordan stoffer er opbygget forskellige typer, er en kompleks videnskab. Hun bruger noget seriøs matematik. Det skal understreges, at der ikke er nogen anden simpel teori. Men de fysiske principper, der ligger til grund for forståelsen af stoffers struktur og egenskaber, kan, selvom de er ikke-trivielle og svære at forestille sig, stadig forstås. Med vores historie vil vi forsøge at hjælpe alle, der er interesseret i strukturen i den verden, vi lever i.

METODE TIL FRAGMENT, ELLER OPDEL OG FORSTÅ

Det ser ud til, at den mest naturlige måde at forstå, hvordan en bestemt kompleks enhed (legetøj eller mekanisme) fungerer, er at skille den ad og nedbryde den i dens komponenter. Du skal bare være meget forsigtig og huske, at foldning vil være meget vanskeligere. "At bryde er ikke at bygge," siger folkevisdom. Og en ting mere: Vi forstår måske, hvad enheden består af, men vi forstår næppe, hvordan den fungerer. Nogle gange skal du skrue en skrue af, og det er det - enheden holder op med at fungere. Det er nødvendigt ikke så meget at skille ad som at forstå.

Fordi vi taler om ikke om selve nedbrydningen af alle genstande, ting, organismer omkring os, men om det imaginære, altså om mentale, og ikke om reel erfaring, så behøver du ikke bekymre dig: du behøver ikke at samle. Desuden, lad os ikke spare på vores indsats. Lad os ikke tænke på, om det er svært eller let at nedbryde enheden i dens komponenter. Lige et sekund. Hvordan ved vi, at vi har nået grænsen? Måske kan vi med større indsats komme videre? Lad os indrømme over for os selv: vi ved ikke, om vi har nået grænsen. Vi er nødt til at bruge den almindeligt anerkendte opfattelse og indse, at dette ikke er et særlig pålideligt argument. Men hvis du husker, at dette kun er en generelt accepteret mening, og ikke den ultimative sandhed, så er faren lille.

Det er nu almindeligt accepteret, at de dele, hvorfra alt er bygget, er elementære partikler. Og dette er ikke alt. Efter at have set på den tilsvarende opslagsbog vil vi være overbeviste: Der er mere end tre hundrede elementarpartikler. Overfloden af elementarpartikler fik os til at tænke over muligheden for eksistensen af subelementarpartikler - partikler, der selv udgør elementarpartiklerne. Sådan opstod ideen om kvarker. Det har de fantastisk ejendom, som tilsyneladende ikke findes i fri stat. Der er ret mange kvarker - seks, og hver har sin egen antipartikel. Måske er rejsen ind i materiens dybder ikke slut.

For vores historie er overfloden af elementære partikler og eksistensen af subelementære partikler ligegyldig. Elektroner, protoner og neutroner er direkte involveret i konstruktionen af stoffer - alt er kun bygget af dem.

Før vi diskuterer egenskaberne af rigtige partikler, lad os tænke på, hvad vi gerne vil se de dele, hvorfra alt er bygget. Når det kommer til, hvad vi gerne vil se, skal vi selvfølgelig tage hensyn til mangfoldigheden af synspunkter. Lad os vælge nogle få funktioner, der virker obligatoriske.

For det første skal elementarpartikler have evnen til at kombineres til forskellige strukturer.

For det andet vil jeg gerne tro, at elementarpartikler er uforgængelige. Ved hvilken lang historie har en verden, er det svært at forestille sig, at de partikler, den består af, er dødelige.

For det tredje vil jeg gerne have, at der ikke er for mange detaljer. Ser vi på byggeklodser, ser vi, hvor mange forskellige bygninger, der kan skabes af de samme elementer.

Når vi stifter bekendtskab med elektroner, protoner og neutroner, vil vi se, at deres egenskaber ikke modsiger vores ønsker, og ønsket om enkelhed svarer utvivlsomt til det faktum, at kun tre typer elementarpartikler deltager i strukturen af alle stoffer.

ELEKTRONER, PROTONER, NEUTRONER

Lad os præsentere de vigtigste egenskaber ved elektroner, protoner og neutroner. De er samlet i tabel 1.

Ladningens størrelse er angivet i coulombs, massen i kilogram (SI-enheder); Ordene "spin" og "statistik" vil blive forklaret nedenfor.

Lad os være opmærksomme på forskellen i partikelmasse: protoner og neutroner er næsten 2000 gange tungere end elektroner. Følgelig er massen af ethvert legeme næsten udelukkende bestemt af massen af protoner og neutroner.

Neutronen er, som navnet antyder, neutral - dens ladning er nul. Og en proton og en elektron har ladninger af samme størrelse, men modsat fortegn. En elektron er negativt ladet og en proton er positivt ladet.

Blandt partiklernes egenskaber er der ingen tilsyneladende vigtig egenskab - deres størrelse. At beskrive strukturen af atomer og molekyler, kan elektroner, protoner og neutroner betragtes som materielle punkter. Størrelsen af protonen og neutronen skal kun huskes, når man beskriver atomkerner. Selv sammenlignet med atomernes størrelse er protoner og neutroner uhyrligt små (i størrelsesordenen 10 -16 meter).

I det væsentlige handler dette korte afsnit om at introducere elektroner, protoner og neutroner som byggestenene i alle legemer i naturen. Vi kunne simpelthen begrænse os til tabel 1, men vi er nødt til at forstå, hvordan elektroner, protoner og neutroner konstruktion udføres, hvad der får partikler til at kombinere til mere komplekse strukturer, og hvad disse strukturer er.

ATOM ER DEN ENKLESTE AF KOMPLEKSE STRUKTURER

Der er mange atomer. Det viste sig at være nødvendigt og muligt at arrangere dem på en særlig måde. Ordning gør det muligt at understrege atomernes forskelle og ligheder. Det rimelige arrangement af atomer er fortjenesten af D.I. Mendeleev (1834-1907), som formulerede den periodiske lov, der bærer hans navn. Hvis vi midlertidigt ignorerer eksistensen af perioder, er princippet om arrangementet af elementer ekstremt enkelt: de er arrangeret sekventielt efter atomernes vægt. Det letteste er brintatomet. Det sidste naturlige (ikke kunstigt skabte) atom er uranatomet, som er mere end 200 gange tungere end det.

At forstå strukturen af atomer forklarede tilstedeværelsen af periodicitet i grundstoffernes egenskaber.

Allerede i begyndelsen af det 20. århundrede viste E. Rutherford (1871-1937) overbevisende, at næsten hele massen af et atom er koncentreret i dets kerne - et lille (selv sammenlignet med et atom) område af rummet: radius af kernen er cirka 100 tusind gange mindre end atomets størrelse. Da Rutherford udførte sine eksperimenter, var neutronen endnu ikke blevet opdaget. Med opdagelsen af neutronen indså man, at kerner består af protoner og neutroner, og det er naturligt at tænke på et atom som en kerne omgivet af elektroner, hvis antal er lig med antallet af protoner i kernen - efter alt er atomet som helhed neutralt. Protoner og neutroner er ligesom byggemateriale kerner, modtaget almindeligt navn- nukleoner (fra latin kerne - kerne). Dette er det navn, vi vil bruge.

Antallet af nukleoner i en kerne er normalt angivet med bogstavet EN. Det er klart A = N + Z, Hvor N er antallet af neutroner i kernen, og Z- antallet af protoner lig med antallet af elektroner i et atom. Nummer EN kaldes atommasse, og Z- Atom nummer. Atomer med samme atomnummer kaldes isotoper: i det periodiske system er de placeret i samme celle (på græsk isos - lige , topos - placere). Faktum er, at Kemiske egenskaber isotoper er næsten identiske. Hvis du undersøger det periodiske system omhyggeligt, kan du være overbevist om, at arrangementet af elementer strengt taget ikke stemmer overens atommasse, og atomnummeret. Hvis der er omkring 100 grundstoffer, så er der mere end 2000 isotoper Sandt nok er mange af dem ustabile, det vil sige radioaktive (fra latin radio- Jeg udstråler, aktivus- aktive), de henfalder og udsender forskellige strålinger.

Rutherfords eksperimenter førte ikke kun til opdagelsen af atomkerner, men viste også, at de samme elektrostatiske kræfter virker i atomet, som frastøder ens ladede legemer fra hinanden og tiltrækker forskelligt ladede til hinanden (for eksempel elektroskopkugler).

Atomet er stabilt. Følgelig bevæger elektronerne i et atom sig rundt i kernen: centrifugalkraften kompenserer for tiltrækningskraften. Forståelsen af dette førte til skabelsen af en planetarisk model af atomet, hvor kernen er Solen, og elektronerne er planeterne (fra klassisk fysiks synspunkt er planetmodellen inkonsekvent, men mere om det nedenfor).

Der er en række måder at estimere størrelsen af et atom på. Forskellige estimater fører til lignende resultater: Størrelsen af atomer er selvfølgelig forskellige, men omtrent lig med flere tiendedele af en nanometer (1 nm = 10 -9 m).

Lad os først overveje systemet af elektroner i et atom.

I solsystem planeter tiltrækkes af solen af tyngdekraften. En elektrostatisk kraft virker i et atom. Det kaldes ofte Coulomb til ære for Charles Augustin Coulomb (1736-1806), som fastslog, at vekselvirkningskraften mellem to ladninger er omvendt proportional med kvadratet på afstanden mellem dem. Det faktum, at to afgifter Q 1 og Q 2 tiltrække eller frastøde med en kraft lig med F C =Q 1 Q 2 /r 2 , Hvor r- afstanden mellem ladninger kaldes "Coulombs lov". Indeks " MED" tildelt magt F ved det første bogstav i Coulombs efternavn (på fransk Coulomb). Blandt de mest forskelligartede udsagn er der få, der så med rette kaldes en lov som Coulombs lov: når alt kommer til alt er rækkevidden af dens anvendelighed praktisk talt ubegrænset. Ladede legemer, uanset deres størrelse, såvel som atomare og endda subatomare ladede partikler - de tiltrækker eller frastøder alle i overensstemmelse med Coulombs lov.

EN OPDAGELSE OM GRAVITET

En person bliver fortrolig med tyngdekraften i tidlig barndom. Ved at falde lærer han at respektere tyngdekraften mod Jorden. Bekendtskab med accelereret bevægelse begynder normalt med studiet af kroppens frie fald - bevægelsen af en krop under påvirkning af tyngdekraften.

Mellem to masselegemer M 1 og M 2 krafthandlinger F N=- GM 1 M 2 /r 2 . Her r- afstand mellem kroppe, G- gravitationskonstant lig med 6,67259,10 -11 m 3 kg -1 s -2 , indekset "N" er givet til ære for Newton (1643 - 1727). Dette udtryk kaldes loven universel tyngdekraft, hvilket understreger dens universelle karakter. Kraft F N bestemmer bevægelsen af galakser, himmellegemer og genstande, der falder til jorden. Loven om universel gravitation er gyldig i enhver afstand mellem legemer. Vi vil ikke nævne de ændringer i gravitationsbilledet, som Einsteins generelle relativitetsteori (1879-1955) introducerede.

Både den elektrostatiske kraft i Coulomb og den newtonske kraft af universel gravitation er den samme (som 1/ r 2) mindskes med stigende afstand mellem kroppe. Dette giver dig mulighed for at sammenligne virkningen af begge kræfter i enhver afstand mellem kroppene. Hvis kraften fra Coulomb-frastødningen af to protoner sammenlignes i størrelse med kraften af deres tyngdekrafttiltrækning, viser det sig, at F N/ F C= 10 -36 (Q 1 =Q 2 = e p; M 1 = =M 2 =m p). Derfor spiller tyngdekraften ikke nogen væsentlig rolle i atomets struktur: den er for lille sammenlignet med den elektrostatiske kraft.

Opdage elektriske ladninger og det er ikke svært at måle samspillet mellem dem. Hvis den elektriske kraft er så stor, hvorfor er det så ikke vigtigt, når man f.eks. falder, hopper, kaster en bold? For i de fleste tilfælde har vi med neutrale (uladede) kroppe at gøre. Der er altid en masse ladede partikler (elektroner, ioner) i rummet anderledes tegn). Under påvirkning af en enorm (på atomær skala) tiltrækkende elektrisk kraft skabt af et ladet legeme, skynder ladede partikler sig til dets kilde, klæber til kroppen og neutraliserer dets ladning.

BØLGE ELLER PARTIKEL? BÅDE BØLGE OG PARTIKEL!

Det er meget svært at tale om atomare og endnu mindre, subatomære partikler, hovedsagelig fordi deres egenskaber ikke har nogen analoger i vores hverdag. Man kunne tro, at det ville være praktisk at tænke på de partikler, der udgør så små atomer som materielle punkter. Men alt viste sig at være meget mere kompliceret.

En partikel og en bølge... Det ser ud til, at det er meningsløst overhovedet at sammenligne, de er så forskellige.

Sandsynligvis, når du tænker på en bølge, forestiller du dig først og fremmest en rislende havoverflade. Bølger kommer til kysten fra åbent hav, bølgelængder - afstandene mellem to på hinanden følgende toppe - kan være forskellige. Det er let at observere bølger med en længde af størrelsesordenen flere meter. Under bølger vibrerer vandmassen tydeligvis. Bølgen dækker et betydeligt område.

Bølgen er periodisk i tid og rum. Bølgelængde ( λ ) er et mål for rumlig periodicitet. Periodiciteten af bølgebevægelser i tid er synlig i frekvensen af ankomsten af bølgetoppe til kysten, og den kan detekteres for eksempel ved svingningen af en flyder op og ned. Lad os betegne perioden for bølgebevægelse - den tid, hvor en bølge passerer - ved bogstavet T. Periodens gensidige kaldes frekvens ν = 1/T. De simpleste bølger (harmoniske) har en vis frekvens, som ikke ændrer sig over tid. Enhver kompleks bølgebevægelse kan repræsenteres som et sæt simple bølger (se "Science and Life" nr. 11, 2001). Strengt taget optager en simpel bølge uendelig plads og eksisterer i uendelig lang tid. En partikel, som vi forestiller os det, og en bølge er helt forskellige.

Siden Newtons tid har der været en debat om lysets natur. Hvad lys er, er en samling af partikler (korpuskler, fra latin corpusculum- lille krop) eller bølger? Teorierne konkurrerede i lang tid. Bølgeteorien vandt: den korpuskulære teori kunne ikke forklare de eksperimentelle fakta (interferens og diffraktion af lys). Bølgeteorien klarede let den retlinede udbredelse af en lysstråle. En vigtig rolle spillede det faktum, at længden af lysbølger ifølge dagligdags begreber er meget lille: bølgelængdeområdet synligt lys fra 380 til 760 nanometer. Kortere elektromagnetiske bølger- ultraviolette stråler, røntgenstråler og gammastråler, og længere - infrarøde, millimeter, centimeter og alle andre radiobølger.

TIL slutningen af det 19. århundredeårhundrede, virkede lysbølgeteoriens sejr over den korpuskulære teori endelig og uigenkaldelig. Men det tyvende århundrede foretog alvorlige justeringer. Det virkede som lys eller bølger eller partikler. Det viste sig - både bølger og partikler. For lyspartikler, for dets kvanter, som de siger, blev der opfundet et specielt ord - "foton". Ordet "kvante" kommer fra latinske ord kvante- hvor mange, og "foton" - fra det græske ord fotos - lys. Ord, der angiver navnene på partikler, har i de fleste tilfælde slutningen Han. Overraskende nok opfører lys sig i nogle eksperimenter som bølger, mens det i andre opfører sig som en strøm af partikler. Efterhånden var det muligt at bygge en teori, der forudsagde, hvordan lys ville opføre sig i hvilket eksperiment. Denne teori er nu generelt accepteret. forskellig adfærd lys er ikke længere overraskende.

De første skridt er altid særligt vanskelige. Jeg var nødt til at gå imod den etablerede mening i videnskaben og komme med udtalelser, der virkede som kætteri. Rigtige videnskabsmænd tror virkelig på den teori, de bruger til at beskrive de fænomener, de observerer. Det er meget svært at opgive en accepteret teori. De første skridt blev taget af Max Planck (1858-1947) og Albert Einstein (1879-1955).

Ifølge Planck - Einstein er det i separate portioner, quanta, at lys udsendes og absorberes af stof. Energien båret af en foton er proportional med dens frekvens: E = hν. Proportionalitetsfaktor h kaldet Plancks konstant til ære for den tyske fysiker, der introducerede den i strålingsteorien i 1900. Og allerede i den første tredjedel af det 20. århundrede blev det klart, at Plancks konstant er en af de vigtigste verdenskonstanter. Det blev naturligvis omhyggeligt målt: h= 6.6260755.10 -34 J.s.

Er en lyskvante meget eller lidt? Frekvensen af synligt lys er omkring 10 14 s -1. Husk: lysets frekvens og bølgelængde er relateret af forholdet ν = c/λ, hvor Med= 299792458.10 10 m/s (præcis) - lysets hastighed i et vakuum. Kvanteenergi hν, som det er let at se, er omkring 10 -18 J. På grund af denne energi kan en masse på 10 -13 gram hæves til en højde på 1 centimeter. På menneskelig skala er den monstrøst lille. Men dette er en masse på 10 14 elektroner. I mikrokosmos er skalaen helt anderledes! Selvfølgelig kan en person ikke føle en masse på 10 -13 gram, men det menneskelige øje er så følsomt, at det kan se individuelle mængder af lys - dette blev bekræftet af en række subtile eksperimenter. Under normale forhold skelner en person ikke lysets "korn" og opfatter det som en kontinuerlig strøm.

Når man ved, at lys både har en korpuskulær og en bølgenatur, er det lettere at forestille sig, at "rigtige" partikler også har bølgeegenskaber. Denne kætterske tanke blev først udtrykt af Louis de Broglie (1892-1987). Han forsøgte ikke at finde ud af, hvad bølgens natur var, hvis egenskaber han forudsagde. Ifølge hans teori, en partikel med masse m, flyver med fart v, svarer til en bølge med bølgelængde l = hmv og frekvens ν = E/h, Hvor E = mv 2/2 - partikelenergi.

Yderligere udvikling af atomfysik førte til en forståelse af karakteren af de bølger, der beskriver bevægelsen af atomare og subatomære partikler. En videnskab opstod kaldet "kvantemekanik" (i de første år blev det oftere kaldt bølgemekanik).

Kvantemekanik gælder for bevægelse af mikroskopiske partikler. Når man overvejer bevægelsen af almindelige legemer (for eksempel alle dele af mekanismer), er der ingen mening i at tage højde for kvantekorrektioner (korrektioner på grund af stoffets bølgeegenskaber).

En af manifestationerne af partiklernes bølgebevægelse er deres manglende bane. For at en bane kan eksistere, er det nødvendigt, at partiklen på hvert tidspunkt har en bestemt koordinat og en vis hastighed. Men det er netop det, der er forbudt af kvantemekanikken: en partikel kan ikke samtidig have en vis koordinatværdi x , og en vis hastighedsværdi v . Deres usikkerheder Dx Og Dv relateret til usikkerhedsforholdet opdaget af Werner Heisenberg (1901-1974): D x D, Hvor m v ~ t/m er massen af partiklen, og h- Plancks konstant. Plancks konstant kaldes ofte det universelle kvantum af "handling". Uden at angive udtrykket handling , vær opmærksom på epitetet universel

. Han understreger, at usikkerhedsrelationen altid er gyldig. Når man kender bevægelsesbetingelserne og partiklens masse, kan man vurdere, hvornår det er nødvendigt at tage højde for bevægelsens kvantelove (med andre ord, hvornår partiklernes bølgeegenskaber og deres konsekvens - usikkerhedsrelationerne) ikke kan negligeres , og når det sagtens er muligt at bruge de klassiske bevægelseslove. Lad os understrege: hvis det er muligt, så er det nødvendigt, da klassisk mekanik er væsentligt enklere end kvantemekanik. Bemærk venligst, at Plancks konstant er divideret med masse (de er inkluderet i kombinationer t/m

). Jo større masse, jo mindre rolle spiller kvantelovene. At mærke, hvornår man skal forsømme kvanteegenskaber relateret til usikkerhedsforholdet opdaget af Werner Heisenberg (1901-1974): D bestemt muligt, vil vi forsøge at estimere størrelsen af usikkerheden D v og D relateret til usikkerhedsforholdet opdaget af Werner Heisenberg (1901-1974): D bestemt muligt, vil vi forsøge at estimere størrelsen af usikkerheden D v. Hvis D

er ubetydelige sammenlignet med deres gennemsnitlige (klassiske) værdier, beskriver formlerne for klassisk mekanik perfekt bevægelsen, hvis de ikke er små, er det nødvendigt at bruge kvantemekanik. Det giver ingen mening at tage højde for kvanteusikkerhed, selv når andre årsager (inden for rammerne af klassisk mekanik) fører til større usikkerhed end Heisenberg-relationen.

Lad os se på et eksempel. Husk, at vi ønsker at vise muligheden for at bruge klassisk mekanik, overvej en "partikel", hvis masse er 1 gram og hvis størrelse er 0,1 millimeter. På menneskelig skala er dette et korn, en let, lille partikel. Men det er 10 24 gange tungere end en proton og en million gange større end et atom!

Lad "vores" korn bevæge sig i en beholder fyldt med brint. Hvis et korn flyver hurtigt nok, ser det ud til, at det bevæger sig i en lige linje med en bestemt hastighed. Dette indtryk er fejlagtigt: På grund af brintmolekylernes påvirkning på kornet, ændres dets hastighed lidt ved hver påvirkning. Lad os anslå præcis hvor meget. Lad temperaturen på brint være 300 K (vi måler altid temperaturen ved, på Kelvin-skalaen; 300 K = 27 o C). Multiplicer temperaturen i Kelvin med Boltzmanns konstant k B = 1.381.10 -16 J/K, vi vil udtrykke det i energienheder. Ændringen i et korns hastighed kan beregnes ved hjælp af loven om bevarelse af momentum. Ved hver kollision af et korn med et brintmolekyle ændres dets hastighed med cirka 10 -18 cm/s. Ændringen sker helt tilfældigt og i en tilfældig retning. Derfor er det naturligt at betragte værdien af 10 -18 cm/s som et mål for den klassiske usikkerhed af kornhastigheden (D v) cl for dette tilfælde. Så (D v) klasse = 10 -18 cm/s. Det er tilsyneladende meget vanskeligt at bestemme placeringen af et korn med en nøjagtighed på mere end 0,1 af dets størrelse. Lad os acceptere (D relateret til usikkerhedsforholdet opdaget af Werner Heisenberg (1901-1974): D) cl = 10 -3 cm Til sidst, (D relateret til usikkerhedsforholdet opdaget af Werner Heisenberg (1901-1974): D) klasse (D v) cl = 10-3,10-18 = 10-21. Det ser ud til at være en meget lille værdi. Usikkerhederne i hastighed og position er under alle omstændigheder så små, at kornets gennemsnitlige bevægelse kan tages i betragtning. Men sammenlignet med kvanteusikkerheden dikteret af Heisenbergs forhold (D relateret til usikkerhedsforholdet opdaget af Werner Heisenberg (1901-1974): D x v= 10 -27), er den klassiske heterogenitet enorm - i dette tilfælde overstiger den den en million gange.

Konklusion: Når man overvejer et korns bevægelse, er der ingen grund til at tage hensyn til dets bølgeegenskaber, det vil sige eksistensen af kvanteusikkerhed af koordinater og hastighed. Når det kommer til bevægelse af atomare og subatomare partikler, ændrer situationen sig dramatisk.

De optræder i forskellige former og størrelser, nogle kommer i destruktive duoer, hvilket betyder, at de ender med at ødelægge hinanden, og nogle har utrolige navne som "neutralino". Her er en liste over bittesmå partikler, der forbløffer selv fysikere selv.

Gud partikel

Higgs-bosonen er en partikel, der er så vigtig for videnskaben, at den har fået tilnavnet "Gud-partiklen". Det er dette, der, som videnskabsmænd tror, giver masse til alle andre partikler. Det blev først diskuteret i 1964, da fysikere undrede sig over, hvorfor nogle partikler havde mere masse end andre. Higgs-bosonen er forbundet med Higgs-feltet, en slags gitter, der fylder universet. Feltet og bosonet anses for at være ansvarlige for, at andre partikler får masse. Mange forskere mener, at Higgs-mekanismen indeholder de manglende puslespilsbrikker for fuldt ud at forstå standardmodellen, som beskriver alle kendte partikler, men sammenhængen mellem dem er endnu ikke blevet bevist.

Quarks

Quarks er dejligt navngivne blokke af protoner og neutroner, der aldrig er alene og kun eksisterer i grupper. Tilsyneladende stiger kraften, der binder kvarker sammen med afstanden, det vil sige, jo mere nogen forsøger at flytte en af kvarkerne væk fra gruppen, jo mere vil den blive tiltrukket tilbage. Således eksisterer frie kvarker simpelthen ikke i naturen. Der er seks typer kvarker i alt, og protoner og neutroner består for eksempel af flere kvarker. Der er tre af dem i en proton - to af samme type, og en af den anden, men i en neutron er der kun to, begge af forskellige typer.

Super samarbejdspartnere

Disse partikler tilhører teorien om supersymmetri, som siger, at for hver partikel, som mennesket kender, er der en anden lignende partikel, som endnu ikke er blevet opdaget. For eksempel er superpartneren til en elektron en selectron, superpartneren til en kvark er en squark, og superpartneren til en foton er en photino. Hvorfor er disse superpartikler ikke observeret i universet nu? Forskere mener, at de er meget tungere end deres partnere, og større vægt forkorter deres levetid. Disse partikler begynder at nedbrydes, så snart de er født. At skabe en partikel kræver enorme mængder energi, som den producerede Stort brag. Måske vil videnskabsmænd finde en måde at reproducere superpartikler, for eksempel i Large Hadron Collider. Vedrørende større størrelse og superpartnernes vægte, mener videnskabsmænd, at symmetrien er blevet brudt i en skjult sektor af universet, som ikke kan ses eller findes.

Neutrino

Disse er lette subatomære partikler, der bevæger sig med hastigheder tæt på lysets hastighed. Faktisk bevæger sig billioner af neutrinoer gennem din krop på ethvert givet tidspunkt, men de interagerer næsten aldrig med almindeligt stof. Nogle neutrinoer kommer fra Solen, andre fra kosmiske stråler, der interagerer med atmosfæren.

Antistof

Alle almindelige partikler har en partner i antistof, identiske partikler med modsat ladning. Når stof og antistof møder hinanden, ødelægger de hinanden. For en proton er en sådan partikel en antiproton, men for en elektron er den en positron.

Gravitoner

I kvantemekanikken udføres alle grundlæggende kræfter af partikler. For eksempel består lys af partikler med nul masse kaldet fotoner, som bærer en elektromagnetisk kraft. Ligeledes er gravitoner teoretiske partikler, der bærer tyngdekraften. Forskere forsøger stadig at finde gravitoner, men det er meget svært, da disse partikler interagerer meget svagt med stof. Forskere opgiver dog ikke at prøve, fordi de håber, at de stadig vil være i stand til at fange gravitoner for at studere dem mere detaljeret - dette kunne være et reelt gennembrud inden for kvantemekanikken, da mange lignende partikler allerede er blevet undersøgt, men gravitonen forbliver udelukkende teoretisk. Som du kan se, kan fysik være meget mere interessant og spændende, end du måske forestiller dig. Hele verden er fyldt med forskellige partikler, som hver især er et kæmpe felt for forskning og undersøgelse, samt en enorm videnbase om alt, der omgiver en person. Og man skal lige tænke på, hvor mange partikler der allerede er blevet opdaget – og hvor mange der stadig mangler at opdage.