प्रस्ताव। अस्तित्व का ज्ञान या ब्रह्माण्ड में सबसे छोटा कण कौन सा है? बस जटिल के बारे में: ब्रह्मांड में सबसे छोटे कण का रहस्य, या न्यूट्रिनो को कैसे पकड़ा जाए

कभी न ख़त्म होने वाले प्रश्न का उत्तर: मानवता के साथ कौन विकसित हुआ।

लोगों ने एक बार सोचा था कि हम अपने आस-पास जो कुछ भी देखते हैं उसका आधार रेत के कण हैं। तब परमाणु की खोज की गई और इसे अविभाज्य माना गया जब तक कि इसे प्रोटॉन, न्यूट्रॉन और इलेक्ट्रॉनों को प्रकट करने के लिए विभाजित नहीं किया गया। वे ब्रह्माण्ड के सबसे छोटे कण भी नहीं निकले, क्योंकि वैज्ञानिकों ने पाया कि प्रोटॉन और न्यूट्रॉन प्रत्येक में तीन क्वार्क होते हैं।

अभी तक वैज्ञानिक इस बात का कोई सबूत नहीं देख पाए हैं कि क्वार्क के अंदर कुछ है और ब्रह्मांड में पदार्थ की सबसे बुनियादी परत या सबसे छोटे कण तक पहुंच गया है।

और भले ही क्वार्क और इलेक्ट्रॉन अविभाज्य हों, वैज्ञानिकों को यह नहीं पता है कि क्या वे अस्तित्व में पदार्थ के सबसे छोटे टुकड़े हैं या ब्रह्मांड में ऐसी वस्तुएं हैं जो और भी छोटी हैं।

ब्रह्मांड में सबसे छोटे कण

वे विभिन्न स्वादों और आकारों में आते हैं, कुछ में होते हैं अद्भुत संबंध, अन्य अनिवार्य रूप से एक दूसरे को वाष्पित करते हैं, उनमें से कई के शानदार नाम हैं: क्वार्क जिसमें बेरिऑन और मेसॉन, न्यूट्रॉन और प्रोटॉन, न्यूक्लियॉन, हाइपरॉन, मेसॉन, बेरिऑन, न्यूक्लियॉन, फोटॉन आदि शामिल हैं।

हिग्स बोसोन एक कण है जो विज्ञान के लिए इतना महत्वपूर्ण है कि इसे "गॉड पार्टिकल" कहा जाता है। ऐसा माना जाता है कि यह अन्य सभी का द्रव्यमान निर्धारित करता है। तत्व का सिद्धांत पहली बार 1964 में दिया गया था जब वैज्ञानिकों को आश्चर्य हुआ कि कुछ कण दूसरों की तुलना में अधिक विशाल क्यों थे।

हिग्स बोसोन तथाकथित हिग्स क्षेत्र से जुड़ा है, जिसके बारे में माना जाता है कि यह ब्रह्मांड को भरता है। दो तत्व (हिग्स फील्ड क्वांटम और हिग्स बोसोन) दूसरों को द्रव्यमान देने के लिए जिम्मेदार हैं। इसका नाम स्कॉटिश वैज्ञानिक पीटर हिग्स के नाम पर रखा गया है। 14 मार्च 2013 को हिग्स बोसोन के अस्तित्व की पुष्टि की आधिकारिक घोषणा की गई।

कई वैज्ञानिकों का तर्क है कि हिग्स तंत्र ने भौतिकी के मौजूदा "मानक मॉडल" को पूरा करने के लिए पहेली के लापता टुकड़े को हल कर लिया है, जो ज्ञात कणों का वर्णन करता है।

हिग्स बोसोन ने मूल रूप से ब्रह्मांड में मौजूद हर चीज के द्रव्यमान को निर्धारित किया।

क्वार्क (अर्थात् क्वार्क) प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के निर्माण खंड हैं। वे कभी अकेले नहीं होते, केवल समूहों में ही विद्यमान रहते हैं। जाहिरा तौर पर, क्वार्क को एक साथ बांधने वाला बल दूरी के साथ बढ़ता है, इसलिए आप जितना आगे बढ़ेंगे, उन्हें अलग करना उतना ही मुश्किल होगा। इसलिए, मुक्त क्वार्क प्रकृति में कभी मौजूद नहीं होते हैं।

क्वार्क मौलिक कण हैंसंरचनाहीन, नुकीले होते हैं आकार में लगभग 10−16 सेमी .

उदाहरण के लिए, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन तीन क्वार्क से बने होते हैं, प्रोटॉन में दो समान क्वार्क होते हैं, जबकि न्यूट्रॉन में दो अलग-अलग क्वार्क होते हैं।

अतिसममिति

यह ज्ञात है कि पदार्थ के मूलभूत "निर्माण खंड", फ़र्मियन, क्वार्क और लेप्टान हैं, और बल के संरक्षक, बोसॉन, फोटॉन और ग्लूऑन हैं। सुपरसिममेट्री का सिद्धांत कहता है कि फ़र्मियन और बोसॉन एक दूसरे में बदल सकते हैं।

पूर्वानुमानित सिद्धांत बताता है कि प्रत्येक कण जिसे हम जानते हैं, उसका एक संबंधित कण है जिसे हमने अभी तक नहीं खोजा है। उदाहरण के लिए, एक इलेक्ट्रॉन के लिए यह एक चयनकर्ता है, एक क्वार्क एक स्क्वार्क है, एक फोटॉन एक फोटोनो है, और एक हिग्स एक हिग्सिनो है।

अब हम ब्रह्मांड में इस सुपरसिममेट्री का अवलोकन क्यों नहीं करते? वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि वे अपने नियमित चचेरे भाइयों की तुलना में बहुत अधिक भारी हैं और वे जितने भारी होंगे, उनका जीवनकाल उतना ही कम होगा। दरअसल, वे उठते ही ढहने लगते हैं। सुपरसिमेट्री बनाने के लिए बहुत आवश्यकता होती है बड़ी मात्राऊर्जा जो कुछ ही समय बाद अस्तित्व में थी महा विस्फोटऔर संभवतः लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर जैसे बड़े त्वरक में बनाया जा सकता है।

समरूपता क्यों उत्पन्न हुई, इसके लिए भौतिकविदों का मानना ​​है कि समरूपता ब्रह्मांड के किसी छिपे हुए क्षेत्र में टूट गई होगी जिसे हम देख या छू नहीं सकते हैं, लेकिन केवल गुरुत्वाकर्षण द्वारा महसूस कर सकते हैं।

न्युट्रीनो

न्यूट्रिनो हल्के उपपरमाण्विक कण हैं जो प्रकाश की गति के करीब हर जगह सीटी बजाते हैं। वास्तव में, खरबों न्यूट्रिनो किसी भी समय आपके शरीर से प्रवाहित हो रहे हैं, हालांकि वे सामान्य पदार्थ के साथ शायद ही कभी बातचीत करते हैं।

कुछ सूर्य से आते हैं, जबकि कुछ सूर्य से ब्रह्मांडीय किरणोंपृथ्वी के वायुमंडल और खगोलीय स्रोतों जैसे आकाशगंगा और अन्य दूर की आकाशगंगाओं में विस्फोटित तारों के साथ संपर्क करना।

antimatter

माना जाता है कि सभी सामान्य कणों में समान द्रव्यमान लेकिन विपरीत चार्ज वाला एंटीमैटर होता है। जब पदार्थ मिलते हैं तो वे एक दूसरे को नष्ट कर देते हैं। उदाहरण के लिए, प्रोटॉन का एंटीमैटर कण एक एंटीप्रोटॉन है, जबकि इलेक्ट्रॉन के एंटीमैटर पार्टनर को पॉज़िट्रॉन कहा जाता है। एंटीमैटर से तात्पर्य उन पदार्थों से है जिन्हें लोग पहचानने में सक्षम हैं।

ग्रेविटॉन

क्वांटम यांत्रिकी के क्षेत्र में, सभी मूलभूत बल कणों द्वारा प्रसारित होते हैं। उदाहरण के लिए, प्रकाश फोटॉन नामक द्रव्यमान रहित कणों से बना होता है, जो विद्युत चुम्बकीय बल ले जाते हैं। इसी तरह, ग्रेविटॉन एक सैद्धांतिक कण है जो गुरुत्वाकर्षण बल को वहन करता है। वैज्ञानिकों ने अभी तक ग्रेविटॉन का पता नहीं लगाया है, जिन्हें ढूंढना मुश्किल है क्योंकि वे पदार्थ के साथ बहुत कमजोर तरीके से संपर्क करते हैं।

ऊर्जा के धागे

प्रयोगों में, क्वार्क और इलेक्ट्रॉन जैसे छोटे कण बिना किसी स्थानिक वितरण के पदार्थ के एकल बिंदु के रूप में कार्य करते हैं। लेकिन बिंदु वस्तुएं भौतिकी के नियमों को जटिल बनाती हैं। चूँकि किसी बिंदु के असीम रूप से करीब पहुँचना असंभव है सक्रिय बल, असीम रूप से बड़ा हो सकता है।

सुपरस्ट्रिंग सिद्धांत नामक एक विचार इस समस्या का समाधान कर सकता है। सिद्धांत बताता है कि सभी कण, बिंदु समान होने के बजाय, वास्तव में ऊर्जा के छोटे धागे हैं। अर्थात्, हमारी दुनिया की सभी वस्तुएँ ऊर्जा के कंपनशील धागों और झिल्लियों से बनी हैं।
कोई भी चीज़ धागे के असीम रूप से करीब नहीं हो सकती, क्योंकि एक हिस्सा हमेशा दूसरे की तुलना में थोड़ा करीब होगा। ऐसा प्रतीत होता है कि यह खामी अनंतता के साथ कुछ समस्याओं को हल करती है, जिससे यह विचार भौतिकविदों के लिए आकर्षक हो जाता है। हालाँकि, वैज्ञानिकों के पास अभी भी कोई प्रायोगिक प्रमाण नहीं है कि स्ट्रिंग सिद्धांत सही है।

बिंदु समस्या को हल करने का दूसरा तरीका यह कहना है कि अंतरिक्ष स्वयं निरंतर और सुचारू नहीं है, बल्कि वास्तव में असतत पिक्सेल या अनाज से बना है, जिसे कभी-कभी अंतरिक्ष-समय संरचना भी कहा जाता है। इस मामले में, दोनों कण अनिश्चित काल तक एक-दूसरे के करीब नहीं आ पाएंगे, क्योंकि उन्हें हमेशा न्यूनतम अनाज आकार के स्थान से अलग किया जाना चाहिए।

ब्लैक होल बिंदु

ब्रह्मांड में सबसे छोटे कण के खिताब का एक अन्य दावेदार ब्लैक होल के केंद्र में विलक्षणता (एकल बिंदु) है। ब्लैक होल तब बनते हैं जब पदार्थ इतनी छोटी जगह में संघनित हो जाता है कि गुरुत्वाकर्षण उसे पकड़ लेता है, जिससे पदार्थ अंदर की ओर खिंच जाता है, और अंततः अनंत घनत्व के एक बिंदु में संघनित हो जाता है। कम से कम भौतिकी के वर्तमान नियमों के अनुसार।

लेकिन अधिकांश विशेषज्ञ यह नहीं सोचते कि ब्लैक होल वास्तव में असीम रूप से घने होते हैं। उनका मानना ​​है कि यह अनंतता दो मौजूदा सिद्धांतों - सामान्य सापेक्षता और क्वांटम यांत्रिकी के बीच आंतरिक संघर्ष का परिणाम है। उनका सुझाव है कि जब क्वांटम गुरुत्व का सिद्धांत तैयार किया जा सकेगा, तो ब्लैक होल की वास्तविक प्रकृति सामने आ जाएगी।

प्लैंक लंबाई

ऊर्जा के धागे और यहां तक ​​कि ब्रह्मांड में सबसे छोटा कण भी "प्लैंक लेंथ" के आकार का हो सकता है।

बार की लंबाई 1.6 x 10 -35 मीटर है (संख्या 16 से पहले 34 शून्य और एक दशमलव बिंदु है) - एक समझ से बाहर छोटा पैमाना जो भौतिकी के विभिन्न पहलुओं से जुड़ा है।

प्लैंक लंबाई लंबाई की एक "प्राकृतिक इकाई" है जिसे जर्मन भौतिक विज्ञानी मैक्स प्लैंक द्वारा प्रस्तावित किया गया था।

प्लैंक की लंबाई मापने के लिए किसी भी उपकरण के लिए बहुत छोटी है, लेकिन इससे परे, यह सबसे छोटी मापने योग्य लंबाई की सैद्धांतिक सीमा का प्रतिनिधित्व करने वाला माना जाता है। अनिश्चितता सिद्धांत के अनुसार, कोई भी उपकरण कभी भी इससे कम कुछ भी मापने में सक्षम नहीं होना चाहिए, क्योंकि इस सीमा में ब्रह्मांड संभाव्य और अनिश्चित है।

इस पैमाने को सामान्य सापेक्षता और क्वांटम यांत्रिकी के बीच विभाजन रेखा भी माना जाता है।

प्लैंक की लंबाई उस दूरी से मेल खाती है जहां गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र इतना मजबूत है कि यह क्षेत्र की ऊर्जा से ब्लैक होल बनाना शुरू कर सकता है।

जाहिर तौर पर अब, ब्रह्मांड में सबसे छोटा कण लगभग एक तख्ते के आकार का है: 1.6 x 10 −35 मीटर

स्कूल से यह ज्ञात हुआ कि ब्रह्मांड के सबसे छोटे कण, इलेक्ट्रॉन पर ऋणात्मक आवेश और बहुत छोटा द्रव्यमान है, जो 9.109 x 10 - 31 किलोग्राम के बराबर है, और इलेक्ट्रॉन की शास्त्रीय त्रिज्या 2.82 x 10 -15 मीटर है।

हालाँकि, भौतिक विज्ञानी पहले से ही ब्रह्मांड में सबसे छोटे कणों के साथ काम कर रहे हैं, प्लैंक आकार जो लगभग 1.6 x 10 −35 मीटर है।

ब्रह्मांड में एक अविश्वसनीय रूप से छोटा कण न्यूट्रिनो ने लगभग एक शताब्दी से वैज्ञानिकों को आकर्षित किया है। किसी भी अन्य कण पर काम की तुलना में न्यूट्रिनो पर शोध के लिए अधिक नोबेल पुरस्कार दिए गए हैं, और छोटे राज्यों के बजट से इसका अध्ययन करने के लिए बड़ी सुविधाएं बनाई जा रही हैं। अलेक्जेंडर नोज़िक, रूसी विज्ञान अकादमी के परमाणु अनुसंधान संस्थान के एक वरिष्ठ शोधकर्ता, एमआईपीटी के एक शिक्षक और न्यूट्रिनो द्रव्यमान की खोज के लिए "ट्रोइट्स्क न्यू-मास" प्रयोग में भागीदार, बताते हैं कि इसका अध्ययन कैसे किया जाए, लेकिन अधिकांश महत्वपूर्ण बात यह है कि इसे सबसे पहले कैसे पकड़ा जाए।

चोरी हुई ऊर्जा का रहस्य

न्यूट्रिनो अनुसंधान का इतिहास एक आकर्षक जासूसी कहानी की तरह पढ़ा जा सकता है। इस कण ने वैज्ञानिकों की निगमनात्मक क्षमताओं का एक से अधिक बार परीक्षण किया है: प्रत्येक पहेली को तुरंत हल नहीं किया जा सकता है, और कुछ को अभी तक हल नहीं किया जा सका है। आइए खोज के इतिहास से शुरुआत करें। रेडियोधर्मी क्षय 19वीं शताब्दी के अंत में विभिन्न प्रकारों का अध्ययन शुरू हुआ, और यह आश्चर्य की बात नहीं है कि 1920 के दशक में, वैज्ञानिकों के पास अपने शस्त्रागार में न केवल क्षय को रिकॉर्ड करने के लिए उपकरण थे, बल्कि भागने वाले कणों की ऊर्जा को मापने के लिए भी थे, भले ही नहीं आज के मानकों से विशेष रूप से सटीक। जैसे-जैसे उपकरणों की सटीकता बढ़ती गई, वैसे-वैसे वैज्ञानिकों की खुशी और अन्य बातों के अलावा, बीटा क्षय से जुड़ी घबराहट भी बढ़ी, जिसमें एक इलेक्ट्रॉन रेडियोधर्मी नाभिक से बाहर निकलता है, और नाभिक स्वयं अपना चार्ज बदल देता है। इस क्षय को द्वि-कण कहा जाता है, क्योंकि यह दो कणों का निर्माण करता है - एक नया नाभिक और एक इलेक्ट्रॉन। हाई स्कूल का कोई भी छात्र समझाएगा कि संरक्षण कानूनों का उपयोग करके और इन टुकड़ों के द्रव्यमान को जानकर ऐसे क्षय में टुकड़ों की ऊर्जा और गति को सटीक रूप से निर्धारित करना संभव है। दूसरे शब्दों में, उदाहरण के लिए, एक निश्चित तत्व के नाभिक के किसी भी क्षय में एक इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा हमेशा समान रहेगी। व्यवहार में, एक बिल्कुल अलग तस्वीर देखी गई। इलेक्ट्रॉन ऊर्जा न केवल स्थिर नहीं थी, बल्कि एक सतत स्पेक्ट्रम में शून्य तक फैली हुई थी, जिसने वैज्ञानिकों को चकित कर दिया। यह तभी हो सकता है जब कोई बीटा क्षय से ऊर्जा चुरा ले। लेकिन लगता है इसे चुराने वाला कोई नहीं है.

समय के साथ, उपकरण अधिक से अधिक सटीक हो गए, और जल्द ही उपकरण त्रुटि के लिए ऐसी विसंगति को जिम्मेदार ठहराने की संभावना गायब हो गई। इस प्रकार एक रहस्य उत्पन्न हो गया। इसके समाधान की खोज में, वैज्ञानिकों ने विभिन्न, यहाँ तक कि आज के मानकों से बिल्कुल बेतुकी, धारणाएँ व्यक्त की हैं। उदाहरण के लिए, नील्स बोह्र ने स्वयं एक गंभीर बयान दिया कि प्राथमिक कणों की दुनिया में संरक्षण कानून लागू नहीं होते हैं। 1930 में वोल्फगैंग पाउली ने दिन बचाया। वह टुबिंगन में भौतिकी सम्मेलन में भाग लेने में असमर्थ थे और, दूर से भाग लेने में असमर्थ होने पर, उन्होंने एक पत्र भेजा जिसे उन्होंने पढ़ने के लिए कहा। यहां इसके कुछ अंश दिए गए हैं:

“प्रिय रेडियोधर्मी देवियो और सज्जनो। मैं आपसे अनुरोध करता हूं कि आप सबसे सुविधाजनक समय पर उस संदेशवाहक की बात ध्यान से सुनें जिसने यह पत्र भेजा है। वह आपको बताएगा कि मैंने संरक्षण के नियम और सही आंकड़ों का एक उत्कृष्ट उपाय ढूंढ लिया है। यह विद्युत रूप से तटस्थ कणों के अस्तित्व की संभावना में निहित है... बी-स्पेक्ट्रम की निरंतरता स्पष्ट हो जाएगी यदि हम मान लें कि बी-क्षय के दौरान, प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के साथ ऐसा "न्यूट्रॉन" उत्सर्जित होता है, और का योग "न्यूट्रॉन" और इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा स्थिर है..."

पत्र के अंत में निम्नलिखित पंक्तियाँ थीं:

“यदि आप जोखिम नहीं लेते हैं, तो आप जीत नहीं पाएंगे। निरंतर बी-स्पेक्ट्रम पर विचार करते समय स्थिति की गंभीरता प्रोफेसर के शब्दों के बाद विशेष रूप से स्पष्ट हो जाती है। डेबी, जिन्होंने मुझसे अफसोस के साथ कहा: "ओह, यह बेहतर है कि इस सब को नए करों के रूप में न सोचा जाए।" अत: मोक्ष के प्रत्येक मार्ग पर गंभीरता से विचार करना आवश्यक है। इसलिए, प्रिय रेडियोधर्मी लोगों, इसका परीक्षण करें और निर्णय लें।

बाद में, पाउली ने स्वयं आशंका व्यक्त की कि, हालांकि उनके विचार ने माइक्रोवर्ल्ड की भौतिकी को बचा लिया, लेकिन नए कण की प्रयोगात्मक रूप से कभी खोज नहीं की जाएगी। उनका कहना है कि उन्होंने अपने सहकर्मियों से यहां तक ​​तर्क किया कि यदि कण अस्तित्व में है, तो उनके जीवनकाल में इसका पता लगाना संभव नहीं होगा। अगले कुछ वर्षों में, एनरिको फर्मी ने न्यूट्रिनो नामक एक कण को ​​शामिल करते हुए बीटा क्षय का एक सिद्धांत विकसित किया, जो प्रयोग के साथ शानदार ढंग से सहमत हुआ। इसके बाद किसी को कोई संदेह नहीं रहा कि यह काल्पनिक कण वास्तव में अस्तित्व में है। 1956 में, पाउली की मृत्यु से दो साल पहले, फ्रेडरिक रेइन्स और क्लाइड कोवान की टीम द्वारा प्रयोगात्मक रूप से रिवर्स बीटा क्षय में न्यूट्रिनो की खोज की गई थी (रेइन्स को एक प्राप्त हुआ था) नोबेल पुरस्कार).

लापता सौर न्यूट्रिनो का मामला

जैसे ही यह स्पष्ट हो गया कि जटिल होते हुए भी न्यूट्रिनो का अभी भी पता लगाया जा सकता है, वैज्ञानिकों ने न्यूट्रिनो को पकड़ने की कोशिश शुरू कर दी अलौकिक उत्पत्ति. उनका सबसे स्पष्ट स्रोत सूर्य है। इसमें लगातार परमाणु प्रतिक्रियाएं होती रहती हैं और इसकी गणना हर वर्ग सेंटीमीटर से की जा सकती है पृथ्वी की सतहप्रति सेकंड लगभग 90 अरब सौर न्यूट्रिनो गुजरते हैं।

उस पल सबसे ज्यादा प्रभावी तरीकासौर न्यूट्रिनो को पकड़ना एक रेडियोरासायनिक विधि थी। इसका सार यह है: एक सौर न्यूट्रिनो पृथ्वी पर आता है, नाभिक के साथ संपर्क करता है; परिणाम, मान लीजिए, एक 37Ar नाभिक और एक इलेक्ट्रॉन है (यह बिल्कुल वही प्रतिक्रिया है जिसका उपयोग रेमंड डेविस के प्रयोग में किया गया था, जिसके लिए उन्हें बाद में नोबेल पुरस्कार दिया गया था)। इसके बाद, आर्गन परमाणुओं की संख्या की गणना करके, हम कह सकते हैं कि एक्सपोज़र के दौरान डिटेक्टर वॉल्यूम में कितने न्यूट्रिनो ने इंटरैक्ट किया। व्यवहार में, बेशक, सब कुछ इतना सरल नहीं है। आपको यह समझना चाहिए कि आपको सैकड़ों टन वजन वाले लक्ष्य में एकल आर्गन परमाणुओं को गिनने की आवश्यकता है। द्रव्यमान अनुपात लगभग वही है जो एक चींटी के द्रव्यमान और पृथ्वी के द्रव्यमान के बीच होता है। तब पता चला कि ⅔ सौर न्यूट्रिनो चोरी हो गए थे (मापा गया प्रवाह अनुमान से तीन गुना कम था)।

निस्संदेह, संदेह सबसे पहले सूर्य पर ही गया। आख़िरकार, हम उसके आंतरिक जीवन का अंदाजा अप्रत्यक्ष संकेतों से ही लगा सकते हैं। यह ज्ञात नहीं है कि इस पर न्यूट्रिनो कैसे बनते हैं, और यह भी संभव है कि सूर्य के सभी मॉडल गलत हों। कई अलग-अलग परिकल्पनाओं पर चर्चा की गई, लेकिन अंत में वैज्ञानिक इस विचार की ओर झुकने लगे कि यह सूर्य नहीं था, बल्कि न्यूट्रिनो की चालाक प्रकृति थी।

एक छोटा ऐतिहासिक विषयांतर: न्यूट्रिनो की प्रायोगिक खोज और सौर न्यूट्रिनो के अध्ययन पर प्रयोगों के बीच की अवधि में, कई और दिलचस्प खोजें हुईं। सबसे पहले, एंटीन्यूट्रिनो की खोज की गई और यह साबित हुआ कि न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो अलग-अलग तरह से बातचीत में भाग लेते हैं। इसके अलावा, सभी इंटरैक्शन में सभी न्यूट्रिनो हमेशा बाएं हाथ के होते हैं (गति की दिशा पर स्पिन का प्रक्षेपण नकारात्मक होता है), और सभी एंटीन्यूट्रिनो दाएं हाथ के होते हैं। न केवल यह गुण सभी प्राथमिक कणों के बीच केवल न्यूट्रिनो में देखा जाता है, बल्कि यह अप्रत्यक्ष रूप से यह भी इंगित करता है कि हमारा ब्रह्मांड, सिद्धांत रूप में, सममित नहीं है। दूसरे, यह पता चला कि प्रत्येक आवेशित लेप्टान (इलेक्ट्रॉन, म्यूऑन और ताऊ लेप्टान) का न्यूट्रिनो का अपना प्रकार या स्वाद होता है। इसके अलावा, प्रत्येक प्रकार के न्यूट्रिनो केवल अपने लेप्टान के साथ बातचीत करते हैं।

आइए अपनी सौर समस्या पर वापस लौटें। 20वीं सदी के 50 के दशक में, यह सुझाव दिया गया था कि लेप्टोनिक स्वाद (एक प्रकार का न्यूट्रिनो) को संरक्षित करने की आवश्यकता नहीं है। अर्थात्, यदि एक प्रतिक्रिया में एक इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो का जन्म हुआ, तो दूसरी प्रतिक्रिया के रास्ते में न्यूट्रिनो कपड़े बदल सकता है और म्यूऑन के रूप में चल सकता है। यह उन रेडियोकेमिकल प्रयोगों में सौर न्यूट्रिनो की कमी को समझा सकता है जो केवल इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो के प्रति संवेदनशील हैं। इस परिकल्पना की एसएनओ और कामियोकांडे बड़े जल लक्ष्य जगमगाहट प्रयोगों (जिसके लिए हाल ही में एक और नोबेल पुरस्कार प्रदान किया गया था) में सौर न्यूट्रिनो प्रवाह के माप से शानदार ढंग से पुष्टि की गई थी। इन प्रयोगों में, अब व्युत्क्रम बीटा क्षय का अध्ययन नहीं किया जा रहा है, बल्कि न्यूट्रिनो बिखरने की प्रतिक्रिया है, जो न केवल इलेक्ट्रॉन के साथ, बल्कि म्यूऑन न्यूट्रिनो के साथ भी हो सकती है। जब, इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो के प्रवाह के बजाय, उन्होंने सभी प्रकार के न्यूट्रिनो के कुल प्रवाह को मापना शुरू किया, तो परिणामों ने न्यूट्रिनो के एक प्रकार से दूसरे प्रकार में संक्रमण, या न्यूट्रिनो दोलनों की पूरी तरह से पुष्टि की।

स्टैंडर्ड मॉडल पर हमला

न्यूट्रिनो दोलनों की खोज ने, एक समस्या को हल करके, कई नई समस्याएँ पैदा कीं। मुद्दा यह है कि पाउली के समय से, न्यूट्रिनो को फोटॉन की तरह द्रव्यमान रहित कण माना जाता है, और यह सभी के लिए उपयुक्त था। न्यूट्रिनो के द्रव्यमान को मापने के प्रयास जारी रहे, लेकिन बहुत उत्साह के बिना। दोलनों ने सब कुछ बदल दिया, क्योंकि उनके अस्तित्व के लिए द्रव्यमान, चाहे वह कितना भी छोटा क्यों न हो, आवश्यक है। न्यूट्रिनो में द्रव्यमान की खोज ने बेशक प्रयोगकर्ताओं को प्रसन्न किया, लेकिन सिद्धांतकारों को हैरान कर दिया। सबसे पहले, विशाल न्यूट्रिनो कण भौतिकी के मानक मॉडल में फिट नहीं होते हैं, जिसे वैज्ञानिक 20 वीं शताब्दी की शुरुआत से बना रहे हैं। दूसरे, न्यूट्रिनो की वही रहस्यमय बाएँ हाथ की क्षमता और एंटीन्यूट्रिनो की दाएँ हाथ की प्रकृति को केवल द्रव्यमान रहित कणों के लिए ही अच्छी तरह से समझाया गया है। यदि द्रव्यमान है, तो कुछ संभावना के साथ, बाएं हाथ के न्यूट्रिनो को दाएं हाथ के न्यूट्रिनो में बदल जाना चाहिए, यानी एंटीपार्टिकल्स में, लेप्टान संख्या के संरक्षण के प्रतीत होने वाले अपरिवर्तनीय कानून का उल्लंघन करना चाहिए, या यहां तक ​​कि कुछ प्रकार के न्यूट्रिनो में भी बदलना चाहिए जो ऐसा करते हैं बातचीत में भाग न लें. आज, ऐसे काल्पनिक कणों को आमतौर पर बाँझ न्यूट्रिनो कहा जाता है।

न्यूट्रिनो डिटेक्टर "सुपर कामियोकांडे" © कामियोका वेधशाला, आईसीआरआर (कॉस्मिक रे रिसर्च संस्थान), टोक्यो विश्वविद्यालय

बेशक, न्यूट्रिनो द्रव्यमान की प्रायोगिक खोज तुरंत तेजी से फिर से शुरू हो गई। लेकिन सवाल तुरंत उठा: किसी चीज़ का द्रव्यमान कैसे मापा जाए जिसे पकड़ा नहीं जा सकता? इसका केवल एक ही उत्तर है: न्यूट्रिनो को बिल्कुल भी न पकड़ें। आज, दो दिशाएँ सबसे अधिक सक्रिय रूप से विकसित हो रही हैं - बीटा क्षय में न्यूट्रिनो के द्रव्यमान की प्रत्यक्ष खोज और न्यूट्रिनोलेस डबल बीटा क्षय का अवलोकन। पहले मामले में, विचार बहुत सरल है. नाभिक इलेक्ट्रॉन और न्यूट्रिनो विकिरण से क्षय होता है। न्यूट्रिनो को पकड़ना संभव नहीं है, लेकिन इलेक्ट्रॉन को बहुत अधिक सटीकता के साथ पकड़ना और मापना संभव है। इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रम न्यूट्रिनो द्रव्यमान के बारे में भी जानकारी देता है। ऐसा प्रयोग कण भौतिकी में सबसे कठिन में से एक है, लेकिन इसका निस्संदेह लाभ यह है कि यह पर आधारित है मूलरूप आदर्शऊर्जा और संवेग का संरक्षण और उसका परिणाम बहुत कम पर निर्भर करता है। वर्तमान में, न्यूट्रिनो द्रव्यमान की सर्वोत्तम सीमा लगभग 2 eV है। यह एक इलेक्ट्रॉन से 250 हजार गुना कम है। अर्थात्, द्रव्यमान स्वयं नहीं पाया गया, बल्कि केवल ऊपरी फ्रेम तक सीमित था।

दोहरे बीटा क्षय के साथ, चीज़ें अधिक जटिल हो जाती हैं। यदि हम मान लें कि एक स्पिन फ्लिप के दौरान एक न्यूट्रिनो एक एंटीन्यूट्रिनो में बदल जाता है (इस मॉडल को इतालवी भौतिक विज्ञानी एटोर मेजराना के नाम पर कहा जाता है), तो एक प्रक्रिया संभव है जब दो बीटा क्षय एक साथ नाभिक में होते हैं, लेकिन न्यूट्रिनो बाहर नहीं उड़ते हैं, लेकिन कम हो गए हैं. ऐसी प्रक्रिया की संभावना न्यूट्रिनो द्रव्यमान से संबंधित है। ऐसे प्रयोगों में ऊपरी सीमा बेहतर है - 0.2 - 0.4 ईवी - लेकिन भौतिक मॉडल पर निर्भर करती है।

विशाल न्यूट्रिनो की समस्या अभी तक हल नहीं हुई है। हिग्स सिद्धांत इतने छोटे द्रव्यमान की व्याख्या नहीं कर सकता। इसके लिए महत्वपूर्ण जटिलता या कुछ अधिक चालाक कानूनों के उपयोग की आवश्यकता होती है जिसके अनुसार न्यूट्रिनो बाकी दुनिया के साथ बातचीत करते हैं। न्यूट्रिनो अनुसंधान में शामिल भौतिकविदों से अक्सर यह प्रश्न पूछा जाता है: “न्यूट्रिनो अनुसंधान औसत व्यक्ति की कैसे मदद कर सकता है? इस कण से क्या वित्तीय या अन्य लाभ प्राप्त किया जा सकता है? भौतिकशास्त्री कंधे उचकाते हैं। और वे वास्तव में इसे नहीं जानते। एक समय, सेमीकंडक्टर डायोड का अध्ययन बिना किसी व्यावहारिक अनुप्रयोग के, विशुद्ध रूप से मौलिक भौतिकी था। अंतर यह है कि न्यूट्रिनो भौतिकी में आधुनिक प्रयोग बनाने के लिए जो प्रौद्योगिकियाँ विकसित की जा रही हैं, वे अब उद्योग में व्यापक रूप से उपयोग की जाती हैं, इसलिए इस क्षेत्र में निवेश किया गया हर पैसा काफी जल्दी भुगतान करता है। वर्तमान में, दुनिया भर में कई प्रयोग किए जा रहे हैं, जिनका पैमाना लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर के पैमाने के बराबर है; इन प्रयोगों का उद्देश्य विशेष रूप से न्यूट्रिनो के गुणों का अध्ययन करना है। यह अज्ञात है कि उनमें से किसमें भौतिकी में एक नया पृष्ठ खोलना संभव होगा, लेकिन यह निश्चित रूप से खोला जाएगा।

दुनिया और विज्ञान कभी स्थिर नहीं रहते। अभी हाल ही में, भौतिकी की पाठ्यपुस्तकों में आत्मविश्वास से लिखा गया कि इलेक्ट्रॉन सबसे छोटा कण है। फिर मेसॉन सबसे छोटे कण बने, फिर बोसॉन। और अब विज्ञान ने एक नई खोज की है सबसे सबसे छोटा कणब्रह्मांड में- प्लैंक ब्लैक होल. सच है, यह अभी भी केवल सैद्धांतिक रूप से खुला है। इस कण को ​​ब्लैक होल के रूप में वर्गीकृत किया गया है क्योंकि इसका गुरुत्वाकर्षण त्रिज्या तरंग दैर्ध्य से अधिक या उसके बराबर है। सभी मौजूदा ब्लैक होल में से प्लैंक सबसे छोटा है।

इन कणों का जीवनकाल उनका व्यावहारिक पता लगाना संभव बनाने के लिए बहुत छोटा है। कम से कम पर इस पल. और जैसा कि आमतौर पर माना जाता है, वे परिणामस्वरूप बनते हैं परमाणु प्रतिक्रियाएँ. लेकिन यह केवल प्लैंक ब्लैक होल का जीवनकाल ही नहीं है जो उनका पता लगाने से रोकता है। अब, दुर्भाग्य से, तकनीकी दृष्टि से यह असंभव है। प्लैंक ब्लैक होल को संश्लेषित करने के लिए, एक हजार इलेक्ट्रॉन वोल्ट से अधिक के ऊर्जा त्वरक की आवश्यकता होती है।

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ब्रह्मांड में इस सबसे छोटे कण के इस काल्पनिक अस्तित्व के बावजूद, यह व्यावहारिक खोजभविष्य में यह काफी संभव है. आख़िरकार, बहुत पहले नहीं, पौराणिक हिग्स बोसोन की भी खोज नहीं की जा सकी थी। इसकी खोज के लिए ही एक ऐसा इंस्टालेशन बनाया गया जिसके बारे में पृथ्वी के सबसे आलसी निवासी ने भी नहीं सुना होगा - लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर। इन अध्ययनों की सफलता में वैज्ञानिकों के विश्वास ने सनसनीखेज परिणाम प्राप्त करने में मदद की। हिग्स बोसोन वर्तमान में सबसे छोटा कण है जिसका अस्तित्व व्यावहारिक रूप से सिद्ध हो चुका है। इसकी खोज विज्ञान के लिए बहुत महत्वपूर्ण है; इसने सभी कणों को द्रव्यमान प्राप्त करने की अनुमति दी। और यदि कणों का कोई द्रव्यमान नहीं होता, तो ब्रह्मांड का अस्तित्व नहीं हो सकता। इसमें एक भी पदार्थ नहीं बन सका।

इस कण, हिग्स बोसोन के व्यावहारिक रूप से सिद्ध अस्तित्व के बावजूद, इसके लिए व्यावहारिक अनुप्रयोगों का अभी तक आविष्कार नहीं हुआ है। फिलहाल यह सिर्फ सैद्धांतिक ज्ञान है. लेकिन भविष्य में सब कुछ संभव है. भौतिकी के क्षेत्र में सभी खोजों का तुरंत व्यावहारिक अनुप्रयोग नहीं हुआ। कोई नहीं जानता कि सौ साल में क्या होगा। आख़िरकार, जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, दुनिया और विज्ञान कभी भी स्थिर नहीं रहते हैं।

भौतिक और गणितीय विज्ञान के डॉक्टर एम. कगानोव।

एक लंबी परंपरा के अनुसार, पत्रिका "विज्ञान और जीवन" के बारे में बात करती है नवीनतम उपलब्धियाँ आधुनिक विज्ञान, भौतिकी, जीव विज्ञान और चिकित्सा के क्षेत्र में नवीनतम खोजों के बारे में। लेकिन ये कितने महत्वपूर्ण और दिलचस्प हैं, ये समझना कम से कम ज़रूरी है सामान्य रूपरेखाविज्ञान की बुनियादी बातों की समझ हो। आधुनिक भौतिकी तेजी से विकसित हो रही है, और पुरानी पीढ़ी के लोग, जो 30-40 साल पहले स्कूल और कॉलेज में पढ़ते थे, इसके कई प्रावधानों से अपरिचित हैं: तब उनका अस्तित्व ही नहीं था। और हमारे युवा पाठकों के पास अभी तक उनके बारे में जानने का समय नहीं है: लोकप्रिय विज्ञान साहित्य का प्रकाशन व्यावहारिक रूप से बंद हो गया है। इसलिए, हमने पत्रिका के लंबे समय के लेखक एम.आई. कगनोव से परमाणुओं और प्राथमिक कणों और उन्हें नियंत्रित करने वाले कानूनों, पदार्थ क्या है, के बारे में बात करने के लिए कहा। मूसा इसाकोविच कागनोव एक सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी, लेखक और ठोस पदार्थों के क्वांटम सिद्धांत, धातुओं और चुंबकत्व के सिद्धांत पर कई सौ कार्यों के सह-लेखक हैं। वह इंस्टीट्यूट ऑफ फिजिकल प्रॉब्लम्स के एक प्रमुख कर्मचारी थे। पी. एल. कपित्सा और मॉस्को स्टेट यूनिवर्सिटी में प्रोफेसर। एम. वी. लोमोनोसोव, "नेचर" और "क्वांटम" पत्रिकाओं के संपादकीय बोर्ड के सदस्य। कई लोकप्रिय विज्ञान लेखों और पुस्तकों के लेखक। अब बोस्टन (अमेरिका) में रहते हैं।

विज्ञान और जीवन // चित्रण

यूनानी दार्शनिक डेमोक्रिटस "परमाणु" शब्द का प्रयोग करने वाले पहले व्यक्ति थे। उनकी शिक्षा के अनुसार परमाणु अविभाज्य, अविनाशी और विद्यमान हैं निरंतर गति. वे असीम रूप से विविध हैं, उनमें अवसाद और उभार हैं जिनके साथ वे जुड़ते हैं और सभी भौतिक निकायों का निर्माण करते हैं।

तालिका 1. इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की सबसे महत्वपूर्ण विशेषताएं।

ड्यूटेरियम परमाणु.

अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी अर्न्स्ट रदरफोर्ड को इसका संस्थापक माना जाता है परमाणु भौतिकी, रेडियोधर्मिता का सिद्धांत और परमाणु संरचना का सिद्धांत।

फोटो में: टंगस्टन क्रिस्टल की सतह, 10 मिलियन गुना बढ़ी हुई; प्रत्येक चमकीला बिंदु उसका व्यक्तिगत परमाणु है।

विज्ञान और जीवन // चित्रण

विज्ञान और जीवन // चित्रण

विकिरण के सिद्धांत के निर्माण पर काम करते हुए, 1900 में मैक्स प्लैंक इस निष्कर्ष पर पहुंचे कि गर्म पदार्थ के परमाणुओं को भागों, क्वांटा में प्रकाश उत्सर्जित करना चाहिए, जिसमें एक क्रिया आयाम (जे.एस.) और ऊर्जा विकिरण की आवृत्ति के समानुपाती होती है: ई = एचएन .

1923 में, लुई डी ब्रोगली ने आइंस्टीन के प्रकाश की दोहरी प्रकृति - तरंग-कण द्वैत - के विचार को पदार्थ में स्थानांतरित कर दिया: एक कण की गति एक अनंत तरंग के प्रसार से मेल खाती है।

विवर्तन प्रयोगों ने डी ब्रोगली के सिद्धांत की दृढ़ता से पुष्टि की, जिसमें कहा गया था कि किसी भी कण की गति के साथ एक तरंग होती है, जिसकी लंबाई और गति कण के द्रव्यमान और ऊर्जा पर निर्भर करती है।

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एक अनुभवी बिलियर्ड खिलाड़ी हमेशा जानता है कि हिट होने के बाद गेंदें कैसे घूमेंगी और आसानी से उन्हें जेब में डाल देता है। परमाणु कणों के साथ यह अधिक कठिन है। एक उड़ते हुए इलेक्ट्रॉन के प्रक्षेप पथ को इंगित करना असंभव है: यह न केवल एक कण है, बल्कि एक तरंग भी है, जो अंतरिक्ष में अनंत है।

रात के समय, जब आकाश में बादल नहीं होते, चंद्रमा दिखाई नहीं देता और रास्ते में कोई रोशनी नहीं होती, आकाश चमकीले चमकते तारों से भर जाता है। परिचित नक्षत्रों की तलाश करना या पृथ्वी के निकट ग्रहों को खोजने का प्रयास करना आवश्यक नहीं है। अभी देखो! एक विशाल स्थान की कल्पना करने का प्रयास करें जो विश्वों से भरा हुआ है और अरबों अरबों प्रकाश वर्ष तक फैला हुआ है। दूरी के कारण ही संसार बिंदु प्रतीत होते हैं, और उनमें से कई इतने दूर हैं कि वे अलग-अलग पहचाने नहीं जा सकते और नीहारिकाओं में विलीन हो जाते हैं। ऐसा लगता है कि हम ब्रह्मांड के केंद्र में हैं। अब हम जानते हैं कि यह सच नहीं है. भूकेन्द्रवाद की अस्वीकृति विज्ञान की एक महान योग्यता है। यह महसूस करने में बहुत प्रयास करना पड़ा कि छोटी पृथ्वी विशाल (शाब्दिक रूप से!) अंतरिक्ष के एक यादृच्छिक, प्रतीत होने वाले अचिह्नित क्षेत्र में घूम रही है।

लेकिन जीवन की उत्पत्ति पृथ्वी पर हुई। यह इतनी सफलतापूर्वक विकसित हुई कि यह अपने आस-पास की दुनिया को समझने, प्रकृति को नियंत्रित करने वाले नियमों की खोज करने में सक्षम व्यक्ति को तैयार करने में सक्षम थी। प्रकृति के नियमों को समझने में मानव जाति की उपलब्धियाँ इतनी प्रभावशाली हैं कि आप अनायास ही एक साधारण आकाशगंगा की परिधि पर खोई हुई इस बुद्धिमत्ता से संबंधित होने पर गर्व महसूस करते हैं।

हमारे चारों ओर मौजूद हर चीज़ की विविधता को ध्यान में रखते हुए, सामान्य कानूनों का अस्तित्व अद्भुत है। यह भी कम आश्चर्यजनक नहीं है हर चीज़ का निर्माण केवल तीन प्रकार के कणों से हुआ है - इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन।

क्रम में, प्रकृति के बुनियादी नियमों का उपयोग करके, अवलोकनों को प्राप्त करना और विभिन्न पदार्थों और वस्तुओं के नए गुणों की भविष्यवाणी करना, जटिल गणितीय सिद्धांत, जिन्हें समझना बिल्कुल भी आसान नहीं है। लेकिन सख्त सिद्धांत का सहारा लिए बिना दुनिया की वैज्ञानिक तस्वीर की रूपरेखा को समझा जा सकता है। स्वाभाविक रूप से, इसके लिए इच्छा की आवश्यकता होती है। लेकिन इतना ही नहीं: प्रारंभिक परिचय के लिए भी कुछ काम की आवश्यकता होगी। हमें नए तथ्यों, अपरिचित घटनाओं को समझने की कोशिश करनी चाहिए जो पहली नज़र में मौजूदा अनुभव से सहमत नहीं हैं।

विज्ञान की उपलब्धियाँ अक्सर इस विचार को जन्म देती हैं कि इसके लिए "कुछ भी पवित्र नहीं है": जो कल सच था वह आज खारिज कर दिया गया है। ज्ञान के साथ यह समझ आती है कि विज्ञान संचित अनुभव के हर कण को ​​कितनी श्रद्धापूर्वक मानता है, कितनी सावधानी से आगे बढ़ता है, खासकर उन मामलों में जहां अंतर्निहित विचारों को त्यागना आवश्यक है।

इस कहानी का उद्देश्य अकार्बनिक पदार्थों की संरचना की मूलभूत विशेषताओं से परिचय कराना है। अनंत विविधता के बावजूद, उनकी संरचना अपेक्षाकृत सरल है। खासकर यदि आप उनकी तुलना किसी भी सबसे सरल जीवित जीव से करते हैं। लेकिन इसमें कुछ समानता भी है: सभी जीवित जीव, जैसे अकार्बनिक पदार्थ, इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन से निर्मित।

विशालता को समझना असंभव है: कम से कम सामान्य शब्दों में, जीवित जीवों की संरचना का परिचय देने के लिए, एक विशेष कहानी की आवश्यकता होती है।

परिचय

वस्तुओं, वस्तुओं की विविधता - वह सब कुछ जो हम उपयोग करते हैं, जो हमें घेरे हुए है, बहुत अधिक है। न केवल उनके उद्देश्य और डिज़ाइन से, बल्कि उन्हें बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियों से भी - पदार्थ, जैसा कि वे कहते हैं, जब उनके कार्य पर जोर देने की कोई आवश्यकता नहीं होती है।

पदार्थ और सामग्रियां ठोस दिखती हैं, और स्पर्श की अनुभूति इस बात की पुष्टि करती है कि आंखें क्या देखती हैं। ऐसा प्रतीत होगा कि कोई अपवाद नहीं हैं। बहता पानी और ठोस धातु, एक दूसरे से इतने भिन्न, एक चीज़ में समान हैं: धातु और पानी दोनों ठोस हैं। सच है, आप पानी में नमक या चीनी घोल सकते हैं। वे पानी में अपने लिए जगह ढूंढते हैं। हाँ और अंदर ठोसउदाहरण के लिए, आप लकड़ी के बोर्ड में कील ठोक सकते हैं। काफी प्रयास से आप यह हासिल कर सकते हैं कि जिस स्थान पर पेड़ ने कब्जा कर लिया था, वह लोहे की कील द्वारा कब्जा कर लिया जाएगा।

हम अच्छी तरह से जानते हैं: आप एक ठोस शरीर से एक छोटा सा टुकड़ा तोड़ सकते हैं, आप लगभग किसी भी सामग्री को पीस सकते हैं। कभी-कभी यह कठिन होता है, कभी-कभी यह हमारी भागीदारी के बिना अनायास ही घटित हो जाता है। आइए समुद्र तट पर, रेत पर स्वयं की कल्पना करें। हम समझते हैं: रेत का एक कण उस पदार्थ के सबसे छोटे कण से बहुत दूर है जिसमें रेत शामिल है। यदि आप कोशिश करते हैं, तो आप रेत के कणों को कम कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, उन्हें रोलर्स के माध्यम से पारित करके - बहुत से बने दो सिलेंडरों के माध्यम से कठोर धातु. एक बार रोलर्स के बीच, रेत के कण को ​​छोटे टुकड़ों में कुचल दिया जाता है। मूलतः, मिलों में अनाज से आटा इसी प्रकार बनाया जाता है।

अब जब परमाणु दुनिया के बारे में हमारी धारणा में मजबूती से प्रवेश कर चुका है, तो यह कल्पना करना बहुत मुश्किल है कि लोगों को यह नहीं पता था कि कुचलने की प्रक्रिया सीमित है या पदार्थ को अनिश्चित काल तक कुचला जा सकता है।

यह अज्ञात है कि लोगों ने पहली बार स्वयं से यह प्रश्न कब पूछा था। यह सबसे पहले प्राचीन यूनानी दार्शनिकों के लेखन में दर्ज किया गया था। उनमें से कुछ का मानना ​​था कि कोई पदार्थ कितना भी छोटा क्यों न हो, उसे और भी छोटे भागों में विभाजित किया जा सकता है - इसकी कोई सीमा नहीं है। दूसरों ने यह विचार व्यक्त किया कि छोटे-छोटे अविभाज्य कण हैं जिनसे हर चीज़ बनी है। इस बात पर जोर देने के लिए कि ये कण विखंडन की सीमा हैं, उन्होंने उन्हें परमाणु कहा (प्राचीन ग्रीक में "परमाणु" शब्द का अर्थ अविभाज्य है)।

उन लोगों का नाम बताना आवश्यक है जिन्होंने सबसे पहले परमाणुओं के अस्तित्व का विचार सामने रखा। ये हैं डेमोक्रिटस (460 या 470 ईसा पूर्व के आसपास पैदा हुए, बहुत अधिक उम्र में मृत्यु हो गई) और एपिकुरस (341-270 ईसा पूर्व)। अतः परमाणु विज्ञान लगभग 2500 वर्ष पुराना है। परमाणुओं की अवधारणा को तुरंत सभी ने स्वीकार नहीं किया। लगभग 150 वर्ष पहले भी, वैज्ञानिकों में भी बहुत कम लोग थे जो परमाणुओं के अस्तित्व में आश्वस्त थे।

सच तो यह है कि परमाणु बहुत छोटे होते हैं। उन्हें न केवल नग्न आंखों से देखा जा सकता है, बल्कि उदाहरण के लिए, 1000 गुना आवर्धन करने वाले माइक्रोस्कोप से भी नहीं देखा जा सकता है। आइए इसके बारे में सोचें: देखे जा सकने वाले सबसे छोटे कणों का आकार क्या है? यू भिन्न लोगअलग-अलग दृष्टि, लेकिन शायद हर कोई इस बात से सहमत होगा कि 0.1 मिलीमीटर से छोटे कण को ​​देखना असंभव है। इसलिए, यदि आप माइक्रोस्कोप का उपयोग करते हैं, तो आप कठिनाई के साथ, लगभग 0.0001 मिलीमीटर या 10 -7 मीटर मापने वाले कणों को देख सकते हैं। परमाणुओं के आकार और अंतर-परमाणु दूरियों (10 -10 मीटर) की तुलना उस लंबाई से करने पर जिसे हमने देखने की क्षमता की सीमा के रूप में स्वीकार किया है, हम समझेंगे कि कोई भी पदार्थ हमें ठोस क्यों लगता है।

2500 वर्ष बहुत बड़ा समय है. इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि दुनिया में क्या हुआ, हमेशा ऐसे लोग थे जो इस सवाल का जवाब देने की कोशिश करते थे कि उनके आसपास की दुनिया कैसे काम करती है। कुछ समय में विश्व की संरचना की समस्याएँ अधिक चिंता का विषय थीं, तो कुछ में कम। आधुनिक अर्थों में विज्ञान का जन्म अपेक्षाकृत हाल ही में हुआ। वैज्ञानिकों ने प्रयोग करना सीख लिया है - प्रकृति से प्रश्न पूछना और उसके उत्तर समझना, प्रयोगों के परिणामों का वर्णन करने वाले सिद्धांत बनाना। विश्वसनीय निष्कर्षों तक पहुँचने के लिए सिद्धांतों को कठोर गणितीय तरीकों की आवश्यकता होती है। विज्ञान बहुत आगे बढ़ चुका है। इस पथ पर, जो भौतिकी के लिए लगभग 400 साल पहले गैलीलियो गैलीली (1564-1642) के काम से शुरू हुआ था, पदार्थ की संरचना और विभिन्न प्रकृति के पिंडों के गुणों के बारे में अनंत मात्रा में जानकारी प्राप्त की गई है। विभिन्न घटनाओं की खोज और समझ की गई है।

मानवता ने न केवल प्रकृति को निष्क्रिय रूप से समझना सीख लिया है, बल्कि इसे अपने उद्देश्यों के लिए उपयोग करना भी सीख लिया है।

हम 2500 वर्षों के परमाणु अवधारणाओं के विकास के इतिहास और पिछले 400 वर्षों के भौतिकी के इतिहास पर विचार नहीं करेंगे। हमारा कार्य यथासंभव संक्षेप में और स्पष्ट रूप से यह बताना है कि सब कुछ क्या और कैसे बना है - हमारे आस-पास की वस्तुएं, शरीर और स्वयं।

जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, सभी पदार्थों में इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं। मैं इसके बारे में स्कूल से जानता हूं, लेकिन यह मुझे आश्चर्यचकित करता है कि हर चीज केवल तीन प्रकार के कणों से बनी है! लेकिन दुनिया बहुत विविध है! इसके अलावा, प्रकृति निर्माण के लिए जिन साधनों का उपयोग करती है वे भी काफी नीरस हैं।

पदार्थ कैसे बनते हैं इसका सुसंगत विवरण अलग - अलग प्रकार, एक जटिल विज्ञान है। वह कुछ गंभीर गणित का उपयोग करती है। इस बात पर जोर दिया जाना चाहिए कि कोई अन्य सरल सिद्धांत नहीं है। लेकिन पदार्थों की संरचना और गुणों की समझ में अंतर्निहित भौतिक सिद्धांत, हालांकि वे गैर-तुच्छ और कल्पना करना कठिन हैं, फिर भी उन्हें समझा जा सकता है। अपनी कहानी से हम उन सभी लोगों की मदद करने का प्रयास करेंगे जो उस दुनिया की संरचना में रुचि रखते हैं जिसमें हम रहते हैं।

टुकड़े करने की विधि, या बांटो और समझो

ऐसा प्रतीत होता है कि यह समझने का सबसे स्वाभाविक तरीका है कि एक निश्चित जटिल उपकरण (खिलौना या तंत्र) कैसे काम करता है, इसे अलग करना और इसके घटक भागों में विघटित करना है। आपको बस बहुत सावधान रहने की जरूरत है, यह याद रखते हुए कि तह करना अधिक कठिन होगा। "तोड़ना निर्माण करना नहीं है," कहते हैं लोक ज्ञान. और एक और बात: हम यह समझ सकते हैं कि डिवाइस में क्या शामिल है, लेकिन हमें यह समझने की संभावना नहीं है कि यह कैसे काम करता है। कभी-कभी आपको एक स्क्रू खोलने की आवश्यकता होती है, और बस इतना ही - डिवाइस काम करना बंद कर देता है। जुदा करना इतना जरूरी नहीं है जितना समझना जरूरी है।

क्योंकि हम बात कर रहे हैंहमारे आस-पास की सभी वस्तुओं, चीजों, जीवों के वास्तविक विघटन के बारे में नहीं, बल्कि काल्पनिक के बारे में, यानी मानसिक के बारे में, न कि वास्तविक अनुभव के बारे में, तो आपको चिंता करने की ज़रूरत नहीं है: आपको इकट्ठा करने की ज़रूरत नहीं है। इसके अलावा, आइए अपने प्रयासों में कंजूसी न करें। आइए इस बारे में न सोचें कि डिवाइस को उसके घटक भागों में विघटित करना कठिन है या आसान। बस एक पल। हमें कैसे पता चलेगा कि हम सीमा तक पहुंच गए हैं? शायद अधिक प्रयास से हम आगे बढ़ सकें? आइए हम स्वयं स्वीकार करें: हम नहीं जानते कि हम सीमा तक पहुँच गए हैं या नहीं। हमें आम तौर पर स्वीकृत राय का उपयोग करना होगा, यह महसूस करते हुए कि यह बहुत विश्वसनीय तर्क नहीं है। लेकिन अगर आप याद रखें कि यह केवल आम तौर पर स्वीकृत राय है, अंतिम सत्य नहीं है, तो खतरा छोटा है।

अब यह आम तौर पर स्वीकार कर लिया गया है कि जिन हिस्सों से हर चीज का निर्माण होता है प्राथमिक कण. और यह काफी नहीं है। संबंधित संदर्भ पुस्तक को देखने के बाद, हम आश्वस्त हो जाएंगे: तीन सौ से अधिक प्राथमिक कण हैं। प्राथमिक कणों की प्रचुरता ने हमें उप-प्राथमिक कणों के अस्तित्व की संभावना के बारे में सोचने पर मजबूर किया - वे कण जो स्वयं प्राथमिक कण बनाते हैं। इस प्रकार क्वार्क का विचार आया। उनके पास वह है अद्भुत संपत्ति, जो स्पष्ट रूप से मौजूद नहीं है स्वतंत्र राज्य. क्वार्क बहुत सारे हैं - छह, और प्रत्येक का अपना प्रतिकण है। शायद पदार्थ की गहराई में यात्रा ख़त्म नहीं हुई है।

हमारी कहानी के लिए, प्राथमिक कणों की प्रचुरता और उप-प्राथमिक कणों का अस्तित्व महत्वहीन है। इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन सीधे पदार्थों के निर्माण में शामिल होते हैं - सब कुछ उन्हीं से निर्मित होता है।

वास्तविक कणों के गुणों पर चर्चा करने से पहले, आइए सोचें कि हम उन हिस्सों को क्या देखना चाहेंगे जिनसे सब कुछ बना है। जब यह बात आती है कि हम क्या देखना चाहते हैं, तो निस्संदेह, हमें विचारों की विविधता को ध्यान में रखना चाहिए। आइए कुछ ऐसी सुविधाओं का चयन करें जो अनिवार्य लगती हैं।

सबसे पहले, प्राथमिक कणों में विभिन्न संरचनाओं में संयोजित होने की क्षमता होनी चाहिए।

दूसरे, मैं यह सोचना चाहूंगा कि प्राथमिक कण अविनाशी हैं। जो जानते हुए लम्बी कहानीएक संसार है, यह कल्पना करना कठिन है कि जिन कणों से यह बना है वे नश्वर हैं।

तीसरा, मैं चाहूँगा कि बहुत अधिक विवरण न हों। बिल्डिंग ब्लॉक्स को देखते हुए, हम देखते हैं कि एक ही तत्व से कितनी अलग-अलग संरचनाएँ बनाई जा सकती हैं।

इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन से परिचित होने पर, हम देखेंगे कि उनके गुण हमारी इच्छाओं का खंडन नहीं करते हैं, और सरलता की इच्छा निस्संदेह इस तथ्य से मेल खाती है कि सभी पदार्थों की संरचना में केवल तीन प्रकार के प्राथमिक कण भाग लेते हैं।

इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन, न्यूट्रॉन

आइए हम इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन की सबसे महत्वपूर्ण विशेषताओं को प्रस्तुत करें। इन्हें तालिका 1 में एकत्रित किया गया है।

आवेश का परिमाण कूलम्ब में दिया गया है, द्रव्यमान किलोग्राम (एसआई इकाई) में दिया गया है; "स्पिन" और "सांख्यिकी" शब्दों को नीचे समझाया जाएगा।

आइए कणों के द्रव्यमान में अंतर पर ध्यान दें: प्रोटॉन और न्यूट्रॉन इलेक्ट्रॉनों से लगभग 2000 गुना भारी होते हैं। नतीजतन, किसी भी पिंड का द्रव्यमान लगभग पूरी तरह से प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के द्रव्यमान से निर्धारित होता है।

न्यूट्रॉन, जैसा कि इसके नाम से पता चलता है, तटस्थ है - इसका आवेश शून्य है। और एक प्रोटॉन और एक इलेक्ट्रॉन पर समान परिमाण के आवेश होते हैं, लेकिन संकेत विपरीत होते हैं। एक इलेक्ट्रॉन ऋणात्मक रूप से आवेशित होता है और एक प्रोटॉन धनात्मक रूप से आवेशित होता है।

कणों की विशेषताओं के बीच, कोई महत्वपूर्ण विशेषता नहीं है - उनका आकार। परमाणुओं और अणुओं की संरचना का वर्णन करते हुए, इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को भौतिक बिंदु माना जा सकता है। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के आकार को केवल परमाणु नाभिक का वर्णन करते समय ही याद रखना होगा। परमाणुओं के आकार की तुलना में भी, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन बहुत छोटे होते हैं (10 -16 मीटर के क्रम पर)।

अनिवार्य रूप से, यह छोटा खंड प्रकृति में सभी निकायों के निर्माण खंडों के रूप में इलेक्ट्रॉनों, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को पेश करने के लिए आता है। हम खुद को केवल तालिका 1 तक सीमित कर सकते हैं, लेकिन हमें यह समझना होगा कि इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन कैसे होते हैं निर्माण कार्य किया जाता है, कणों के अधिक जटिल संरचनाओं में संयोजित होने का कारण क्या है और ये संरचनाएँ क्या हैं।

जटिल संरचनाओं में परमाणु सबसे सरल है

बहुत सारे परमाणु हैं. उन्हें विशेष ढंग से व्यवस्थित करना आवश्यक एवं संभव हो गया। आदेश देने से परमाणुओं के अंतर और समानता पर जोर देना संभव हो जाता है। परमाणुओं की उचित व्यवस्था डी.आई. मेंडेलीव (1834-1907) की योग्यता है, जिन्होंने आवधिक कानून तैयार किया जो उनके नाम पर है। यदि हम अवधियों के अस्तित्व को अस्थायी रूप से अनदेखा करते हैं, तो तत्वों की व्यवस्था का सिद्धांत बेहद सरल है: वे परमाणुओं के वजन के अनुसार क्रमिक रूप से व्यवस्थित होते हैं। सबसे हल्का हाइड्रोजन परमाणु है। अंतिम प्राकृतिक (कृत्रिम रूप से निर्मित नहीं) परमाणु यूरेनियम परमाणु है, जो 200 गुना से अधिक भारी है।

परमाणुओं की संरचना को समझने से तत्वों के गुणों में आवधिकता की उपस्थिति की व्याख्या हुई।

20वीं शताब्दी की शुरुआत में, ई. रदरफोर्ड (1871-1937) ने स्पष्ट रूप से दिखाया कि एक परमाणु का लगभग पूरा द्रव्यमान उसके नाभिक में केंद्रित होता है - अंतरिक्ष का एक छोटा (परमाणु की तुलना में भी) क्षेत्र: की त्रिज्या नाभिक परमाणु के आकार से लगभग 100 हजार गुना छोटा होता है। जब रदरफोर्ड ने अपने प्रयोग किये, तब तक न्यूट्रॉन की खोज नहीं हुई थी। न्यूट्रॉन की खोज के साथ, यह महसूस किया गया कि नाभिक में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं, और एक परमाणु को इलेक्ट्रॉनों से घिरे नाभिक के रूप में सोचना स्वाभाविक है, जिसकी संख्या नाभिक में प्रोटॉन की संख्या के बराबर होती है - के बाद कुल मिलाकर, परमाणु समग्र रूप से तटस्थ है। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन एक जैसे होते हैं निर्माण सामग्रीगुठली, प्राप्त साधारण नाम- न्यूक्लिऑन (लैटिन से नाभिक -मुख्य)। यह वह नाम है जिसका हम उपयोग करेंगे.

किसी नाभिक में न्यूक्लिऑन की संख्या को आमतौर पर अक्षर द्वारा दर्शाया जाता है ए. यह स्पष्ट है कि ए = एन + जेड, कहाँ एननाभिक में न्यूट्रॉन की संख्या है, और जेड- एक परमाणु में प्रोटॉन की संख्या इलेक्ट्रॉनों की संख्या के बराबर होती है। संख्या एपरमाणु द्रव्यमान कहा जाता है, और Z-परमाणु संख्या। समान परमाणु क्रमांक वाले परमाणुओं को आइसोटोप कहा जाता है: आवर्त सारणी में वे एक ही कोशिका में स्थित होते हैं (ग्रीक में) आईएसओ -बराबर , टोपोस -जगह)। तथ्य यह है कि रासायनिक गुणआइसोटोप लगभग समान होते हैं। यदि आप आवर्त सारणी की सावधानीपूर्वक जांच करें, तो आप आश्वस्त हो सकते हैं कि, सख्ती से कहें तो, तत्वों की व्यवस्था मेल नहीं खाती है परमाणु भार, और परमाणु संख्या। यदि लगभग 100 तत्व हैं, तो 2000 से अधिक समस्थानिक हैं। सच है, उनमें से कई अस्थिर हैं, अर्थात् रेडियोधर्मी (लैटिन से) रेडियो- मैं विकिरण करता हूँ, एक्टिवस- सक्रिय), वे विभिन्न विकिरण उत्सर्जित करते हुए क्षय करते हैं।

रदरफोर्ड के प्रयोगों से न केवल परमाणु नाभिक की खोज हुई, बल्कि यह भी पता चला कि परमाणु में समान इलेक्ट्रोस्टैटिक बल कार्य करते हैं, जो समान रूप से आवेशित पिंडों को एक-दूसरे से दूर धकेलते हैं और अलग-अलग आवेशित पिंडों को एक-दूसरे की ओर आकर्षित करते हैं (उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रोस्कोप बॉल)।

परमाणु स्थिर है. नतीजतन, परमाणु में इलेक्ट्रॉन नाभिक के चारों ओर घूमते हैं: केन्द्रापसारक बल आकर्षण बल की भरपाई करता है। इसे समझने से परमाणु के एक ग्रहीय मॉडल का निर्माण हुआ, जिसमें नाभिक सूर्य है और इलेक्ट्रॉन ग्रह हैं (शास्त्रीय भौतिकी के दृष्टिकोण से, ग्रहीय मॉडल असंगत है, लेकिन नीचे उस पर अधिक जानकारी दी गई है)।

किसी परमाणु के आकार का अनुमान लगाने के कई तरीके हैं। अलग-अलग अनुमान समान परिणाम देते हैं: परमाणुओं के आकार, निश्चित रूप से भिन्न होते हैं, लेकिन लगभग एक नैनोमीटर के कई दसवें हिस्से के बराबर (1 एनएम = 10 -9 मीटर)।

आइए सबसे पहले एक परमाणु के इलेक्ट्रॉनों की प्रणाली पर विचार करें।

में सौर परिवारग्रह गुरुत्वाकर्षण द्वारा सूर्य की ओर आकर्षित होते हैं। एक परमाणु में एक इलेक्ट्रोस्टैटिक बल कार्य करता है। चार्ल्स ऑगस्टिन कूलम्ब (1736-1806) के सम्मान में इसे अक्सर कूलम्ब कहा जाता है, जिन्होंने स्थापित किया कि दो आवेशों के बीच परस्पर क्रिया का बल उनके बीच की दूरी के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होता है। तथ्य यह है कि दो आरोप क्यू 1 और क्यू 2 बराबर बल से आकर्षित या प्रतिकर्षित करना एफसी = प्र 1 क्यू 2 /आर 2 , कहाँ आर-आवेशों के बीच की दूरी को "कूलम्ब का नियम" कहा जाता है। अनुक्रमणिका " साथ"बल देने के लिए नियुक्त किया गया एफकूलम्ब के उपनाम के पहले अक्षर से (फ्रेंच में कूलम्ब). सबसे विविध कथनों में से, कुछ ऐसे कथन हैं जिन्हें कूलम्ब के नियम के समान उचित रूप से एक कानून कहा जाता है: आखिरकार, इसकी प्रयोज्यता का दायरा व्यावहारिक रूप से असीमित है। आवेशित पिंड, चाहे उनका आकार कुछ भी हो, साथ ही परमाणु और यहां तक ​​कि उपपरमाण्विक आवेशित कण - वे सभी कूलम्ब के नियम के अनुसार आकर्षित या प्रतिकर्षित करते हैं।

गुरुत्वाकर्षण के बारे में एक खोज

में व्यक्ति गुरुत्वाकर्षण से परिचित होता है बचपन. गिरकर वह पृथ्वी के प्रति गुरुत्वाकर्षण बल का सम्मान करना सीखता है। त्वरित गति से परिचित होना आमतौर पर पिंडों के मुक्त रूप से गिरने के अध्ययन से शुरू होता है - गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में किसी पिंड की गति।

द्रव्यमान के दो पिंडों के बीच एम 1 और एम 2 बल कार्य एफएन=- जीएम 1 एम 2 /आर 2 . यहाँ आर- निकायों के बीच की दूरी, जी-गुरुत्वाकर्षण स्थिरांक 6.67259.10 -11 के बराबर मी 3 किग्रा -1 एस -2 , सूचकांक "एन" न्यूटन (1643 - 1727) के सम्मान में दिया गया है। इस अभिव्यक्ति को कानून कहा जाता है सार्वभौमिक गुरुत्वाकर्षण, इसके सार्वभौमिक चरित्र पर जोर देते हुए। बल एफएन आकाशगंगाओं की गति निर्धारित करता है, खगोलीय पिंडऔर वस्तुएं जमीन पर गिर रही हैं। सार्वभौमिक गुरुत्वाकर्षण का नियम पिंडों के बीच किसी भी दूरी पर मान्य है। हम गुरुत्वाकर्षण के चित्र में उन परिवर्तनों का उल्लेख नहीं करेंगे जो आइंस्टीन के सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत (1879-1955) ने प्रस्तुत किए थे।

कूलम्ब इलेक्ट्रोस्टैटिक बल और सार्वभौमिक गुरुत्वाकर्षण का न्यूटोनियन बल दोनों समान हैं (जैसा कि 1/ आर 2) पिंडों के बीच बढ़ती दूरी के साथ कमी आती है। यह आपको पिंडों के बीच किसी भी दूरी पर दोनों बलों की कार्रवाई की तुलना करने की अनुमति देता है। यदि दो प्रोटॉनों के कूलम्ब प्रतिकर्षण बल की तुलना परिमाण में उनके गुरुत्वाकर्षण आकर्षण बल से की जाए, तो यह पता चलता है कि एफएन/ एफसी= 10 -36 (क्यू 1 =क्यू 2 = इपी ; एम 1 = =एम 2 =एमपी)। इसलिए, गुरुत्वाकर्षण परमाणु की संरचना में कोई महत्वपूर्ण भूमिका नहीं निभाता है: यह इलेक्ट्रोस्टैटिक बल की तुलना में बहुत छोटा है।

खोज करना विद्युत शुल्कऔर उनके बीच की बातचीत को मापना मुश्किल नहीं है। यदि विद्युत बल इतना महान है, तो गिरने, कूदने, गेंद फेंकने पर यह महत्वपूर्ण क्यों नहीं है? क्योंकि अधिकांश मामलों में हम तटस्थ (अआवेशित) पिंडों से निपट रहे हैं। अंतरिक्ष में हमेशा बहुत सारे आवेशित कण (इलेक्ट्रॉन, आयन) होते हैं अलग संकेत). किसी आवेशित पिंड द्वारा निर्मित विशाल (परमाणु पैमाने पर) आकर्षक विद्युत बल के प्रभाव में, आवेशित कण अपने स्रोत की ओर भागते हैं, शरीर से चिपक जाते हैं और उसके आवेश को निष्क्रिय कर देते हैं।

लहर या कण? तरंग और कण दोनों!

परमाणु और उससे भी छोटे, उपपरमाण्विक कणों के बारे में बात करना बहुत मुश्किल है, मुख्यतः क्योंकि उनके गुणों का हमारे रोजमर्रा के जीवन में कोई एनालॉग नहीं है। कोई सोच सकता है कि उन कणों के बारे में सोचना सुविधाजनक होगा जो इतने छोटे परमाणु बनाते हैं भौतिक बिंदु. लेकिन सब कुछ बहुत अधिक जटिल निकला।

एक कण और एक तरंग... ऐसा प्रतीत होता है कि तुलना करना भी व्यर्थ है, वे बहुत भिन्न हैं।

संभवतः, जब आप किसी लहर के बारे में सोचते हैं, तो सबसे पहले आप लहरदार समुद्री सतह की कल्पना करते हैं। लहरें किनारे से आती हैं खुला समुद्र, तरंग दैर्ध्य - दो क्रमिक शिखरों के बीच की दूरी - भिन्न हो सकती है। कई मीटर की लंबाई वाली तरंगों का निरीक्षण करना आसान है। लहरों के दौरान, पानी का द्रव्यमान स्पष्ट रूप से कंपन करता है। लहर एक महत्वपूर्ण क्षेत्र को कवर करती है।

तरंग समय और स्थान में आवधिक होती है। तरंग दैर्ध्य ( λ ) स्थानिक आवधिकता का एक माप है। समय में तरंग गति की आवधिकता तट पर लहर शिखरों के आगमन की आवृत्ति में दिखाई देती है, और इसका पता लगाया जा सकता है, उदाहरण के लिए, ऊपर और नीचे एक फ्लोट के दोलन द्वारा। आइए तरंग गति की अवधि - वह समय जिसके दौरान एक तरंग गुजरती है - को अक्षर से निरूपित करें टी. आवर्त के व्युत्क्रम को आवृत्ति ν कहा जाता है = 1/टी. सबसे सरल तरंगों (हार्मोनिक) की एक निश्चित आवृत्ति होती है जो समय के साथ नहीं बदलती है। किसी भी जटिल तरंग गति को सरल तरंगों के एक सेट के रूप में दर्शाया जा सकता है (देखें "विज्ञान और जीवन" संख्या 11, 2001)। कड़ाई से कहें तो, एक साधारण लहर अनंत स्थान घेरती है और अनंत लंबे समय तक मौजूद रहती है। एक कण, जैसा कि हम इसकी कल्पना करते हैं, और एक लहर पूरी तरह से अलग हैं।

न्यूटन के समय से ही प्रकाश की प्रकृति को लेकर बहस चलती रही है। प्रकाश जो है वह कणों (लैटिन से कणिकाएँ) का एक संग्रह है कणिका- छोटा शरीर) या लहरें? सिद्धांतों में लंबे समय तक प्रतिस्पर्धा रही। तरंग सिद्धांत की जीत हुई: कणिका सिद्धांत प्रायोगिक तथ्यों (प्रकाश का हस्तक्षेप और विवर्तन) की व्याख्या नहीं कर सका। तरंग सिद्धांत प्रकाश किरण के सीधारेखीय प्रसार को आसानी से संभाल लेता है। इस तथ्य ने एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाई कि प्रकाश तरंगों की लंबाई, रोजमर्रा की अवधारणाओं के अनुसार, बहुत छोटी है: तरंग दैर्ध्य की सीमा दृश्यमान प्रकाश 380 से 760 नैनोमीटर तक. छोटा विद्युतचुम्बकीय तरंगें- पराबैंगनी, एक्स-रे और गामा किरणें, और लंबी किरणें - अवरक्त, मिलीमीटर, सेंटीमीटर और अन्य सभी रेडियो तरंगें।

को 19वीं सदी का अंतसदी, कणिका सिद्धांत पर प्रकाश के तरंग सिद्धांत की जीत अंतिम और अपरिवर्तनीय लग रही थी। हालाँकि, बीसवीं सदी ने गंभीर समायोजन किए। यह प्रकाश या तरंगों या कणों जैसा प्रतीत होता था। यह निकला - तरंगें और कण दोनों। प्रकाश के कणों के लिए, उसके क्वांटा के लिए, जैसा कि वे कहते हैं, एक विशेष शब्द गढ़ा गया - "फोटॉन"। "क्वांटम" शब्द कहाँ से आया है? लैटिन शब्द मात्रा- कितने, और "फोटॉन" - ग्रीक शब्द से तस्वीरें -रोशनी। अधिकतर मामलों में कणों के नाम बताने वाले शब्दों का अंत होता है वह. आश्चर्यजनक रूप से, कुछ प्रयोगों में प्रकाश तरंगों की तरह व्यवहार करता है, जबकि अन्य में यह कणों की धारा की तरह व्यवहार करता है। धीरे-धीरे, एक सिद्धांत बनाना संभव हो गया जो भविष्यवाणी करता कि किस प्रयोग में प्रकाश कैसा व्यवहार करेगा। यह सिद्धांत अब आम तौर पर स्वीकार कर लिया गया है। अलग व्यवहारप्रकाश अब आश्चर्य की बात नहीं है.

पहला कदम हमेशा विशेष रूप से कठिन होता है। मुझे विज्ञान में स्थापित राय के खिलाफ जाना पड़ा और ऐसे बयान देने पड़े जो विधर्म जैसे लगते थे। वास्तविक वैज्ञानिक वास्तव में उस सिद्धांत पर विश्वास करते हैं जिसका उपयोग वे उन घटनाओं का वर्णन करने के लिए करते हैं जिन्हें वे देखते हैं। किसी स्वीकृत सिद्धांत को त्यागना बहुत कठिन है। पहला कदम मैक्स प्लैंक (1858-1947) और अल्बर्ट आइंस्टीन (1879-1955) द्वारा उठाया गया था।

प्लैंक-आइंस्टीन के अनुसार, यह अलग-अलग हिस्सों, क्वांटा में है, कि प्रकाश पदार्थ द्वारा उत्सर्जित और अवशोषित होता है। एक फोटॉन द्वारा ली गई ऊर्जा उसकी आवृत्ति के समानुपाती होती है: इ = एचमैं. आनुपातिकता कारक एचइसे जर्मन भौतिक विज्ञानी के सम्मान में प्लैंक स्थिरांक कहा जाता है जिन्होंने इसे 1900 में विकिरण के सिद्धांत में पेश किया था। और 20वीं सदी के पहले तीसरे में ही यह स्पष्ट हो गया कि प्लैंक स्थिरांक सबसे महत्वपूर्ण विश्व स्थिरांकों में से एक है। स्वाभाविक रूप से, इसे सावधानीपूर्वक मापा गया था: एच= 6.6260755.10 -34 जे.एस.

प्रकाश की मात्रा बहुत होती है या थोड़ी? दृश्य प्रकाश की आवृत्ति लगभग 10 14 s -1 होती है। याद रखें: प्रकाश की आवृत्ति और तरंग दैर्ध्य संबंध ν = से संबंधित हैं सी/λ, कहाँ साथ= 299792458.10 10 मी/से (बिल्कुल) - निर्वात में प्रकाश की गति। क्वांटम ऊर्जा एचν, जैसा कि देखना आसान है, लगभग 10 -18 J है। इस ऊर्जा के कारण, 10 -13 ग्राम के द्रव्यमान को 1 सेंटीमीटर की ऊंचाई तक उठाया जा सकता है। मानवीय पैमाने पर, यह राक्षसी रूप से छोटा है। लेकिन यह 10 14 इलेक्ट्रॉनों का द्रव्यमान है। सूक्ष्म जगत में पैमाना बिल्कुल अलग है! बेशक, एक व्यक्ति 10 -13 ग्राम का द्रव्यमान महसूस नहीं कर सकता है, लेकिन मानव आंख इतनी संवेदनशील है कि वह प्रकाश की अलग-अलग क्वांटा देख सकती है - सूक्ष्म प्रयोगों की एक श्रृंखला द्वारा इसकी पुष्टि की गई थी। सामान्य परिस्थितियों में, एक व्यक्ति प्रकाश के "अनाज" को एक सतत धारा के रूप में समझकर अलग नहीं कर पाता है।

यह जानते हुए कि प्रकाश में कणिका और तरंग प्रकृति दोनों होती है, यह कल्पना करना आसान है कि "वास्तविक" कणों में तरंग गुण भी होते हैं। यह विधर्मी विचार सबसे पहले लुईस डी ब्रोगली (1892-1987) ने व्यक्त किया था। उन्होंने यह पता लगाने की कोशिश नहीं की कि लहर की प्रकृति क्या थी, जिन विशेषताओं की उन्होंने भविष्यवाणी की थी। उनके सिद्धांत के अनुसार, द्रव्यमान वाला एक कण एम, गति से उड़ना वी, तरंगदैर्घ्य l = वाली तरंग से मेल खाता है एचएमवीऔर आवृत्ति ν = इ/एच, कहाँ इ = एमवी 2/2 - कण ऊर्जा।

परमाणु भौतिकी के आगे विकास से तरंगों की प्रकृति की समझ पैदा हुई जो परमाणु और उपपरमाण्विक कणों की गति का वर्णन करती है। "क्वांटम यांत्रिकी" नामक एक विज्ञान का उदय हुआ (प्रारंभिक वर्षों में इसे अक्सर तरंग यांत्रिकी कहा जाता था)।

क्वांटम यांत्रिकी सूक्ष्म कणों की गति पर लागू होती है। सामान्य पिंडों (उदाहरण के लिए, तंत्र के किसी भी भाग) की गति पर विचार करते समय, क्वांटम सुधार (पदार्थ की तरंग गुणों के कारण सुधार) को ध्यान में रखने का कोई मतलब नहीं है।

कणों की तरंग गति की अभिव्यक्तियों में से एक उनके प्रक्षेप पथ की कमी है। एक प्रक्षेप पथ के अस्तित्व के लिए, यह आवश्यक है कि समय के प्रत्येक क्षण में कण का एक निश्चित समन्वय और एक निश्चित गति हो। लेकिन यह वही है जो क्वांटम यांत्रिकी द्वारा निषिद्ध है: एक कण में एक साथ एक निश्चित समन्वय मूल्य नहीं हो सकता है एक्स, और एक निश्चित गति मान वी. उनकी अनिश्चितताएँ डीएक्सऔर डीवीवर्नर हाइजेनबर्ग (1901-1974) द्वारा खोजे गए अनिश्चितता संबंध से संबंधित: डी एक्सडी वी ~ एच/एम, कहाँ एमकण का द्रव्यमान है, और एच-प्लैंक स्थिरांक. प्लैंक स्थिरांक को अक्सर "क्रिया" की सार्वभौमिक मात्रा कहा जाता है। शब्द निर्दिष्ट किए बिना कार्रवाई, विशेषण पर ध्यान दें सार्वभौमिक. वह इस बात पर जोर देते हैं कि अनिश्चितता का संबंध हमेशा वैध होता है। गति की स्थितियों और कण के द्रव्यमान को जानकर, कोई यह अनुमान लगा सकता है कि गति के क्वांटम नियमों को ध्यान में रखना कब आवश्यक है (दूसरे शब्दों में, जब कणों की तरंग गुण और उनके परिणाम - अनिश्चितता संबंध) को नजरअंदाज नहीं किया जा सकता है , और जब गति के शास्त्रीय नियमों का उपयोग करना काफी संभव हो। आइए हम जोर दें: यदि यह संभव है, तो यह आवश्यक है, क्योंकि शास्त्रीय यांत्रिकी क्वांटम यांत्रिकी की तुलना में काफी सरल है।

कृपया ध्यान दें कि प्लैंक स्थिरांक को द्रव्यमान से विभाजित किया जाता है (वे संयोजनों में शामिल होते हैं एच/एम). द्रव्यमान जितना अधिक होगा, क्वांटम कानूनों की भूमिका उतनी ही कम होगी।

यह महसूस करना कि कब उपेक्षा करनी है क्वांटम गुणनिश्चित रूप से संभव है, हम अनिश्चितताओं की भयावहता का अनुमान लगाने का प्रयास करेंगे एक्सऔर डी वी. यदि डी एक्सऔर डी वीउनके औसत (शास्त्रीय) मूल्यों की तुलना में नगण्य हैं, शास्त्रीय यांत्रिकी के सूत्र गति का पूरी तरह से वर्णन करते हैं; यदि वे छोटे नहीं हैं, तो क्वांटम यांत्रिकी का उपयोग करना आवश्यक है। क्वांटम अनिश्चितता को ध्यान में रखने का कोई मतलब नहीं है, भले ही अन्य कारण (शास्त्रीय यांत्रिकी के ढांचे के भीतर) हाइजेनबर्ग संबंध की तुलना में अधिक अनिश्चितता पैदा करते हों।

आइए एक उदाहरण देखें. यह याद रखते हुए कि हम शास्त्रीय यांत्रिकी का उपयोग करने की संभावना दिखाना चाहते हैं, एक "कण" पर विचार करें जिसका द्रव्यमान 1 ग्राम है और जिसका आकार 0.1 मिलीमीटर है। मानव पैमाने पर, यह एक दाना, एक हल्का, छोटा कण है। लेकिन यह एक प्रोटॉन से 10 24 गुना भारी और एक परमाणु से लाखों गुना बड़ा है!

"हमारे" अनाज को हाइड्रोजन से भरे बर्तन में चलने दें। यदि कोई दाना काफी तेजी से उड़ता है, तो हमें ऐसा प्रतीत होता है कि वह एक निश्चित गति से एक सीधी रेखा में चल रहा है। यह धारणा गलत है: अनाज पर हाइड्रोजन अणुओं के प्रभाव के कारण, प्रत्येक प्रभाव के साथ इसकी गति थोड़ी बदल जाती है। आइए ठीक-ठीक अनुमान लगाएं कि कितना।

मान लीजिए हाइड्रोजन का तापमान 300 K है (हम हमेशा तापमान को इससे मापते हैं निरपेक्ष पैमाना, केल्विन पैमाने पर; 300 के = 27 ओ सी). केल्विन में तापमान को बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक से गुणा करना कबी = 1.381.10 -16 जे/के, हम इसे ऊर्जा इकाइयों में व्यक्त करेंगे। किसी कण की गति में परिवर्तन की गणना संवेग संरक्षण के नियम का उपयोग करके की जा सकती है। हाइड्रोजन अणु के साथ एक अनाज की प्रत्येक टक्कर के साथ, इसकी गति लगभग 10 -18 सेमी/सेकेंड बदल जाती है। परिवर्तन पूरी तरह से यादृच्छिक और यादृच्छिक दिशा में होता है। इसलिए, अनाज वेग (डी) की शास्त्रीय अनिश्चितता के माप के रूप में 10 -18 सेमी/सेकेंड के मान पर विचार करना स्वाभाविक है वी) इस मामले के लिए सीएल। तो, (डी वी) वर्ग = 10 -18 सेमी/सेकेंड। किसी अनाज के आकार के 0.1 से अधिक सटीकता के साथ उसका स्थान निर्धारित करना स्पष्ट रूप से बहुत कठिन है। आइए स्वीकार करें (डी एक्स) सीएल = 10 -3 सेमी। अंत में, (डी एक्स) वर्ग (डी वी) सीएल = 10 -3 .10 -18 = 10 -21 . यह बहुत छोटा मूल्य प्रतीत होगा. किसी भी मामले में, गति और स्थिति में अनिश्चितताएं इतनी कम हैं कि अनाज की औसत गति पर विचार किया जा सकता है। लेकिन हाइजेनबर्ग के संबंध (डी) द्वारा निर्धारित क्वांटम अनिश्चितता की तुलना में एक्सडी वी= 10 -27), शास्त्रीय विविधता बहुत बड़ी है - इस मामले में यह इससे दस लाख गुना अधिक है।

निष्कर्ष: किसी अनाज की गति पर विचार करते समय, उसके तरंग गुणों, यानी निर्देशांक और गति की क्वांटम अनिश्चितता के अस्तित्व को ध्यान में रखने की कोई आवश्यकता नहीं है। जब परमाणु और उपपरमाण्विक कणों की गति की बात आती है, तो स्थिति नाटकीय रूप से बदल जाती है।

वे दिखाई देते हैं अलग - अलग रूपऔर आकार, कुछ विनाशकारी जोड़ी में आते हैं, जिसका अर्थ है कि वे एक-दूसरे को नष्ट कर देते हैं, और कुछ के अविश्वसनीय नाम हैं जैसे "न्यूट्रालिनो"। यहां छोटे कणों की एक सूची दी गई है जो स्वयं भौतिकविदों को भी आश्चर्यचकित करते हैं।

ईश्वर कण

हिग्स बोसोन एक कण है जो विज्ञान के लिए इतना महत्वपूर्ण है कि इसे "गॉड पार्टिकल" का उपनाम दिया गया है। जैसा कि वैज्ञानिकों का मानना ​​है, यही वह चीज़ है जो अन्य सभी कणों को द्रव्यमान देती है। इसकी चर्चा पहली बार 1964 में हुई थी, जब भौतिकविदों को आश्चर्य हुआ था कि कुछ कणों का द्रव्यमान दूसरों की तुलना में अधिक क्यों होता है। हिग्स बोसोन हिग्स क्षेत्र से जुड़ा है, एक प्रकार की जाली जो ब्रह्मांड को भरती है। फ़ील्ड और बोसॉन को अन्य कणों के द्रव्यमान बढ़ाने के लिए ज़िम्मेदार माना जाता है। कई वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि हिग्स तंत्र में मानक मॉडल को पूरी तरह से समझने के लिए गायब पहेली के टुकड़े शामिल हैं, जो सभी ज्ञात कणों का वर्णन करता है, लेकिन उनके बीच संबंध अभी तक साबित नहीं हुआ है।

क्वार्क

क्वार्क को ख़ुशी से प्रोटॉन और न्यूट्रॉन के ब्लॉक का नाम दिया गया है जो कभी अकेले नहीं होते हैं और केवल समूहों में मौजूद होते हैं। जाहिरा तौर पर, क्वार्कों को एक साथ बांधने वाला बल दूरी के साथ बढ़ता है, यानी जितना अधिक कोई क्वार्कों में से किसी एक को समूह से दूर ले जाने की कोशिश करेगा, उतना ही वह वापस आकर्षित होगा। इस प्रकार, मुक्त क्वार्क प्रकृति में मौजूद ही नहीं हैं। कुल मिलाकर छह प्रकार के क्वार्क होते हैं, और उदाहरण के लिए, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन, कई क्वार्क से बने होते हैं। एक प्रोटॉन में ये तीन होते हैं - दो एक ही प्रकार के, और एक अन्य, लेकिन एक न्यूट्रॉन में - केवल दो, दोनों अलग-अलग प्रकार के।

सुपर पार्टनर

ये कण सुपरसिमेट्री के सिद्धांत से संबंधित हैं, जो बताता है कि मनुष्य को ज्ञात प्रत्येक कण के लिए, एक और समान कण है जिसे अभी तक खोजा नहीं गया है। उदाहरण के लिए, एक इलेक्ट्रॉन का सुपरपार्टनर एक चयनकर्ता है, एक क्वार्क का सुपरपार्टनर एक स्क्वार्क है, और एक फोटॉन का सुपरपार्टनर एक फोटोनो है। ये सुपरपार्टिकल्स अब ब्रह्मांड में क्यों नहीं देखे जाते? वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि वे अपने साथियों की तुलना में बहुत भारी हैं, और अधिक वजन उनकी सेवा जीवन को छोटा कर देता है। ये कण पैदा होते ही टूटने लगते हैं। किसी कण को ​​बनाने के लिए भारी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जैसे कि उत्पादित ऊर्जा की महा विस्फोट. शायद वैज्ञानिक सुपरपार्टिकल्स को पुन: उत्पन्न करने का एक तरीका खोज लेंगे, उदाहरण के लिए, लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर में। विषय में बड़ा आकारऔर सुपर पार्टनर्स के वजन के बारे में वैज्ञानिकों का मानना ​​है कि ब्रह्मांड के एक छिपे हुए क्षेत्र में समरूपता टूट गई है जिसे देखा या पाया नहीं जा सकता है।

न्युट्रीनो

ये हल्के उपपरमाण्विक कण हैं जो प्रकाश की गति के करीब गति से चलते हैं। वास्तव में, किसी भी समय खरबों न्यूट्रिनो आपके शरीर में घूम रहे होते हैं, लेकिन वे सामान्य पदार्थ के साथ लगभग कभी भी संपर्क नहीं करते हैं। कुछ न्यूट्रिनो सूर्य से आते हैं, अन्य वायुमंडल के साथ संपर्क करने वाली ब्रह्मांडीय किरणों से आते हैं।

antimatter

सभी सामान्य कणों का एंटीमैटर में एक भागीदार होता है, विपरीत आवेश वाले समान कण। जब पदार्थ और प्रतिपदार्थ एक दूसरे से मिलते हैं तो वे एक दूसरे को नष्ट कर देते हैं। एक प्रोटॉन के लिए ऐसा कण एक एंटीप्रोटॉन है, लेकिन एक इलेक्ट्रॉन के लिए यह एक पॉज़िट्रॉन है।

ग्रेविटॉन

क्वांटम यांत्रिकी में, सभी मूलभूत बल कणों द्वारा संचालित होते हैं। उदाहरण के लिए, प्रकाश शून्य द्रव्यमान वाले कणों से बना होता है जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, जो विद्युत चुम्बकीय बल ले जाते हैं। इसी तरह, ग्रेविटॉन सैद्धांतिक कण हैं जो गुरुत्वाकर्षण बल को वहन करते हैं। वैज्ञानिक अभी भी ग्रेविटॉन खोजने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन यह बहुत मुश्किल है, क्योंकि ये कण पदार्थ के साथ बहुत कमजोर तरीके से संपर्क करते हैं। हालाँकि, वैज्ञानिक प्रयास करना नहीं छोड़ते, क्योंकि उन्हें उम्मीद है कि वे अभी भी गुरुत्वाकर्षण का अधिक विस्तार से अध्ययन करने के लिए उन्हें पकड़ने में सक्षम होंगे - यह क्वांटम यांत्रिकी में एक वास्तविक सफलता हो सकती है, क्योंकि कई समान कणों का पहले ही अध्ययन किया जा चुका है, लेकिन गुरुत्वाकर्षण विशेष रूप से सैद्धांतिक बना हुआ है। जैसा कि आप देख सकते हैं, भौतिकी आपकी कल्पना से कहीं अधिक रोचक और रोमांचक हो सकती है। पूरी दुनिया विभिन्न कणों से भरी हुई है, जिनमें से प्रत्येक अनुसंधान और अध्ययन के लिए एक विशाल क्षेत्र है, साथ ही एक व्यक्ति को घेरने वाली हर चीज के बारे में एक विशाल ज्ञान आधार है। और आपको बस यह सोचना है कि कितने कण पहले ही खोजे जा चुके हैं - और कितने लोगों को अभी भी खोजना बाकी है।