Prologo. conoscenza dell'esistenza o qual è la particella più piccola nell'universo? Quasi il complesso: il mistero della particella più piccola dell'Universo, o come catturare un neutrino

La risposta alla domanda infinita: quale si è evoluto con l'umanità.

Una volta la gente pensava che i granelli di sabbia fossero gli elementi costitutivi di ciò che vediamo intorno a noi. L'atomo fu quindi scoperto e ritenuto indivisibile finché non fu diviso per rivelare i protoni, i neutroni e gli elettroni al suo interno. Inoltre non si sono rivelate le particelle più piccole dell'Universo, poiché gli scienziati hanno scoperto che protoni e neutroni sono costituiti da tre quark ciascuno.

Finora gli scienziati non sono riusciti a trovare alcuna prova che ci sia qualcosa all'interno dei quark e che sia stato raggiunto lo strato più fondamentale della materia o la particella più piccola dell'Universo.

E anche se i quark e gli elettroni sono indivisibili, gli scienziati non sanno se sono i più piccoli frammenti di materia esistenti o se l'Universo contiene oggetti ancora più piccoli.

Le particelle più piccole dell'Universo

Sono disponibili in diversi gusti e dimensioni, alcuni lo hanno connessione straordinaria, altri essenzialmente evaporano a vicenda, molti di loro hanno nomi fantastici: quark costituiti da barioni e mesoni, neutroni e protoni, nucleoni, iperoni, mesoni, barioni, nucleoni, fotoni, ecc.

Il bosone di Higgs è una particella così importante per la scienza da essere chiamata la “particella di Dio”. Si ritiene che determini la massa di tutti gli altri. L'elemento fu teorizzato per la prima volta nel 1964, quando gli scienziati si chiesero perché alcune particelle fossero più massicce di altre.

Il bosone di Higgs è associato al cosiddetto campo di Higgs, che si ritiene riempia l'Universo. Due elementi (il quanto del campo di Higgs e il bosone di Higgs) sono responsabili di dare massa agli altri. Prende il nome dallo scienziato scozzese Peter Higgs. Con l'aiuto del 14 marzo 2013 è stata ufficialmente annunciata la conferma dell'esistenza del bosone di Higgs.

Molti scienziati sostengono che il meccanismo di Higgs abbia risolto il pezzo mancante del puzzle per completare l’attuale “modello standard” della fisica, che descrive le particelle conosciute.

Il bosone di Higgs determina fondamentalmente la massa di tutto ciò che esiste nell'Universo.

I quark (che significa quark) sono gli elementi costitutivi dei protoni e dei neutroni. Non sono mai soli, esistono solo in gruppi. A quanto pare, la forza che lega insieme i quark aumenta con la distanza, quindi più si va avanti, più difficile sarà separarli. Pertanto, i quark liberi non esistono mai in natura.

I quark sono particelle fondamentali sono senza struttura, appuntiti misura circa 10-16 cm .

Ad esempio, protoni e neutroni sono costituiti da tre quark, i protoni contengono due quark identici, mentre i neutroni ne hanno due diversi.

Supersimmetria

È noto che i “mattoni” fondamentali della materia, i fermioni, sono i quark e i leptoni, e i guardiani della forza, i bosoni, sono fotoni e gluoni. La teoria della supersimmetria afferma che fermioni e bosoni possono trasformarsi l'uno nell'altro.

La teoria predetta afferma che per ogni particella che conosciamo ce n'è una correlata che non abbiamo ancora scoperto. Ad esempio, un elettrone è un selectron, un quark è uno squark, un fotone è un fotino e un higgs è un higgsino.

Perché non osserviamo questa supersimmetria nell'Universo adesso? Gli scienziati ritengono che siano molto più pesanti dei loro cugini normali e che più sono pesanti, più breve è la loro durata di vita. Infatti, cominciano a crollare non appena sorgono. Creare la supersimmetria richiede molto grande quantità energia che esisteva solo poco dopo Big Bang e potrebbe essere creato in grandi acceleratori come il Large Hadron Collider.

Per quanto riguarda il motivo per cui si è verificata la simmetria, i fisici teorizzano che la simmetria potrebbe essere stata rotta in qualche settore nascosto dell’Universo che non possiamo vedere o toccare, ma che possiamo solo percepire gravitazionalmente.

Neutrino

I neutrini sono particelle subatomiche leggere che fischiano ovunque a una velocità prossima a quella della luce. In effetti, trilioni di neutrini fluiscono attraverso il nostro corpo in qualsiasi momento, anche se raramente interagiscono con la materia normale.

Alcuni provengono dal sole, mentre altri da Raggi cosmici interagendo con l'atmosfera terrestre e le fonti astronomiche come le stelle che esplodono nella Via Lattea e altre galassie distanti.

Antimateria

Si ritiene che tutte le particelle normali contengano antimateria con la stessa massa ma carica opposta. Quando la materia si incontra, si distruggono a vicenda. Ad esempio, la particella di antimateria di un protone è un antiprotone, mentre il partner di antimateria di un elettrone è chiamato positrone. L'antimateria si riferisce a ciò che le persone sono state in grado di identificare.

Gravitoni

Nel campo della meccanica quantistica, tutte le forze fondamentali sono trasmesse da particelle. Ad esempio, la luce è costituita da particelle prive di massa chiamate fotoni, che trasportano una forza elettromagnetica. Allo stesso modo, il gravitone è una particella teorica che trasporta la forza di gravità. Gli scienziati devono ancora rilevare i gravitoni, che sono difficili da trovare perché interagiscono debolmente con la materia.

Fili di energia

Negli esperimenti, minuscole particelle come i quark e gli elettroni agiscono come singoli punti di materia senza distribuzione spaziale. Ma gli oggetti puntuali complicano le leggi della fisica. Poiché è impossibile avvicinarsi infinitamente a un punto, poiché forze attive, può diventare infinitamente grande.

Un’idea chiamata teoria delle superstringhe potrebbe risolvere questo problema. La teoria afferma che tutte le particelle, invece di essere puntiformi, sono in realtà piccoli fili di energia. Cioè, tutti gli oggetti nel nostro mondo sono costituiti da fili vibranti e membrane di energia.
Niente può essere infinitamente vicino al filo, perché una parte sarà sempre un po' più vicina dell'altra. Questa scappatoia sembra risolvere alcuni dei problemi con l’infinito, rendendo l’idea attraente per i fisici. Tuttavia, gli scienziati non hanno ancora prove sperimentali che la teoria delle stringhe sia corretta.

Un altro modo per risolvere il problema puntuale è dire che lo spazio stesso non è continuo e fluido, ma è in realtà costituito da pixel o grani discreti, a volte chiamati struttura spazio-temporale. In questo caso le due particelle non potranno avvicinarsi indefinitamente, perché dovranno sempre essere separate da una minima granulometria di spazio.

Punto del buco nero

Un altro contendente al titolo di particella più piccola dell'Universo è la singolarità (un singolo punto) al centro di un buco nero. I buchi neri si formano quando la materia si condensa in uno spazio sufficientemente piccolo da essere afferrato dalla gravità, che la trascina verso l’interno, fino a condensarsi in un unico punto di densità infinita. Almeno secondo le attuali leggi della fisica.

Ma la maggior parte degli esperti non ritiene che i buchi neri siano veramente infinitamente densi. Credono che questa infinità sia il risultato di un conflitto interno tra due teorie attuali: la relatività generale e la meccanica quantistica. Essi suggeriscono che quando la teoria della gravità quantistica potrà essere formulata, la vera natura dei buchi neri sarà rivelata.

Lunghezza della tavola

I fili di energia e anche la particella più piccola nell’Universo possono avere le dimensioni di una “lunghezza di tavola”.

La lunghezza della barra è 1,6 x 10 -35 metri (il numero 16 è preceduto da 34 zeri e un punto decimale) - una scala incomprensibilmente piccola associata a vari aspetti della fisica.

La lunghezza di Planck è una “unità naturale” di lunghezza proposta dal fisico tedesco Max Planck.

La lunghezza di Planck è troppo breve per essere misurata da qualsiasi strumento, ma oltre questo si ritiene che rappresenti il limite teorico della lunghezza misurabile più breve. Secondo il principio di indeterminazione, nessuno strumento dovrebbe mai essere in grado di misurare qualcosa di meno, perché in questo intervallo l’universo è probabilistico e incerto.

Questa scala è anche considerata la linea di demarcazione tra la relatività generale e la meccanica quantistica.

La lunghezza di Planck corrisponde alla distanza alla quale il campo gravitazionale è così forte da poter iniziare a formare buchi neri dall'energia del campo.

Apparentemente ora la particella più piccola nell'Universo ha all'incirca le dimensioni di una tavola: 1,6 x 10 −35 metri

Fin da scuola si sapeva che la particella più piccola dell'Universo, l'elettrone, ha una carica negativa e una massa piccolissima, pari a 9,109 x 10 - 31 kg, e il raggio classico dell'elettrone è 2,82 x 10 -15 m.

Tuttavia, i fisici stanno già operando con le particelle più piccole dell’Universo, la dimensione di Planck che è di circa 1,6 x 10 −35 metri.

I neutrini, una particella incredibilmente piccola nell’universo, affascinano gli scienziati da quasi un secolo. Sono stati assegnati più premi Nobel per la ricerca sui neutrini che per il lavoro su qualsiasi altra particella, e si stanno costruendo enormi strutture per studiarlo con il budget dei piccoli stati. Alexander Nozik, ricercatore senior presso l'Istituto di ricerca nucleare dell'Accademia russa delle scienze, docente al MIPT e partecipante all'esperimento “Troitsk nu-mass” per la ricerca della massa del neutrino, racconta come studiarla, ma soprattutto soprattutto, come catturarlo in primo luogo.

Il mistero dell'energia rubata

La storia della ricerca sui neutrini può essere letta come un affascinante romanzo poliziesco. Questa particella ha ripetutamente messo alla prova le capacità deduttive degli scienziati: non tutti gli enigmi potrebbero essere risolti immediatamente e alcuni non sono ancora stati risolti. Cominciamo con la storia della scoperta. Decadimenti radioattivi vari tipi iniziarono a essere studiati alla fine del XIX secolo, e non sorprende che negli anni '20 gli scienziati avessero nel loro arsenale non solo strumenti per registrare il decadimento stesso, ma anche per misurare l'energia delle particelle in fuga, anche se non particolarmente accurato per gli standard odierni. Man mano che aumentava la precisione degli strumenti, aumentavano anche la gioia degli scienziati e lo sconcerto associato, tra le altre cose, al decadimento beta, in cui un elettrone vola via da un nucleo radioattivo e il nucleo stesso cambia la sua carica. Questo decadimento è chiamato biparticella, poiché produce due particelle: un nuovo nucleo e un elettrone. Qualsiasi studente delle scuole superiori spiegherà che è possibile determinare con precisione l'energia e la quantità di moto dei frammenti in un tale decadimento utilizzando le leggi di conservazione e conoscendo le masse di questi frammenti. In altre parole, l'energia, ad esempio, di un elettrone sarà sempre la stessa in ogni decadimento del nucleo di un certo elemento. In pratica, è stato osservato un quadro completamente diverso. L'energia degli elettroni non solo non era fissa, ma era anche distribuita in uno spettro continuo fino a zero, cosa che sconcertava gli scienziati. Ciò può accadere solo se qualcuno ruba energia dal decadimento beta. Ma sembra che non ci sia nessuno a rubarlo.

Con il passare del tempo gli strumenti diventarono sempre più precisi e ben presto scomparve la possibilità di attribuire una simile anomalia ad un errore dell'apparecchiatura. Così è nato un mistero. Alla ricerca della sua soluzione, gli scienziati hanno espresso varie ipotesi, anche del tutto assurde per gli standard odierni. Lo stesso Niels Bohr, ad esempio, affermò seriamente che le leggi di conservazione non si applicano al mondo delle particelle elementari. Wolfgang Pauli salvò la situazione nel 1930. Non ha potuto partecipare alla conferenza di fisica a Tubinga e, non potendo partecipare da remoto, ha inviato una lettera chiedendo di essere letta. Eccone alcuni estratti:

“Cari signori e signore radioattivi. Ti prego di ascoltare con attenzione nel momento più opportuno il messaggero che ha consegnato questa lettera. Ti dirà che ho trovato un ottimo rimedio per la legge di conservazione e la statistica corretta. Sta nella possibilità dell'esistenza di particelle elettricamente neutre... La continuità dello spettro B diventerà chiara se assumiamo che durante il decadimento B, un tale "neutrone" viene emesso insieme a ciascun elettrone, e la somma di l’energia del “neutrone” e dell’elettrone è costante...”

Alla fine della lettera c'erano le seguenti righe:

“Se non corri rischi non vinci. La gravità della situazione quando si considera lo spettro B continuo diventa particolarmente chiara dopo le parole del Prof. Debye, che mi ha detto con rammarico: “Oh, è meglio non pensare a tutto questo… come nuove tasse”. Pertanto, è necessario discutere seriamente ogni percorso verso la salvezza. Quindi, cari radioattivi, mettete alla prova questo e giudicate”.

Successivamente, lo stesso Pauli espresse il timore che, sebbene la sua idea avesse salvato la fisica del micromondo, la nuova particella non sarebbe mai stata scoperta sperimentalmente. Dicono che abbia persino discusso con i suoi colleghi che se la particella esistesse, non sarebbe possibile rilevarla durante la loro vita. Negli anni successivi, Enrico Fermi sviluppò una teoria del decadimento beta che coinvolge una particella da lui chiamata neutrino, che concordava brillantemente con l'esperimento. Dopodiché nessuno ebbe più dubbi sulla reale esistenza dell'ipotetica particella. Nel 1956, due anni prima della morte di Pauli, i neutrini furono scoperti sperimentalmente nel decadimento beta inverso dal team di Frederick Reines e Clyde Cowan (Reines ricevette un premio Nobel).

Il caso dei neutrini solari scomparsi

Non appena divenne chiaro che i neutrini, sebbene complessi, potevano ancora essere rilevati, gli scienziati iniziarono a cercare di catturarli origine extraterrestre. La loro fonte più ovvia è il Sole. In esso si verificano costantemente reazioni nucleari e si può calcolare che ogni centimetro quadrato superficie terrestre Ogni secondo passano circa 90 miliardi di neutrini solari.

In quel momento il massimo metodo efficace catturare i neutrini solari era un metodo radiochimico. La sua essenza è questa: un neutrino solare arriva sulla Terra, interagisce con il nucleo; il risultato è, diciamo, un nucleo di 37Ar e un elettrone (questa è esattamente la reazione utilizzata nell'esperimento di Raymond Davis, per il quale in seguito gli fu assegnato il Premio Nobel). Successivamente, contando il numero di atomi di argon, possiamo dire quanti neutrini hanno interagito nel volume del rivelatore durante l'esposizione. In pratica, ovviamente, tutto non è così semplice. Devi capire che devi contare singoli atomi di argon in un bersaglio che pesa centinaia di tonnellate. Il rapporto di massa è approssimativamente lo stesso tra la massa di una formica e la massa della Terra. Fu allora che si scoprì che ⅔ dei neutrini solari erano stati rubati (il flusso misurato era tre volte inferiore a quello previsto).

Naturalmente, i primi sospetti caddero sul Sole stesso. Dopotutto, possiamo giudicare la sua vita interiore solo da segni indiretti. Non si sa come si creino i neutrini su di esso, ed è anche possibile che tutti i modelli del Sole siano sbagliati. Furono discusse molte ipotesi diverse, ma alla fine gli scienziati iniziarono a propendere per l'idea che non fosse il Sole, ma la natura astuta dei neutrini stessi.

Una piccola digressione storica: nel periodo compreso tra la scoperta sperimentale dei neutrini e gli esperimenti sullo studio dei neutrini solari, si verificarono molte altre scoperte interessanti. Innanzitutto furono scoperti gli antineutrini e fu dimostrato che i neutrini e gli antineutrini partecipano alle interazioni in modo diverso. Inoltre, tutti i neutrini in tutte le interazioni sono sempre mancini (la proiezione dello spin sulla direzione del movimento è negativa), e tutti gli antineutrini sono destrimani. Non solo questa proprietà si osserva tra tutte le particelle elementari solo nei neutrini, ma indica anche indirettamente che il nostro Universo, in linea di principio, non è simmetrico. In secondo luogo, si scoprì che ogni leptone carico (elettrone, muone e leptone tau) ha il proprio tipo, o sapore, di neutrino. Inoltre, i neutrini di ogni tipo interagiscono solo con il loro leptone.

Torniamo al nostro problema solare. Già negli anni '50 del XX secolo fu suggerito che il sapore leptonico (un tipo di neutrino) non dovesse essere conservato. Cioè, se in una reazione nasce un neutrino elettronico, nel percorso verso un'altra reazione il neutrino può cambiare vestito e correre come un muone. Ciò potrebbe spiegare la mancanza di neutrini solari negli esperimenti radiochimici sensibili solo ai neutrini elettronici. Questa ipotesi è stata brillantemente confermata dalle misurazioni del flusso di neutrini solari negli esperimenti di scintillazione su grandi bersagli d'acqua SNO e Kamiokande (per i quali è stato recentemente assegnato un altro premio Nobel). In questi esperimenti non viene più studiato il decadimento beta inverso, ma la reazione di diffusione dei neutrini, che può verificarsi non solo con gli elettroni, ma anche con i neutrini muonici. Quando, invece del flusso dei neutrini elettronici, iniziarono a misurare il flusso totale di tutti i tipi di neutrini, i risultati confermarono perfettamente la transizione dei neutrini da un tipo all'altro, o le oscillazioni dei neutrini.

Assalto al modello standard

La scoperta delle oscillazioni dei neutrini, dopo aver risolto un problema, ne creò diversi nuovi. Il punto è che fin dai tempi di Pauli i neutrini sono stati considerati particelle prive di massa come i fotoni, e questo andava bene a tutti. I tentativi di misurare la massa dei neutrini continuarono, ma senza molto entusiasmo. Le oscillazioni hanno cambiato tutto, poiché la massa, per quanto piccola, è necessaria per la loro esistenza. La scoperta della massa nei neutrini, ovviamente, ha deliziato gli sperimentatori, ma ha lasciato perplessi i teorici. Innanzitutto, i neutrini massicci non rientrano nel Modello Standard della fisica delle particelle, che gli scienziati hanno costruito dall’inizio del XX secolo. In secondo luogo, lo stesso misterioso mancinismo dei neutrini e destrimano degli antineutrini è ben spiegato solo, ancora una volta, per le particelle prive di massa. Se c'è massa, i neutrini mancini dovrebbero, con una certa probabilità, trasformarsi in destrimani, cioè in antiparticelle, violando la legge apparentemente immutabile di conservazione del numero leptonico, o addirittura trasformarsi in una sorta di neutrini che lo fanno non partecipare all'interazione. Oggi tali ipotetiche particelle sono comunemente chiamate neutrini sterili.

Rivelatore di neutrini "Super Kamiokande" © Osservatorio Kamioka, ICRR (Istituto per la ricerca sui raggi cosmici), Università di Tokyo

Naturalmente la ricerca sperimentale della massa del neutrino riprese subito bruscamente. Ma subito è sorta la domanda: come misurare la massa di qualcosa che non può essere catturato? La risposta è una sola: non catturare affatto i neutrini. Oggi si stanno sviluppando più attivamente due direzioni: la ricerca diretta della massa del neutrino nel decadimento beta e l'osservazione del doppio decadimento beta senza neutrini. Nel primo caso l’idea è molto semplice. Il nucleo decade con la radiazione di elettroni e neutrini. Non è possibile catturare un neutrino, ma è possibile catturare e misurare un elettrone con altissima precisione. Lo spettro elettronico contiene anche informazioni sulla massa del neutrino. Un simile esperimento è uno dei più difficili nella fisica delle particelle, ma il suo indubbio vantaggio è che si basa su di esso principi di base conservazione dell'energia e della quantità di moto e il suo risultato dipende da poco. Attualmente, il limite migliore per la massa dei neutrini è di circa 2 eV. Questo è 250mila volte inferiore a quello di un elettrone. Cioè, la massa stessa non è stata trovata, ma è stata limitata solo dal telaio superiore.

Con il decadimento doppio beta le cose sono più complicate. Se assumiamo che un neutrino si trasformi in un antineutrino durante uno spin flip (questo modello prende il nome dal fisico italiano Ettore Majorana), allora un processo è possibile quando due decadimenti beta si verificano simultaneamente nel nucleo, ma i neutrini non volano via, ma sono ridotti. La probabilità di un tale processo è legata alla massa del neutrino. I limiti superiori in tali esperimenti sono migliori - 0,2 – 0,4 eV - ma dipendono dal modello fisico.

Il problema dei neutrini massicci non è stato ancora risolto. La teoria di Higgs non può spiegare masse così piccole. Richiede complicazioni significative o l'uso di leggi più astute secondo le quali i neutrini interagiscono con il resto del mondo. Ai fisici coinvolti nella ricerca sui neutrini viene spesso posta la domanda: “Come può la ricerca sui neutrini aiutare la persona media? Quale vantaggio finanziario o di altro tipo può essere derivato da questa particella? I fisici alzano le spalle. E davvero non lo sanno. Un tempo lo studio dei diodi a semiconduttore era puramente fisica fondamentale, senza alcuna applicazione pratica. La differenza è che le tecnologie che si stanno sviluppando per creare esperimenti moderni nella fisica dei neutrini sono ora ampiamente utilizzate nell'industria, quindi ogni centesimo investito in quest'area viene ripagato abbastanza rapidamente. Attualmente nel mondo vengono condotti numerosi esperimenti, la cui scala è paragonabile a quella del Large Hadron Collider; questi esperimenti sono finalizzati esclusivamente allo studio delle proprietà dei neutrini. Non si sa in quale di essi sarà possibile aprire una nuova pagina di fisica, ma verrà sicuramente aperta.

Il mondo e la scienza non si fermano mai. Proprio di recente, i libri di testo di fisica hanno scritto con sicurezza che l'elettrone è la particella più piccola. Poi i mesoni divennero le particelle più piccole, poi i bosoni. E ora la scienza ha scoperto qualcosa di nuovo più particella più piccola nell'universo- Buco nero di Planck. È vero, è ancora aperto solo in teoria. Questa particella è classificata come buco nero perché il suo raggio gravitazionale è maggiore o uguale alla lunghezza d'onda. Di tutti i buchi neri esistenti, quello di Planck è il più piccolo.

La durata di vita di queste particelle è troppo breve per renderne possibile il rilevamento pratico. Almeno su questo momento. E si formano, come comunemente si crede, di conseguenza reazioni nucleari. Ma non è solo la durata della vita dei buchi neri di Planck a impedirne la rilevazione. Ora, purtroppo, questo è impossibile dal punto di vista tecnico. Per sintetizzare i buchi neri di Planck è necessario un acceleratore di energia di oltre mille elettronvolt.

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Nonostante questa ipotetica esistenza di questa particella più piccola nell'Universo, la sua scoperta pratica in futuro è del tutto possibile. Dopotutto, non molto tempo fa nemmeno il leggendario bosone di Higgs poteva essere rilevato. È stato per la sua scoperta che è stata creata un'installazione di cui solo gli abitanti più pigri della Terra non hanno sentito parlare: il Large Hadron Collider. La fiducia degli scienziati nel successo di questi studi ha contribuito a ottenere un risultato sensazionale. Il bosone di Higgs è attualmente la particella più piccola la cui esistenza è stata praticamente dimostrata. La sua scoperta è molto importante per la scienza; ha permesso a tutte le particelle di acquisire massa. E se le particelle non avessero massa, l’universo non potrebbe esistere. In esso non potrebbe formarsi una sola sostanza.

Nonostante l'esistenza praticamente provata di questa particella, il bosone di Higgs, le sue applicazioni pratiche non sono ancora state inventate. Per ora si tratta solo di conoscenze teoriche. Ma in futuro tutto è possibile. Non tutte le scoperte nel campo della fisica hanno avuto subito applicazione pratica. Nessuno sa cosa accadrà tra cento anni. Dopotutto, come accennato in precedenza, il mondo e la scienza non si fermano mai.

Dottore in scienze fisiche e matematiche M. KAGANOV.

Secondo una lunga tradizione, la rivista "Scienza e Vita" ne parla le ultime conquiste scienza moderna, sulle ultime scoperte nel campo della fisica, della biologia e della medicina. Ma per capire quanto siano importanti e interessanti, è necessario almeno capirlo schema generale avere una conoscenza delle basi della scienza. La fisica moderna si sta sviluppando rapidamente e le persone della generazione più anziana, quelle che hanno studiato a scuola e all'università 30-40 anni fa, non hanno familiarità con molte delle sue disposizioni: semplicemente allora non esistevano. E i nostri giovani lettori non hanno ancora avuto il tempo di conoscerli: la letteratura scientifica popolare ha praticamente cessato di essere pubblicata. Pertanto, abbiamo chiesto all'autore di lunga data della rivista M.I Kaganov di parlare di atomi e particelle elementari e delle leggi che li governano, di cosa sia la materia. Moses Isaakovich Kaganov è un fisico teorico, autore e coautore di diverse centinaia di lavori sulla teoria quantistica dei solidi, sulla teoria dei metalli e sul magnetismo. Era un importante impiegato dell'Istituto per i problemi fisici da cui prende il nome. P. L. Kapitsa e professore all'Università statale di Mosca. M. V. Lomonosov, membro dei comitati editoriali delle riviste "Nature" e "Quantum". Autore di numerosi articoli e libri di divulgazione scientifica. Attualmente vive a Boston (USA).

Scienza e vita // Illustrazioni

Il filosofo greco Democrito fu il primo a usare la parola "atomo". Secondo il suo insegnamento gli atomi sono indivisibili, indistruttibili e sono in movimento costante. Sono infinitamente vari, hanno depressioni e convessità con le quali si incastrano, formando tutti i corpi materiali.

Tabella 1. Le caratteristiche più importanti di elettroni, protoni e neutroni.

Atomo di deuterio.

Il fisico inglese Ernst Rutherford è giustamente considerato il fondatore fisica Nucleare, la dottrina della radioattività e la teoria della struttura atomica.

Nella foto: la superficie di un cristallo di tungsteno, ingrandita 10 milioni di volte; ogni punto luminoso è il suo atomo individuale.

Scienza e vita // Illustrazioni

Lavorando alla creazione della teoria della radiazione, Max Planck nel 1900 arrivò alla conclusione che gli atomi della materia riscaldata dovrebbero emettere luce in porzioni, quanti, aventi una dimensione di azione (J.s) ed energia proporzionale alla frequenza della radiazione: E = hn .

Nel 1923, Louis de Broglie trasferì l'idea di Einstein sulla duplice natura della luce - dualità onda-particella - alla materia: il moto di una particella corrisponde alla propagazione di un'onda infinita.

Gli esperimenti di diffrazione hanno confermato in modo convincente la teoria di de Broglie, secondo la quale il movimento di qualsiasi particella è accompagnato da un'onda, la cui lunghezza e velocità dipendono dalla massa e dall'energia della particella.

Scienza e vita // Illustrazioni

Un giocatore di biliardo esperto sa sempre come rotoleranno le palline dopo essere state colpite e le spinge facilmente in buca. Con le particelle atomiche è molto più difficile. È impossibile indicare la traiettoria di un elettrone volante: non è solo una particella, ma anche un'onda, infinita nello spazio.

Di notte, quando non ci sono nuvole nel cielo, la luna non è visibile e non ci sono luci in mezzo, il cielo è pieno di stelle splendenti. Non è necessario cercare costellazioni familiari o cercare di trovare pianeti vicini alla Terra. Guarda! Prova a immaginare uno spazio enorme pieno di mondi e che si estende per miliardi di miliardi di anni luce. È solo a causa della distanza che i mondi sembrano punti, e molti di essi sono così lontani che non sono distinguibili individualmente e si fondono in nebulose. Sembra che siamo al centro dell'universo. Ora sappiamo che questo non è vero. Il rifiuto del geocentrismo è un grande merito della scienza. Ci sono voluti molti sforzi per rendersi conto che la piccola Terra si sta muovendo in un'area casuale, apparentemente non contrassegnata, di un vasto (letteralmente!) Spazio.

Ma la vita ha avuto origine sulla Terra. Si è sviluppato con così tanto successo che è stato in grado di produrre una persona capace di comprendere il mondo che lo circonda, cercare e trovare le leggi che governano la natura. I risultati ottenuti dall'umanità nella comprensione delle leggi della natura sono così impressionanti che ti senti involontariamente orgoglioso di appartenere a questo pizzico di intelligenza, perso alla periferia di una galassia ordinaria.

Considerando la diversità di tutto ciò che ci circonda, l’esistenza di leggi generali è sorprendente. Non meno sorprendente è questo tutto è costruito da soli tre tipi di particelle: elettroni, protoni e neutroni.

Al fine, utilizzando le leggi fondamentali della natura, di derivare osservabili e prevedere nuove proprietà di varie sostanze e oggetti complessi teorie matematiche, che non sono affatto facili da comprendere. Ma i contorni del quadro scientifico del mondo possono essere compresi senza ricorrere a una teoria rigorosa. Naturalmente, ciò richiede desiderio. Ma non solo: anche la conoscenza preliminare richiederà un po' di lavoro. Dobbiamo cercare di comprendere fatti nuovi, fenomeni non familiari che a prima vista non concordano con l'esperienza esistente.

Le conquiste della scienza portano spesso all’idea che per essa “niente è sacro”: ciò che era vero ieri viene scartato oggi. Con la conoscenza arriva la comprensione di quanto la scienza tratta con riverenza ogni granello di esperienza accumulata, con quale cautela va avanti, soprattutto nei casi in cui è necessario abbandonare idee radicate.

Lo scopo di questa storia è introdurre le caratteristiche fondamentali della struttura delle sostanze inorganiche. Nonostante l'infinita varietà, la loro struttura è relativamente semplice. Soprattutto se li confronti con qualsiasi organismo vivente, anche il più semplice. Ma c'è anche qualcosa in comune: tutti gli organismi viventi, come sostanze inorganiche, costruito da elettroni, protoni e neutroni.

È impossibile coglierne l'immensità: per presentare, almeno in termini generali, la struttura degli organismi viventi, è necessaria una storia speciale.

INTRODUZIONE

La varietà delle cose, degli oggetti, di tutto ciò che usiamo, che ci circonda, è immensa. Non solo per il loro scopo e design, ma anche per i materiali utilizzati per crearli: sostanze, come si dice, quando non è necessario enfatizzare la loro funzione.

Le sostanze e i materiali appaiono solidi e il senso del tatto conferma ciò che vedono gli occhi. Sembrerebbe che non ci siano eccezioni. L'acqua che scorre e il metallo solido, così diversi tra loro, sono simili in una cosa: sia il metallo che l'acqua sono solidi. È vero, puoi sciogliere sale o zucchero nell'acqua. Trovano un posto per se stessi nell'acqua. Sì e dentro solido, ad esempio, puoi piantare un chiodo in una tavola di legno. Con uno sforzo considerevole è possibile ottenere che il posto occupato dall'albero venga occupato da un chiodo di ferro.

Lo sappiamo bene: puoi staccare un piccolo pezzo da un corpo solido, puoi macinare quasi tutti i materiali. A volte è difficile, a volte avviene spontaneamente, senza la nostra partecipazione. Immaginiamoci sulla spiaggia, sulla sabbia. Comprendiamo: un granello di sabbia è ben lungi dall'essere la più piccola particella della sostanza di cui è composta la sabbia. Se ci provi, puoi ridurre i granelli di sabbia, ad esempio, facendoli passare attraverso dei rulli, attraverso due cilindri fatti di materiale molto metallo duro. Una volta tra i rulli, il granello di sabbia viene frantumato in pezzi più piccoli. In sostanza, è così che viene prodotta la farina dal grano nei mulini.

Ora che l'atomo è entrato saldamente nella nostra percezione del mondo, è molto difficile immaginare che le persone non sappiano se il processo di frantumazione è limitato o se la sostanza può essere frantumata indefinitamente.

Non si sa quando le persone si sono poste per la prima volta questa domanda. Fu registrato per la prima volta negli scritti degli antichi filosofi greci. Alcuni di loro credevano che non importa quanto piccola fosse una sostanza, può essere divisa in parti ancora più piccole: non c'è limite. Altri hanno espresso l'idea che esistano minuscole particelle indivisibili da cui tutto consiste. Per sottolineare che queste particelle sono il limite della frammentazione, le chiamarono atomi (in greco antico la parola “atomo” significa indivisibile).

È necessario nominare coloro che per primi hanno avanzato l'idea dell'esistenza degli atomi. Si tratta di Democrito (nato intorno al 460 o 470 a.C., morto in età molto avanzata) ed Epicuro (341-270 a.C.). Quindi, la scienza atomica ha quasi 2500 anni. Il concetto di atomi non fu subito accettato da tutti. Anche circa 150 anni fa, erano poche le persone che credevano nell’esistenza degli atomi, anche tra gli scienziati.

Il fatto è che gli atomi sono molto piccoli. Non possono essere visti non solo ad occhio nudo, ma anche, ad esempio, con un microscopio che ingrandisce 1000 volte. Pensiamoci: qual è la dimensione delle particelle più piccole che si possono vedere? U persone diverse vista diversa, ma probabilmente tutti concorderanno sul fatto che è impossibile vedere una particella più piccola di 0,1 millimetri. Pertanto, se usate un microscopio, potrete, anche se con difficoltà, vedere particelle che misurano circa 0,0001 millimetri, ovvero 10 -7 metri. Confrontando le dimensioni degli atomi e le distanze interatomiche (10 -10 metri) con la lunghezza che abbiamo accettato come limite della capacità di vedere, capiremo perché qualsiasi sostanza ci sembra solida.

2500 anni sono un tempo enorme. Qualunque cosa accadesse nel mondo, c'erano sempre persone che cercavano di rispondere alla domanda su come funziona il mondo che li circonda. In alcuni momenti, i problemi della struttura del mondo erano più preoccupanti, in altri meno. La nascita della scienza nel suo senso moderno è avvenuta relativamente di recente. Gli scienziati hanno imparato a condurre esperimenti, a porre domande sulla natura e a comprenderne le risposte, a creare teorie che descrivono i risultati degli esperimenti. Le teorie richiedevano metodi matematici rigorosi per raggiungere conclusioni affidabili. La scienza ha fatto molta strada. In questo percorso, iniziato per la fisica circa 400 anni fa con l'opera di Galileo Galilei (1564-1642), si sono ottenute infinite informazioni sulla struttura della materia e sulle proprietà dei corpi di diversa natura, un'infinità di informazioni vari fenomeni sono stati scoperti e compresi.

L'umanità ha imparato non solo a comprendere passivamente la natura, ma anche a usarla per i propri scopi.

Non considereremo la storia dello sviluppo dei concetti atomici in 2500 anni e la storia della fisica negli ultimi 400 anni. Il nostro compito è raccontare nel modo più breve e chiaro possibile cosa e come è costruito tutto: gli oggetti che ci circondano, i corpi e noi stessi.

Come già accennato, tutta la materia è costituita da elettroni, protoni e neutroni. Lo sapevo fin dai tempi della scuola, ma non smette mai di stupirmi che tutto sia costruito con particelle di soli tre tipi! Ma il mondo è così vario! Inoltre, anche i mezzi che la natura utilizza per realizzare la costruzione sono piuttosto monotoni.

Una descrizione coerente di come vengono costruite le sostanze tipi diversi, è una scienza complessa. Usa alcuni calcoli seri. Va sottolineato che non esiste un'altra teoria semplice. Ma i principi fisici alla base della comprensione della struttura e delle proprietà delle sostanze, sebbene non banali e difficili da immaginare, possono ancora essere compresi. Con la nostra storia cercheremo di aiutare tutti coloro che sono interessati alla struttura del mondo in cui viviamo.

METODO DEI FRAMMENTI, O DIVIDERE E COMPRENDERE

Sembrerebbe che il modo più naturale per capire come funziona un certo dispositivo complesso (giocattolo o meccanismo) sia smontarlo e scomporlo nelle sue parti componenti. Devi solo stare molto attento, ricordando che piegare sarà molto più difficile. "Rompere non è costruire", dice saggezza popolare. E ancora una cosa: possiamo capire in cosa consiste il dispositivo, ma difficilmente capiremo come funziona. A volte è necessario svitare una vite e basta: il dispositivo smette di funzionare. È necessario non tanto smontare quanto capire.

Perché stiamo parlando non sulla decomposizione effettiva di tutti gli oggetti, cose, organismi che ci circondano, ma sull'immaginario, cioè sull'esperienza mentale e non reale, quindi non devi preoccuparti: non devi raccogliere. Inoltre, non lesiniamo i nostri sforzi. Non pensiamo se sia difficile o facile scomporre il dispositivo nelle sue parti componenti. Solo un secondo. Come facciamo a sapere che abbiamo raggiunto il limite? Forse con più impegno possiamo andare oltre? Ammettiamolo: non sappiamo se abbiamo raggiunto il limite. Dobbiamo usare l'opinione generalmente accettata, rendendoci conto che questo non è un argomento molto affidabile. Ma se ricordi che questa è solo un'opinione generalmente accettata, e non la verità ultima, allora il pericolo è piccolo.

È ormai generalmente accettato che le parti da cui tutto è costruito lo siano particelle elementari. E questo non è tutto. Dopo aver esaminato il libro di consultazione corrispondente, saremo convinti: ci sono più di trecento particelle elementari. L'abbondanza di particelle elementari ci ha fatto pensare alla possibilità dell'esistenza di particelle subelementari, particelle che compongono le stesse particelle elementari. È così che è nata l’idea dei quark. Ce l'hanno proprietà straordinaria, che apparentemente non esistono stato libero. Ci sono molti quark: sei, e ognuno ha la propria antiparticella. Forse il viaggio nelle profondità della materia non è finito.

Per la nostra storia l'abbondanza delle particelle elementari e l'esistenza di quelle subelementari non sono importanti. Elettroni, protoni e neutroni sono direttamente coinvolti nella costruzione delle sostanze: tutto è costruito solo da loro.

Prima di discutere le proprietà delle particelle reali, pensiamo a cosa vorremmo vedere nelle parti da cui è costruito tutto. Quando si tratta di ciò che vorremmo vedere, dobbiamo ovviamente tenere conto della diversità dei punti di vista. Selezioniamo alcune funzionalità che sembrano obbligatorie.

Innanzitutto, le particelle elementari devono avere la capacità di combinarsi in varie strutture.

In secondo luogo, mi piacerebbe pensare che le particelle elementari siano indistruttibili. Sapendo quale lunga storia ha un mondo, è difficile immaginare che le particelle che lo compongono siano mortali.

In terzo luogo, vorrei che non ci fossero troppi dettagli. Osservando i mattoni, vediamo quante strutture diverse possono essere create dagli stessi elementi.

Facendo conoscenza con elettroni, protoni e neutroni, vedremo che le loro proprietà non contraddicono i nostri desideri, e il desiderio di semplicità corrisponde indubbiamente al fatto che solo tre tipi di particelle elementari prendono parte alla struttura di tutte le sostanze.

ELETTRONI, PROTONI, NEUTRONI

Presentiamo le caratteristiche più importanti di elettroni, protoni e neutroni. Sono raccolti nella tabella 1.

L'entità della carica è espressa in coulomb, la massa in chilogrammi (unità SI); Le parole "spin" e "statistiche" verranno spiegate di seguito.

Prestiamo attenzione alla differenza nella massa delle particelle: protoni e neutroni sono quasi 2000 volte più pesanti degli elettroni. Di conseguenza, la massa di qualsiasi corpo è quasi interamente determinata dalla massa dei protoni e dei neutroni.

Il neutrone, come suggerisce il nome, è neutro: la sua carica è zero. E un protone e un elettrone hanno cariche della stessa grandezza, ma di segno opposto. Un elettrone è carico negativamente e un protone è carico positivamente.

Tra le caratteristiche delle particelle non c'è nessuna caratteristica apparentemente importante: la loro dimensione. Descrivendo la struttura di atomi e molecole, elettroni, protoni e neutroni possono essere considerati punti materiali. Le dimensioni del protone e del neutrone dovranno essere ricordate solo quando si descrivono i nuclei atomici. Anche rispetto alle dimensioni degli atomi, protoni e neutroni sono mostruosamente piccoli (nell'ordine di 10 -16 metri).

Essenzialmente, questa breve sezione si riduce a introdurre elettroni, protoni e neutroni come gli elementi costitutivi di tutti i corpi in natura. Potremmo semplicemente limitarci alla Tabella 1, ma dobbiamo capire come funzionano gli elettroni, i protoni e i neutroni viene eseguita la costruzione, cosa fa sì che le particelle si combinino in strutture più complesse e quali siano queste strutture.

L'ATOMO È LA PIÙ SEMPLICE DELLE STRUTTURE COMPLESSE

Ci sono molti atomi. Si è rivelato necessario e possibile sistemarli in modo speciale. L'ordinamento consente di enfatizzare le differenze e le somiglianze degli atomi. La ragionevole disposizione degli atomi è merito di D.I Mendeleev (1834-1907), che formulò la legge periodica che porta il suo nome. Se ignoriamo temporaneamente l'esistenza dei periodi, il principio della disposizione degli elementi è estremamente semplice: sono disposti in sequenza in base al peso degli atomi. Il più leggero è l'atomo di idrogeno. L'ultimo atomo naturale (non creato artificialmente) è l'atomo di uranio, che è più di 200 volte più pesante di esso.

La comprensione della struttura degli atomi spiega la presenza di periodicità nelle proprietà degli elementi.

All'inizio del XX secolo, E. Rutherford (1871-1937) dimostrò in modo convincente che quasi l'intera massa di un atomo è concentrata nel suo nucleo - una piccola regione dello spazio (anche rispetto a un atomo): il raggio dell'atomo il nucleo è circa 100mila volte più piccolo della dimensione dell'atomo. Quando Rutherford effettuò i suoi esperimenti, il neutrone non era ancora stato scoperto. Con la scoperta del neutrone ci si rese conto che i nuclei sono costituiti da protoni e neutroni, ed è naturale pensare a un atomo come a un nucleo circondato da elettroni, il cui numero è pari al numero di protoni presenti nel nucleo - dopo tutto, l'atomo nel suo insieme è neutro. Protoni e neutroni sono simili materiale da costruzione kernel, ricevuto nome comune- nucleoni (dal latino nucleo - nucleo). Questo è il nome che useremo.

Il numero di nucleoni in un nucleo è solitamente indicato con la lettera UN. E' chiaro A = N+Z, Dove Nè il numero di neutroni nel nucleo, e Z- il numero di protoni è uguale al numero di elettroni in un atomo. Numero UNè chiamato massa atomica e Z- numero atomico. Gli atomi con lo stesso numero atomico sono detti isotopi: nella tavola periodica si trovano nella stessa cella (in greco iso- pari , topo - posto). Il fatto è che Proprietà chimiche gli isotopi sono quasi identici. Se esamini attentamente la tavola periodica, puoi convincerti che, in senso stretto, la disposizione degli elementi non corrisponde massa atomica e il numero atomico. Se ci sono circa 100 elementi, allora ci sono più di 2000 isotopi. È vero, molti di loro sono instabili, cioè radioattivi (dal latino Radio- Irradio, attivo- attivo), decadono emettendo varie radiazioni.

Gli esperimenti di Rutherford non solo portarono alla scoperta dei nuclei atomici, ma mostrarono anche che nell'atomo agiscono le stesse forze elettrostatiche, che respingono l'uno dall'altro corpi con carica simile e attraggono tra loro corpi con carica diversa (ad esempio, sfere dell'elettroscopio).

L'atomo è stabile. Di conseguenza, gli elettroni di un atomo si muovono attorno al nucleo: la forza centrifuga compensa la forza di attrazione. Comprendere ciò ha portato alla creazione di un modello planetario dell'atomo, in cui il nucleo è il Sole e gli elettroni sono i pianeti (dal punto di vista della fisica classica, il modello planetario è incoerente, ma ne parleremo più avanti).

Esistono diversi modi per stimare la dimensione di un atomo. Stime diverse portano a risultati simili: le dimensioni degli atomi, ovviamente, sono diverse, ma approssimativamente pari a diversi decimi di nanometro (1 nm = 10 -9 m).

Consideriamo innanzitutto il sistema di elettroni di un atomo.

IN sistema solare i pianeti sono attratti dal Sole dalla gravità. In un atomo agisce una forza elettrostatica. Viene spesso chiamato Coulomb in onore di Charles Augustin Coulomb (1736-1806), il quale stabilì che la forza di interazione tra due cariche è inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro. Il fatto che due accuse Q 1 e Q 2 si attraggono o si respingono con una forza pari a F C =Q 1 Q 2 /R 2 , Dove R- la distanza tra le cariche è chiamata "Legge di Coulomb". Indice " CON" assegnato alla forza F dalla prima lettera del cognome di Coulomb (in francese Coulomb). Tra le affermazioni più diverse, ce ne sono poche che possono essere giustamente chiamate legge come la legge di Coulomb: dopotutto, la sua portata è praticamente illimitata. I corpi carichi, qualunque sia la loro dimensione, così come le particelle cariche atomiche e persino subatomiche, si attraggono o si respingono secondo la legge di Coulomb.

UNA SCOPERTA SULLA GRAVITÀ

Una persona acquisisce familiarità con la gravità prima infanzia. Cadendo impara a rispettare la forza di gravità verso la Terra. La conoscenza del movimento accelerato di solito inizia con lo studio della caduta libera dei corpi, il movimento di un corpo sotto l'influenza della gravità.

Tra due corpi di massa M 1 e M 2 atti di forza F N=- GM 1 M 2 /R 2 . Qui R- distanza tra i corpi, G- costante gravitazionale pari a 6.67259.10 -11 m 3 kg -1 s -2 , l'indice "N" è dato in onore di Newton (1643 - 1727). Questa espressione si chiama legge gravità universale, sottolineandone il carattere universale. Forza F N determina il movimento delle galassie, corpi celestiali e oggetti che cadono a terra. La legge di gravitazione universale è valida a qualsiasi distanza tra i corpi. Non menzioneremo i cambiamenti nell'immagine della gravità introdotti dalla teoria della relatività generale di Einstein (1879-1955).

Sia la forza elettrostatica di Coulomb che la forza di gravitazione universale newtoniana sono la stessa cosa (come 1/ R 2) diminuiscono all'aumentare della distanza tra i corpi. Ciò consente di confrontare l'azione di entrambe le forze a qualsiasi distanza tra i corpi. Se si confronta in grandezza la forza di repulsione coulombiana di due protoni con la forza della loro attrazione gravitazionale, si ottiene che F N/ F C= 10 -36 (Q 1 =Q 2 = e P ; M 1 = =M 2 =M P). Pertanto la gravità non gioca alcun ruolo significativo nella struttura dell'atomo: è troppo piccola rispetto alla forza elettrostatica.

Scoprire cariche elettriche e misurare l'interazione tra loro non è difficile. Se la forza elettrica è così grande, allora perché non è importante quando, ad esempio, si cade, si salta, si lancia una palla? Perché nella maggior parte dei casi si tratta di corpi neutri (privi di carica). Nello spazio ci sono sempre molte particelle cariche (elettroni, ioni). segno diverso). Sotto l'influenza di un'enorme forza elettrica attrattiva (su scala atomica) creata da un corpo carico, le particelle cariche si precipitano alla sua fonte, si attaccano al corpo e ne neutralizzano la carica.

ONDA O PARTICELLA? SIA ONDA CHE PARTICELLA!

È molto difficile parlare di particelle atomiche e anche di particelle subatomiche ancora più piccole, soprattutto perché le loro proprietà non hanno analoghi nella nostra vita quotidiana. Si potrebbe pensare che sarebbe conveniente pensare alle particelle che compongono atomi così piccoli come punti materiali. Ma tutto si è rivelato molto più complicato.

Una particella e un'onda... Sembrerebbe che sia inutile persino confrontare, sono così diversi.

Probabilmente, quando si pensa a un'onda, si immagina innanzitutto una superficie del mare increspata. Le onde vengono a riva da mare aperto, le lunghezze d'onda - le distanze tra due creste successive - possono essere diverse. È facile osservare onde aventi una lunghezza dell'ordine di diversi metri. Durante le onde la massa d'acqua ovviamente vibra. L'onda copre un'area significativa.

L'onda è periodica nel tempo e nello spazio. Lunghezza d'onda ( λ ) è una misura della periodicità spaziale. La periodicità del moto ondoso nel tempo è visibile nella frequenza con cui le creste delle onde arrivano a riva e può essere rilevata, ad esempio, dall'oscillazione di un galleggiante su e giù. Indichiamo con la lettera il periodo del moto ondoso - il tempo durante il quale passa un'onda T. Il reciproco del periodo si chiama frequenza ν = 1/T. Le onde più semplici (armoniche) hanno una certa frequenza che non cambia nel tempo. Qualsiasi moto ondoso complesso può essere rappresentato come un insieme di onde semplici (vedi “Scienza e Vita” n. 11, 2001). A rigor di termini, un'onda semplice occupa uno spazio infinito ed esiste per un tempo infinitamente lungo. Una particella, come la immaginiamo, e un'onda sono completamente diverse.

Sin dai tempi di Newton si discute sulla natura della luce. Ciò che è la luce è un insieme di particelle (corpuscoli, dal latino corpuscolo- corpicino) o onde? Le teorie hanno gareggiato a lungo. Vinse la teoria ondulatoria: la teoria corpuscolare non riusciva a spiegare i fatti sperimentali (interferenza e diffrazione della luce). La teoria ondulatoria si adattava facilmente alla propagazione rettilinea di un raggio luminoso. Un ruolo importante è stato giocato dal fatto che la lunghezza delle onde luminose secondo i concetti quotidiani è molto piccola: la gamma di lunghezze d'onda luce visibile da 380 a 760 nanometri. Più breve onde elettromagnetiche- ultravioletti, raggi X e raggi gamma e quelli più lunghi: infrarossi, millimetri, centimetri e tutte le altre onde radio.

A fine del 19° secolo secolo, la vittoria della teoria ondulatoria della luce su quella corpuscolare sembrava definitiva e irrevocabile. Tuttavia, il XX secolo ha apportato importanti cambiamenti. Sembrava luce, onde o particelle. Si è scoperto: sia onde che particelle. Per le particelle di luce, per i suoi quanti, come si suol dire, è stata coniata una parola speciale: "fotone". La parola "quantistico" deriva da Parola latina quantistico- quanti e "fotone" - dalla parola greca fotografie - leggero. Le parole che denotano i nomi delle particelle nella maggior parte dei casi hanno la desinenza Lui. Sorprendentemente, in alcuni esperimenti la luce si comporta come un'onda, mentre in altri si comporta come un flusso di particelle. A poco a poco, è stato possibile costruire una teoria che prevedesse come si sarebbe comportata la luce in ciascun esperimento. Questa teoria è ormai generalmente accettata. comportamento diverso la luce non è più sorprendente.

I primi passi sono sempre particolarmente difficili. Ho dovuto andare contro l'opinione consolidata della scienza e fare affermazioni che sembravano un'eresia. I veri scienziati credono veramente nella teoria che usano per descrivere i fenomeni che osservano. È molto difficile abbandonare una teoria accettata. I primi passi furono mossi da Max Planck (1858-1947) e Albert Einstein (1879-1955).

Secondo Planck-Einstein è in porzioni separate, i quanti, che la luce viene emessa e assorbita dalla materia. L'energia trasportata da un fotone è proporzionale alla sua frequenza: E = Hν. Fattore di proporzionalità H chiamata costante di Planck in onore del fisico tedesco che la introdusse nella teoria della radiazione nel 1900. E già nel primo terzo del XX secolo divenne chiaro che la costante di Planck è una delle costanti mondiali più importanti. Naturalmente, è stato attentamente misurato: H= 6.6260755.10 -34 J.s.

Un quanto di luce è tanto o poco? La frequenza della luce visibile è di circa 10 14 s -1 . Ricordiamo: la frequenza e la lunghezza d'onda della luce sono legate dalla relazione ν = C/λ, dove Con= 299792458.10 10 m/s (esattamente) - la velocità della luce nel vuoto. Energia quantistica Hν, come è facile vedere, vale circa 10 -18 J. Grazie a questa energia, una massa di 10 -13 grammi può essere sollevata fino all'altezza di 1 centimetro. A misura d'uomo è mostruosamente piccolo. Ma questa è una massa di 10 14 elettroni. Nel microcosmo la scala è completamente diversa! Naturalmente, una persona non può sentire una massa di 10-13 grammi, ma l'occhio umano è così sensibile da poter vedere i singoli quanti di luce - questo è stato confermato da una serie di sottili esperimenti. In condizioni normali, una persona non distingue il “grano” di luce, percependolo come un flusso continuo.

Sapendo che la luce ha sia natura corpuscolare che ondulatoria, è più facile immaginare che anche le particelle “reali” abbiano proprietà ondulatorie. Questo pensiero eretico fu espresso per la prima volta da Louis de Broglie (1892-1987). Non ha cercato di scoprire quale fosse la natura dell'onda, le cui caratteristiche aveva predetto. Secondo la sua teoria, una particella dotata di massa M, volando a velocità v, corrisponde ad un'onda con lunghezza d'onda l = hmv e frequenza ν = E/H, Dove E = mv 2/2 - energia delle particelle.

Ulteriori sviluppi della fisica atomica hanno portato alla comprensione della natura delle onde che descrivono il movimento delle particelle atomiche e subatomiche. Nacque una scienza chiamata “meccanica quantistica” (nei primi anni era più spesso chiamata meccanica ondulatoria).

La meccanica quantistica si applica al movimento delle particelle microscopiche. Quando si considera il movimento dei corpi ordinari (ad esempio, qualsiasi parte dei meccanismi), non ha senso tenere conto delle correzioni quantistiche (correzioni dovute alle proprietà ondulatorie della materia).

Una delle manifestazioni del moto ondoso delle particelle è la loro mancanza di traiettoria. Perché esista una traiettoria è necessario che in ogni istante la particella abbia una certa coordinata e una certa velocità. Ma proprio questo è proibito dalla meccanica quantistica: una particella non può avere contemporaneamente un certo valore di coordinate X e un certo valore di velocità v . Le loro incertezze Dx E Dv legati dalla relazione di incertezza scoperta da Werner Heisenberg (1901-1974): D X D, Dove M v ~ h/m è la massa della particella, e H- Costante di Planck. La costante di Planck è spesso chiamata il quanto universale dell'"azione". Senza specificare il termine azione , presta attenzione all'epiteto universale

. Sottolinea che la relazione di incertezza è sempre valida. Conoscendo le condizioni del moto e la massa della particella, si può stimare quando è necessario tenere conto delle leggi quantistiche del moto (in altre parole, quando le proprietà ondulatorie delle particelle e le loro conseguenze - le relazioni di incertezza) non possono essere trascurate , e quando è del tutto possibile utilizzare le leggi classiche del movimento. Sottolineiamo: se è possibile, allora è necessario, poiché la meccanica classica è significativamente più semplice della meccanica quantistica. Tieni presente che la costante di Planck è divisa per la massa (sono incluse nelle combinazioni h/m

). Maggiore è la massa, minore è il ruolo delle leggi quantistiche. Sentire quando trascurare proprietà quantistiche legati dalla relazione di incertezza scoperta da Werner Heisenberg (1901-1974): D certamente possibile, si cercherà di stimare l’entità delle incertezze D v e D legati dalla relazione di incertezza scoperta da Werner Heisenberg (1901-1974): D certamente possibile, si cercherà di stimare l’entità delle incertezze D v. Se d

sono trascurabili rispetto ai loro valori medi (classici), le formule della meccanica classica descrivono perfettamente il moto se non sono piccoli è necessario utilizzare la meccanica quantistica; Non ha senso tenere conto dell’incertezza quantistica anche quando altre ragioni (nell’ambito della meccanica classica) portano a un’incertezza maggiore rispetto alla relazione di Heisenberg.

Diamo un'occhiata a un esempio. Tenendo presente che vogliamo mostrare la possibilità di utilizzare la meccanica classica, consideriamo una “particella” la cui massa è 1 grammo e la cui dimensione è 0,1 millimetri. Su scala umana, questo è un granello, una particella leggera e piccola. Ma è 10 24 volte più pesante di un protone e un milione di volte più grande di un atomo!

Lasciamo che il “nostro” grano si muova in un recipiente pieno di idrogeno. Se un chicco vola abbastanza velocemente, ci sembra che si muova in linea retta ad una certa velocità. Questa impressione è errata: a causa dell'impatto delle molecole di idrogeno sul grano, la sua velocità cambia leggermente ad ogni impatto. Stimiamo esattamente quanto. Sia la temperatura dell'idrogeno 300 K (misuriamo sempre la temperatura con, sulla scala Kelvin; 300 K = 27°C). Moltiplicando la temperatura in Kelvin per la costante di Boltzmann K B = 1.381.10 -16 J/K, lo esprimeremo in unità di energia. La variazione della velocità di un grano può essere calcolata utilizzando la legge di conservazione della quantità di moto. Ad ogni collisione di un granello con una molecola di idrogeno, la sua velocità cambia di circa 10 -18 cm/s. Il cambiamento avviene in modo completamente casuale e in una direzione casuale. Pertanto è naturale considerare il valore di 10 -18 cm/s come misura dell’incertezza classica della velocità del grano (D v) cl per questo caso. Zolla erbosa v) classe = 10 -18 cm/s. Apparentemente è molto difficile determinare la posizione di un grano con una precisione superiore a 0,1 della sua dimensione. Accettiamo (D legati dalla relazione di incertezza scoperta da Werner Heisenberg (1901-1974): D) cl = 10 -3 cm Infine, (D legati dalla relazione di incertezza scoperta da Werner Heisenberg (1901-1974): D) classe (D v) cl = 10 -3 .10 -18 = 10 -21 . Sembrerebbe un valore molto piccolo. In ogni caso, le incertezze sulla velocità e sulla posizione sono così piccole che si può considerare il movimento medio del grano. Ma rispetto all’incertezza quantistica dettata dalla relazione di Heisenberg (D legati dalla relazione di incertezza scoperta da Werner Heisenberg (1901-1974): D X v= 10 -27), l'eterogeneità classica è enorme – in questo caso la supera un milione di volte.

Conclusione: quando si considera il movimento di un grano, non è necessario tenere conto delle sue proprietà ondulatorie, cioè dell'esistenza dell'incertezza quantistica delle coordinate e della velocità. Quando si tratta del movimento delle particelle atomiche e subatomiche, la situazione cambia radicalmente.

Appaiono in forme diverse e dimensioni, alcuni si presentano in coppie distruttive, nel senso che finiscono per distruggersi a vicenda, e alcuni hanno nomi incredibili come "neutralino". Ecco un elenco di minuscole particelle che stupiscono anche gli stessi fisici.

Dio Particella

Il bosone di Higgs è una particella così importante per la scienza che è stata soprannominata la "particella di Dio". È questo che, come credono gli scienziati, dà massa a tutte le altre particelle. Se ne parlò per la prima volta nel 1964, quando i fisici si chiesero perché alcune particelle avessero più massa di altre. Il bosone di Higgs è associato al campo di Higgs, una sorta di reticolo che riempie l'universo. Il campo e il bosone sono considerati responsabili dell'aumento di massa di altre particelle. Molti scienziati ritengono che il meccanismo di Higgs contenga i pezzi mancanti del puzzle per comprendere appieno il modello standard, che descrive tutte le particelle conosciute, ma la connessione tra loro non è stata ancora dimostrata.

Quark

I quark sono blocchi di protoni e neutroni dai nomi deliziosi che non sono mai soli ed esistono sempre e solo in gruppi. A quanto pare, la forza che lega insieme i quark aumenta con la distanza, cioè più qualcuno cerca di allontanare uno dei quark dal gruppo, più ne verrà attratto indietro. Pertanto, i quark liberi semplicemente non esistono in natura. Esistono sei tipi di quark in totale e i protoni e i neutroni, ad esempio, sono costituiti da diversi quark. In un protone ce ne sono tre: due dello stesso tipo e uno dell'altro, ma in un neutrone ce ne sono solo due, entrambi di tipo diverso.

Super partner

Queste particelle appartengono alla teoria della supersimmetria, secondo la quale per ogni particella conosciuta dall'uomo ne esiste un'altra simile che non è stata ancora scoperta. Ad esempio, il superpartner di un elettrone è un elettrone, il superpartner di un quark è uno squark e il superpartner di un fotone è un fotino. Perché queste superparticelle non vengono osservate nell'universo adesso? Gli scienziati ritengono che siano molto più pesanti dei loro partner e che un peso maggiore ne riduca la durata. Queste particelle iniziano a rompersi non appena nascono. Creare una particella richiede enormi quantità di energia, come quella prodotta Big Bang. Forse gli scienziati troveranno un modo per riprodurre le superparticelle, ad esempio, nel Large Hadron Collider. Riguardo taglia più grande e i pesi dei superpartner, gli scienziati ritengono che la simmetria sia stata rotta in un settore nascosto dell'universo che non può essere visto o trovato.

Neutrino

Queste sono particelle subatomiche leggere che si muovono a velocità prossime a quella della luce. In effetti, trilioni di neutrini si muovono attraverso il nostro corpo in un dato momento, ma non interagiscono quasi mai con la materia ordinaria. Alcuni neutrini provengono dal Sole, altri dai raggi cosmici che interagiscono con l'atmosfera.

Antimateria

Tutte le particelle ordinarie hanno un partner nell'antimateria, particelle identiche con cariche opposte. Quando materia e antimateria si incontrano, si distruggono a vicenda. Per un protone tale particella è un antiprotone, ma per un elettrone è un positrone.

Gravitoni

Nella meccanica quantistica, tutte le forze fondamentali sono esercitate dalle particelle. Ad esempio, la luce è costituita da particelle con massa nulla chiamate fotoni, che trasportano una forza elettromagnetica. Allo stesso modo, i gravitoni sono particelle teoriche che trasportano la forza di gravità. Gli scienziati stanno ancora cercando di trovare i gravitoni, ma è molto difficile, poiché queste particelle interagiscono molto debolmente con la materia. Tuttavia, gli scienziati non rinunciano a provare, perché sperano di poter ancora catturare i gravitoni per studiarli in modo più dettagliato: questo potrebbe essere un vero passo avanti nella meccanica quantistica, poiché molte particelle simili sono già state studiate, ma il gravitone rimane esclusivamente teorico. Come puoi vedere, la fisica può essere molto più interessante ed emozionante di quanto potresti immaginare. Il mondo intero è pieno di varie particelle, ognuna delle quali è un enorme campo di ricerca e studio, nonché un'enorme base di conoscenza su tutto ciò che circonda una persona. E basta pensare a quante particelle sono già state scoperte e quante persone devono ancora scoprirle.