частица атом элементарный кварк

Важнейший вопрос физики - вопрос о взаимодействиях. Если бы не взаимодействия, то частицы материи двигались бы независимо, не подозревая о существовании других частиц. Благодаря взаимодействиям частицы обретают, как бы способность распознавать другие частицы и реагировать на них, благодаря чему рождается коллективное поведение. Поскольку вся материя состоит из частиц , для объяснения природы сил необходимо, в конечном счете, обратиться к физике элементарных частиц. Сделав это, физики обнаружили, что все взаимодействия, независимо от того, как они проявляются в больших масштабах, можно свести к четырем фундаментальным типам: гравитационному, электромагнитному и двум типам ядерных.

На уровне кварков доминируют ядерные взаимодействия . Сильное взаимодействие связывает кварки в протоны и нейтроны и не дает ядрам разваливаться. На уровне атомов преобладает электромагнитное взаимодействие , связывающее атомы и молекулы. В астрономических масштабах господствующим становится гравитационное взаимодействие .

В последние годы физики заинтересовались соотношением между четырьмя фундаментальными взаимодействиями, которые в совокупности управляют Вселенной. Существует ли между ними какая-либо связь? Не являются ли они всего лишь различными ипостасями единственной основополагающей суперсилы ? Если такая суперсила существует, то именно она представляет собой действующее начало всякой активности во Вселенной - от рождения субатомных частиц до коллапса звезд. Разгадка тайны суперсилы невообразимо увеличила бы нашу власть над природой и даже позволила бы объяснить само «сотворение» мира.

Мы уже знаем, что элементарные частицы взаимодействуют друг с другом посредством других частиц, которые они непрерывно испускает и поглощает. Слои этих частиц экранируют заряды, поэтому частица с различных высот до нее выглядит заряженной по-разному. Именно так, всегда различно заряженными, видят друг друга сталкивающиеся частицы. Чем больше их энергия, тем глубже они проникают друг в друга и тем отчетливее ощущают «дыхание» их центральных неэкранированных зарядов. Поэтому можно ожидать, что с ростом энергии различные типы взаимодействий будут становиться все более похожими и при высоких энергиях сольются в одно-единое взаимодействие - суперсилу. Произойдет «великое объединение» всех сил природы.

Реальное положение дел несколько сложнее. Экранирующие облака образуются не только вокруг заряда, но и вокруг каждой частички-переносчика, которыми прощупывают друг друга сталкивающиеся частицы. Если переносчики взаимодействия очень тяжелые, то взаимодействие переносится на ультрамалые расстояния. Вдали от центра такие частицы почти не встречаются и связанное с ними взаимодействие проявляется очень слабо. В других случаях переносчики легкие (например, фотоны), они способны далеко уйти от испустившего их заряда, и с их помощью происходит взаимодействие на больших расстояниях.

Таким образом, не только частицы, но и силы, связывающие их, оказываются необычайно сложными. Простейшими точками их уже никак не назовешь! И трудно поверить, что сила тяготения двух электронов и в миллиарды большая сила их электромагнитного отталкивания - ветви одного дерева.

К идее «великого объединения» физики пришли совсем недавно - каких-нибудь двадцать-тридцать лет назад, хотя первый шаг сделали еще Фарадей и Максвелл, объединившие электричество и магнетизм, которые как тогда считалось, совсем разные взаимодействия. Они же ввели и понятие «поля». Фарадей доказал, что электричество и магнетизм - два компонента одного и того же электромагнитного поля.

Следующий шаг на пути к «великому объединению» был значительно более трудным. Он был сделан лишь в середине 60-х годов ХХ века. Внимание физиков привлекло тогда слабое взаимодействие. Оно обладало странной особенностью: для всех других сил можно указать промежуточное поле, кванты которого служат переносчиком взаимодействия, а в распадных процессах частицы «разговаривают» так сказать, напрямую, без всяких посредников, толкая друг друга как бильярдные шары.

Естественно предположить, что в этом случае тоже происходит обмен между частицами, но только такими тяжелыми, что весь процесс происходит на очень малых расстояниях, и со стороны это выглядит как будто частицы просто толкают друг друга.

Расчеты показали: если бы не большая масса промежуточных частиц, то такое взаимодействие по своим свойствам было бы очень похожим на электромагнитное. И вот трое физиков: Абдус Салам, Стив Вайнберг и Шелдон Глешоу допустили, что фотон и тяжелые промежуточные частицы слабого взаимодействия - это одна и та же частица, только в разных «шубах». Разработанную ими теорию стали называть «электрослабой», поскольку она, как частный случай, содержит электродинамику и старую теорию слабых взаимодействий. Вскоре на ускорителях были выловлены тяжелые кванты электрослабого поля - три брата-мезона с массой, почти в сто раз больше протонной. Создание теории электрослабого поля и экспериментальное открытие его переносчиков было отмечено сразу двумя Нобелевскими премиями.

Вдохновленные открытием электрослабого поля, физики увлеклись новой идеей дальнейшего объединения - слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Суть этой идеи в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, названный цветом. В отличие от заряда, видов цветов у кварка - три. Поэтому глюонное поле более сложное. Оно состоит из восьми составляющих силовых полей. В типичном адроне - протоне или нейтроне - комбинация трех кварков - красного, зеленого и синего - всегда имеет «белый» цвет. Испускаемые мезоны содержат пары кварк-антикварк, поэтому они тоже «бесцветны». Так как мы знаем, что при взаимодействиях частиц происходит экранировка их зарядов, то это и приводит к тем эффектам различия в дальности взаимодействий различных видов частиц. Оценка расстояния, при котором все взаимодействия становятся сравнимы по величине, составляет около 10 в -29 степени сантиметров. Переносчик взаимодействия - Х-частица - обладает массой, равной примерно 10 в 14 степени масс протона. На протяжении того ничтожного отрезка времени, какой существует Х-частица, энергия и масса имеют громадную неопределенность. И в этом отношении мы похожи на Фалеса и других греческих философов, которые размышляли о свойствах атомов, не имея ни малейшей надежды хоть когда-нибудь увидеть их.

Элементарные частицы нельзя разделить на более простые части (именно поэтому их и назвали «элементарными»). В любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга - взаимопревращаются. Причем из легких могут родиться более тяжелые частицы - если они движутся с достаточной скоростью (кинематическая энергия переходит в массу)

Элементарные частицы различаются по заряду, спину, массе, времени жизни и так далее. Например, время жизни протона больше времени жизни Вселенной, а ро-мезон живет 10 в -23 степени секунды. Масса фотонов и нейтрино равна нулю, а масса еще не открытого, но предсказанного теоретиками максимона (самой тяжелой элементарной частицы, которая только может существовать) - что-то около микрограмма - как у крупной, видимой глазом пылинки. Их можно разбить на семейства, и членов каждого рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. Семейства объединяются в более сложные группы - кланы, или мультиплеты. Но главное - мультиплеты связаны определенными правилами симметрии. В целом получается что-то вроде периодической таблицы элементарных частиц, наподобие Менделеевской. Можно предполагать, физики нащупали следующий ярус строения материи.

Большую роль в развитии знаний сыграли ускорители элементарных частиц. Электронное просвечивание показало, что протон на самом деле не точка, а довольно крупный объект радиусом около 10 в -13 степени сантиметров. Анализируя результаты новых опытов по рассеянию электронов, ученые сделали вывод, что нуклоны являются роем каких-то очень мелких частичек, которые при меньшем увеличении выглядят как сгусток накладывающихся и проникающих друг в друга мезонов и других элементарных частиц. Теоретики, занимавшиеся классификацией частиц, обрадовались, так как уже давно догадывались о существовании таких частиц, только называли их по-своему: кварки.

Когда кварки замелькали на страницах теоретических статей, многие ученые считали их всего лишь неким курьезом, временными строительными лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков очень просто и наглядно объясняются самые различные экспериментальные факты, а теоретические вычисления сильно упрощаются. Без кварков стало просто невозможно обойтись, также как без молекул и атомов.

Опыты по зондированию нуклона доказали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействием и ведут себя как плавающие в воздухе воздушные шарики. Если же они попытаются разойтись, то сразу же возникают стягивающие их силы. На периферии кварки могут находиться лишь в форме связанных сгустков - например, в виде пи-мезонов, что согласуется с теорией ядерного взаимодействия на основе мезонов. Но как взаимодействуют друг с другом кварки? Так как другого способа организовать взаимодействие, чем посредством передачи частицы-носителя взаимодействия, наука не знает, то были предложены глюоны - склеивающие кварки частицы. Глюоны похожи на фотоны, только с зарядом. Фотон никакого поля вокруг себя не создает, поэтому наибольшую интенсивность поле имеет возле своего источника - заряда, дальше оно постепенно рассеивается и ослабевает. Глюон же своим зарядом рождает новые глюоны, те в свою очередь - следующие и так далее, поэтому глюонное поле не ослабевает, а наоборот, возрастает при удалении от породившего его кварка. Удаляющийся кварк, как пеной обрастает новыми глюонами и их связь становится более сильной.

Физика элементарных частиц представляет собой удивительный сплав эксперимента и теории. Свойства мельчайших частиц вещества установлены и продолжают устанавливаться в экспериментах, по сложности не имеющих себе равных в других областях науки. Эти уникальные эксперименты сочетают поистине индустриальный размах с ювелирной точностью. В большинстве случаев сами объекты исследования - частицы - создаются тут же в лаборатории с помощью ускорителей и живут столь ничтожные промежутки времени, что по сравнению с ними мгновение кажется вечностью. Случай какого-нибудь редкого распада частицы приходится находить среди миллиардов похожих на него «неинтересных» распадов. Все сведения об элементарных частицах добываются в результате тщательных измерений.

§ 07-г. Взаимодействие частиц веществ

В двух предыдущих параграфах мы обсудили опыты, иллюстрирующие первое и второе положения МКТ. Рассмотрим теперь эксперименты, иллюстрирующие третье основное положение МКТ и его следствия.

Для опыта возьмём два свинцовых цилиндрика с крючками. Чтобы убрать частицы пыли, ножом или лезвием зачистим до блеска торцы обоих цилиндриков (рис. а). Плотно прижав торцы друг к другу, мы обнаружим, что цилиндрики прочно «сцепились». Сила их сцепления настолько велика, что при удачном проведении опыта цилиндрики выдерживают тяжесть гири массой до 5 кг (рис. б). Из этого опыта следует вывод: частицы веществ притягиваются друг к другу. Однако это притяжение заметно лишь тогда, когда поверхности тел очень гладкие и, кроме того, плотно прилегают друг к другу.

Проделаем второй опыт (рис. в, г). Чтобы сдавить резиновый ластик пальцем, требуется очень большая сила; ластик проще изогнуть, чем сдавить. Другие тела (кроме газообразных) также очень сложно сдавить. Это говорит о том, что частицы веществ отталкиваются друг от друга.

Притяжение и отталкивание частиц веществ возникают лишь в случае, если частицы находятся в непосредственной близости друг от друга. Как правило, на расстояниях, больших размеров самих частиц, они притягиваются; на расстояниях, меньших размеров частиц, они отталкиваются. Если частицы удалены на расстояние, во много раз большее, чем их размеры, взаимодействие почти не проявляется.

Рассмотрим теперь энергетический аспект взаимодействия частиц.

Если какие-либо тела взаимодействуют, они обладают потенциальной энергией , зависящей от взаимного положения этих тел (см. § 5-д). На рисунке справа стрелками на частицах показаны силы отталкивания «соседок». Так же можно было бы изобразить и силы притяжения. Если бы все частицы находились на равных расстояниях друг от друга, то все силы взаимно уравновешивались бы («зелёная» частица). Однако, согласно второму положению МКТ, частицы движутся. Поэтому расстояния от каждой частицы до её соседок всё время меняются («красная» частица). Следовательно, силы их взаимодействия постоянно меняются и не уравновешиваются. При этих изменениях расстояний и сил меняется потенциальная энергия каждой частицы, принимая минимальное значение в положении её равновесия.

Потенциальную энергию частицы считают нулевой, когда она находится на большом удалении от других частиц, как, например, в газах, где взаимодействия между частицами практически нет (см. рис. § 7-б). В твёрдых и жидких веществах взаимодействие частиц есть, значит, есть и потенциальная энергия частиц (в скобках заметим: она отрицательна, но сейчас нам важно её значение по модулю). И, чтобы преодолеть взаимодействие частиц и развести их на расстояние, нужно совершить работу. И, чем больше работа по преодолению взаимодействия частиц для разведения их на расстояние, тем больше (по модулю) потенциальная энергия взаимодействия частиц изучаемого вещества.

Возникновение силы упругости. Сжимая или растягивая, изгибая или скручивая тело, мы сближаем или удаляем его частицы (см. рисунок). Поэтому меняются силы притяжения и отталкивания частиц, совместное действие которых проявляется как сила упругости.

Вернёмся к изгибу ластика (рис. г). Частицы резины мы условно изобразили шариками. При надавливании пальцем верхние частицы сближаются друг с другом («зелёное» расстояние меньше «красного»). Это приводит к возникновению между ними сил отталкивания (чёрные стрелки направлены от частиц). Нижние частицы удаляются друг от друга, что приводит к возникновению между ними сил притяжения (чёрные стрелки направлены к частицам). В результате ластик стремится выпрямиться, а значит, в нём существует сила упругости, направленная вверх – противоположно силе давления пальца.

В вашем браузере отключен Javascript.
Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!

На рисунке справа частицы тела схематично изображены упорядоченно расположенными шариками. Стрелками показаны силы отталкивания, действующие на частицу со стороны её «соседок». Если бы все частицы находились на равных расстояниях друг от друга, то силы отталкивания взаимно уравновешивались бы («зелёная» частица).

Однако, согласно второму положению МКТ, частицы постоянно и беспорядочно движутся. Из-за этого расстояния от каждой частицы до её соседок постоянно меняются («красная» частица). Следовательно, силы их взаимодействия постоянно меняются и не уравновешиваются, стремясь вернуть частицу в положение равновесия. То есть, потенциальная энергия частиц твёрдых и жидких тел, существуя всегда, постоянно меняется. Сравните: в газах потенциальная энергия частиц практически отсутствует, поскольку они находятся вдалеке друг от друга (см. § 7-б).

Возникновение силы упругости. Сжимая или растягивая, изгибая или скручивая тело, мы сближаем или удаляем его частицы (см. рис.). Поэтому меняются силы притяжения-отталкивания частиц, совместное действие которых и является силой упругости.

Частицы резины изгибаемого ластика (см. также рис.«г») мы условно изобразили шариками. При надавливании пальцем верхние частицы сближаются друг с другом («зелёное» расстояние меньше «красного»). Это приводит к возникновению сил отталкивания (чёрные стрелки направлены от частиц). Вблизи нижней грани ластика частицы удаляются друг от друга, что приводит к возникновению между ними сил притяжения (чёрные стрелки направлены к частицам). В результате одновременного действия сил отталкивания вблизи верхней грани и сил притяжения вблизи нижней грани ластик «хочет» выпрямиться. А это и значит, что в нём возникает сила упругости, направленная противоположно силе давления.

Проверьте свои знания:

1. Основная цель этого параграфа – обсудить...
2. Что мы заметим при сжатии торцов цилиндриков?
3. Прочно ли цилиндрики сцепляются друг с другом?
4. Какой вывод следует из опыта с цилиндриками?
5. При каком условии возникает притяжение частиц тел и веществ?
6. Какое наблюдение свидетельствует об отталкивании частиц?
7. Почему мы считаем, что частицы веществ могут отталкиваться друг от друга?
8. При каком условии наблюдается взаимодействие частиц?
9. Как изменяется характер взаимодействия частиц вещества в зависимости от расстояния между ними?
10. В каком случае взаимодействие частиц веществ отсутствует?
11. Почему частицы веществ могут обладать потенциальной энергией?
12. Почему у частиц твёрдых и жидких веществ всегда имеется потенциальная энергия?
13. Что символизируют чёрные стрелки на рисунке с частицами твёрдого тела?
14. Поскольку частицы любого тела или вещества постоянно движутся, ...
15. Поскольку расстояния между частицами постоянно меняются, ...
16. Охарактеризуйте потенциальную энергию частиц твёрдых тел и жидкостей. Она, ...
17. Охарактеризуйте потенциальную энергию частиц газов.
18. В каких случаях мы изменяем расстояние между частицами тела?
19. При этом силы притяжения-отталкивания частиц тела меняются, так как...
20. Сила упругости тела – это одновременно действующие...
21. Что происходит с частицами вблизи верхней части ластика? Они...
22. Сила упругости в ластике возникает из-за...

Взаимодействие частиц вещества

Современная теория строения вещества опирается на пять основных положений.

1. Все вещества состоят из частиц.

Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Все известные химические элементы перечислены в таблице Менделеева. Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая его свойства. Молекула может состоять из одного или нескольких атомов.

2. Между частицами вещества есть промежутки.

3. Частицы вещества двигаются непрерывно и хаотично.

4. Движение частиц вещества становится интенсивнее с ростом температуры. Движение частиц вещества называют тепловым.

5. Частицы вещества взаимодействуют между собой: притягиваются и отталкиваются. Притяжение и отталкивание действуют одновременно и постоянно. Силы взаимодействия определяют свойства агрегатных состояний вещества. Так как в состав атомов и молекул входят частицы, обладающие электрическими зарядами, межмолекулярные взаимодействия имеют электромагнитную природу. Силы притяжения и отталкивания по-разному зависят от расстояния между частицами. На расстоянии, примерно равном размеру частицы, притяжение и отталкивание равны. Этому расстоянию соответствует наиболее устойчивое расположение частиц, с уменьшение расстояния преобладает отталкивание частиц. С увеличением – притяжение. На расстояниях, превышающих размер частицы в десять и более раз, силы взаимодействия ничтожно малы.

Каждое из пяти положений теории строения вещества имеет экспериментальные доказательства.

1. Фотографии веществ с большим увеличением. Такие явления, как стачивание, растворение, растекание жидкостей до образования тонких плёнок.

2. Фотографии вещества. Тепловое расширение веществ. Уменьшение суммарного объёма при смешивании различных жидкостей.

3. Диффузия и броуновское движение.

4. Возрастание скорости диффузии и интенсивности броуновского движения при увеличении температуры вещества.

5. Слипание веществ при их тесном контакте, упругие деформации, смачивание жидкостями твёрдых поверхностей.

Молекулярно-кинетические представления о строении вещества объясняют всё многообразие свойств жидкостей, газов и твёрдых тел. Между частицами вещества существуют электромагнитные взаимодействия - они притягиваются и отталкиваются друг от друга с помощью электромагнитных сил. На очень больших расстояниях между молекулами эти силы ничтожно малы.

Силы взаимодействия молекул

Но картина меняется, если уменьшать расстояние между частицами. Нейтральные молекулы начинают ориентироваться в пространстве так, что их обращённые друг к другу поверхности начинают иметь противоположные по знаку заряды и между ними начинают действовать силы притяжения. Это происходит, когда расстояние между центрами молекул больше суммы их радиусов.

Если продолжать уменьшать расстояние между молекулами, то они начинают отталкиваться в результате взаимодействия одноимённо заряженных электронных оболочек. Это происходит, когда сумма радиусов взаимодействующих молекул больше расстояния между центрами частиц.

То есть на больших межмолекулярных расстояниях преобладает притяжение, а на близких - отталкивание. Но существует определённое расстояние между частицами, когда они находятся в положении устойчивого равновесия (силы притяжения равны силам отталкивания). В этом положении у молекул минимальная потенциальная энергия. Молекулы также обладают кинетической энергией, так как находятся всё время в непрерывном движении.

Таким образом, прочность связей взаимодействия между частицами отличает три состояния вещества: твёрдое тело, газ и жидкость, и объясняет их свойства.

Возьмём воду в качестве примера. Размер, форма и химический состав частиц воды остаётся тем же самым, является ли она твёрдой (льдом) или газообразной (паром). Но то, как эти частицы движутся и расположены, различно для каждого состояния.

Твёрдые вещества

Твёрдые вещества сохраняют свою структуру, их можно расколоть или разбить, приложив усилие. Вы не можете пройти через стол, потому что и вы и стол являются твёрдыми. Твёрдые частицы обладают наименьшим количеством энергии из трёх традиционных состояний материи. Частицы расположены в определённой структурной последовательности с очень небольшим пространством между ними.

Они удерживаются вместе в равновесии и могут только вибрировать вокруг фиксированного положения. В связи с этим твёрдые вещества имеют высокую плотность и фиксированную форму и объем. Если оставить стол в течение нескольких дней в покое, он не расширится, и тонким слоем древесины по всему полу не заполнит комнату!

Жидкости

Так же, как в твёрдом веществе, частицы в жидкости упакованы близко друг к другу, но располагаются случайным образом. В отличие от твёрдых тел, человек может проходить через жидкость, это связано с ослаблением силы притяжения, действующей между частицами. В жидкости частицы могут перемещаться друг относительно друга.

Жидкости имеют фиксированный объём, но не имеют фиксированной формы. Они будут течь под действием гравитационных сил . Но некоторые жидкости более вязкие, чем другие. У вязкой жидкости сильнее взаимодействие между молекулами.

Молекулы жидкости обладают гораздо большей кинетической энергией (энергией движения), чем твёрдое тело, но гораздо меньше, чем газ.

Газы

Частицы в газах находятся далеко друг от друга и расположены случайным образом. Это состояние материи имеет самую высокую кинетическую энергию, так как между частицами практически отсутствуют силы притяжения.

Молекулы газов находятся в постоянном движении во всех направлениях (но только по прямой линии), сталкиваются друг с другом, и со стенками сосуда, в котором находятся, - это вызывает давление.

Газы также расширяются, чтобы полностью заполнить объём сосуда, независимо от его размера или формы - газы не имеют фиксированной формы или объёма.