Структура атома. Сохранение целостности материи. Ускорители частиц

Одним из достижений физики XX в. стало исследование атомов и элементарных частиц. Атомы - мельчайшие частицы химических элементов - оказались построенными из еще более малых, субатомных, частиц: электронов, протонов, нейтронов. И протоны, и нейтроны в рамках принятой модели состоят из элементарных частиц – кварков.

Структура атома. Атомы - основные строительные кирпичики химических элементов, один атом - это мельчайшая часть, которая еще может быть распознана как элемент. Несмотря на микроскопические размеры (10 млн. атомов, выстроенных в ряд, вытянутся едва на 1 мм), атомы можно расщепить на еще более мелкие, субатомные, частицы. В сердцевине атома находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Электроны вращаются в пространстве вокруг ядра, которое настолько протяженно по сравнению с размерами ядра, что большая часть атома фактически является пустой. Если представить себе протоны и нейтроны ядра размером с теннисный мяч, а электроны - с булавочную головку, общий диаметр атома составит тысячи метров.

Физика элементарных частиц открыла уже более 200 типов субатомных частиц, некоторые из них входят в состав других, таких, как протоны и нейтроны. Частицы, которые не состоят из более мелких известных на сегодня частиц, называются фундаментальными, или элементарными. Однако некоторые ученые полагают, что даже эти частицы построены из подобных линиям или виткам единиц, называемых суперструнами, которые в миллиарды раз меньше элементарных частиц.

1. Электроны. Мельчайшие частицы с отрицательным электрическим зарядом, движущиеся с высокой скоростью вокруг ядра.

Они не являются твердыми шариками, а представляют собой порции энергии, движущиеся со скоростью света. Электроны, по-видимому, являются фундаментальными частицами, которые не состоят из более мелких частиц.

2. Ядро. В нем сосредоточена почти вся масса атома. Оно состоит из протонов и нейтронов (или только из одного протона, как у атома водорода). Масса каждого протона в 1836 раз больше массы электрона, а масса нейтрона немного больше: 1839 электронных масс. Протоны имеют положительный электрический заряд, который уравновешен эквивалентным количеством отрицательно заряженных движущихся по орбитам электронов, так что весь атом остается электрически нейтральным. Электромагнитное притяжение между протонами и электронами поддерживает целостность атома. У нейтронов нет электрического заряда.

Орбитали-оболочки. Электроны движутся вокруг атома по энергетическим уровням, или слоям, называемым орбиталями. Внутри них электроны могут находиться в любом месте.

Они также могут перемещаться к внешним уровням, получая энергию, или к внутренним, отдавая ее. Невозможно предсказать точное положение электрона в любой заданный момент времени; они ведут себя подобно размытому облаку отрицательных зарядов вокруг ядра.

Кварки. Каждый протон или нейтрон в свою очередь состоит из трех кварков: протон из 2 и-кварков и 1 d-кварка, а нейтрон - из 1 и-кварка и 2 d-кварков.

Сохранение целостности материи. Четыре фундаментальные силы действуют на все материальные тела и обеспечивают их целостность.

Гравитация - это сила притяжения, действующая между двумя объектами, обладающими массой. Она заставляет предметы падать на поверхность и удерживает планеты на орбитах вокруг Солнца. Это слабая сила, но способна действовать на очень большие расстояния.

Электромагнетизм намного сильнее гравитации. Он вызывает притяжение и отталкивание между электрически заряженными частицами.

Силы слабого ядерного взаимодействия (также называемые «слабым взаимодействием») связаны с явлением радиоактивности. Они в миллиарды раз слабее электромагнитной силы, действуя только на расстоянии триллионных долей миллиметра.

Сильное ядерное взаимодействие удерживает вместе кварки внутри протонов и нейтронов, которые в свою очередь удерживаются такими же силами внутри атомного ядра. Они в сотни раз сильнее электромагнетизма, хотя и действуют на очень малых расстояниях.

Полагают, что слабые и сильные взаимодействия - это проявления одной и той же силы, называемой электрослабой силой. Задача современной физики - показать, что эти силы связаны с электромагнитной силой в рамках так называемой теории единого поля, а затем связать их с гравитацией. Не исключено, что на уровне частиц теория супергравитации будет в дальнейшем объединена с теорией относительности.

Космические лучи. На атмосферу Земли постоянно воздействует космическая радиация. Эти космические лучи состоят из атомных ядер. В большинстве случаев (90%) это ядра атомов водорода, или протоны, но встречаются и ядра более тяжелых элементов. Они образуются в звездах или при космических взрывах и ускоряются за миллионы лет полета через космос, приобретая огромную энергию. Небольшая часть таких первичных космических лучей достигает поверхности Земли, однако большинство соударяется с другими атомами в верхней атмосфере с образованием ливня вторичных космических лучей, которые включают все типы субатомных (см. справа) частиц. Каждую минуту 100 кв. см поверхности Земли бомбардируют 100 вторичных частиц.

Ускорители частиц. Без ускорителей частиц невозможно изучение физики элементарных частиц. Это гигантские машины, обычно длиной в несколько километров, которые ускоряют пучки заряженных частиц, таких, как электроны, протоны и атомные ядра, до скоростей, близких к скорости света. Таким образом, они воспроизводят в небольших масштабах ускорение космических лучей во внеземном пространстве. Разогнанные пучки заставляют соударяться с другими частицами или ядрами либо на стационарных мишенях, либо в пучках частиц, движущихся навстречу.

Каждый ускоритель частиц состоит из четырех основных элементов:
- источника заряженных частиц;
- магнитных полей, направляющих частицы прямо или по кругу и фокусирующих их в узкий пучок;
- электрических полей, чтобы ускорять частицы, давая им толчок каждый раз, когда они проходят через них;
- детекторов и компьютеров, чтобы наблюдать результат столкновений.

Столкновения внутри ускорителя разрушают частицы, рождая новые, которые исследуют физики. Некоторые из этих новых частиц существуют менее одной миллиардной доли секунды.

Семейство субатомных частиц. Субатомные частицы группируют по их характеристикам и свойствам. Некоторые образуют части атомов, а другие возникают только при высокоэнергетических взаимодействиях, как, например, в ядерных реакциях или соударениях в ускорителях. Такие частицы по большей части имеют очень короткое время существования.

Композитные частицы (адроны) состоят из кварков. Протоны и нейтроны относятся к адронам, состоящим из трех кварков.

Фундаментальные, или элементарные, частицы. Частицы, для которых неизвестны составляющие их компоненты, называются фундаментальными или элементарными. Они подразделяются на три группы: пептоны (включая электроны), кварки и фундаментальные бозоны, или переносчики сил.

Античастицы. Эквиваленты нормальных частиц, имеющие ту же массу, что и нормальные частицы, но свойства которых, такие, как электрический заряд, противоположные. Примеры: позитроны (положительно заряженные антиэлектроны), антинейтроны, антипротоны, антикварки и т.д. Античастицы, например атомы «антиводорода» (позитроны, вращающиеся вокруг антипротонов), были получены на ускорителях частиц, но они все имеют очень короткое время жизни.