Химия элементарные частицы: Элементарная частица — Химия

Элементарные частицы

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ (фундаментальные) ЧАСТИЦЫ

Мельчайшие объекты материи, являющиеся составными элементами атомов вещества, или же объекты, преобразующиеся в эти элементы в процессе взаимодействия друг с другом.

На данном уровне развития научных представлений о строении вещества им отводится роль первичных кирпичиков мироздания. Считается, что все многообразие окружающего нас мира построено из ограниченного числа элементарных частиц.

Элементарные частицы делят на 3 класса:

I – ФОТОН – квант электромагнитного излучения;

II – ЛЕПТОНЫ – электронное (электронное нейтрино, электрон) семейство; мюонное (мюонное нейтрино, мюон) семейство;

III – АДРОНЫ – мезонное (пион, каон, мезон и др.) семейство; барионное (протон, нейтрон, гигерон и т.д.) семейство. В настоящее время известно несколько сотен элементарных частиц и делаются попытки их построения из небольшого числа частиц (кварков).

В химии наиболее значение имеют такие элементарные частицы, как электроны, протоны и нейтроны, из которых образованы атомы химических элементов.

Электрон – первая из открытых элементарных частиц, – носитель наименьшего электрического заряда (кванта электричества q= = 1,6 –10–19 Кл. Масса покоя 9,1–10–31 кг).

АТОМНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Атомная частица представляет собой систему взаимодействующих элементарных частиц, состоящую из ядра, образованного протонами и нейтронами, и электронов.

Под атомной частицей понимается не только изолированный атом, но и производные от него: атомный (одноатомный) ион, атомный радикал, атомный ион-радикал, образующиеся вследствие ионизации или возбуждения атома и способные к самостоятельному существованию (определяется временем жизни частицы, которое можно измерить физическими методами) .

ИЗОЛИРОВАННЫЙ АТОМ не имеет заряда, однако он может иметь не спаренные электроны (атомный радикал). АТОМНЫЙ ИОН (К+, S2–) характеризуется наличием положительного или отрицательного заряда и образуется в результате удаления или присоединения электронов к атому.

АТОМНЫЙ РАДИКАЛ (Н, Cl) имеет не спаренные электроны в основном или возбужденном состоянии, а атомный ион– радикал (Cu2+, V2+) – заряд и не спаренные электроны. Атомная частица является низшим, исходным уровнем хим. организации материи. Следующий уровень усложнения часэлектроны) NO 2–, SO42–, молекулярные радикалы или бирадикалы (отсутствует заряд, имеется один или два не спаренных электрона), NO 2, O2, молекулярные ион–радикады (имеется заряд и не спаренные электроны)

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Молекулярная частица представляет собой систему взаимодействующих элементарных частиц, состоящую из атомных ядер и окружающих их внутренних и валентных электронов. Она образуется вследствие взаимодействия атомных частиц. Образование хим. связей между атомными частицами осуществляется валентными электронами.

Молекула может переходить в свободно–радикальное состояние в результате возбуждения (воздействие света, теплоты и т.д.). В редких случаях такое возбуждение приводит к обратному процессу, когда бирадикал вследствие спаривания электронов превращается в молекулу

Понятие молекулы в химии введено в связи с необходимостью отличить от ее атома. Оно должно отражать число атомов, их взаимное расположение и характер связи между ними (т.е. структуру), а также исключать характерные признаки других частиц.

В формулировке понятия молекулы не следует указывать такой признак, как свойства, поскольку они зависят от внешних условий, растворителя, агрегатного состояния.

Кроме того, две полимерных молекулы о высокой, но различной степенью полимеризации могут практически не отличаться по химическим и даже физическим свойствам

Элементарные частицы — Справочник химика 21

    Масса нейтрона равна 1,008665 а.е.м., а масса протона и электрона в электронном облаке, нейтрализующего заряд протона, равна 1,007825 а. е. м. (В таблицах обычно приводятся массы нейтральных атомов, а не массы их ядер.) Указанный изотоп ртути имеет 80 протонов и 200 — 80 = 120 нейтронов. Суммарная масса всех элементарных частиц, из которых состоит этот атом, должна быть  [c.407]







    Атом представляет собой сложную микросистему находящихся в движении элементарных-частиц. Он состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Носителем положительного заряда ядра является п ротон. В ядра атомов всех элементов, за исключением ядра легкого изотопа водорода, входят протоны и н е й тр о к ы. Основные характеристики электрона, протона и нейтрона приведены в табл. 1. [c.8]

    Ядро атома содержит протоны и нейтроны. Протоны и нейтроны имеют почти одинаковые массы, но отличаются зарядом. У нейтрона нет электрического заряда, в то время как протон имеет положительный заряд, который точно компенсирует отрицательный заряд электрона. В табл. 1-1 указаны заряды трех перечисленных элементарных частиц, а также их массы, выраженные в атомных единицах массы. Атомная единица массы (а. е. м.) определяется как одна двенадцатая часть (точно) массы атома углерода, в ядре которого содержатся 6 протонов и 6 нейтронов. В такой шкале протоны и нейтроны обладают массами, которые близки к 1 а. е. м. каждая, но не равны точно этой величине. (Здесь уместно указать, что в [c.14]

    Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер. [c.48]

    Сравнительно малая распространенность легких элементов, таких, как и, Ве, В, объясняется их склонностью к реакциям захвата протонов, нейтронов и других элементарных частиц. Малая распрост- [c.226]

    Этот основной постулат выдвигался многими исследователями и до Аррениуса. Так, Т. Гротгус писал еще в 1818 г. … расщепление молекул на эле.ментарные частицы, например, как молекул воды, так и молекул растворенной в ней поваренной соли, происходит уже до всякого действия электрического тока. В самой жидкости благодаря находящимся в ней разнородным элементарным частицам… должен действовать постоянный гальванизм . Растворение соли рассматривалось им как способность ее расщепляться на свои полярно-электрические элементарные частицы . [c.34]

    Материя как объективная реальность существует в двух формах вещество и поле. Обе формы находятся в тесной связи, проявляя в своих взаимопревращениях те глубокие внутренние противоречия, которые являются обязательным атрибутом всякого объективного существования. Веществом называют ту форму существования материи, в которой она проявляет себя прежде всего в виде частиц, имеющих собственную массу (масса покоя). Это материя на разных стадиях ее организации так называемые элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны), атомные ядра, атомы, молекулы, агрегаты молекул (кристаллы, жидкости, газы), минералы, горные породы, растительные ткани и т. д. Поле (гравитационное, электромагнитное, внутриядерных сил) — это форма существования материи, которая характеризуется и проявляется прежде всего энергией, а не массой, хотя и обладает последней. [c.5]

    Сведения о некоторых элементарных частицах [c.8]

    Для ядер, у которых число нейтронов меньше числа протонов, характерен позитронный распад, т. е. распад с выделением позитрона (Р «-частицы). Позитрон — элементарная частица с элементарным положительным зарядом и массой электрона. р-Распад является следствием превраш,ения одного протона в нейтрон  [c.658]

    Физическая химия уделяет главное внимание исследованию законов протекания химических процессов во времени и законов химического равновесия. Закономерности течения химических реакций познаются во все большей мере на основе изучения элементарных актов , т. е. единичных конкретных взаимодействий отдельных молекул (ионов, атомов) между собой и с элементарными частицами и излучением. [c.12]

    Развитие физики и химии в XX веке показало глубокую правоту В. И. Ленина, так как методами этих наук было доказано реальное существование атомов и элементарных частиц, как составных частей материального мира, а в последние годы показана изменчивость и взаимопревращаемость элементарных частиц. [c.16]

    Оказалось также, что уравнение де Бройля справедливо не только для электронов и фотонов, но и для любых других микрочастиц. Так, для определения структуры веществ используется явление дифракции нейтронов (об этих элементарных частицах см, 35), [c.70]

    Следующее у )авнение предположительно описывает суммарный процесс, происходящий на Солнце. Излучаемой частицей является позитрон — элементарная частица с массой электрона, но несущая положительный заряд. [c.343]

    Элементарные частицы материи [c.15]

    Полная масса атома называется его атомной массой и приблизительно равна сумме масс всех протонов, нейтронов и электронов, входящих в состав атома. Когда из протонов, нейтронов и электронов образуется атом, часть их массы превращается в энергию, которая выделяется в окружающую среду. (Этот дефект массы и есть источник энергии в реакциях ядерного синтеза). Поскольку атом невозможно разделить на составляющие его элементарные частицы, не подводя к нему извне энергию, которая эквивалентна исчезнувшей массе, эта энергия называется энергией связи атомного ядра. [c.18]

    Радиус Бора (боровский радиус) Постоянная Больцмана Заряд электрона Постоянная Фарадея Универсальная газовая постоянная Массы элементарных частиц электрон протон нейтрон [c.446]

    Одним из важнейших свойств вещества (материи), ставшим очевидным со времен Дальтона, является то, что оно построено из отдельных, дискретных частиц. Большинство веществ природы внешне представляются непрерывными, например вода, ртуть, кристаллы солей, газы. Однако если бы наш глаз мог различать ядра и электроны, входящие в состав атомов, а также элементарные частицы, из которых состоят ядра, сразу обнаружилось бы, что любое вещество в окружающем нас мире состоит иэ определенного числа таких основных структурных единиц и, следовательно, имеет квантованную природу. Материальные предметы кажутся непрерывными только из-за крохотных размеров составляющих их индивидуальных частиц. [c.353]

    В гл. 1 уже упоминалось, что атомное ядро состоит из двух типов основных элементарных частиц, протонов и нейтронов, которые в совокупности называются нуклонами. Ядро имеет положительный заряд, равный числу содержащихся в нем протонов, а это число 2 называется порядковым (атомным) номером ядра. В нейтральном атоме ядро окружено электронами, число которых равно числу протонов в ядре. Поскольку химические свойства атома определяются его электронами, все нейтральные атомы с одинаковым числом электронов (и протонов) рассматриваются как атомы одного элемента. Следовательно, порядковый номер атома указывает на его принадлежность к определенному элементу. Суммарное число протонов и нейтронов в атомном ядре называется его массовым числом, А. [c.405]

    Резерфорд доказал протекание этой реакции, регистрируя испускаемые при этом протоны. В данной реакции а-частицы сливаются с ядрами азота с образованием неустойчивого и возбужденного промежуточного продукта, 9 F, который затем распадается на кислород и протон. В ядерных реакциях, подобных осуществленной Резерфордом, трудно заставить заряженную частицу подойти к ядру на достаточно близкое расстояние, чтобы произошла реакция. Одна из главных целей, преследовавшихся при создании ускорителей элементарных частиц, таких, как линейный ускоритель и циклотрон, заключалась в получении пучков положительно заряженных ядер, обладающих достаточной энергией, чтобы заставить их реагировать с ядрами мишени. [c.421]

    Строение атомных ядер. Изотопы. Согласно современным представлениям, атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Протон (от греч. нротос — первый)—элементарная частица, обладающая массой 1,00728 а. е. м. и положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Нейтрон также представляет собой элементарную частицу, но не обладающую электрическим зарядом масса нейтрона составляет 1,00867 а. е. м. Протон принято обозначать символом р, нен-трон — н. [c.103]

    Под частицами подразумеваются молекулы, атомы, ионы, радикалы, электроны и другие элементарные частицы и составные части формулы (т.е. совокупность входящих в формулу атомов, также и в тех случаях, когда в действительности молекул нет). [c.105]

    Жидким водородом наполняют пузырьковые камеры, регистрирующие элементарные частицы и их превращения. Для работы этих устройств требуются в год десятки тонн жидкого Нг. [c.467]

    Эта удельная энергия на один нуклон составляет порядка 7-8 МэВ. Ядро, наряду с протоном, нейтроном-и другими элементарными частицами, обладает спином, кроме того его характеризуют магнитным и электрическим моментами. [c.43]

    Электрон является элементарной частицей, имеющей отрицательный электрический заряд е = 1,602-10-1 Кл, массу покоя = = 9,11-10-31 кг максимальный размер электрона около 10-1 м. Электрон обладает спиновым моментом количества движения. Электроны испускаются из тел вследствие явления термоэлектронной эмиссии и при радиоактивных превращениях. Плотность тока термоэлектронной эмиссии катодов зависит от температуры согласно закону Ричардсона- Дэшмана  [c.102]

    Новые вещества можно извлечь и из структурных недр имеющихся веществ. Правила 8—10 и примечание 24 показывают, как это сделать наиболее эффективным образом. В ТРИЗ давно применялись переход в надсистему и переход на микроуровень . Они отражали наиболее типичный случай если дана система на макроуровне, можно рассмотреть еще более сложную систему, включающую данную,— это переход в надсистему можно перейти и к рассмотрению работы микрочастиц (молекул, атомов и т. д.) — это переход на микроуровень . Случай действительно типичный, но не единственный и не самый трудный. Как быть, например, если дана не система, а вещество Система плюс такая же система равна новой системе (пример— двухстволка). А кусок глины плюс другой кусок глины — это просто удвоенный кусок глины, без нового качества. В трудных задачах часто приходится иметь дело с кусками глины . Правила 8—10 и примечание 24 отражают новые взгляды на механизмы перехода в надсистему и перехода на микроуровень . Согласно этим взглядам существует многоуровневая иерархия внизу — вещественные уровни (элементарные частицы, атомы, молекулы и т. д.), наверху — технические уровни (машины, узлы, механизмы, детали и т. д.). С любого уровня можно перейти наверх и вниз. И наоборот на любой уровень можно проникнуть сверху и снизу. Если для решения задачи требуются частицы определенного уровня, их целесообразно получать обходными путями разламыванием частиц ближайшего верхнего уровня или достройкой частиц ближайшего нижнего уровня. [c.143]

    Различные ступени организации материи и присущие им специ-([эические формы движения изучают оиределенные естественные науки. Так, элементарные частицы, их превращения и взаимодействия изучает физика элементарных частиц процессы образования и разрушения горных пород являются предметом изучения геологии процессы жизнедеятельности изучает биология и т. д. [c.6]

    Атом водорода по сравнению с атомами других элементов наиболее простой по структуре Is . Но это, конечно, не означает, что его химия наиболее проста. Наоборот, она во многом отличается от химии других элементов. Основная особенность атома водорода заключается в том, что в отличие от всех других элементов (кроме гелия) его валентный э1ектрон находится непосредственно в сфере действия атомного ядра — у него нет промежуточного электронного слоя. Положительный ион вадорода Н+ представляет собой элементарную частицу — протон. [c.272]

    Под ядерными реакциями понимается взаимодействие соответствующих частиц (нейтронов, протонов, дейтронов, а-частиц и друпх атомных ядер) с ядрами химических элементов. Наиболее простые ядерные реакции характеризуются следующим механизмом. Одна из бомбардирующих частиц захватывается ядром-мишенью и образуется промежуточное составное ядро с очень короткой продолжительностью жизни ( 10″ с). Последнее испускает элементарную частицу или легкое ядро и превращается в новое ядро. [c.660]

    Образование ядер с усложнением их состава может происходить в природе либо путем слияния заряженных частиц (элементарных частиц или атомных ядер) друг с другом, либо прохождением реакций за счет поглощения нейтронов. Условия, необходимые для этих про[1ессов, создаются либо в недрах звезд различных типов, где заряженные частицы ускоряются при высоких температурах (порядка сотен миллионов градусов), либо в звездных атмосферах, где частицы ускоряются мощными электромагнитными полями. [c.665]

    Перенос субстаищо осуществляется посредством некоторого носителя. Различают три зфовня масштабов при рассмотрении носителя переноса. Нижний уровень — квантовый, на которюм материальным носителем являются элементарные частицы. Например, перенос лучистой энергии осуществляется квантами света (фотонами). В химической технологии этот уровень переноса играет исключительную роль в таких областях, как фотохимия, радиохимия, а также в металлургии, в нефтепереработке и теплотехнике, где используют прямой огневой нагрев. правило, на квантовом уровне осуществляется перенос энергии. И лишь в ядерных реакциях, при которых захват элементарных частиц осколками деления крупных ядер приюдит к образованию стабильных элементов, можно рассматривать перенос вещества. [c.58]

    Для химической формы движения, т. е. для химического процесса, характерно изменение числа и расположения атомов в молекуле реагирующих веществ. Среди многих физических форм движения (электромагнитное поле, движение и превращения элементарных частиц, физика атомных ядер и др.) особенно тесную связь с химическими процессами имеет внутримолекулярная форма движения (колебания в молекуле, ее электронное возбуждение и ионизация). Простейший химический процесс—элементарный акт термической диссоциации молекулы имеет место при нарастании интенсивности (амплитуды и энергии) колебаний в молекуле, особенно колебаний ядер вдоль валентной связи между нимн. Достижение известно критической величины энергии колебаний по направлению определенной связи в молекуле приводит к разрыву этой связи и диссоциации молекулы на две части. [c.17]

    Радиоактивные элементы и их распад. Явление радиоактивности уже было кратко рассмотрено в 20. Используя понятие об изотопах, можно дать более строгое определеипе этому явлению радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер (например, а-частиц). Радиоактпипость, проявляемая природными изотопами элементов, называется естественной р а д и о а к т 11 в и о с 1 ь ю, [c.106]

    Можно измерить полный запас энергии некоторых элементарных частиц, так как при их превращениях в излучение вся энергия частиц переходит в энергию 4ЮТ0Н0В, которая известна. [c.33]

    Уравнение (X, 53) может служить только для расчетов первого приближения. Уравнение состояния идеальных газов неприложимо к плазме, т. е. смеси ядер и элементарных частиц, так как в плазме имеют место не только высокие температуры, дающие возможность осуществляться ядериым реакциям, но и сильные взаимодействия частиц, вызывающие большие отклонения от идеальных законов. [c.345]

    Элекгрои — элементарная частица, обладаюн.1ая наименьшим существующим в природе отрицательным электрическим. зарядом (1,602- И)- Кл). Масса электрона равна 9,1095- 1Q-2 г, т. е. почти в 2000 раз меньше массы атома водорода. Было установлено, что электроны могут быть выделены из любого элемента так, они служат переносчиками тока в металлах, обнаруживаются в пламени, испускаются многими веществами ири нагревании, освещении или рентгеновском облучении. Отсюда следует, что электроны содержатся в атомах всех элементов. Ио электроны заряжены отрицательно, а атомы не обладают электрическим зарядом, они электро-нейтральны. Следовательно, в атомах, кроме электронов, должны содержаться какие-то другие, полол[c. 57]

    Образование атомов из элементарных частиц, которое представляет интерес для физиков, отнюдь не является высшей стадиеи организации материи. Как мы уже упоминали, когда атомы настолько сближаются друг с другом, что внешние электроны одного атома могут взаимодействовать с другими атомами, между атомами возникают достаточно большие силы притяжения, чтобы удерживать их вместе химической связью. В простей- [c.20]

    В ядерных реакциях и реакциях между элементарными частицами происходит точное или почти точное сохранение даже таких мало известных свойств, как четность, странность и шарм (привлекательность). Эти свойства представляются довольно таинственными, поскольку мы ничего не слыхали о них раньще, прежде чем узнали о необходимости их сохранения. Масса и энергия были известны задолго до того, как были обнаружены законы их сохранения. Но кто когда-нибудь слыхал о щарме элементарных частиц, прежде чем был провозглащен закон его сохранения Во- [c.97]

    Когда наши воззрения настолько усовершенствуются, что мы сможем с большой точностью обсуждать пропорциональные отношения между атомами элементов, обнаружится, что для объяснения их взаимодействия недостаточно прибегать к ариф-метическим отношениям, а необходимо привлекать геометрические представления об их относительном расположении во всех трех измерениях… Если число частиц, соединенных с одной частицей другого сорта, находится в соотношении 4/1, устойчивое равновесие сможет осуществляться при ус.ювии, что четыре частицы расположены в вершинах четырех равносторонних треугольников, образующих правильный тетраэдр… Но, по-види.мо.иу, напрасно надеяться, что гео.шшрическое распо.южение элементарных частиц будет когда-либо точно установ.гено. [c.464]

    Одним из наиболее интересных применений мощных ускорителей элементарных частиц явилось получение новых трансурановых элементов. Элементы с порядковыми номерами от 93 до 105 были получены в результате бомбардировки тяжелыми частицами в следуюших реакциях  [c. 421]

    Молекулы при облучении различными лучами, в зависимости от природы последних, поглощают их световые квантфотоны, или же, сталкиваясь с альфа- и бета-частицами, электронами, нейтронами и другими элементарными частицами, поглощают их энергию и тем самым приобретают большой запас энергии и становятся активными молекулами. [c.105]

Неорганическая химия (1987) — [

c.65



]

Химический энциклопедический словарь (1983) — [

c.706



]

Симметрия глазами химика (1989) — [

c.13



]

Общая химия (1979) — [

c.424


,


c.426



]

Органическая химия (1979) — [

c.50



]

Химия (2001) — [

c.21



]

Химия Краткий словарь (2002) — [

c.365



]

Большой энциклопедический словарь Химия изд.2 (1998) — [

c.706



]

Химия справочное руководство (1975) — [

c.392


,


c.393



]

Общая химия (1964) — [

c.539



]

Общая химия и неорганическая химия издание 5 (1952) — [

c.207



]

Лекции по общему курсу химии (1964) — [

c.197


,


c.204



]

Лекции по общему курсу химии ( том 1 ) (1962) — [

c.6


,


c.197



]

Краткий справочник по химии (1965) — [

c.6



]

Неорганическая химия (1978) — [

c. 67



]

Мировоззрение Д.И. Менделеева (1959) — [

c.235


,


c.361



]

Химия и радиоматериалы (1970) — [

c.12



]

Аналитическая химия (1980) — [

c.20



]

Краткий справочник химика Издание 6 (1963) — [

c.521



]

Физическая химия и химия кремния Издание 3 (1962) — [

c.89



]

Строение материи и химическая связь (1974) — [

c.37



]

Химия изотопов Издание 2 (1957) — [

c.8


,


c.158



]

Краткий справочник химика Издание 4 (1955) — [

c.464


,


c.465


,


c.467


,


c.468



]

Общая химия (1968) — [

c.25



]

Краткий справочник химика Издание 7 (1964) — [

c.521



]

Лекции по общему курсу химии Том 1 (1962) — [

c.6


,


c.197



]

Эволюция без отбора Автоэволюция формы и функции (1981) — [

c.37


,


c.311


,


c.313


,


c.321



]

Эволюция без отбора (1981) — [

c.37


,


c.311


,


c.313


,


c.321



]

Не правда ли, очень странно поставлен вопрос

18.

09.2008

Теория
элементарных
частиц. Это
физика или
химия?

Не
правда ли,
очень
странно
поставлен
вопрос. Как
известно,
химия имеет
дело с
энергиями
атомных
взаимодействий
порядка
нескольких
электрон-вольт.
Как можно
ставить так
вопрос, если
энергии взаимодействия
элементарных
частиц, по
крайней мере,
несколько
сотен кэв?
Однако, дело
в том, что
науки можно
классифицировать
не только по
предмету
исследования,
но и по
используемым
методам
исследования.
Например,
исследователь,
занимающийся
генетикой и
исследователь,
изучающий
насекомых,
оба являются
биологами по
предмету
своего
исследования.
Но какая
разница в
методах
исследования!
Биологу,
изучающему
жизнь
насекомых, для
успешной
работы
достаточно
знать математику
в пределах
программы
начальной школы
(достаточно
знать
арифметику).
Тогда как
исследователю
генетики
необходим
весь аппарат современной
математики.
Соответственно
генетикой
занимаются
люди с
логическим и
(математическим
) складом ума,
а исследовать
насекомых
может и
гуманитарий.
Здесь математика
не нужна. (Не
то, чтобы она
совсем не
была нужна,
но
требования к
математической
подготовке
исследователя
насекомых не
высоки).

А теперь о
соотношении
между химией
и атомной
физикой.
Величайшим
достижением
химии было
создание
периодической
системы химических
элементов.
Она
появилась в 1870
году, т.е. за полвека
до того, как
началось
исследование
строения
атома.
Периодическая
система химических
элементов
позволяла
предсказывать
новые
химические
элементы и их
химические
свойства.
Однако роль
периодической
системы в
установлении
того, как
устроен атом,
практически
нулевая. В то
время как
влияние
атомной
физики на
химию было
очень значительным
(например,
появилась
квантовая химия).
Почему так
получается?

Дело в том,
что
требования к
математической
подготовке химиков
существенно
более слабые,
чем требования
к
математической
подготовке
физиков-теоретиков,
которые и
построили
квантовую
механику и
основанную
на ней
атомную физику.
Метод работы
химиков
существенно отличался
от метода
работы
физиков.
Химики
систематизировали
имеющуюся
информацию о
химических
реакциях, не
очень
задумываясь
о том, что
может стоять
за этой
систематикой.
С практической
точки зрения
периодическая
система
элементов –
великая вещь,
а что касается
того, как
устроен атом,
то тут нужно
нечто более
простое и
логичное, чем
простая
феноменологическая
систематика.

Реальной
вещью,
определяющей
строение атома,
был некий
дискриминационный
механизм,
который
определял,
что такое-то
устройство
атома
возможно, а
такое-то — нет.
Таким механизмом
было излучение
атомом
(например,
водорода)
электромагнитных
волн, в
результате
чего атом
терял энергию.
Излучение
продолжалось
до тех пор,
пока атом не
оказывался в
стационарном
состоянии, в
котором атом
не мог
излучать, потому
что
плотность
заряда и
плотность
тока в его
электронной
оболочке
были
стационарными.
Математическим
проявлением
работы этого
дискриминационного
механизма была
теория
операторов и
их
собственных
значений.
Между прочим,
в учебной
литературе много
говорится о
математической
стороне дискриминационного
механизма и
очень скупо о
его физической
стороне.
Лично я нашел
первое
упоминание о
причинах
того, почему
реализуются
только
состояния,
соответствующие
собственным
значениям
оператора
Гамильтона,
только в
оригинальной
работе Ферми
1935 года. Создается
впечатление
(во всяком
случае, у
меня), что сердцевина
квантовой
механики и
основанной
на ней теории
строения
атома – это
математическая
теория
линейных
операторов, а
какая физика
стоит за
линейными
операторами,
как правило,
умалчивается.
Иначе говоря,
доминирует
сугубо
формальный
подход к
делу, базирующийся
на
провозглашении
принципов
квантовой
механики,
заменивших
собой классические
принципы
динамики.

Химики с их
систематикой
и
отсутствием
надлежащей
математической
подготовки,
не могли
понять, как
устроен атом.
Впрочем,
похоже, что
они к этому и
не стремились,
их вполне
устраивала
периодическая
система
химических
элементов,
которая
действительно
была
исключительно
полезной для
химии.

Вернемся к
вопросу,
сформулированному
в заголовке.
Что такое
современная
теория
элементарных
частиц (ТЭЧ)?
Это физика
элементарных
частиц (ФЭЧ)?
Или это –
химия
элементарных
частиц (ХЭЧ)?
Такое
впечатление,
что никто не
задумывается
над этим вопросом.
Теорией
элементарных
частиц занимаются
исследователи,
являющиеся
физиками по
своему
образованию.
Кроме них,
теорией элементарных
частиц
занимаются
математики,
но химики
этим не
занимаются –
это точно. Ясно,
что теория
элементарных
частиц – ФЭЧ и
уж никак не
ХЭЧ. Такая
классификация
возникает,
если
подходить к
делу
исторически,
или с точки
зрения
кадрового
состава
исследователей.
Однако, если
классифицировать
по методам
исследований,
то придется
признать, что
теория
элементарных
частиц – это
ХЭЧ, потому
что
современная
теория
элементарных
частиц – это
просто
систематика
частиц по представлениям
групп,
зарядам и
другим дискретным
феноменологическим
характеристикам.
Но откуда
берутся эти
дискретные
характеристики,
что собой
представляет
дискриминационный
механизм,
избирающий
из непрерывного
множества
значений
только некоторые
дискретные
значения
величин, об
этом
задумываться
как-то не
принято.

Дискриминационного
механизма,
ответственного
за
дискретные
характеристики
элементарных
частиц не
наблюдается
в современной
ТЭЧ. Зато
теоретики
ТЭЧ мечтают о
счастливой
идее, которая
позволила бы
вычислять
массы
элементарных
частиц. Используя
несовершенные
математические
методы, они
желают тем не
менее понять,
как же
устроены
элементарные
частицы. В
чем несовершенство
математических
методов? В первую
очередь в
использовании
геометрии, которую
назвать
кроме как
убогой язык
не
поворачивается.
Дело в том,
что для
описания
пространства-времени
используется
исключительно
риманова
геометрия,
которая,
во-первых, не
является
последовательной,
а, во-вторых,
неспособна
описывать
такие
свойства
геометрии
пространства-времени
как
дискретность
и конечную
делимость
геометрических
объектов и
физических
тел.

Например,
эксперимент
показывает,
что имеются
основания
считать, что
адроны
состоят из
кварков, но
расколоть
адроны на
кварки не
удается.
Тогда
сначала
предполагают,
что
пространство-время
в микромире
риманово,
(это означает
автоматически,
что
геометрия
допускает
неограниченную
делимость
тел, и все
тела могут
состоять только
из точечных
частиц), а
потом
глубокомысленно
размышляют
над тем, а
почему это
кварки не
существуют в
свободном
состоянии, а
только в
связанном.
Возникает
неразрешимая
проблема конфайнмента.
А для ее
решения
нужно
всего-то
использовать
геометрию
пространства-времени
с конечной
делимостью.
Тогда
элементарная
частица (даже
со сложной
внутренней
структурой)
не обязана
делиться на
более мелкие
частицы.
Проблема конфайнмента
автоматически
исчезает.
Если
геометрия пространства-времени
дискретна
(хотя бы частично),
то это
обстоятельство
порождает дискриминационный
механизм,
который может
оказаться ответственным
за
дискретные
характеристики
элементарных
частиц.

Теория
элементарных
частиц в
своем развитии
почему-то все
время
выходит на
геометрию.
Струны,
браны,
пространства
большой размерности
– это все
геометрия,
причем геометрия
риманова. К
сожалению,
другой, более
общей
геометрии,
пригодной для
описания
пространства
событий мы не
знаем.
Подчеркну,
что это не
потому, что
таких
геометрий
нет, а потому,
что таких
геометрий мы
не знаем, а
это совсем не
одно и то же.
Одним словом,
наши
математические
методы в
изучении
элементарных
частиц не достаточны
для того,
чтобы понять,
как они устроены,
хотя они
возможно
достаточны
для того,
чтобы
произвести
их
классификацию
и систематизацию.
Несовершенство
наших математических
методов
касается в
первую очередь
геометрии (но
не только).

Можете ли Вы
себе
представить
ситуацию, что
теорию
строения
атома
построили
химики (а не
физики)? Я не
могу себе
этого
представить,
и в первую
очередь
потому, что
математическая
подготовка
химиков
недостаточна
для этого.
Вот проведут
эксперименты
на БАК. Может
быть, откроют
хиггсы и
подтвердят
стандартную
модель, а
может быть, хиггсов
не найдут, и
стандартная
модель
повиснет в воздухе.
Но в обоих
случаях не
будет продвижения
в понимании
того, как
устроены
элементарные
частицы и как
устроен
микромир,
хотя
классификацию
и систематизацию
элементарных
частиц, может
быть,
получат.
Более того
полученная
систематизация
может
оказаться
правильной,
потому что в
науке
известны
случаи, когда
из ошибочных
положений
выводились
правильные утверждения.
Другими
словами, не
всякая
подгонка
плоха. Бывают
очень
удачные
подгонки
(например, теплород
или
квантовая
механика).
Однако, основным
недостатком
подгонки
(даже удачной)
является то,
что на ее
основе
нельзя дальше
развивать
теорию.
Именно этим
удачная подгонка
отличается
от правильно
построенной
теории.

А теперь о
геометрии.
Если
спросить у
гуманитария,
окончившего
среднюю
школу, что
такое
геометрия, то
ответ будет
выглядеть
примерно
таким
образом:
«Геометрия –
это когда
доказывают
разные там
теоремы…». К
сожалению,
понимание
профессиональных
математиков
мало чем
отличается
от только что
приведенного
подхода
гуманитария.
Когда я
пришел на
одну из геометро-топологических
кафедр
мехмата МГУ
(их там три) и
предложил сделать
на их
семинаре
доклад по
Т-геометрии,
то секретарь
семинара,
пролистав
представленную
работу,
произнес
что-то вроде: «Какая
странная
геометрия!
Одни
определения
и ни одной
теоремы! Вы
знаете, такая
геометрия не
интересна
участникам
нашего семинара».
Такая
реакция не
является
случайной. Дело
в том, что
математики
называют
геометрией
любое
логическое
построение,
которое может
быть
выведено из
системы
аксиом, если
там
встречаются
такие
понятия как
точка и
прямая. Они
называют это
построение
геометрией (с
некоторым
определением
к слову геометрия),
если даже это
построение
не имеет прямого
отношения к
геометрии
как науке о
взаимном
расположении
геометрических
объектов в
пространстве
или в
пространстве-времени.

Такой подход
обусловлен
тем, что не
известно
способа
построения
геометрии,
отличного от
Евклидова,
когда
геометрия
выводится из
аксиоматики.
Иными
словами,
математики считают,
что всякая
геометрия
аксиоматизируема,
а неаксиоматизируемых
геометрий
просто не
существует.
На самом деле,
это не так! На
самом деле, неаксиоматизируемые
геометрии
существуют!
Более того,
аксиоматизируемые
геометрии
составляют
лишь малую
часть неаксиоматизируемых
геометрий.
Действительно,
геометрия
представляет
собой
(континуальное)
множество всех
утверждений
о свойствах
всех геометрических
объектов.
Геометрия
называется
аксиоматизируемой,
если
континуальное
множество
всех
утверждений
геометрии
может быть
выведено с
помощью
правил формальной
логики из
конечного
множества базовых
утверждений
(аксиом).
Существуют
аксиоматизируемые
геометрии
(например,
собственно
евклидова),
но
большинство
геометрий неаксиоматизируемо,
и они важны
при описании
пространства
событий в
микромире.

Существует,
однако,
проблема: как
строить неаксиоматизируемые
геометрии?
Как строить
аксиоматизируемые
геометрии,
понятно. А
как строить неаксиоматизируемые?

Строить
можно только
физические
геометрии,
т.е.
геометрии,
полностью
описываемые
заданием
расстояния
между всеми
парами точек.
Пространство,
на котором
задано
расстояние
между всеми
парами точек
называют метрическим
пространством,
а функцию расстояния
называют
метрикой, при
том непременном
условии, что
метрика
удовлетворяет
ряду
ограничений (неотрицательность
метрики,
аксиома
треугольника
и т.п.). Термин
«метрическая
геометрии»
мне
встречать не
доводилось.
По-видимому,
по той
причине, что
в метрической
геометрии
можно
построить
только
прямую и
сферу.
Вопрос, как
построить другие
геометрические
объекты,
остается открытым.
Физическая
геометрия
отличается от
метрической
геометрии
тем, что на
функцию
расстояния
(термин
метрика не
употребляется
во избежание
путаницы) не
накладывается
практически
никаких
условий,
кроме одного.
Для построения
физической
геометрии и
геометрических
объектов в
ней
используется
принцип
деформации и
эталонная
геометрия. Название
для
физической
геометрии
пока не установилось.
Используются
так же
термины
«трубчатая геометрия»
(Т-геометрия),
«многовариантная
геометрия» и
«геометрия с нетранзитивным
отношением
эквивалентности».

Использование
принципа
деформации
при построении
Т-геометрии
можно
иллюстрировать
следующим
образом. Представьте
себе плоский
лист жести.
На нем
собственно
евклидова
геометрия.
Берем молоток
и сильно
ударяем по
листу жести.
Лист
деформируется,
и геометрия
на нем становится
не-евклидовой.
Таким
образом,
после деформации
евклидова
геометрия
превращается
в не-евклидову.
Для
построения
не-евклидовой
геометрии
нужно только
формализовать
процедуру
деформации.

Рассмотрим
собственно
евклидову
геометрию,
которая
может
рассматриваться
как эталонная,
потому что
она является
аксиоматизируемой
и физической
одновременно.
Получаем все
утверждения
собственно
евклидовой
геометрии,
выводя их из
аксиоматики.
Затем все
утверждения
евклидовой
геометрии
формулируем
в терминах
мировой функции
(это половина
квадрата
расстояния).
Это возможно,
потому что
евклидова
геометрия
является
физической
геометрией.
Если теперь
во всех
утверждениях
евклидовой
геометрии заменить
мировую
функцию
собственно
евклидовой
геометрии на
мировую
функцию другой
физической
геометрии, то
получим все
утверждения
этой другой
физической
геометрии,
т.е. саму физическую
геометрию.
Такая замена
представляет
собой
деформацию
евклидовой
геометрии,
причем в
таком
абстрактной
форме деформация
может иметь
такой вид,
который нельзя
осуществить
реально,
деформируя,
например
лист жести.
Наиболее
неожиданной
была деформация,
переводящая
одномерную
евклидову прямую
в полую
трубку новой
физической
геометрии.
Такая
деформация
производит
шок, и, имея
традиционное
представление
о геометрии,
мне
понадобилось
много
времени,
чтобы освоиться
с
создавшейся
ситуацией.

Построение
физической
геометрии
методом
деформации исключительно
просто. Не
нужно
придумывать
аксиом, не
нужно
проверять их
совместность,
не нужно
доказывать
теорем.
Остается только
удивляться,
почему
математики,
да и физики
тоже не
признают
физическую
геометрию.
Проблема
состоит в
том, что
практически
все физические
геометрии
являются
многовариантными
и неаксиоматизируемыми.
Например,
риманова
геометрия,
рассматриваемая
как
физическая
геометрия,
является многовариантной
и неаксиоматизируемой.
Однако
математики
предпочитают
не иметь дело
с моговариантными
геометриями.
Они
запрещают фернпараллелизм
в римановой
геометрии,
стремясь
сделать ее
одновариантной
и
аксиоматизируемой.
Однако,
устраняя
следствия многовариантности,
не удается
сделать
риманову
геометрию полностью
одновариантной
и
последовательной.

Мне
представляется,
что
непризнание
физической
геометрии
математиками
является следствием
того
предрассудка,
что геометрией
считается
способ
описания
геометрии, а
не сама
геометрия. В
результате
изменение
способа
описания
геометрии
рассматривается
математиками
как
покушение на
основы
геометрии. В
этой связи
следует
заметить, что
так и
осталось неизвестным,
почему в
средине
девятнадцатого
века
математики
не принимали
геометрию
Лобачевского
– Бойяи.
Что они имели
против этой
геометрии?
Это так и
осталось
неизвестным (по
крайней мере,
мне не
попадалось
никаких мемуаров
об этом). А
отторжение
геометрии Лобачевского
– Бойяи
было столь
сильным, что
даже король
математиков
Гаусс не
решился
публиковать
свои работы
по этой
геометрии. По
свидетельству
Феликса
Клейна
рукописи
Гаусса,
посвященные
исследованиям
этой геометрии,
были найдены
после смерти
Гаусса в его
бумагах.

Что касается
физиков, то
их неприятие
физической
геометрии и
ее следствий
базируется
на святой
вере в то, что
микромир
имеет
квантовую
природу, и
квантовать
нужно все,
включая
электромагнитное
и гравитационное
поля, хотя их
динамические
уравнения не
содержат
квантовой
постоянной.
Однако,
квантовая
природа мира
представляет
собой лишь
гипотезу,
которая
прекрасно
работает во
многих
случаях.
Представление
о том, что в
основе
тепловых
явлений
лежит некая сущность,
называемая
теплородом,
тоже было прекрасно
оправдывающейся
гипотезой в течение
долгого
времени, пока
прогресс науки
в области
механики не
позволил
избавиться
от этой
гипотезы как
излишней.
Аналогично
прогресс в
области
геометрии,
учитывающий многовариантность
позволяет
избавиться
от квантовых
принципов,
как излишних.
Их роль
выполняется
многовариантной
геометрией.

Следует
заметить, что
понятие многовариантности
(геометрии),
отсутствующее
в
современной
физике,
играет
исключительно
важную роль. «Multivariance as a crucial property of microcosm» http://arXiv.org/abs/0806.1716 , русс. версия http://rsfq1.physics.sunysb.edu/~rylov/mcpmc2rw.pdf . Она
обеспечивает
дальнейшую
геометризацию
физики,
которая
порождает
геометрическую
динамику
элементарных
частиц в микромире,
которая
формулируется
в чисто геометрических
терминах.
Геометрическая
динамика
верна в любой
геометрии
пространства-времени
(непрерывной
и дискретной,
с бесконечной
делимостью и
конечной).
Она не формулируется
в виде
дифференциальных
геометрических
уравнений,
что конечно
очень неожиданно
и непривычно.
Переход от
релятивистской
динамики к
геометрической
динамике
столь же
фундаментален,
как переход
от механики Аристотеля
к механике
Ньютона. В
обоих случаях
это связано с
появлением
нового понятия.
В механике
Аристотеля
не было
понятия инерции,
а в механике
Ньютона оно
появилось. В
современной
релятивистской
динамике нет
понятия многовариантности,
а в
геометрической
динамике –
оно появляется.

Переход от
одной
теоретической
концепции к
другой,
сопровождающийся
появлением нового
понятия
всегда очень
труден и
долог потому,
что
исследователям
приходится
переучиваться,
а это всегда
очень трудно
и не все
исследователи
способны это
сделать.
Переход
механики
Аристотеля к
механике
Ньютона
занял более
века. В
течение
этого
времени
сменилось
несколько
поколений
исследователей.
Каждое
последующее
поколение
исследователей
было несколько
ближе к
механике
Ньютона и
дальше от механики
Аристотеля.

Что касается
перехода к
геометрической
динамике, то
следует
заметить, что
геометрическая
динамика
существенно
проще, чем
современная
релятивистская
динамика и
основанная
на ней ХЭЧ. В
ней нет таких
абстрактных
понятий как
волновая
функция, квантование,
струны, браны
и другие
понятия современной
ТЭЧ. Там
только
геометрия, но
геометрия не
простая, а
многовариантная
и неаксиоматизируемая,
и к ней не
применимы те
примитивные
представления
о геометрии,
которые
бытуют в современной
физике, когда
вместо
геометрии изучают
один из
способов ее
описания,
полагая при
этом, что
изучают
геометрию
как таковую.
Когда я задаю
себе вопрос,
возможен ли
переход к
геометрической
динамике для
современного
поколения
исследователей
ТЭЧ, то
передо мной
встает аналогичный
вопрос:
«Могли бы
химики
начала двадцатого
века
построить
квантовую
механику и
построить
атомную
физику? Ведь
это предмет
их исследований!»
Я отвечаю
себе: «Нет,
они бы не
могли
сделать это.
У них не
хватило бы
математической
подготовки. К
тому же у них
более
гуманитарный
стиль
мышления».

Кто же тогда
будет
строить
геометрическую
динамику? Из
какой
области
науки придут
кадры, способные
построить
ФЭЧ и понять
устройство
микромира? Я
не знаю
ответа на
этот вопрос,
но думаю, что
это должна
быть
молодежь, необремененная
подгоночным
менталитетом
и другими
предрассудками
создателей
квантовой
механики.
Конечно же,
они должны
знать физическую
геометрию и
понимать ее
колоссальные
возможности.
По-видимому,
при этом процессе
сменится
несколько
поколений
исследователей.

Возможно ли
форсировать
этот процесс?
В принципе
это возможно.
Нужно
собрать
группу талантливой
молодежи и
обучить ее
физической
геометрии.
После этого
можно приступить
к созданию
ФЭЧ. Однако, я
думаю, что это
мало
реалистично
из-за
противодействия
старших
товарищей,
хотя с точки
зрения материальных
затрат это
будет
намного
дешевле, чем
строительство
Большого Адронного
Коллайдера.

Комментарии:
19

Химия Кеннета Снельсона (структура электрона) / Хабр

В циклосферной теории строения электронных оболочек атомов и молекул, предложенной Кеннетом Снельсоном, электроны считаются отрицательно заряженными кольцевыми магнитами. При противоположной ориентации магнитных полей у смежных электронов их края притягиваются друг к другу и формируют электронные оболочки. Наиболее устойчивые оболочки атомов получаются из 8, 10 и 14 электронов.

Рис. 1. Иллюстрации к описанию атомных электронных оболочек из патента К. Снельсона

Эта теория хорошо объясняет известные химические свойства и структурные особенности различных простейших молекул, а также длину периодов в таблице Менделеева (см. «Химия Кеннета Снельсона»). И объясняет явно лучше квантовой механики с её многочисленными постулатами — орбиталями, принципом неопределённости, волновыми функциями и т.п.. Зато квантовая механика неплохо справляется с описанием спектральных свойств атома водорода, которые сложно объяснить исходя из простой кольцевой формы электрона. Но можно предположить, что у электрона кольцо не простое, а составное – состоящее из замкнутой цепочки мелких колечек. И попытаться обосновать этим линейчатость спектра водородного атома.

Предположим, что электрон атома водорода в наивысшем возбуждённом состоянии имеет простую кольцевую форму — ту же, что и свободный электрон. А переходы на нижележащие энергетические уровни (стационарные состояния) сопровождаются не только излучением, но и увеличением количества образующих его уменьшенных колечек. Точнее – пар колечек, поскольку только при чётном количестве они удерживаются вместе магнитным полем (Рис. 2).

Рис. 2. Схема основных стационарных состояний электрона

Такая плоская схема демонстрирует только общий принцип дробления электронного кольца. Но в атоме водорода все колечки, образующие электронную цепь, должны располагаться на эквипотенциальной сфере, для показа которой лучше использовать объёмные изображения (Рис. 3).

* Цифры соответствуют количеству пар электронных колец

Рис. 3. Низшие многокольцевые состояния электрона

Существование пяти основных спектральных серий атомарного водорода – Лаймана, Бальмера, Пашена, Брэккета и Пфунда – может объясняться излучательными переходами электрона на энергетические уровни, соответствующие этой пятёрке стационарных состояний (2, 3, 4, 5 и 6 пар колец). В таком случае существование серии Хэмпфри объясняется переходом электрона из однокольцевого состояния в двухкольцевое (или в соответствующее ему двухволновое). А многочисленность спектральных линий у этой серии может отражать множество возможных колебательных состояний однокольцевого электрона (Рис. 4).

* Цифры соответствуют количеству стоячих волн в электронном кольце

Рис. 4. Низшие колебательные состояния электрона

На схеме основных стационарных состояний электрона (Рис. 2) показана его гипотетическая двухкольцевая форма. Логично предположить, что она может формироваться из однокольцевого двухволнового варианта. Но ещё логичнее выглядит трансформация двухволнового кольца в четырёхкольцевую форму. Во всяком случае, при построении 3D-моделей трансформация четырёх колец в две волны (и наоборот) не вызывает затруднений (Рис. 5).

Рис. 5. Переходные формы электрона (двухволновой <—> четырёхкольцевой)

Если переходная двухкольцевая форма всё-таки существует, то её энергетический уровень не должен отличаться от уровня двухволновой формы. Поэтому её совсем не обязательно показывать на схеме излучательных переходов электрона в атоме водорода (Рис. 6).

Рис. 6. Серии излучательных переходов электрона в атоме водорода

Известны и другие серии излучения электрона, но все они лежат в далёкой инфракрасной области и с трудом поддаются изучению. Последняя, получившая именное название, — серия Хансена-Стронга – была описана в 1972 году. На приведённой выше схеме её основному энергетическому уровню соответствует трёхволновое состояние электрона.

У свободного кольцевого электрона, на который не действует поле притяжения атомного ядра, невозбуждённое состояние в идеале должно соответствовать наивысшему (нулевому) энергетическому уровню, показанному на Рис. 6. Такой идеал возможен только при бесконечно большом количестве стоячих волн, энергия которых стремится к нулевому пределу. Но достичь этого предела невозможно. Поэтому свободный кольцевой электрон всегда близок к идеалу (нулевому энергетическому состоянию), но не идеален. Причём его энергия при снижении количества (и увеличении амплитуды) стоячих волн не уменьшается, как в атоме водорода, а увеличивается.

Существование множества колебательных состояний свободного кольцевого электрона не представляет особого интереса для химиков, но способно пролить свет на некоторые астрофизические явления. Например, объяснить причины существования реликтового микроволнового излучения, обосновать концепцию старения света, дать альтернативное объяснение красному смещению, опровергнуть теорию Большого взрыва и доказать вечность и бесконечность Вселенной. Но сначала нужно доработать теорию Кеннета Снельсона – доказать, что электронные оболочки атомов и молекул можно строить не только из простых колец, но и из их многокольцевых цепочек.

Иллюстрации к этой заметке подготовлены 3DKiwi, за что автор выражает ему свою глубочайшую благодарность. Им же построены наглядные 3D-модели основных стационарных состояний электрона атома водорода, позволяющие детально рассмотреть все подробности:
https://p3d.in/2d5ol — 6 пар колец
https://p3d.in/DtkLu — 5 пар
https://p3d.in/TrAmL — 4 пары
https://p3d.in/fhaVp — 3 пары
https://p3d.in/9uWEb — 2 пары
https://p3d.in/gAwto — 2 волны
https://p3d.in/Te4xo — 3 волны
https://p3d.in/DkhLr — 4 волны
https://p3d.in/ZChp6 — 5 волн
https://p3d.in/o3S47 — 6 волн
https://p3d.in/CkBMl — 7 волн

Наверное, Снельсон одобрил бы эти модели. Если бы не умер в конце 2016 года.

Южный федеральный университет | Пресс-центр: Ученые ЮФУ исследуют новые типы водородных связей

По инициативе профессора кафедры органической химии ЮФУ Александра Пожарского его ученики – кандидаты химических наук Владимир Микшиев и Александр Антонов совместно с учеными Вроцлавского университета (Польша) и Института химии Санкт-Петербургского государственного университета исследовали аномальный тип внутримолекулярных водородных связей в карбоксамидной группе, резко отличный от тех, которые стабилизируют спиральную структуру белков. Публикация об этом появилась в 2020 году в журнале ChemPhysChem в статусе Very Important Paper.

Известно, что основу материи во Вселенной составляют невидимые нам элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны, кварки и др.), предположительно, образовавшиеся при Большом взрыве. Фундаментальным законом природы является непрерывное структурирование и укрупнение материальных частиц за счет различных взаимодействий. Так, из элементарных частиц, преимущественно, в недрах звезд формируются ядра химических элементов, из которых затем строятся все более сложные молекулы. В ходе этого процесса, называемого химической эволюцией, при благоприятных условиях (например, существующих на Земле) рождаются супрамолекулы, к которым относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и жиры. Характерная особенность супрамолекул – их способность к самоорганизации и распознаванию других молекул. Структурирование супрамолекул – результат множественных слабых (невалентных) взаимодействий. В биологии одним из основных невалентных взаимодействий является водородная связь. Например, водородные связи формируют двойную спираль ДНК, а также нитевидные или смятые в глобулы спирали белков (полипептидов). Белковая спираль внутри каждого витка стабилизируется водородными связями NH…O=C между карбоксамидными и амидными группами  (рис. 1).

Исследования фундаментальных характеристик амидной группы, – например, цис-транс изомеризационного барьера, резонансной энергии или кислотно-основных свойств, продолжаются из года в год в связи с особой актуальностью. Они значимы для обеспечения дальнейшего прогресса в медицине, биологии и биотехнологии, химии и междисциплинарных науках.

В сфере главных интересов группы профессора ЮФУ Александра Пожарского находятся неклассические типы водородных связей. Прежде всего, это касается сильных коротких водородных связей. В последние годы утвердилось мнение, что именно они несут главную ответственность за мягкость, быстроту и селективность большинства биохимических реакций.

Успешными моделями для таких исследований стали протонные губки и их аналоги.

Значение открытого в 1968 году феномена так называемых протонных губок, состоит в том, что впервые были синтезированы органические молекулы, способные в миллионы раз замедлять скорость протонного переноса и использовать это в органическом синтезе, электрохимических, биотехнологических и медицинских исследованиях. Открытие протонных губок – крупнейший вклад в теорию кислот и оснований за последние 50 лет. Появление протонных губок во многом ускорило становление такой области науки, как супрамолекулярная химия.

Студентами, аспирантами и сотрудниками кафедры органической химии синтезировано множество новых соединений и типов протонных губок. Так, аспирантом Андреем Марченко под руководством профессора Валерия Озерянского синтезирована группа веществ с самыми короткими водородными связями NH…N типа. До конца 2020 года исследования планируется опубликовать в одном из международных журналов.

Недавно профессором Александром Пожарским совместно с его бывшими аспирантами Александром Антоновым и Владимиром Микшиевым (ныне сотрудниками Санкт-Петербургского государственного университета) в журнале ChemPhysChem опубликована статья, в которой на многочисленных примерах показана возможность амидной группы O=C-NH₂ образовывать водородную связь за счет атома азота, а не карбонильного кислорода (рис. 2). Эта работа имеет значение для понимания нестандартного поведения белковых молекул.

На протяжении последних 20 лет на кафедре органической химии Химического факультета Южного федерального университета в группе профессора Александра Пожарского проводится успешная работа в этом направлении.

Названные исследования выполнялись в рамках трех грантов РФФИ No 17-03-00035, 18-73-00020, 20-03-00112. Теоретические расчеты проводились профессором Вроцлавского университета А. Филаровским. Рентгеноструктурные исследования выполнены в научно-исследовательском парке Санкт-Петербургского университета, а спектральные на химическом факультете ЮФУ и в НИИ ФОХ.

Элементарные частицы • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

На одном из сайтов «Звук. Звуковое оружие» один из физиков, его пароль rumorokarto-07-07-13.01 написал, что «в опытах было установлено, что мозг может резонировать на определенных частотах. Кроме резонанса мозга как упругоинерционного тела выявилась возможность перекрестного эффекта резонанса инфразвука с частотой альфа и бета-волн, существующих в мозгу каждого человека…»
В опытах над чьими мозгами и откуда альфа и бета – волнам там резонировать – все это бред и обман для отвода глаз, обыкновенное членовредительство, облучение людей с разными целями- это облысение, сжигание волосяных покровов, сны в совокупности со звуковой волной и альфа, бета рентген волнами из лазер –луча-рентген луча- это сны, которые видят люди под внушением. То есть человек в теле носит звуковые волны – на tokamake идет круглоситочная трансляция – ночью люди видят сны, а днем они как роботы говорят и выполняют все что им внушают. Так людей и зомбируют. Люди носят в теле электромагнитные волны. Эти люди радиоуправляемые дистанционно, они в одну секунду могут превратиться в труппы — RU, а электричество не шутка и на этих волнах можно давать разное напряжение, а микроволнами перетягивают пальцы рук, стопы ног, аорту, делать спазмы внутренних органов и делать все это под диагнозы врачей. Физик с паролем rumorokarto-07-07 постеснялся написать о своих опытах с газами – это водород и плазма. Газ, который обжигает тело сверху и который вредит изнутри. Пузырьки газа в легких, в кишечнике, в желудке – это что? А газы – гелий, водород, плазма – все ионизированные – электрические. Плазму теперь принято называть электронным газом. Вот и представьте себя со звуковыми электромагнитными волнами в теле и Вас нашел рентген- лазер – луч, который видит вас насквозь. Лучом дадут напряжение на волне и вы труп. А что еще может сделать этот рентген – лазер – луч уже можно себе представить. Любой лазер – это электромагнит. Любые атомы газа проходят везде беспрепятственно – любая толщина стен, тела, батарей, земля, вода, воздух и т.д. Это и целенаправленные электромагнитные поля, в которых управляй чем и кем хочешь — вся бытовая техника и производственная, сам человек, которого шатает из стороны в сторону, от внушений и колебаний волнами в теле, ужас и боль и т.д. А еще этим газом наэлектризовывают частицы (атомы) любого вещества и струями, потоками переносят куда и кому захотят. Мы все слышим о воздушно – струйно – капельном методе – все это работает на земле. Эти газы они бесцветные и не имеют запаха, а их нам подают под разными запахами — это и бензин, и керосин, и пища, фекалии, моча, духи и т.д.
Струйные технологии – это и газы, и летящие в рот оксиды металлов – обжигающие кислые и соленые и другие наэлектризованные частицы. Я напишу о себе: однажды и по сегодняшний день у меня в голове появился транзисторный шум и моим пальцами на столе, ночью на одеяле начали писать хорошо выведенными русскими предложениями следующее: «Я твой Бог. Я хочу поисповедовать тебя. Я буду уничтожать всю твою семью поочереди. Я требую чтобы ты об этом никому не рассказывала, иначе я буду издеваться над твоими детьми у тебя на глазах. Ты должна беспрекословно подчиняться и научиться слушать меня, тогда ты не почувствуешь боли и умрешь легко и спокойно. Ты помнишь, как мы наказали твою знакомую Лиду Котову. Мы сожгли ей костный мозг в позвоночнике и она лежала пока не сдохла, причем солями высушили ей руки, ноги и голову. Я могу тебе показать много всяких Колек и инвалидов. Вспомни как мы сводили с ума твою знакомую Симанину Свету, мы ей постоянно делали всякие видения, а потом остановилось сердце, как и Скоковой Натальи, наводили ужасы, делали такие колебания волн, что она не могла спать и заставляли ее бежать из дома ночью и гулять.
В рот мне посыпались эти частицы солено-кислые, от газа в желудке пропал аппетит, сердце стучит, как бешенное от колебаний волн, по голове импульсивными ударами бьет электромагнитная волна и по позвоночнику струится электричество, а сверху газ, от которого высыхают ступни ног, кисти рук. На указательных пальцах язвочки, в которые сквозь бинты постоянно проникают атомы солено-кислые, ранки не зажигают. Доктора сделали рентген – диагностику уже дважды и дважды обнаружили кусочки проводниковых металлов. Лучом – магнитом поднимают волны в теле, за счет чего нарушается кровообращение во всех органах. От газа рассохся паркет, мебель, дает усадку постельное белье и одежда при стирке. На мобильном телефоне и электросчетчике большие суммы денег, зубы все повыбили, а бог пишет, что делает со всеми людьми так, чтобы люди без сожаления расставались с жизнью. Ночью открывает рты и вводит в рот что захочет, а также во влагалище и заднепроходное отверстие и пишет и спрашивает: « Ну как тебе, а я еще погазую». Тащит электромагнитом за копчик, чтобы быстро не ходила, а как больно, когда таскает за сухожилия и мышцы рук и ног. Полное всемогущество над всем на Земле. Шумеры (шум) звук знали и раньше, но не знали что газ ионизированный. Их за этой Токамакой работают трое: руководитель и двое его посвященных, иначе физически им было бы трудно вести трансляции круглосуточно. Пишут «нами все уже давно изучено, вот мы и управляем своей тайной властью, крутящие землю.
Парниковые эффекты в холодильных камерах(газ), оксиды – быстро портятся продукты, то списывают, то усыхают, суммы на электронных весах (не правильный вес), на мобильнике и по телефону не позвонить, когда захочешь сам. И рассказы про миллион способов умертвить человека. А волны везде: на любой высоте, и на любой глубине. Они называют себя серыми (сирыми) убивают как кур, через голову, гипофиз, позвоночник. Бог всевидящий, всеслышащий и всемогущий и он знает мою фамилию и адрес и что до приезда в Санкт-Петербург, ни я ни мои дети ничем никогда не болели. Я работаю в школе и каждые полгода прохожу медосмотры. Вот вам и гетероструктуры, струйные технологии, газодинамика, хаотическая и резонансная динамика спутников и спутниковых систем, «исследование рентгеновского излучения плазмы», «одномодовые и многомодовые лазеры», «газовые видения на небе, плачущие иконы и разная другая мистика в век мирного атома. В Интернете много жалоб на разные институты, энергии, но бог един для всех и живет вы Белом городе на белом престоле и «голос говорящий с небес» его и гипер – тон-ия и остановки сердца и легких и всесожжения духом святым (газом и электричеством и нет ему равных и носятся эти звуки и пугают и больших и маленьких. Где металл – там магниту делать нечего, а он и в структурах почти всего сущего.
Вот и Мои – сей, который водил дураков по пустыне. Стоят рассеиватели в Токамаке, есть радиотелеретронслятор, рентген – лазер – луч, волноводы, троидальная камера с магнитными стенками и катушкой. И все работает целенаправленно. Атомы без управления безвредны, все под управлением!
А Бог пишет, что кроме меня на него никто не жалуется, все ко всему привыкли, изменить ничего нельзя. Люди кричат от боли и умирают, умирают от рук зомби, от дорожно-транспортных происшествий, от пьянства, суицидов и т.д.
И неистово молятся, а они трое правят и никто ничего не может с ними сделать – так внушаемы люди, от этих круглосуточных и искусственно созданных забот, суеты и доверия. Вот уж где фашизм и настоящий ад.
Любой медицинский прибор, промышленный приборы, приборы Роспотребнадзора под управлением электромагнитного луча могут показывать все что захочет Бог.
Я написала этому Богу и просила прекратить нас сжигать атомами и оксидами. Подавала исковое заявление в Прокуратуру Санкт-Петербурга, Выборгский район, следственный отдел по Волховскому району. Из следственного отдела туда сходили, отписались актом проверки со слов самого Бога, а он себе не враг и на этом все закончилось. А Бог пишет «Ты не поверила, что внушения страшная сила, и что люди всего боятся, а я им в любое время внушу все, что захочу» А за что мне такие наказания от физика, лежать без движения, ведь он делает на мне все, что делает со мной физик rumorokarto-07-07-13.01. Бог пишет «А ты напиши на меня в Интернет» Я предупредила президента Медведева, что я напишу об этих сожжениях в Интернет, пусть люди знают о его величии, и величии Токамака за облаками.
Адреса убитых, родственники живы, можно проверить.
Город Новокубанск, Краснодарского края, Каплоново, ул. Цветочная д.2, Котова Лида (сожжение позвоночника)
Город Армавир, Краснодарского края, ул. Володарского д.16, кв. 25 Симанина Светлана (остановка сердца)
Поселок Пехинец, Ленинградской области, ул. Школьная д.23, Скокова Наташа и Сергей
Город Волхов, Ленинградская область, сжигают сухожилия рук и ног, чтобы человек лежал без движения.
Город Колпино, Ленинградской области, Астахова Александра, военный городок, остановка легких.

Ответить

как точные науки помогают гуманитариям :: Мнение :: РБК

В случае пирамиды Хеопса их установили в уже известном помещении внутри — камере царицы, в прилегающем к ней коридоре и у подножия пирамиды с северной стороны. Раз в несколько месяцев полученные данные анализировались. Для начала были проведены тестовые исследования: «вслепую» были локализованы уже известные внутренние помещения — камеры царя и царицы и соединяющий их коридор, известный как большая галерея. Затем было начато основное исследование, которое принесло сенсационные результаты, опубликованные в журнале Nature.

Прямо над большой галереей было найдено еще одно, ранее неизвестное помещение. Это огромная щель: в длину она 30 м, в высоту — 8 м, а в ширину — всего 2 м. В теле пирамиды помещение поднято на 20 м над ее основанием. Точная структура этого пространства пока не известна: неясно, одна ли это комната или несколько смежных, горизонтальный ли там пол или наклонный.

Читайте на РБК Pro

О назначении этой пустоты сейчас судить сложно. У нее может быть символическое значение: скажем, это коридор для прохода души фараона на небо. Или инженерное — облегчить вес пирамиды над галереей, чтобы не допустить обрушения. Или техническое — обеспечить подвоз материала для строительства верхних ярусов. Историки до сих пор точно не знают, как именно строилась пирамида — с помощью внешних лесов или внутренних ходов, через которые блоки доставлялись на верхние уровни строения. Но одно ясно — физика элементарных частиц становится прикладной областью знаний, помогая познавать нашу историю, как в этом случае или, например, обеспечивая безопасный мониторинг работы ядерных реакторов.

Разбирая Малевича

Это не первый случай, когда точная наука приходит на помощь гуманитарной. Самым значительным импульсом, который физика дала истории (и не только ей), является радиоуглеродный метод датировки. По присутствию в образце нестабильного изотопа углерод-14 можно до определенного времени определить возраст образца. Не все в радиоуглеродном методе так просто, в начале его применения он давал в некоторых случаях совершенно сбивающие с толку результаты, так что использование его для датировки было ограничено, но и в таком виде метод совершил не один десяток исторических и палеонтологических революций и прочно вошел в инструментарий разных исследователей.

Почти рутиной стали и физико-химические исследования произведений искусства, свою лабораторию или сотрудничество с исследовательским центром имеет каждый музей, обладающий историческими ценностями (например, совместный проект Эрмитажа и петербургского университета ИТМО). А мы все чаще узнаем, например, что до наших дней дошло гораздо больше работ великих мастеров, чем мы предполагали, — только мы их не видим.

В 2015 году было установлено, что под одной из версий «Черного квадрата» Казимира Малевича прячется даже не одна, а две картины его кисти, и распознали их так хорошо, что их даже смогли проанализировать искусствоведы. Они заключили, что одна из них — кубофутуристическая композиция, вторая — протосупрематическая (что бы это ни значило).

Чуть ранее — в 2011 году — еще одна картина была найдена под «Лоскутом травы» Винсента Ван Гога. Ее исследование показало, что под красочным слоем на холсте находится портрет женщины. В том же году та же группа ученых из Антверпена нашла еще один портрет под портретом дона Рамона Сатуэ кисти Франсиско Гойи. Если Ван Гог, скорее всего, просто экономил холсты, то Гойя мог скрыть первоначальную работу намеренно: мужчина на первом портрете одет в форму, говорящую о его высоком положении в рыцарском ордене, учрежденном Жозефом Бонапартом, которого Наполеон сделал королем Испании. После того как французская армия была изгнана из Испании в 1813 году, держать у себя бонапартистский портрет стало опасно. Аналогичные открытия коснулись картины Рембрандта «Старик с бородой» — под ним нашли автопортрет художника — и других работ.

Для исследования полотен обычно используется рентгенофлуоресцентный анализ (РФА) — метод, который позволяет установить качественный и количественный состав образца, то есть понять, сколько в нем химических элементов и каких, не разрушая его. Картину «сканируют»: сфокусированный пучок рентгеновских лучей направляют на ее участок, раз за разом. Атомы в каждой точке реагируют на это воздействие, испуская ответное излучение — флуоресцируя. А параметры этого излучения характеризуют то, атомы каких именно элементов присутствуют в образце. Эти данные уже можно связать с изображением и используемыми цветами: ученые довольно хорошо знают состав красок и понимают, что кобальт — это кобальтовая синяя, ртуть — красная киноварь, сурьма — неаполитанская желтая, свинец — свинцовые белила, — и даже могут определить оттенки и степень насыщенности цвета. До РФА использовалась классическая радиография, ей были видны только интенсивности, то есть изображение получалось черно-белым. Но и это достаточно много.

Согласие наук

«Это прекрасный шанс показать, что мир искусства может взаимодействовать с миром химии, химия — это всеохватывающая наука, не только о молекулах и реакциях, но и об исследовании прекрасных художественных произведений», — говорил в 2009 году Маттиас Алфельд из Университета Антверпена, исследовавший Ван Гога, Гойю и другие картины.

Понимание состава красок дает и другие, куда более революционные исторические результаты. Так, в средние века красители имели по большей части органическое происхождение, и некоторые из них были большой редкостью, завозились издалека и были баснословно дорогими. В 2009 году на французской скульптуре XII века («Мадонна с младенцем» из Оверни) удалось найти самый ранний из известных образцов краски из Южной Азии, основу которой составляют насекомые. До этого использование такой краски ранее XV века было неизвестно, так что анализ вещества помог уточнить датировку торговых путей между Европой и Ближним Востоком и дальше — с Индией.

Это не значит, однако, что искусствоведы становятся химиками, а физики — археологами. Для корректного использования каждого из подходов принципиально важно, чтобы каждый из ученых сохранял привязку к школе и традиции своей науки и каждый же был достаточно открытым и творческим, чтобы без снобизма (в духе известного афоризма Резерфорда: «Все науки делятся на физику и коллекционирование марок») взаимодействовать с коллегой-ученым совсем из другой области. Понимать задачи друг друга и искать пути их решения.

элементарных частиц

элементарных частиц

Атомная теория :

Древний философ Гераклит утверждал, что все находится в состоянии
потока. Ничто не ускользает от каких-то изменений (невозможно войти в
та же река). С другой стороны, Парменид утверждал, что все то, что
это так, чтобы оно не могло стать тем, чем не является (изменение невозможно, потому что
субстанция должна пройти через ничто, чтобы стать чем-то другим,
что является логическим противоречием).Таким образом, изменение несовместимо с тем, чтобы быть таким
что только постоянные аспекты Вселенной могут считаться реальными.

Гениальный побег был предложен в V веке до нашей эры. Демокрита. Он
выдвинул гипотезу, что вся материя (плюс пространство и время) состоит из крошечных
неразрушимые единицы, называемые атомами. Эта идея, кажется, мотивирована вопросом о
как тонко можно продолжать рубить материю. Демокрит не выполнил
экспериментов и имел только самые надуманные доказательства постулирования существования
атомов, его теория была поддержана римским поэтом Лукрецием, который пережил Темные
Возраст, который предстоит открыть в 1417 году.Сами атомы в теории Демокрита
остаются неизменными, но перемещаются в пространстве, чтобы различными способами комбинировать
образуют все макроскопические объекты. Ранняя атомная теория утверждала, что
характеристики объекта определяются формой его атомов.
Так, например, сладкое состоит из гладких атомов, горькое — из
сделаны из острых атомов.

Таким образом согласовываются постоянство и поток, и поле атомной
родилась физика. Хотя идеи Демокрита заключались в том, чтобы решить
философская дилемма, тот факт, что в основе лежит некая элементарная
вещество для Вселенной является основным двигателем в современной физике,
поиск последней субатомной частицы.

В начале 1800-х годов Джон Далтон определил, что каждое химическое вещество
элемент состоит из уникального типа атома, и что атомы различаются
своими массами. Он разработал систему химических символов и, имея
выяснил относительный вес атомов, сложил их в таблицу. В
Кроме того, он сформулировал теорию о том, что химическая комбинация
различные элементы встречаются в простых числовых соотношениях по весу, что привело
к развитию законов определенной и множественной пропорции.

Затем он определил, что соединения состоят из молекул, и что
молекулы состоят из атомов в определенных пропорциях. Таким образом, атомы
определяют состав вещества, а соединения можно разбить на
их отдельные элементы.

Первые оценки размеров атомов и числа атомов на
единичный объем, сделанный Джозефом Лошмидтом в 1865 году.
кинетической теории, идея о том, что свойства газа обусловлены
движения атомов, составляющих его, Лошмидт вычислил среднее свободное
путь атома на основе скоростей диффузии.Его результатом было то, что есть
6.022×10 ²³ атомов на 12 граммов углерода.
И что типичный диаметр атома составляет 10 ^-8 сантиметров.

Дело :

Материя существует в четырех состояниях: твердом, жидком, газовом и плазменном. Плазма
встречаются только в коронах и ядрах звезд. Состояние материи
определяется силой связей между атомами, из которых состоит материя.
Таким образом, пропорционально температуре или количеству энергии, содержащейся в
причина.

Переход от одного состояния вещества к другому называется фазой
переход. Например, лед (твердая вода) превращается (тает) в жидкую воду.
по мере добавления энергии. Продолжайте добавлять энергию, и вода превращается в пар.
(газообразная вода) затем при температуре в несколько миллионов градусов распадается на
составляющие атомы.

Атомная теория — это
область физики, которая описывает характеристики и свойства
атомы, составляющие материю. Ключевой момент, на который следует обратить внимание об атомной теории
это отношение между макроскопическим миром (нами) и
микроскопический мир атомов.Например, макроскопический мир имеет дело
с такими понятиями, как температура и давление для описания материи.
Микроскопический мир атомной теории имеет дело с кинетическим движением.
атомов для объяснения макроскопических величин.

В атомной теории температура объясняется как движение атомов
(быстрее = горячее). Давление объясняется как передача импульса
те движущиеся атомы на стенках контейнера (более быстрые атомы =
более высокая температура = больший импульс / удары = более высокое давление).

Томсон Атом :

Следующий большой шаг вперед в понимании атомов был сделан Джоном
Томсон. Используя электронно-лучевой осциллограф, Томсон определил, что все имеет значение,
каким бы ни был его источник, он содержит частицы того же вида, которые намного
менее массивны, чем атомы, частью которых они являются. Они теперь называются
электроны, хотя первоначально он называл их корпускулами.

Его открытие стало результатом попытки решить давнюю
разногласия относительно природы катодных лучей, которые возникают, когда
электрический ток проходит через сосуд, из которого большая часть воздуха или
другой газ откачан.

Применяя улучшенную вакуумную технику,
Томсон смог выдвинуть убедительный аргумент, что эти лучи были
состоит из частиц. Кроме того, эти лучи, казалось, состояли из
одни и те же частицы или тельца, независимо от того, какой газ несет
электрический разряд или какие металлы использовались в качестве проводников. От них
идеи он развил идею о том, что атомы состоят из отрицательных электронов, встроенных в
гель положительного заряда (модель «сливовый пудинг»).

Вывод Томсона о том, что тельца присутствовали во всех видах
дело было усилено в течение следующих трех лет, когда он обнаружил, что
корпускулы с такими же свойствами могут быть произведены другими способами; е.грамм.,
из горячих металлов. Томсона можно охарактеризовать как «человека, расщепившего атом».
впервые, хотя «сколы» могло бы быть более подходящим словом, ввиду
размер и количество электронов.

Атом Резерфорда :

Эрнест Резерфорд считается отцом ядерной физики. Действительно, это
можно сказать, что Резерфорд изобрел сам язык для описания
теоретические представления об атоме и явлении радиоактивности.
Названные и охарактеризованные им частицы включают альфа-частицу, бета.
частица и протон.Резерфорд опроверг модель атома Томсона в 1911 году.
с его известным экспериментом с золотой фольгой, в котором он продемонстрировал, что
атом имеет крошечное массивное ядро.

На рубеже 20-го века физики знали, что некоторые элементы
испускал быстро движущиеся частицы двух вкусов: альфа-частицы и бета-частицы.
Эти элементы обычно были очень тяжелыми (т. Е. Их атомные ядра были массивными), такими как
как уран и радий. Сегодня мы знаем, что тяжелые ядра нестабильны и «распадаются»,
Это означает, что они спонтанно распадаются на более мелкие ядра и испускают случайные частицы.Это называется радиоактивностью.

Альфа-частица была тяжелой и положительно заряженной, теперь мы знаем, что она
ядра гелия (2 протона и 2 нейтрона). Бета-частица была легкой
и отрицательно заряженный, электрон. Резерфорд разработал эксперимент, чтобы использовать
альфа-частицы, испускаемые радиоактивным элементом в качестве зондов невидимого мира
атомная структура. Его эксперимент выглядел так:

Резерфорд просвечивал альфа-частицы через золотую фольгу и обнаруживал их
как вспышки света или мерцания на экране.Золотая фольга была только
Толщина 0,00004 сантиметра, что означает толщину в несколько сотен атомов.

Если модель атомов Томсона верна, то альфа-частицы должны проходить
насквозь с относительно небольшим прогибом.

Ожидается, что они попадут прямо в флуоресцентный экран.
за фольгой.

Фактически, наблюдалось следующее:

Большинство альфа-частиц проходило прямо через золотую фольгу.
Некоторые, однако, были разбросаны под большими углами, а некоторые даже отскочили назад.
к источнику.Только положительно заряженная и относительно тяжелая цель
частица, такая как предполагаемое ядро, могла бы объяснить такое сильное
отталкивание.

Эти результаты лучше всего можно объяснить с помощью модели атома в виде крошечной плотной
положительно заряженное ядро, называемое ядром, в котором почти вся масса равна
концентрированный, вокруг которого свет, отрицательные составляющие, вызванные
электроны циркулируют на некотором расстоянии, как планеты, вращающиеся вокруг
солнце.

Атомную модель Резерфорда также называют
ядерный атом, или планетарная модель атома.

Элементарные частицы :

Одна из первоочередных задач современной физики — ответить на вопрос «Что
из чего состоит Вселенная? »Часто этот вопрос сводится к« Что такое материя? »
и что их скрепляет? «Это продолжает линию расследования
начат Демокритом, Далтоном и Резерфордом.

Современная физика говорит о фундаментальных строительных блоках Природы, где
фундаментальный берет на себя редукционистское значение простых и
бесструктурный. Многие из частиц, которые мы обсуждали до сих пор, выглядят
простые по своим свойствам.У всех электронов одно и то же
характеристики (масса, заряд и т. д.), поэтому мы называем электрон фундаментальным
потому что все они не уникальны.

Поиск происхождения материи означает понимание элементарных частиц. И с
появление холизма, понимание элементарных частиц
требует понимания не только их характеристик, но и того, как
они взаимодействуют и относятся к другим частицам и силам Природы,
область физики называется частица
физика.

Изучение частиц — это тоже история передовых технологий, начинающаяся с
поиск первичной составляющей.Более 200 субатомных частиц
были обнаружены до сих пор, все обнаружено в сложных частицах
акцерляторы. Однако большинство из них не являются фундаментальными, большинство из них
состоит из других, более простых частиц. Например, Резерфорд показал
что атом состоит из ядра и вращающихся электронов. Потом
физики показали, что ядро ​​состоит из нейтронов и протонов.
Более поздняя работа показала, что протоны и нейтроны состоят из
кварки. Краткая история элементарного
Частицы

Кварки и лептоны :

Два самых фундаментальных типа частиц — это кварки и лептоны.Кварки и лептоны
разделен на 6 ароматов, соответствующих трем поколениям материи.
Кварки (и антикварки) имеют электрические заряды в единицах 1/3 или 2/3.
Лептоны имеют заряды в единицах 1 или 0.

Нормальные, повседневные дела относятся к первому поколению, поэтому мы можем сосредоточиться
наше исследование верхних и нижних кварков, электронного нейтрино (часто называемого
нейтрино) и электроны.

Обратите внимание, что каждому кварку или лептону соответствует своя античастица.
Например, есть верхний антикварк, антиэлектрон (называемый
позитрон) и антинейтрино.Бозоны не имеют античастиц, так как
они являются носителями силы (см. основные силы).

Барионы и мезоны :

Кварки объединяются, чтобы сформировать основные строительные блоки материи, барионов и
мезоны. Барионы состоят из трех кварков, образующих протоны и нейтроны.
ядер атомов (а также антипротонов и антинейтронов). Мезоны, сделанные
кварковых пар обычно находятся в космических лучах. Обратите внимание, что кварки
все вместе дают заряды -1, 0 или +1.

Таким образом, наше текущее понимание структуры атома показано
внизу атом содержит ядро, окруженное облаком отрицательно
заряженные электроны.Ядро состоит из нейтральных нейтронов и
положительно заряженные протоны. Противоположный заряд электрона и
протон связывает атом вместе с помощью электромагнитных сил.

Протоны и нейтроны состоят из верхних и нижних кварков, чьи
дробные заряды (2/3 и -1/3) объединяются, чтобы произвести 0 или +1 заряд
протон и нейтрон. Ядро связано ядерным
сильная сила (которая преодолевает электронно-магнитное отталкивание
одноименно заряженные протоны)

Конфайнмент кварка :

Не может быть свободных кварков, т.е.е. кварки сами по себе. Все кварки должны
быть связанным с другим кварком или антикварком за счет обмена глюонами. Этот
называется удержанием кварка. Обмен глюонами дает цвет
силовое поле, относящееся к назначению цветного заряда кваркам,
похож на электрический заряд.

Цветное силовое поле необычно тем, что разделение кварков делает
силовое поле сильнее (в отличие от электромагнитных или гравитационных сил
которые ослабевают с расстоянием). Нужна энергия, чтобы преодолеть цвет
силовое поле.Эта энергия увеличивается до тех пор, пока не появится новый кварк или антикварк.
(энергия равна массе, E = mc ² ).

Два новых кварка образуются и связываются со старыми кварками, образуя два новых мезона.
Таким образом, ни один из кварков никогда не был изолирован. Кварки всегда
путешествуют парами или тройками.

Что такое элементарные частицы? | Живая наука

Элементарные частицы — самые маленькие из известных строительных блоков Вселенной. Считается, что они не имеют внутренней структуры, а это означает, что исследователи думают о них как о нульмерных точках, не занимающих места.Электроны, вероятно, являются наиболее знакомыми элементарными частицами, но Стандартная модель физики, которая описывает взаимодействия частиц и почти все силы, признает всего 10 элементарных частиц.

Электроны и связанные с ними частицы

Электроны — это отрицательно заряженные компоненты атомов. Хотя они считаются нульмерными точечными частицами, электроны окружены облаком других виртуальных частиц, постоянно появляющихся и исчезающих, которые, по сути, действуют как часть самого электрона.Некоторые теории предсказывают, что электрон имеет слегка положительный полюс и слегка отрицательный полюс, а это означает, что это облако виртуальных частиц должно быть немного асимметричным.

Если бы это было так, электроны могли бы вести себя иначе, чем их двойники из антивещества, позитроны, что потенциально объясняет многие загадки материи и антивещества. Но физики неоднократно измеряли форму электрона и находили, что он идеально круглый, насколько им известно, оставив их без ответов на головоломки антивещества.

У электрона есть два более тяжелых родственника: мюон и тау. Мюоны могут быть созданы, когда космические лучи высокой энергии из космоса попадают в верхнюю часть атмосферы Земли, создавая поток экзотических частиц. Тау еще реже и труднее производить, так как они более чем в 3400 раз тяжелее электронов. Нейтрино, электроны, мюоны и тау составляют категорию элементарных частиц, называемых лептонами.

Кварки и их причудливость

Кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, являются еще одним типом элементарных частиц.Вместе с лептонами кварки составляют вещество, которое мы считаем материей.

Когда-то ученые считали атомы самыми маленькими объектами; это слово происходит от греческого «атомос», что означает «неделимый». Примерно на рубеже 20-го века было показано, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Затем, на протяжении 1950-х и 60-х годов, ускорители элементарных частиц продолжали обнаруживать множество экзотических субатомных частиц, таких как пионы и каоны.

В 1964 году физики Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили модель, которая могла бы объяснить внутреннюю работу протонов, нейтронов и остальной части зоопарка частиц, согласно историческому отчету Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии.Внутри протонов и нейтронов находятся крошечные частицы, называемые кварками, которые бывают шести возможных типов или ароматов: верхний, нижний, странный, очаровательный, нижний и верхний.

Протоны состоят из двух верхних кварков и нижнего кварка, а нейтроны состоят из двух нижних и нижних кварков. Верхний и нижний кварки — самые легкие разновидности. Поскольку более массивные частицы имеют тенденцию распадаться на менее массивные, верхние и нижние кварки также являются наиболее распространенными во Вселенной; следовательно, протоны и нейтроны составляют большую часть известной нам материи.

К 1977 году физики выделили пять из шести кварков в лаборатории — верхний, нижний, странный, очаровательный и нижний — но только в 1995 году исследователи из Национальной ускорительной лаборатории Фермилаб в Иллинойсе обнаружили последний кварк, верхний предел. кварк. Его поиски были такими же интенсивными, как и более поздняя охота за бозоном Хиггса. Топ-кварк было так сложно произвести, потому что он примерно в 100 триллионов раз тяжелее, чем ап-кварки, а это означает, что для его производства в ускорителях частиц требовалось гораздо больше энергии.

Диаграмма показывает, как кварки обычно вписываются в наше понимание крошечных частиц. (Изображение предоставлено: udaix / Shutterstock)

Основные частицы природы

Затем есть четыре фундаментальных силы природы: электромагнетизм, гравитация, а также сильные и слабые ядерные взаимодействия. С каждым из них связана фундаментальная частица.

Фотоны — самые известные; они несут электромагнитную силу. Глюоны несут в себе сильное ядерное взаимодействие и находятся в кварках внутри протонов и нейтронов.Слабое взаимодействие, которое опосредует определенные ядерные реакции, переносится двумя фундаментальными частицами, W- и Z-бозонами. Согласно ЦЕРНу, нейтрино, которые чувствуют только слабую силу и гравитацию, взаимодействуют с этими бозонами, и поэтому физики смогли впервые предоставить доказательства их существования с помощью нейтрино.

Гравитация здесь аутсайдер. Он не включен в Стандартную модель, хотя физики подозревают, что с ним может быть связана фундаментальная частица, которую можно назвать гравитоном.Если гравитоны существуют, их можно было бы создать на Большом адронном коллайдере (LHC) в Женеве, Швейцария, но они быстро исчезли бы в дополнительных измерениях, оставив после себя пустую зону там, где они были бы, согласно ЦЕРНу. Пока что БАК не обнаружил свидетельств наличия гравитонов или дополнительных измерений.

Моделирование, показывающее рождение бозона Хиггса при столкновении двух протонов на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса быстро распадается на четыре мюона, которые представляют собой тип тяжелого электрона, который не поглощается детектором.Желтым цветом показаны треки мюонов. (Изображение предоставлено Лукасом Тейлором / CMS)

Неуловимый бозон Хиггса

Наконец, есть бозон Хиггса, король элементарных частиц, который отвечает за придание всем остальным частицам их массы. Охота на Хиггса была серьезным делом для ученых, стремившихся завершить свой каталог Стандартной модели. Когда в 2012 году Хиггса наконец заметили, физики обрадовались, но результаты также поставили их в затруднительное положение.

Хиггс выглядит примерно так, как и предполагалось, но ученые надеялись на большее.Стандартная модель известна как неполная; например, в нем отсутствует описание гравитации, и исследователи думали, что открытие Хиггса поможет указать на другие теории, которые могли бы заменить Стандартную модель. Но пока они оказались пустыми в этом поиске.

Дополнительные ресурсы :

Объяснитель: что такое элементарные частицы?

Часто утверждают, что древние греки были первыми, кто идентифицировал объекты, которые не имеют размера, но могут создавать мир вокруг нас посредством своего взаимодействия.И поскольку мы можем наблюдать мир в мельчайших и мельчайших деталях через микроскопы с увеличивающейся мощностью, естественно задаться вопросом, из чего сделаны эти объекты.

Мы считаем, что нашли некоторые из этих объектов: субатомные частицы или элементарные частицы, которые, не имея размера, не могут иметь субструктуры. Сейчас мы пытаемся объяснить свойства этих частиц и работаем, чтобы показать, как их можно использовать для объяснения содержимого Вселенной.

Есть два типа фундаментальных частиц: частицы материи, некоторые из которых объединяются, чтобы произвести окружающий нас мир, и частицы силы, одна из которых, фотон, отвечает за электромагнитное излучение.Они классифицируются в стандартной модели физики элементарных частиц, которая теоретизирует, как взаимодействуют основные строительные блоки материи под действием фундаментальных сил. Частицы материи — фермионы, а частицы силы — бозоны.

Частицы материи: кварки и лептоны

Материальные частицы делятся на две группы: кварки и лептоны — их шесть, у каждой есть соответствующий партнер.

лептонов делятся на три пары. В каждой паре есть элементарная частица с зарядом и одна без заряда, которая намного легче и ее чрезвычайно трудно обнаружить.Самая легкая из этих пар — электрон и электрон-нейтрино.

А потом еще немного.
Джеймс Чайлдс, CC BY

Заряженный электрон отвечает за электрические токи. Его незаряженный партнер, известный как электронное нейтрино, в большом количестве вырабатывается на Солнце, и они настолько слабо взаимодействуют с окружающей средой, что беспрепятственно проходят через Землю. Миллион из них проходит через каждый квадратный сантиметр вашего тела каждую секунду, днем ​​и ночью.

Электронные нейтрино образуются в невообразимых количествах при взрывах сверхновых, и именно эти частицы рассеивают элементы, образовавшиеся в результате ядерного сгорания, во Вселенной.Эти элементы включают углерод, из которого мы сделаны, кислород, которым мы дышим, и почти все остальное на Земле. Следовательно, несмотря на нежелание нейтрино взаимодействовать с другими элементарными частицами, они жизненно важны для нашего существования. Две другие пары нейтрино (называемые мюонным и мюонным нейтрино, тау- и тау-нейтрино) кажутся просто более тяжелыми версиями электрона.

Электронно-лучевая трубка с магнитными катушками, созданная Дж. Дж. Томсоном 1897 года, использовалась для обнаружения электронов.
Музей науки в Лондоне, CC BY-SA

Поскольку нормальная материя не содержит этих частиц, может показаться, что они являются ненужным усложнением.Однако в течение первых одной-десяти секунд Вселенной после Большого взрыва они сыграли решающую роль в установлении структуры Вселенной, в которой мы живем, известной как Эпоха Лептона.

Шесть кварков также разделены на три пары с причудливыми названиями: «верх» с «низом», «очарование» с «странным» и «верхний» с «низом» (ранее называвшиеся «правда» и «красота», хотя, к сожалению, измененный). Верхние и нижние кварки слипаются, образуя протоны и нейтроны, которые лежат в основе каждого атома.Опять же только самые легкие пары кварков находятся в нормальной материи, пары очарование / странное и верхнее / нижнее, кажется, не играют никакой роли во Вселенной, как она существует сейчас, но, как и более тяжелые лептоны, играли роль в первые моменты ее существования. Вселенная и помогла создать ту, которая поддается нашему существованию.

Силовые частицы

В стандартной модели есть шесть частиц силы, которые создают взаимодействия между частицами материи. Они делятся на четыре основных силы: гравитационную, электромагнитную, сильную и слабую.

Фотон — это частица света, отвечающая за электрические и магнитные поля, создаваемые обменом фотонов от одного заряженного объекта к другому.

Глюон создает силу, отвечающую за удерживание кварков вместе с образованием протонов и нейтронов, а также за удерживание этих протонов и нейтронов вместе с образованием более тяжелых ядер.

Три частицы, названные «W плюс», «W минус» и «Z ноль», называемые промежуточными векторными бозонами, ответственны за процесс радиоактивного распада и за процессы на Солнце, которые заставляют его светиться.Считается, что частица шестой силы, гравитон, ответственна за гравитацию, но пока не наблюдалась.

Антиматерия: фантастическая реальность

Мы также знаем о существовании антиматерии. Это концепция, очень любимая писателями-фантастами, но она действительно существует. Частицы антивещества наблюдались часто. Например, позитрон (античастица электрона) используется в медицине для картирования наших внутренних органов с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).Известно, что когда частица встречает свою античастицу, они оба аннигилируют друг друга, и возникает всплеск энергии. Для обнаружения этого используется ПЭТ-сканер.

У каждой из указанных выше частиц материи есть частица-партнер, которая имеет ту же массу, но противоположный электрический заряд, поэтому мы можем удвоить количество частиц материи (шесть кварков и шесть лептонов), чтобы получить окончательное число 24.

Мы даем кваркам материи число +1, а кваркам антивещества значение -1. Если мы сложим количество кварков материи плюс количество кварков антиматерии, мы получим чистое количество кварков во Вселенной, оно никогда не меняется.Если у нас достаточно энергии, мы можем создать любой из кварков материи, если в то же время мы создаем кварк антивещества. В первые моменты существования Вселенной эти частицы создавались непрерывно — теперь они создаются только при столкновении космических лучей с атмосферой планет и звезд.

Знаменитый бозон Хиггса

Есть последняя частица, которая завершает перекличку частиц в так называемой стандартной модели физики элементарных частиц, описанной до сих пор.Это Хиггс, предсказанный Питером Хиггсом 50 лет назад, и открытие которого в ЦЕРНе в 2012 году привело к присуждению Нобелевской премии Хиггсу и Франсуа Энглерту.

Бозон Хиггса — странная частица: это вторая по тяжести из частиц стандартной модели, и ее невозможно объяснить простым объяснением. Часто говорят, что это источник массы, что верно, но вводит в заблуждение. Он придает массу кваркам, а кварки составляют протоны и нейтроны, но только 2% массы протонов и нейтронов обеспечивается кварками, а остальная часть приходится на энергию глюонов.

На данный момент мы учли все частицы, требуемые стандартной моделью: шесть частиц силы, 24 частицы материи и одна частица Хиггса — всего 31 элементарная частица. Несмотря на то, что мы знаем о них, их свойства не были измерены достаточно хорошо, чтобы мы могли с уверенностью сказать, что эти частицы — все, что нужно для построения Вселенной, которую мы видим вокруг себя, и у нас, конечно же, нет всех ответов. Следующий запуск Большого адронного коллайдера позволит нам уточнить наши измерения некоторых из этих свойств, но есть кое-что еще.

Великий коллайдер.
Редактор изображений, CC BY

Однако теория все еще неверна

Прекрасная теория, стандартная модель, проверялась и повторно проверялась на протяжении двух с лишним десятилетий; и мы еще не провели измерения, которое противоречит нашим прогнозам. Но мы знаем, что стандартная модель должна быть неправильной. Когда мы сталкиваемся с двумя фундаментальными частицами, возможен ряд исходов. Наша теория позволяет нам вычислить вероятность того, что любой конкретный результат может произойти, но при энергиях, превышающих которые мы до сих пор достигли, она предсказывает, что некоторые из этих результатов произойдут с вероятностью более 100% — явно нонсенс.

Физики-теоретики приложили много усилий, пытаясь построить теорию, которая дает разумные ответы при всех энергиях, давая при этом тот же ответ, что и стандартная модель, во всех обстоятельствах, в которых стандартная модель была проверена.

Самая распространенная модификация подразумевает наличие очень тяжелых неоткрытых частиц. Тот факт, что они тяжелые, означает, что для их производства потребуется много энергии. Свойства этих дополнительных частиц можно выбрать, чтобы убедиться, что полученная теория дает разумные ответы при всех энергиях, но они не влияют на измерения, которые так хорошо согласуются со стандартной моделью.

Число этих неоткрытых и пока еще невидимых частиц зависит от того, в какую теорию вы решите верить. Самый популярный класс этих теорий называется суперсимметричными теориями, и они подразумевают, что все частицы, которые мы видели, имеют гораздо более тяжелые аналоги. Однако, если они будут слишком тяжелыми, возникнут проблемы при энергиях, которые мы можем произвести до того, как эти частицы будут обнаружены. Но энергии, которые будут достигнуты в следующем запуске LHC, достаточно высоки, чтобы отсутствие новых частиц нанесло бы удар по всем суперсимметричным теориям.

Элементарных частиц

Краткая история частиц

Атомы, электроны и протоны

Английский химик, физик и метеоролог Джон Далтон считается отцом современной теории атома. В 1805 году Дальтон опубликовал статью, в которой были изложены следующие основные положения теории атома:

• Элементы состоят из очень маленьких частиц, называемых атомами.
• Атомы данного элемента идентичны по размеру, массе и другим свойствам.
• Атомы разных элементов различаются по размеру, массе и другим свойствам.
• Атомы нельзя разделить на части. (конечно, мы можем сделать это сегодня).
• Атомы различных элементов объединяются в простых целочисленных отношениях с образованием химических соединений.
• В химических реакциях атомы объединяются, разделяются или перегруппировываются.

(Джон Далтон был также известен как метеоролог, и период похолодания с 1790 по 1830 год назван в его честь — The Dalton Minimum.Считается, что этот период похолодания связан с более низкой, чем обычно, солнечной активностью, о чем свидетельствуют меньшие циклы солнечных пятен.)

Физик Дж. Дж. Томсон в своей работе над катодными лучами в 1897 году открыл электрон и пришел к выводу, что они являются составной частью каждого атома. Томсон предположил, что отрицательно заряженные электроны очень малой массы были распределены по всему атому. Он объяснил, что их отрицательный заряд уравновешивается наличием однородного моря положительного заряда.Он также предположил, что они могут вращаться кольцами.

В 1909 году физик Эрнест Резерфорд и его сотрудники обстреляли лист золотой фольги альфа-лучами, которые к тому времени были известны как положительно заряженные атомы гелия. Они обнаружили, что небольшой процент этих частиц отклонялся на гораздо большие углы, чем предполагалось. Резерфорд интерпретировал результаты эксперимента как положительный заряд атома золота, и большая часть его массы была сосредоточена в ядре в центре атома.

В 1913 году физик Нильс Бор продемонстрировал, что электроны удерживаются на четко определенных квантованных орбитах и ​​могут прыгать между этими орбитами, но не могут вращаться по спирали внутрь или наружу в промежуточных состояниях. Электрон должен поглощать или излучать определенное количество энергии для перехода между этими фиксированными орбитами. В том же году Эрнест Резерфорд и Антониус Ван ден Брук представили модель, в которой предполагалось, что каждый атом содержит количество положительных ядерных зарядов в своем ядре, равное его атомному номеру в химической периодической таблице.Топ

Квантовая теория

В 1924 году Луи де Бройль предположил, что частицы ведут себя как волны. В 1926 году Эрвин Шредингер использовал эту идею для разработки математической модели атома, которая описывала электроны как трехмерные волновые формы, а не как «точечные» частицы. Это было началом квантовой механики (или квантовой теории). Следствием использования форм волны для описания частиц является невозможность получения точных значений как положения, так и скорости частицы одновременно.Это стало известно как «принцип неопределенности », сформулированный Вернером Гейзенбергом в 1926 году. Эта модель была способна объяснить наблюдения за поведением атомов, чего не могли объяснить предыдущие модели. Впоследствии от планетарной модели атома отказались в пользу той, которая описывала орбитальные зоны атома вокруг ядра, где с наибольшей вероятностью будет наблюдаться данный электрон. См. Рисунок слева.

В 1932 году нейтрон, нейтрально заряженная частица с массой, подобной протону, был открыт физиком Джеймсом Чедвиком в Кембридже, Англия, получившим Нобелевскую премию за свою работу.Затем было объяснено, что изотопы элементов имеют такое же количество «протонов», что и исходный элемент, но другое количество «нейтронов» в ядре.

В 1938 году немецкий ученый Отто Хан, проводя эксперименты по радиоактивности, направил нейтроны на атомы урана, что привело к первой реакции ядерного деления. В ноябре 1945 года Шведская академия присудила Хану Нобелевскую премию по химии с обратной силой 1944 года. Ближе к концу Второй мировой войны в начале 1945 года Хан сдался британским властям и в то время находился в Англии.Отто Хан, которого считают «отцом» ядерной химии, не имел никакого отношения к военным усилиям Германии и решительно выступал против преследования евреев. Топ

Кварки и лептоны

В 1950-х годах разработка усовершенствованных ускорителей частиц и детекторов частиц позволила ученым изучать столкновения атомов, движущихся с очень высокими энергиями. В 1958 году ученые Стэнфордского центра линейных ускорителей (SLAC) обнаружили, что нейтроны и протоны содержат больше элементарных частиц — кварков, . Кварки были названы Мюрреем Гелл-Манном из Калифорнийского технологического института, который получил Нобелевскую премию в 1969 году за свою работу над ними. Нейтроны и протоны теперь попадают в семейство частиц, называемых « адронов, ». которые представляют собой частицы, состоящие из более мелких и элементарных « кварков, ». Адроны состоят из кварков, и образуют два других семейства: барионов, , нормальная стабильная материя, состоящая из трех кварков, и мезонов, , короткоживущие нестабильные частицы, состоящие из одного кварка и одного антикварка.См. Диаграмму слева. Протоны и нейтроны барионов . Различные комбинации протонов и нейтронов составляют ядра атомов. Полный атом также содержит электроны, которые являются лептонами , в дополнение к ядру. Наконец, молекулы составляют разные комбинации атомов.

На протяжении 1950-х и 1960-х годов в ходе экспериментов по рассеянию с использованием современных ускорителей частиц было обнаружено ошеломляющее разнообразие частиц. В то время этот набор частиц назывался «зоопарк частиц», и новые частицы находили примерно раз в месяц.В течение 1970-х годов было обнаружено, что большое количество этих частиц представляет собой комбинации относительно небольшого числа элементарных частиц. Затем были разработаны модели, которые успешно объяснили свойства атомных ядер с точки зрения элементарных частиц и сил, управляющих их взаимодействиями. Эти наблюдения и теории были тщательно проверены и объединены в то, что теперь известно как Стандартная модель . Физики определили 12 элементарных частиц, названных Фермионами , которые являются фундаментальными элементами «материи».В настоящее время считается, что эти 12 элементарных частиц не могут быть далее подразделены. Топ

Фермионы — Поколение I

Наш повседневный мир состоит всего из «трех» строительных блоков Fermion : верхний кварк, нижний кварк и электрон . Это «стабильные» первичные элементы, и эти три частицы — все, что нужно для образования атомов, а затем и гораздо более крупных молекул. Электронное нейтрино , наблюдаемое при распаде других частиц, завершает «первое поколение» трех семейств строительных блоков из фермионов .См. Диаграмму Fermion слева.

Протон состоит из двух восходящих кварков и одного нижнего кварка . Нейтрон состоит из одного ап-кварка и двух нижних кварков . Нейтрино , предсказанные в 1930-х годах, были обнаружены в середине 1950-х годов. Нейтрино было очень трудно найти, потому что они редко взаимодействуют с другими веществами. Миллиарды из нейтрино , выброшенных Солнцем, проходят сейчас через наши тела и Землю. электронных и электронных нейтрино называются « лептонов ». Характеристика, которая отделяет кварков от лептонов , является свойством, называемым « цветовой заряд ». Это не имеет абсолютно никакого отношения к цвету в его обычном понимании. (Кварки намного меньше длины волны видимого света, поэтому они не имеют цвета сами по себе.) «Цветовой заряд , » указывает, взаимодействует ли частица с « сильной ядерной силой ».См. Раздел «Цветовой заряд» ниже. Кварки «действительно» взаимодействуют с сильным ядерным взаимодействием, а лептонов «не взаимодействуют». Подробнее о «сильной ядерной силе» на странице Force.

Все элементарные частицы обладают некоторой формой « электрического заряда ». Электрический заряд описывается в долях «заряда протона» (то есть 0, 1/3, 2/3, 1). Группа электронов имеет заряд -1. У атома водорода есть протон с зарядом +1 и электронов, с зарядом -1, и, следовательно, водород электрически нейтрален и очень стабилен.Группа нейтрино имеет нулевой заряд, а кварков имеют +2/3 или -1/3 заряда протона. Нейтрон состоит из одного нижнего кварка (заряд +2/3) и двух нижних кварков (2 раза -1/3 = -2/3), поэтому он также электрически нейтрален.

Для каждой частицы физики открыли соответствующую античастицу, которая выглядит и ведет себя почти одинаково. Однако античастицы обладают противоположными свойствами по сравнению с соответствующими им частицами.Например, антипротон имеет отрицательный электрический заряд, а протон — положительно. Как только античастица и частица встречаются, они аннигилируют, исчезая во вспышке энергии. Однако антивещество так же реально, как и обычная материя, и это название несколько сбивает с толку. Топ

Фермионы — поколения II и III

Мюоны, в 200 раз тяжелее электронов, были открыты Карлом Д. Андерсоном и Сетом Неддермейером в Калифорнийском технологическом институте в 1936 году при изучении космических лучей из космоса.Андерсон заметил, что некоторые частицы изгибаются иначе, чем электроны, когда они проходят через магнитное поле. Они были заряжены отрицательно, но изогнуты менее резко, чем электроны. Мюон — это элементарная частица, подобная электрону, с электрическим зарядом -1 и спином 1/2 (см. Следующий раздел о спине). Мюон — нестабильная субатомная частица со средним временем жизни 2,2 микросекунды. Мюоны быстро распадаются на три другие частицы, электрон и два разных типа нейтрино.

Мюон был первой частицей, обнаруженной в семействе частиц II поколения. Используя все более мощные ускорители, ученые открывали все больше и больше элементарных частиц в мусоре в результате столкновений частиц. Физики определили закономерность среди частиц и организовали их в три семейства, которые мы теперь называем поколениями I, II и III. См. Диаграмму трех поколений материи выше. Каждое семейство состоит из двух кварков, нейтрино и электрона или одного из его кузенов.Частицы поколений II и III намного тяжелее частиц поколения I и очень нестабильны. Частицы поколений II и III существуют всего несколько микросекунд, прежде чем они распадаются на частицы поколения I. Исключение составляют нейтрино, которые вообще не распадаются. Топ

Таинственное нейтрино

Все три нейтрино — лептоны, семейство частиц, в которое входят электроны. Нейтрино не чувствуют сильной силы, которая удерживает вместе протоны и нейтроны в атомном ядре.Поскольку нейтрино не имеют электрического заряда, они также не чувствуют электромагнитной силы. Почти все нейтрино проходят прямо через Землю, никогда не взаимодействуя с земным атомом. Только сила тяжести и слабое ядерное взаимодействие (сила, ответственная за радиоактивный распад) взаимодействуют с тремя известными версиями нейтрино.

нейтрино были впервые предсказаны Вольфгангом Паули в 1930 году, который сказал: «Я постулировал частицу, которую нельзя обнаружить». Нейтрино не были обнаружены до 1956 г. Клайдом Коуэном и др.al. которые были удостоены Нобелевской премии в 1995 г. (да, 1995 г., 49 лет спустя). Подземные лаборатории идеально подходят для детекторов нейтрино. Толстые слои породы являются идеальным щитом, блокирующим другие типы частиц, которые не могут проникнуть глубоко. Большинство нейтринных установок находится в старых переоборудованных шахтах. Глубоко под землей, в бездействующем железном руднике Судан в Миннесоте, находится восьмиугольный детектор MINOS массой 5400 тонн, показанный в верхнем левом углу на фотографии выше. (Справа от детектора находится фреска художника Джозефа Джаннетти, вдохновленная нейтрино.Для получения дополнительной информации о нейтрино посетите страницу Neutrino. Топ

Отжим

Все элементарные изделия обладают внутренним свойством, называемым «, вращение », которое нелегко визуализировать. Концептуально вращение похоже на вращение планеты вокруг своей оси. Как следует из названия, спин изначально задумывался как быстрое вращение частицы вокруг оси. Однако, как со временем выяснили ученые, элементарные частицы сами по себе не имеют оси. Например, электрон — это , а не частица в космосе, которая вращается и вращается вокруг ядра.Они больше похожи на трехмерные стоячие волны в облаке. Они действительно демонстрируют крошечное магнитное поле, как если бы они вращались чрезвычайно быстро, независимо от их орбитального вращения вокруг ядра. См. Распределение вероятности «электронного облака» слева. Их конкретное местоположение никогда не может быть известно, известна только вероятность нахождения в любом данном месте — принцип неопределенности .

В нашем «нормальном» мире вращающиеся заряженные объекты обладают определенными магнитными свойствами.В микромире элементарные частицы обладают такими же магнитными свойствами, отсюда и аналогия со спином и . Однако спина является лишь аналогией и не следует принимать строго. Связь со спином также верна, поскольку спин подчиняется математическим законам углового момента. Хотя направление вращения частицы можно изменить, частицу нельзя заставить вращаться быстрее или медленнее. Все элементы определенной группы имеют одно и то же , вращение , это часть их внутренней структуры.Кроме того, вращение квантуется — это означает, что разрешены только определенные дискретные вращения . Например, все фермионы имеют спин , равный 1/2. Многие физические процессы, от мельчайших ядерных размеров до самых больших астрофизических расстояний, сильно зависят от взаимодействий субатомных частиц и спина этих частиц.

Все известные частицы во Вселенной можно разделить на две группы: частицы со спином 1/2 — вся материя ( Фермионы ) во Вселенной, и частицы со спином 0, 1, 2 — все силы (бозоны), которые взаимодействуют с частицами материи.(Для получения дополнительной информации о силах см. Страницу Силы.) Все частицы материи ( спин 1/2) подчиняются принципу исключения Паули . Это было обнаружено в 1925 году австрийским физиком Вольфгангом Паули, получившим Нобелевскую премию в 1945 году за свою работу. Принцип исключения Паули гласит, что никакие два фермиона (частицы материи) не могут находиться в одном и том же состоянии, т.е. они оба не могут иметь одинаковое положение и скорость. Это принцип исключения Паули , который разделяет все элементы на разные категории, составляющие Периодическую таблицу в химии.Топ

Color Charge

«Цветовой заряд , », обнаруживаемый только в кварках и глюонах, совершенно не связан с человеческим восприятием цвета.
Цветовой заряд является неотъемлемым свойством кварков и глюонов, относящимся к « сильному ядерному взаимодействию ». Термин «цвет» был выбран потому, что свойство, к которому он относится, имеет три аспекта. Они аналогичны трем основным цветам: красному, зеленому и синему, которые при объединении дают белый цвет.Цвет кварка может принимать одно из трех значений, также называемых красным, зеленым и синим. Анти-кварк может принимать один из трех антицветов : анти-красный, анти-зеленый и анти-синий (представленные как голубой, пурпурный и желтый). Глюоны имеют два цвета, такие как красный и анти-зеленый, которые составляют их цветовой заряд . Цветной заряд имеет очень маленький диапазон, только размер атомного ядра.

Ограничение цвета — это явление, которое проявляют частицы « цветных заряженных » (кварки и глюоны).Это означает, что их нельзя изолировать или непосредственно наблюдать индивидуально. Кварки и антикварки объединяются в группы по два или три и образуют «адронов». Два типа адронов — это барионы (три кварка) и мезоны (один кварк и один антикварк). Индивидуальные кварки никогда не встречаются в одиночку и не могут быть отделены от их родительского адрона. Вот почему кварки можно наблюдать только на адронном уровне.

«Цветной заряд» похож на электромагнитный заряд, за исключением того, что он бывает трех типов вместо двух, и это другой тип силы с другими правилами поведения.(Эти правила объясняются теорией квантовой хромодинамики (КХД), которая представляет собой теорию кварк-глюонных взаимодействий.) Подобно аддитивной цветовой модели в базовой оптике, комбинация трех кварков или трех антикварков, каждый из которых имеет свой цвет. зарядов », всегда будет всего заряда« белого »цвета. Все адроны имеют «нулевой общий» цветной заряд, то есть «белый».

« сильное ядерное взаимодействие » между кварками опосредуется (активируется) глюонами.Как упоминалось выше, каждый глюон несет один цветовой заряд и один антицветный заряд . Поскольку глюоны несут цветовой заряд , они сами могут испускать и поглощать другие глюоны. Между кварками постоянно происходит обмен глюонами. Когда глюон переносится между двумя кварками, происходит «изменение» цвета двух кварков, а также глюона. В то время как цвет каждого кварка постоянно меняется, общий цветной заряд адрона остается « ноль » (или белый), а « сильное ядерное взаимодействие » сохраняется.Топ

Частица Хиггса

Новой частицей, о которой было объявлено в июле 2012 года, был бозон Хиггса, частица, поле которой объясняет, как другие частицы получают свою массу. В начале 2012 года физики ЦЕРН объявили с вероятностью 99%, что они обнаружили новую элементарную частицу, которая весит примерно в 126 раз больше массы протона. Собрав в два с половиной раза больше данных, физики заявили, что частица определенно была бозоном Хиггса. Считается, что изображение CMS слева представляет собой столкновение, в результате которого частица Хиггса временно формируется, а затем почти мгновенно распадается на четыре электрона.

«Для меня очевидно, что мы имеем дело с бозоном Хиггса, хотя нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы узнать, что это за бозон Хиггса», — сказал представитель CMS Джо Инкандела. Ученые не уверены, является ли этот конкретный бозон Хиггса тем, который предсказывает Стандартная модель, или, возможно, самым легким из нескольких бозонов, существование которых предсказывают другие теории. Частица Хиггса должна иметь нулевой спин, ее четность должна быть положительной, а ее масса должна составлять от 120 до 130 ГэВ. Все эти атрибуты были подтверждены данными экспериментов ATLAS и CMS.

Наблюдение за тем, как эта конкретная частица распадается на другие частицы, позволит физикам узнать, является ли эта частица Хиггса «простой ванилью» Стандартной модели Хиггса. Обнаружение бозона Хиггса — редкое явление. Только один наблюдается на каждый триллион протон-протонных столкновений. Поэтому физики ЦЕРН говорят, что им нужно гораздо больше данных, чтобы понять все способы распада Хиггса. Это произойдет не раньше 2015 года или позже, когда Большой адронный коллайдер (LHC) снова начнет работать и команды ATLAS и CMS соберут больше данных на более высоких скоростях столкновения.Для получения дополнительной информации о частице Хиггса см. «Охота на частицу Хиггса». Топ

Может ли пузырь лопнуть нашу Вселенную?

Космологическая стандартная модель, современная теория Вселенной, имеет уравнения, которые частично зависят от значений масс как «бозона Хиггса», так и «верхнего кварка». Масса топ-кварка оценивается в 171 ГэВ, а масса бозона Хиггса — в 126 ГэВ. Когда эти значения вводятся в уравнения, теоретическая вселенная оказывается стабильной только временно и становится «нестабильной» в течение миллиардов лет.Что в этом контексте означает «нестабильный»?

Согласно квантовой теории, состояние с самой низкой энергией в нашей нынешней Вселенной не является самым низким из возможных состояний. В этой теории существует еще более низкое энергетическое состояние, в которое наша Вселенная, скорее всего, перейдет в случае нарушения. Это может показаться не слишком зловещим, пока не станет понятно, что в этом новом более низком энергетическом состоянии все протоны во всей материи Вселенной распадутся со скоростью света на более элементарные частицы.Прискорбный побочный эффект этого нового состояния состоит в том, что все звезды, планеты, солнце, земля и мы, люди, больше не будут существовать.

Если бы произошел фазовый переход такого рода, пузырь новой фазы внезапно появился бы внутри старой фазы (нашей Вселенной) и расширился бы со скоростью, близкой к скорости света. См. Иллюстрацию художника слева. Новый пузырь будет очень быстро расти и со временем поглотит текущую вселенную, превращая все в новую фазу. Это был бы конец Вселенной, какой мы ее знаем сегодня.

Эта идея судного дня получила немало огласки в научных СМИ. Итак, давайте рассмотрим вероятность того, что это событие осуществится (а не произведет фурор в СМИ). Фурор в СМИ привел к пересмотру уравнений стандартной космологической модели. В результате для того, чтобы Вселенная была стабильной, масса Хиггса должна быть больше 129,4 ± 5,6 ГэВ (от 123,8 до 135,0 ГэВ). Следовательно, при 126 ГэВ масса Хиггса укладывается в статистические пределы стабильности Вселенной.Кроме того, почти все физики считают Стандартную модель очень неполной. Например, он не включает гравитацию, экспериментально наблюдаемую массу нейтрино, темную материю или темную энергию. Поэтому большинство физиков полагают, что Стандартная модель в будущем подвергнется серьезным изменениям, и ее последствия наверняка будут пересмотрены.

Даже если бы где-то во Вселенной образовался разрушительный пузырь и полетел бы со скоростью света, наша Вселенная имела бы в поперечнике многие миллиарды световых лет.Помните, что «наблюдаемая» Вселенная имеет ширину примерно 90 миллиардов световых лет, а «полная вселенная» считается как минимум в 1000 раз шире наблюдаемой Вселенной. Так что, если бы разрушительный пузырь внезапно где-то появился и разлетелся во всех направлениях со скоростью света, то, вероятно, до нас потребовалось бы много миллиардов лет. Имейте в виду, что наше Солнце и Земля самоуничтожатся примерно через 5 миллиардов лет.

Наконец, данные, собранные на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, указывают на то, что очень маловероятно, что мы живем в нестабильной Вселенной.Это означает, что человечество находится в безопасности очень и очень долго, скорее всего, пока выживают солнце и земля.

Верх

Известное и неизвестное в стандартной модели физики элементарных частиц

Стандартная модель физики элементарных частиц — это собрание открытий и теорий, которые описывают мельчайшие единицы материи и взаимодействия между энергией и материей. Согласно этой модели, все во Вселенной состоит из субатомных структур, известных как фундаментальные частицы — кварков, лептонов и бозонов, и управляется четырьмя фундаментальными силами — сильными и слабыми ядерными силами, электромагнетизмом и гравитацией.

Кварки и лептоны, также известные как фермионы, составляют материю. Группа кварков включает шесть частиц, включая: верхний, нижний, очаровательный, странный, верхний и нижний кварки. Группа лептонов включает электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино, электрон, мюон и тау-частицы. Внутри фермионов частицы связаны парами или поколениями. Самые легкие и стабильные частицы составляют первое поколение, тогда как более тяжелые и менее стабильные частицы принадлежат ко второму и третьему поколениям.

Группа бозонов включает фотон, глюон, Z-частицу, W-частицу и Хиггса. Они являются переносчиками сил: сильная сила переносится глюоном, электромагнитная сила переносится фотоном, а бозоны W и Z ответственны за слабую силу. Гравитон, теоретический бозон, отвечающий за гравитацию, все еще исследуется учеными по всему миру. Считается, что бозон Хиггса, открытый в 2012 году, лежит в основе образования массы.

Стандартная модель успешно прошла тесты экспериментов, рассчитанных на десятилетия, и точно предсказала широкий спектр явлений.Но он далек от завершения: одна из четырех фундаментальных сил гравитации не может быть объяснена в этой модели; при этом он не проясняет существование темной материи и темной энергии (27% и 68% общей массы-энергии Вселенной) и многие другие загадочные вопросы.

Элементарные частицы в стандартной модели. Кредит: Википедия

Источник: ЦЕРН / Live Science

Ссылка на видео: ЦЕРН — Стандартная модель физики частиц

NOVA | Элегантная Вселенная | Элементарные частицы (без вспышки)

Вселенная может быть представлена ​​несколькими частицами, включенными в
таблица, показанная на этой странице.* Было бы еще более удивительно, если бы эти 19
были сделаны из одного и того же элементарного компонента. Если теория суперструн окажется
правда, так и будет. Согласно теории, каждый из
«фундаментальные» частицы состоят из одинаковых струн, с той лишь разницей, что
между струнами — их колебательные паттерны (см. Резонанс в
Строки для получения дополнительной информации).

Стандартная модель плюс гравитация

С одной стороны, есть квантовая механика и стандартная модель, описывающая
мир очень маленький.С другой стороны, есть общая теория относительности,
который описывает гравитацию и мир очень большого. За одним исключением,
все частицы, перечисленные в таблице, объясняются стандартной моделью.
Исключение составляет гравитон, частица силы, стоящая за гравитацией.

Теоретики суперструн считают, что они на пути к разработке фреймворка
который включает в себя как общую теорию относительности, так и квантовую механику. Если они
преуспеют, они откроют теорию, которая решит величайшую проблему в
физика — объединение законов природы.

Частицы

Гравитон

Гравитон — теоретический носитель силы тяжести. Гравитация, безусловно,
самая слабая из четырех сил — намного слабее даже самой слабой силы. Причина
гравитация может показаться значительной силой, поскольку она может только притягивать, а
чем больше масса сосредоточена в области, тем сильнее гравитационная сила.
С другой стороны, электромагнетизм — это сила отталкивания, а также
сила притяжения. Его положительный и отрицательный заряды имеют тенденцию нейтрализовать друг друга.
out, который нейтрализует общую силу.

Гравитон еще не наблюдался или иным образом не доказано существование. Тем не мение,
скорость замедления вращения нейтронных звезд согласуется с
расчеты, включающие излучение гравитонов.

Фотон

Фотон является переносчиком всех электромагнитных излучений, в том числе радиоволн.
волны, свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи.

Фотоны и связанное с ними электромагнитное поле также удерживают атомы вместе от
притяжение между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными атомными
ядра.Электромагнитная сила также отвечает за взаимодействие
между атомами и молекулами — без этой силы ваш палец прошел бы
через вашу компьютерную мышь (не говоря уже об атомах и молекулах, которые производят
ваше тело больше не будет связано вместе).

Слабые калибровочные бозоны

W ⁺ , W ^— и Z ⁰ — слабые калибровочные бозоны,
носители слабой силы.

Слабое взаимодействие вызывает радиоактивный распад, вызывая пониженный кварк внутри
нейтрон превратиться в ап-кварк.Это изменение превращает нейтрон в
протон, высвобождая электрон в процессе. Слабая сила также может трансформировать
протон в нейтрон.

Карло Руббиа, Симон Ван дер Меер и команда из 130 физиков
открыл слабые калибровочные бозоны в 1983 году.

Глюон

Глюон, являющийся переносчиком сильной силы, работает на крошечных расстояниях — 10 ^-13 см или меньше. Сильная сила действует как клей, плотно связывая
кварки объединяются в группы по три, чтобы образовать протоны и нейтроны и другие
комбинации для образования других частиц.

Сильное взаимодействие также удерживает вместе протоны и нейтроны, которые составляют
атомное ядро. Без сильного взаимодействия протоны удалялись бы от каждого
другие из-за отталкивания, вызванного их подобными электрическими зарядами.

Косвенные свидетельства глюона были впервые обнаружены на Немецкой академии наук.
Elektronen Synchrotron в Гамбурге, Германия, в 1979 году.

Бозон Хиггса

Физики элементарных частиц ожидали, что слабые калибровочные бозоны будут безмассовыми частицами.Вместо этого экспериментально было показано, что эти бозоны имеют значительную массу.
Для объяснения этой массы был постулирован бозон Хиггса.

Согласно гипотезе, поле Хиггса тормозит слабые калибровочные бозоны,
которые иначе двигались бы со скоростью света. Это замедление дает
бозоны — эффективная масса. При достаточно высоких температурах эффекты Хиггса
исчезают, позволяя слабым калибровочным бозонам перемещаться со скоростью света
и стать безмассовым.

Бозон Хиггса, названный в честь человека, который постулировал его существование,
Питер Хиггс объясняет, почему слабые калибровочные бозоны не являются безмассовыми частицами.

Семья 1 Лептоны и кварки

Электрон

Электрон — это отрицательно заряженная частица, которая окружает ядро
атом. Из-за своего отрицательного электрического заряда электрон притягивается к
положительно заряженные протоны в ядре атома, удерживая их связанными с
ядро. Как электроны собираются в оболочках вокруг атома
помогает определить химические характеристики этого атома.

Отрицательный заряд электрона также не дает атомам пройти через один
другой — отталкивание, вызванное одноименными зарядами, разделяет атомы.

Электрон, открытый в 1897 году Дж. Дж. Томсоном, имеет
различие быть первой обнаруженной субатомной частицей.

Электронное нейтрино

Нейтрино может преодолевать большие расстояния через материю без
взаимодействуя с ним — проходит около 600 триллионов нейтрино от Солнца
через ваше тело каждую секунду. Нейтрино виртуально стреляют сквозь Землю
беспрепятственно, поэтому число, проходящее через вас, будет таким же, даже если оно
ночь и солнце находится на другой стороне Земли.Причина в том, что
они безмассовые или почти безмассовые и взаимодействуют только с материей
через гравитацию и слабую силу.

В 1930 году Вольфганг Паули предсказал существование нейтрино. В
Существование частицы было показано Клайдом Коуэном и Фредом Рейнсом в 1956 году.

Up кварк

Наименее массивный из шести кварков, верхний кварк комбинируется с нижним кварком.
чтобы решить проблему, с которой мы сталкиваемся в повседневной жизни.

Хотя отдельные кварки никогда не наблюдались, есть косвенные доказательства
это убеждает физиков в том, что они существуют.

В 1964 году Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга объявили
теоретическое существование кварков.

Даун кварк

Нижние и верхние кварки составляют ´ протоны и нейтроны, которые образуют
атомные ядра и, следовательно, они несут ответственность за подавляющую часть всей материи
что мы переживаем и видим.

Два нижних кварка и верхний кварк составляют нейтрон (-1/3 + -1/3 + 2/3 = 0).
Один нижний кварк и два верхних кварка составляют протон (-1/3 + 2/3 + 2/3 = 1).

Гипотеза кварков Мюррея Гелл-Манна и Джорджа Цвейга подтвердилась
в 1968 году в Стэнфордском центре линейных ускорителей.

Семья 2 лептоны и кварки

Мюон

Как и электрон, мюон является заряженной частицей. В отличие от электрона, это
более массивный и нестабильный; две трети всех мюонов распадаются на
электрон, мюонное нейтрино и электронное антинейтрино в пределах двух
микросекунды после их появления.

Мюон был следующей элементарной частицей, обнаруженной после открытий
электрон, протон и нейтрон.

Джабез ​​С. Стрит и Эдвард С. Стивенсон нашли доказательства существования мюона
в 1937 г.

Мюонное нейтрино

Обнаруженное в 1961 году мюонное нейтрино оказалось другой частицей, чем
электронное нейтрино.

Электронные нейтрино связаны с типом радиоактивного распада, который
производит электрон вместе с нейтрино. Тип радиоактивного распада, который
производит мюонные нейтрино, а также производит мюоны, которые являются элементарными частицами, которые
похожи на электроны, но более массивны.

Заслуга в открытии мюонного нейтрино принадлежит Джеку.
Штейнбергер, Мелвин Шварц и Леон Ледерман.

Очаровательный кварк

Очарованный кварк, похожий на верхний кварк, но более массивный, был
четвертый кварк найден после открытий восходящего, нисходящего и странного
кварки.

Очарованный кварк был косвенно открыт одновременно в 1974 г.
Брукхейвенская национальная лаборатория и Стэнфордский линейный ускоритель
Центр.

Странный кварк

Странный кварк получил свое название из-за его «странного» поведения.Когда это
был впервые обнаружен, он прожил намного дольше, чем предполагалось.

Как и в случае с другими кварками, свидетельство существования странного кварка было косвенным — оно
был обнаружен внутри более крупной частицы, которая содержала его вместе с верхним кварком и
даун-кварк.

В 1947 году Джордж Рочестер и К.С. Батлер открыли частицу «V».
(от космического луча), который, как позже было показано, связан со странным
кварк.

Семья 3 лептонов и кварков

Тау

Тау-лептон идентичен электрону, за исключением того, что он в 3500 раз больше
тяжелее и нестабильнее.Он существует менее одной триллионной секунды до того, как
он распадается на другие частицы.

Тау-лептон был открыт в 1975 году Мартином Перлом и группой исследователей.
30 физиков в Стэнфордском позитронно-электронном асимметричном кольце.

Тау нейтрино

Совсем недавно обнаруженный международным коллаборацией физиков
тау-нейтрино — самый массивный из трех типов нейтрино. Его существование
было подтверждено, когда частица, которая могла быть только тау-нейтрино, попала в
ядро атома и создал тау-лептон.

Первое прямое свидетельство существования тау-нейтрино было обнаружено в
2000 г. в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Иллинойсе.

Верхний кварк

Топ-кварк был шестым и последним обнаруженным кварком. Масса
одиночный топ-кварк эквивалентен ядру атома золота, которое
содержит 197 протонов и нейтронов. (Эти 197 протонов и нейтронов состоят из
591 верхний и нижний кварк!)

Топ-кварк был открыт в 1995 году в Национальном центре Ферми.
Ускорительная лаборатория.

Нижний кварк

Нижний кварк был пятым обнаруженным кварком. Его открытие привело физиков к
предсказывают, что будет шестой кварк (топ-кварк), который позже
открыта в 1995 году.

Нижний кварк был открыт в 1976 году в Национальном университете Ферми.
Ускорительная лаборатория.

Подробнее об этой таблице

Контекст
Здесь перечислены основные силы, материя и действия, которые выполняет каждая частица.
обычно ассоциируется с.Исключение составляют фермионы, входящие в Семейство 2.
и частицы семейства 3. Эти фермионы в основном обнаруживаются только в
ускорители частиц.

Масса
Согласно теории суперструн, каждая элементарная частица состоит из крошечной
основная струна. И поскольку масса и энергия эквивалентны (как описано
Знаменитое уравнение Эйнштейна, E = Mc ² ), масса каждой «частицы» равна
определяется энергией струны — чем выше энергия струны, тем
больше масса частицы.Цифры, представленные здесь, даны в единицах
миллионы электрон-вольт (МэВ), когда частицы находятся в состоянии покоя.

Заряд
Заряд 1 означает, что частица имеет положительный электрический заряд, а
заряд -1 указывает, что частица имеет отрицательный заряд, а заряд
0 означает, что частица не взаимодействует с электромагнитной силой.
Кварки, которые имеют дробные заряды, могут объединяться в тройки, образуя протоны.
и нейтроны, которые имеют заряды 1 и 0 соответственно.Кварки также могут
объединяются попарно, чтобы создать частицы с зарядами +1, 0 или -1.

Spin
Эксперименты показывают, что каждая элементарная частица имеет собственный угловой
импульс — или свойство, называемое вращением. Все фермионы имеют спин 1/2, а
все бозоны имеют целое число спина. Согласно теории струн,
каждая элементарная частица состоит из крошечной струны, и каждая струна имеет вращение.
связанный с вибрацией струны.

Сила
Четыре силы, которые переносятся бозонами и действуют на разные
расстояния, различаются по силе, причем сильная сила является самой сильной и
самая слабая гравитация.Все представленные здесь цифры относятся к сильным
сила (поэтому ее сила указана как «1») на расстоянии
10 ^-13 см. К фермионам прочность неприменима, потому что они не
нести силы.

Диапазон
Некоторые частицы, несущие силу, такие как фотон и гравитон, имеют
бесконечный диапазон, в то время как другие работают только на очень коротких расстояниях. Ценности
показаны в сантиметрах. Диапазон неприменим к фермионам, потому что они
не бери силы.

Наблюдается?
С помощью таких инструментов, как ускорители частиц, физики могут
заглянуть в глубь субатомного мира и проверить существование различных
частицы. Иногда есть только косвенные доказательства наличия частиц, как
случай со всеми типами кварков и глюоном.

Sparticles
В отличие от других данных, отображаемых в этом столбце, показанная здесь информация
не показывать атрибуты элементарных частиц, а скорее «супер
частицы »(sparticles), связанные с каждой частицей.Частицы
альтернативные, возможно, более массивные версии элементарных частиц, предсказанные
суперсимметрия. Физики еще не подтвердили существование этих
частицы.

* В таблице перечислены 19 известных частиц (17 из которых экспериментально
подтверждено, хотя некоторые из них косвенно). Дело и заставляет нас
опыт, однако, может составлять примерно половину этого числа. Этот стол
не содержит античастиц.

Основы физики элементарных частиц

Концепция фундаментальных неделимых частиц восходит к древним грекам (концепция, известная как «атомизм»).В 20 веке физики начали изучать происходящее на мельчайших уровнях материи, и среди их самых поразительных современных открытий было количество различных частиц во Вселенной. Квантовая физика предсказывает 18 типов элементарных частиц, 16 из которых уже обнаружены экспериментально. Физика элементарных частиц стремится найти оставшиеся частицы.

Стандартная модель

Стандартная модель физики элементарных частиц, которая классифицирует элементарные частицы на несколько групп, лежит в основе современной физики.В этой модели описаны три из четырех фундаментальных сил физики, а также калибровочные бозоны, частицы, которые являются посредниками этих сил. Хотя гравитация технически не включена в Стандартную модель, физики-теоретики работают над расширением модели, чтобы включить и предсказать квантовую теорию гравитации.

Если есть что-то, что, кажется, нравится физикам элементарных частиц, так это разделение частиц на группы. Элементарные частицы — это мельчайшие составляющие вещества и энергии.Насколько ученые могут судить, похоже, они не состоят из комбинации каких-либо более мелких частиц.

Разрушение материи и сил

Все элементарные частицы в физике классифицируются как фермионы или бозоны. Квантовая физика демонстрирует, что частицы могут иметь собственный ненулевой «спин» или угловой момент, связанный с ними.

Фермион (названный в честь Энрико Ферми) — это частица с полуцелым спином, а бозон (названный в честь Сатьендры Нат Бозе) — это частица с целым или целым спином.Эти вращения приводят к различным математическим приложениям в конкретных ситуациях. Простая математика сложения целых и полуцелых чисел показывает следующее:

• Объединение нечетного числа фермионов приводит к фермиону, потому что полный спин по-прежнему будет иметь полуцелое значение.
• Объединение четного числа фермионов приводит к бозону, потому что полный спин дает целое число.

Фермионы

Фермионы имеют спин частицы, равный полуцелому значению (-1/2, 1/2, 3/2 и т. Д.).). Эти частицы составляют вещество, которое мы наблюдаем в нашей Вселенной. Двумя основными составляющими вещества являются кварки и лептоны. Обе эти субатомные частицы являются фермионами, поэтому все бозоны созданы из одинаковой комбинации этих частиц.

Кварки — это класс фермионов, из которых состоят адроны, такие как протоны и нейтроны. Кварки — это фундаментальные частицы, которые взаимодействуют посредством всех четырех фундаментальных сил физики: гравитации, электромагнетизма, слабого и сильного взаимодействия.Кварки всегда существуют в комбинации, чтобы сформировать субатомные частицы, известные как адроны. Есть шесть различных типов кварков:

• Нижний кварк
• Странный кварк
• Нижний кварк
• Верхний кварк
• Очаровательный кварк
• Верхний кварк

Лептоны — это тип элементарных частиц, которые не испытывают сильного взаимодействия. Всего существует шесть разновидностей лептонов:

• Электрон
• Электрон нейтрино
• Мюон
• Мюонный нейтрино
• Тау
• Тау нейтрино

Каждый из трех «ароматов» лептона (электрон, мюон и тау) состоит из «слабого дублета» вышеупомянутой частицы вместе с практически безмассовой нейтральной частицей, называемой нейтрино.Таким образом, электронный лептон представляет собой слабый дублет электрона и электронного нейтрино.

Бозоны

Бозоны имеют спин частицы, равный целому числу (целые числа, такие как 1, 2, 3 и т. Д.). Эти частицы являются посредниками между фундаментальными физическими силами в рамках квантовых теорий поля.

Составные частицы

Адроны — это частицы, состоящие из множества связанных вместе кварков, так что их спин имеет полуцелое значение. Адроны делятся на мезоны (которые являются бозонами) и барионы (которые являются фермионами).

• Мезоны
• Барионы
• Нуклоны
• Гипероны: короткоживущие частицы, состоящие из странных кварков

Молекулы представляют собой сложные структуры, состоящие из нескольких атомов, связанных вместе. Основной химический строительный блок материи, атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны — это нуклоны, тип барионов, которые вместе образуют составную частицу, являющуюся ядром атома. Изучение того, как атомы соединяются вместе, образуя различные молекулярные структуры, является основой современной химии.

Классификация частиц

В физике элементарных частиц может быть трудно сохранить все имена прямо, поэтому было бы полезно подумать о мире животных, где такое структурированное именование могло бы быть более знакомым и интуитивно понятным. Люди — это приматы, млекопитающие, а также позвоночные. Точно так же протоны — это нуклоны, барионы, адроны, а также фермионы.

К сожалению, разница в том, что термины обычно похожи друг на друга. Например, спутать бозоны и барионы гораздо проще, чем путать приматов и беспозвоночных.Единственный способ действительно разделить эти разные группы частиц — это просто внимательно изучить их и постараться быть осторожными с тем, какое имя используется.

Отредактировала Энн Мари Хелменстин, доктор философии.

.