Из чего состоит вещество

Из чего состоит вещество

Физики считают, что вещество - одна из форм материи, состоящая из элементарных частиц. Что же это за частицы?

Из чего состоит вещество

Понятие «атом» в научной среде появилось очень давно. Древнегреческие учёные Левкипп и Демокрит, авторы атомической гипотезы, называли атомами мельчайшие частицы, из которых по их представлению состоит материя (от греческого ἄτομος — неделимый). Предполагалось, что они однородны, неделимы по своей природе, не содержат пустоты, не возникают и не исчезают. И в мире нет ничего, что было бы меньше атомов.

В средние века эту теорию поддерживали Джордано Бруно, Галилео Галилей, Исаак Бекман и другие учёные.

Великий русский учёный Михаил Васильевич Ломоносов считал, что атомы не могут существовать в веществе обособленно, а объединяются в молекулы. Он называл их корпускулами.

С точки зрения химии атом - наименьшая частью химического элемента, сохраняющий его свойства. Атомы одного элемента одинаковы, но они отличаются от атомов другого вещества. Взаимодействуя, они объединяются в молекулы. При химических реакциях атомы не разрушается. Из них образуются новые химические вещества.

Однако современные физики, хотя и используют термин «атом», вовсе не считают его неделимым. Хотя до конца XIX – начала ХХ века они также, как и химики, были уверены, что атом не делится.

Что внутри атома

Из чего состоит вещество

Миф о неделимости атома рухнул, когда английский физик Джозеф Джон Томсон в 1897 г. открыл электрон, отрицательно заряженную элементарную частицу. Он же создал и первую электронную модель атома, названную "моделью сливового пудинга". В этой модели атом представлялся в виде шара, заполненного неким положительно заряженным веществом, внутри которого располагались электроны подобно изюму в булочке.

Неверность этой модели была доказана британским физиком сэром Эрнестом Резерфордом. Опытным путём он установил, что часть атома, имеющая положительный заряд, сконцентрирована в очень маленьком объёме. Эту часть он назвал ядром атома. В ядре атома сосредоточено более 99,9% всей массы атома. И электроны не вкраплены в ядро, а вращаются вокруг него по круговым орбитам подобно тому, как вращаются планеты вокруг Солнца в Солнечной системе. Предложенную Резерфордом модель атома назвали планетарной.

Как оказалось, ядро атома тоже делится. Оно состоит из положительно заряженных элементарных частиц, называемых протонами, и частиц, не имеющих заряда, называемых нейтронами. Протоны и нейтроны связаны между собой силами ядерного взаимодействия, которые не дают им разлетаться.

Протоны были открыты в 1919 г. Резерфордом, а нейтроны – в 1932 г. учеником Резерфорда английским физиком Джеймсом Чедвиком. Массы протона и нейтрона равны по величине. Заряд протона равен по величине заряду электрона.

Общее название протонов и нейтронов – нуклоны. Элементарными эти частицам считались до середины ХХ века. Но оказалось, что и они имеют сложный состав и состоят из других частиц.

Понятие об элементарных частицах

Что же такое элементарная частица? Физики считают ею микрообъект, который невозможно расщепить на составные части. Науке известны уже более 350 частиц, которые можно назвать элементарными. Их изучением занимается физика элементарных частиц.

Однако не все элементарные частицы имеют право называться элементарными. Некоторые из них имеют сложную структуру, но тем не менее разделить их на составные части невозможно. Поэтому их продолжают называть элементарными. Другие элементарные частицы, не имеющие составной структуры, называют фундаментальными частицами.

Наряду с массой и зарядом очень важной характеристикой элементарной частицы является спин - собственный момент импульса частицы. Это квантовая характеристика. Она не зависит от перемещения частицы в пространстве. У неё нет аналогов в классической механике.  Спин может принимать не только целые, но и полуцелые значения. Учёным известны частицы со спином 0, ½, 1, 3/2 и 2.

В зависимости от значения спина все элементарные частицы делят на 2 класса: бозоны и фермионы. Бозоны – частицы с целым спином. Фермионы – частицы с полуцелым спином.

Стандартная модель

Все элементарные частицы, известные науке, а также взаимодействия между ними (кроме гравитационного) объясняет физическая теория, которую называют Стандартной моделью. В этой теории отделены материя и силы взаимодействия.

 «Кирпичиками материи» в Стандартной модели считаются фундаментальные частицы с полуцелым спином фермионы, а переносчиками взаимодействия – частицы с целым спином калибровочные бозоны.

Фермионы подразделяются на кварки и лептоны.

Кварки

Из чего состоит вещество 

В 60-е годы ХХ века учёные открыли множество элементарных частиц. Но как они устроены, не знал никто. И вот в 1964 году американский физик Мари Гелл-Ман и американский физик и нейробиолог Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили простую теорию, согласно которой все элементарные частицы состоят из трёх кварков. Вскоре их число увеличили до шести. Им дали забавные названия: d - нижний, u - верхний, s - странный, c - очарованный, b - прелестный и t - истинный. Их называют «ароматами».

Вообще, кварк – удивительная фундаментальная частица. Она не имеет структуры. Это точечная частица. Её электрический заряд кратен 1/3 элементарного заряда. Конечно, сложно представить, как можно разделить элементарный заряд на 3 части. Он ведь и считается элементарным, потому что не делится. Но всё становится понятным, когда мы узнаём, что в свободной форме кварк не существует. До сих пор никому не удавалось выделить кварк.

d, s, b – кварки имеют заряд, равный -1/3, а  величина заряда кварков u, c, t +2/3.

Все кварки сгруппированы в 3 поколения, в каждом из которых один заряд имеет величину -1/3, а другой +2/3.

Первое поколение: d, u.

Второе поколение: s, c.

Третье поколение: b, t.

Протоны и нейтроны составлены из кварков первого поколения d и u.

Нейтрон n состоит из трех кварков (udd ). Суммарный заряд этой комбинации равен нулю. Следовательно, нейтрон – электрически нейтральная частица.

В протоне комбинация кварков другая – uud. (+2/3 + 2/3 + (-1/3)) = +1. Заряд протона +1.

В дальнейшем практически каждая вновь открытая элементарная частица соответствовала какой-то комбинации кварков.

Но кроме электрического заряда кварк имеет дополнительную квантовую характеристику, которую назвали «цветом», или «цветовым зарядом». Каждый тип кварков может существовать в трёх цветовых состояниях: красном, зелёном и синем. Конечно, это просто аналогия, не имеющая никакого отношения к оптическим цветам, которые мы наблюдаем в жизни. Кварк каждого "аромата"может быть «раскрашен» в любой из трёх цветов, а антикварк – в любой из трёх антицветов. "Цвет" - это характеристика кварков, но не андронов, которые, как известно, составлены из кварков. Андроны бесцветны. Поэтому в андроны входят только такие кварки, комбинация цветов которых даёт белый цвет.

"Цвет" - это аналог электрического заряда, следовательно, может быть положительным или отрицательным. Именно цветом объясняют сильное взаимодействие кварков.

Кварки участвуют во всех видах взаимодействий. В сильных взаимодействиях (обмен частицами –глюонами) «цвет» кварка меняется, но не меняется «аромат». А в слабых – меняется «аромат», но не меняется «цвет».

Каждому кварку соответствует антикварк - частица с противоположными квантовыми характеристиками. Таким образом, известно 6 кварков и 6 антикварков.

Кварки существуют в связанном состоянии внутри андронов, частиц, участвующих во всех видах фундаментальных взаимодействий. Пример андронов - протоны, нейтроны.

Андроны делятся на барионы и мезоны. Барионы состоят из трёх «разноцветных» кварков, а мезоны – из одного кварка и одного антикварка. Протоны и нейтроны относятся к барионам.

Лептоны

В отличие от кварков лептоны могут существовать в свободной форме. К примеру, электрон – стабильная элементарная частица. В свободном состоянии может жить бесконечно долго. Мюон существует всего лишь 0,2 миллисекунды, а тау-лептон распадается в 17 раз быстрее мюона. Масса мюона в 207 раз больше массы электрона, а масса тау-лептона в 17 раз превосходит массу мюона.

Различают 3 поколения лептонов. В каждом из них один лептон заряжен, а другой нейтрален.

1 поколение: электрон, электронное нейтрино;

2 поколение: мюон, мюонное нейтрино;

3 поколение: тау-лептон, тау-нейтрино.

Спин всех лептонов равен ½. Следовательно, они относятся к фермионам.

Бозоны

Из чего состоит вещество

Итак, вещество состоит из 12 фундаментальных частиц, не имеющих внутренней структуры: шести кварков (d, u, s, c, b, t) и шести лептонов (электрон, мюон, t-лептон и три вида нейтрино). Все эти частицы имеют спин (собственный магнитный момент 1/2 и относятся к фермионам.

Переносчиками взаимодействия служат бозоны, частицы с целым спином. Их тоже 12: восемь глюонов, 3 калибровочных бозона (W+, W- и Z0) – для слабого взаимодействия и один фотон – для электромагнитного взаимодействия.

Глюоны - безмассовые частицы. Они несут цветовой заряд и отвечают за сильное взаимодействие между кварками. Можно сказать, что они сохраняют протоны и нейтроны, из которых состоят атомы, неизменными на протяжении миллионов лет.

Фотон передаёт электромагнитное взаимодействие.

Калибровочные бозоны W+, W- и Z0, заряженные соответственно положительно, отрицательно и нейтрально, отвечают за так называемое слабое взаимодействие, в результате которого одни частицы превращаются в другие.

Можно ли считать, что все элементарные частицы, существующие в природе, уже известны науке? Конечно же, нет. Новые открытия ещё впереди.