Естествознание
10 класс

§ 26. Единство многообразия. Микромир

Ответьте: существует ли в природе атом,
абсолютно похожий на другой атом?
Д. Дидро

Каковы особенности микромира? Какова структура атомов и молекул и природа связи атомов в молекуле? Какова структура атомного ядра и природа связи нуклонов в ядре? Какие частицы в настоящее время считают фундаментальными составляющими материи?

Урок-лекция

ОСОБЕННОСТИ МИКРОМИРА. Вы, конечно, знаете, что микромир обладает своими особенностями. Попробуем кратко их сформулировать.

Первой особенностью, о которой уже говорилось, является ограниченность средств наблюдения за процессами, происходящими в микромире.

Ограниченность средств наблюдения приводит к другой важной особенности микромира — существованию тождественных частиц В микромире не существует двух различающихся между собой атомов водорода или двух различных электронов.

Макроскопическое проявление движений микрочастиц может быть разнообразным. Это движение видимых частичек пыльцы в опыте по наблюдению броуновского движения Это показание амперметра при изучении явления фотоэффекта (см. рис. 19, § 22). Существуют другие разнообразные методы. Например, в переохлажденном паре быстро движущаяся частица может оставлять след в виде микроскопических капелек воды, подобно следу реактивного самолета.

В макромире ситуация совершенно иная. Мы не сможем найти две совершенно одинаковые сосны. Мы не сможем изготовить два совершенно одинаковых бильярдных шара.

Третья особенность микромира — корпускулярно-волновой дуализм. Эта особенность все в большей степени проявляется при углублении в микромир.

  1. Возможности исследования микромира существенно ограничены по сравнению с исследованием макромира.
  2. Все «одинаковые» объекты микромира тождественны, т. е. неразличимы между собой.
  3. Все объекты микромира обладают свойствами волн и частиц.

АТОМЫ И МОЛЕКУЛЫ. Мир атомов и молекул — это мир, измеряемый нанометрами. Это мир, в котором царствует электромагнитное взаимодействие, все остальные фундаментальные взаимодействия пренебрежимо малы. Как уже говорилось, атомы имеют в своем составе ядро размерами порядка 10-12 см и электронную оболочку размером порядка 10-8 см. Разнообразие атомов обусловлено различным зарядом их ядер.

Несмотря на то что число электронов в различных атомах изменяется от единицы до сотни с лишним, размеры атомов различаются незначительно. Чем больше атомный номер, тем больше число электронов движется ближе к ядру.

Атомы и молекулы представляют собой структуры, образованные ядрами и электронами, связанными между собой электромагнитным взаимодействием. Размеры атомов и расстояния между ядрами молекулы имеют величины порядка 10-8 см.

Мир молекул более разнообразен связи с возможностью образования полимерных молекул, содержащих сотни тысяч атомов. Расстояния между ядрами молекулы сравнимы с размерами атома. Природа химической связи основана том, что при сближении атомов энергетически более выгодным (имеющим меньшую энергию) становится состояние, в котором электроны уже не принадлежат отдельному атому, а движутся в поле многих ядер одновременно. На языке квантовой теории это означает, что становятся сравнимы вероятности обнаружить один и тот же электрон вблизи любого из ядер молекулы.

ЯДРА АТОМОВ. Как уже говорилось, связь нуклонов (нейтронов и протонов) в ядре осуществляется сильным взаимодействием. Будучи короткодействующим, это взаимодействие связывает между собой лишь ближайшие касающиеся друг друга нуклоны. В отличие от атома, который в основном состоит из пустоты, так как размеры ядер и электронов существенно меньше размеров атомов, нуклоны в ядре тесно прижаты друг к другу. В связи с этим энергетически выгодной оказывается сферическая форма ядра, обьем ядра приблизительно пропорционален числу нуклонов, а размер — кубическому корню из этого числа.

Сильные взаимодействия обладают важным свойством спаривать нейтроны и протоны в ядре. Поэтому наиболее стабильные ядра содержат одинаковое число нейтронов и протонов.

Энергия, связывающая нуклоны в ядре, увеличивается с ростом числа нуклонов, однако энергия связи, приходящаяся на один нуклон, вначале резко возрастает, а затем плавно уменьшается (рис. 24). Это приводит к тому, что ядрам с малым числом нуклонов энергетически выгоднее объединиться, а ядрам с большим числом нуклонов — распасться.

Рис. 24. Удельная энергия связи нуклонов в ядре (энергия, приходящаяся на один нуклон)

Ядра атомов представляют собой сферические структуры, имеющие размеры лодка 10-12 см и состоящие из непрерывно движущихся нуклонов (нейтронов и протонов), связанных между собой сильным взаимодействием. Нуклоны в ядре плотно «упакованы», поэтому объем ядра приблизительно пропорционален числу нуклонов.

КВАРКИ. Развитие познаний о микромире шло в непрерывном поиске некоторых «элементарных кирпичиков вещества». Вначале такими «кирпичиками» считались атомы, затем электроны, нейтроны и протоны. Поскольку название «атом» закрепилось за частицей, которая «не оправдала доверия» («атом» по-гречески — неделимый), появился новый термин — элементарные частицы. Первоначально к ним отнесли электрон, протон и нейтрон. Затем, как вы знаете, появилось нейтрино.

Сталкивая различные частицы друг с другом, физики обнаружили новые короткоживущие частицы. Некоторые из этих частиц живут меньше 10-20 с. «Парк» элементарных частиц быстро разрастался, и к 60-м гг. XX в. их уже было больше, чем атомов в таблице Менделеева. Анализируя свойства различных адронов (заряд, спин, процессы взаимопревращений), Мюррей Гелл-Ман в 1964 г. выдвинул гипотезу о том, что все они состоят из «еще более элементарных» частиц, которые назвал кварками.

Вы уже, наверное, привыкли к греческим, латинским или английским корням различных физических терминов. Так вот, слово «кварк», хотя и означает в переводе с немецкого «творог или особый сорт простокваши», никакого отношения к этим продуктам не имеет. Гелл-Ман заимствовал это слово из романа Дж. Джойса «Поминки по Финегану», где чайки кричат: «Три кварка для мистера Марка». Так что слово «кварк» — это просто абстракция, крик чаек.

В соответствии с этой гипотезой такие адроны, как протон и нейтрон, состоят из трех кварков, другие же адроны — из двух или трех кварков. Размеры кварков сравнимы с размером электрона. Поскольку эти размеры (порядка 10-16 см) много меньше размера нуклона (порядка 10-13 см), то можно считать, что нуклоны, подобно атому, «состоят из пустоты».

Последующие эксперименты подтвердили гипотезу Гелл-Мана, однако существенно изменили наше понимание словосочетания «состоит из». Современный опыт и теория говорят о том, что кварки не существуют в свободном состоянии. Это означает, что протон нельзя разделить на три кварка, хотя экспериментально кварки внутри протона наблюдаются.

Связаны кварки в протоне и нейтроне сильным взаимодействием. Лептоны, не участвующие в сильном взаимодействии, остались по-прежнему элементарными частицами. Таким образом, фундаментальными «кирпичиками» вещества в настоящее время считают кварки и лептоны.

Вы знаете, что все частицы вещества обладают волновыми свойствами. Одновременно фундаментальные поля, о которых говорилось в предыдущем параграфе, обладают корпускулярными свойствами. В соответствии с этим каждому фундаментальному взаимодействию может быть сопоставлена частица (или несколько частиц). Такие частицы стали называть частицами — переносчиками взаимодействий. С одной из таких частиц - фотоном вы уже знакомы. Эта частица переносит электромагнитное взаимодействие. Аналогичные частицы открыты для сильных взаимодействий (их назвали глюонами) и для слабых взаимодействий (промежуточные бозоны). Имеются гипотезы, что гравитационному взаимодействию можно также сопоставить частицу гравитон. Однако теория о «кирпичиках» мироздания еще далеко не завершена, и здесь еще предстоит сделать много открытий.

С точки зрения современной науки элементарными составляющими вещества являются кварки и лептоны. Кварки входят в состав адронов, в частности в состав нуклонов, и в свободном виде не существуют. Фундаментальным полям соответствуют кванты полей — частицы-переносчики взаимодействия.

  • При химических реакциях энергия может выделяться или поглощаться. Какому фундаментальному взаимодействию соответствует эта энергия?
  • Почему для исследования молекул белков биологи применяют электронный, а не обычный микроскоп?
  • Почему нейтрон не может вылететь из ядра, а электрон (при β -излучении) может?

Рейтинг@Mail.ru