Микромир и его элементы

 

Содержание

Введение

1. Микромир

1.1 Понятие «микромир»

.2 Молекулы и атомы

.3 Микромир как мир элементарных частиц

. Классификация элементарных частиц

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Важнейшее свойство материи - ее структурная и системная организация, которая выражает упорядоченность существования материи в виде огромного разнообразия материальных объектов различных масштабов и уровней, связанных между собой единой системой иерархии.

Уже в глубокой древности, за две с половиной тысячи лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению.

Однако за последние 150 лет развилось и экспериментально обосновано современное учение о молекулах и атомах. Успехи в изучении строения вещества и раскрыли перед исследователями природы этот новый мир.

Мир мельчайших частиц оказался чрезвычайно сложным - любое тело, которое в механике рассматривалось как сплошное, при использовании новых методов исследований оказывалось сложной системой громадного числа непрерывно движущихся молекул. Молекулы оказались состоящими из еще более мелких частиц - атомов, причем в некоторых типах молекул число атомов оказалось очень большим. В свою очередь атомы оказались сложными системами, состоящими из электронов и ядер, а сами ядра - состоящими из различных частиц.

Таким образом, все объекты в природе состоят из элементарных частиц, объединенных в более или менее сложные структуры.

Все вышесказанное обосновывает актуальность данной темы.

Цель работы: всестороннее изучение микромира и его элементов.

Работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы 15 страниц.

1. Микромир

.1 Понятие «микромир»

Все многообразие известных человечеству объектов и свойственных им явлений обычно разделяется на три качественно различные области - микро-, макро- и мегамиры.

Мегамир включает галактики и звезды; макромир - планетные системы звезд, планеты, окружающие нас тела; микромир - молекулы, атомы, ядра атомов, элементарные частицы. Структура основных материальных объектов представлена в табл.1.

Таблица 1 - Структура основных материальных объектов

Структура основных материальных объектовОбласть пространства Протяжен-ность области, мОбъекты - структурные единицы деления материи Размеры объекта, м Состав объекта Движение внутри объекта составляя-ющих его струк-турных частейМегамир1025 - 1020Галактики1020ЗвездыЗвездМакромир1020 - 10-8Планетные системы звезд Планеты и окружающие нас на Земле тела. Электромагнитное поле Гравитационное поле1013 106 - 10-2 Планеты Молекулы и атомы Фотоны Планет Молекул и атомов Микромир 10-8 -10-18 Молекулы и атомы Ядра атомов Элементарные частицы10-8 -10-10 10-15 0 - 10-15Ядра и электроны НуклоныЭлектронов и ядер Нуклонов Взаимное превращение частиц

Если сравнить состав объектов всех трех областей (мегамир, макромир, микромир), то можно сделать важный вывод: все состоит из элементарных частиц, причем в состав вещества в стабильном состоянии входит всего три вида основных частиц. Это протоны, нейтроны и электроны, а электромагнитное поле состоит из фотонов. Это микромир - область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, размер которых исчисляется в диапазоне от 10-8 до10-16 см, а время жизни - от бесконечности до 10-24 с. Это мир от атомов до элементарных частиц.

В отличие от мира крупных тел, или макромира, микромир недоступен непосредственному наблюдению, и для изучения его требуются особые, тонкие методы. Микромир оказался чрезвычайно сложным. Любое тело, которое в механике рассматривалось как сплошное, при использовании новых методов исследований оказывалось сложной системой громадного числа непрерывно движущихся молекул.

Молекулы оказались состоящими из еще более мелких частиц - атомов, причем в некоторых типах молекул число атомов оказалось очень большим. В свою очередь атомы оказались сложными системами, состоящими из электронов и ядер, а сами ядра - состоящими из различных частиц.

Таким образом, под понятием «микромир» понимается совокупность фундаментальных элементарных частиц и их взаимодействий.

Приступая к изучению микромира, начнем с определения атомов и молекул.

.2 Молекулы и атомы

До конца XIX в. в науке господствовало убеждение, что все физические тела состоят из очень маленьких частиц - молекул, невидимых глазу, но доступных наблюдению в мощный микроскоп. Однако сами молекулы состоят из еще более мелких частиц - атомов.

Атом (от греч. atomos - неделимый) называют часть вещества микроскопических размеров и массы, мельчайшую частицу химического элемента, сохраняющую его свойства. Атомы состоят из элементарных частиц и имеют сложную внутреннюю структуру, представляя собой целостную ядерно-электронную систему. В центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг движутся электроны, образующие электронные оболочки, размеры которых (~10-8 см) определяют размеры атома.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре (заряд всех электронов атома равен заряду ядра), число протонов равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь отрицательно или положительно заряженными ионами.

В самом конце XIX в. английский физик Джон Томсон открыл существование в атоме отрицательно заряженных частиц, которые получили название электронов. Поскольку атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение, что помимо электронов в нем существуют также положительно заряженные частицы. Опыты английского физика Эрнеста Резерфорда привели его к выводу о том, что в любом атоме существует ядро - положительно заряженная частица, размер которой (10-12 см или одна стомиллиардная часть миллиметра) очень мал по сравнению с размерами всего атома (10-8 см или одна десятимиллионная часть миллиметра).

Эти открытия убедительно показали, что атомы - это не простейшие, неделимые и неизменные частицы вещества, а сложные, делимые и способные к превращению микрообъекты, имеющие определенное устройство.

Химические свойства атомов определяются в основном числом электронов во внешней оболочке; соединяясь химически, атомы образуют молекулы.

Молекулы - это очередной после атомов качественный уровень строения и эволюции вещества. Молекула (новолат. Molecula - уменьшит. от лат. moles - масса) - микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию, обладающая его главными химическими свойствами. Имеет постоянный состав входящих в нее атомных ядер и фиксированное число электронов и обладает совокупностью свойств, позволяющих отличать молекулы одного вида от молекул другого. Число атомов в молекуле может быть различным: от двух до сотен тысяч.

Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, сложных - из разных атомов. Существует большое количество соединений, молекулы которых состоят из многих тысяч атомов - макромолекулы.

Подчеркивая целостность молекул, органическое единство их составных частей, современное естествознание характеризует движение молекул как движение самостоятельных и целостных систем, а не как простую сумму разрозненных движений отдельных образующих их частиц (атомов, ядер и электронов). Те взаимодействия молекул, которые не сопровождаются изменением их структуры, изучаются физикой и называются физическими. Взаимодействия же молекул, приводящие к их качественным взаимопревращениям, перестройке их внутренних связей, называются химическими и изучаются химией.

Открытия в физике, сделанные на рубеже XIX и XX столетий, разрушили многовековые представления об атомах, произвели настоящую революцию в науке.

.3 Микромир как мир элементарных частиц

Элементарные частицы - материальные объекты, которые нельзя разделить на составные части. В соответствии с этим определением к элементарным частицам не могут быть отнесены молекулы, атомы и атомные ядра, которые поддаются делению на составные части - атом делится на ядро и орбитальные электроны, ядро - на нуклоны. В то же время нуклоны, состоящие из более мелких и фундаментальных частиц - кварков, нельзя разделить на эти кварки. Поэтому нуклоны относят к элементарным частицам.

В строгом смысле слова элементарные частицы не должны содержать в себе какие-либо другие частицы. Однако далеко не все из наиболее известных элементарных частиц удовлетворяют этому требованию. Было обнаружено, что элементарные частицы могут взаимно превращаться, т.е. не являются «последними кирпичиками» мироздания. В настоящее время уже известны сотни элементарных частиц. И, хотя элементарных частиц очень много, весь наш привычный мир построен всего из трех элементарных частиц, которые были открыты первыми - это электрон, протон и нейтрон.

К элементарным частицам относят также фотон - частицу электромагнитного поля. По современным представлениям вопрос о размерах частиц ставить некорректно. У них нет четкой границы, они как бы размазаны по пространству, и мы можем знать только вероятность нахождения частицы в той или иной области. Тем не менее не вызывает возражений утверждение, что элементарные частицы очень малы. Только фотон обладает незначительной энергией и малым импульсом, и понятия размера для фотона не существует. У фотона нет такого свойства, поэтому нельзя сказать «маленький фотон» или «большой фотон».

Так как все вещество построено из протонов, нейтронов и электронов, а электромагнитное поле - из фотонов, можно утверждать, что основное население микромира состоит из этих четырех частиц. Однако, это не означает, что остальные частицы не имеют никакого значения. Каждая из элементарных частиц важна на своем месте. Например, мезоны обеспечивают взаимодействие между протонами и нейтронами и удерживают их вместе в ядре. Всепроникающие и почти неуловимые нейтрино образуются при некоторых реакциях, унося часть энергии. Без них эти реакции были бы невозможны.

Простейший атом вещества - атом водорода - состоит из одного протона и одного электрона. Его диаметр примерно равен 10-10м = 1А (ангстрем). Ангстрем наиболее удобная единица длины для микромира. Он примерно во столько же раз меньше одного метра, во сколько раз длина нашего класса меньше расстояния от Земли до Солнца. Можно сказать, что атом так же далек от нас, как и Солнце. Только Солнце далеко вдаль, а атом далек в глубину.

Для изучения элементарных частиц требуются их источники. Если раньше элементарные частицы обычно обнаруживали в космических лучах, то с начала 50-х годов в основной инструмент для исследования элементарных частиц превратились ускорители.

Есть элементарные частицы, которые при прохождении через атмосферу космических лучей, существуют миллионные доли секунды, затем распадаются, превращаются в другие элементарные частицы или испускают энергию в форме излучения. К наиболее известным элементарным частицам относятся электрон, фотон, пи-мезон, мюон, нейтрино. В космических лучах присутствуют элементарные частицы самых разных энергий, и которые нельзя получить сегодня искусственным путем. Недостаток космических лучей как источника частиц с высокими энергиями в том, что таких частиц очень немного. Появление частицы с высокой энергией в поле зрения прибора носит случайный характер.

Ускорители элементарных частиц дают потоки элементарных частиц, обладающих одинаково высокой энергией. Ускорители существуют различных типов: бетатрон, циклотрон, линейный ускоритель. Ускорители элементарных частиц являются настолько грандиозными сооружениями, что их называют пирамидами XX века.

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными.

Способность к взаимным превращениям - это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (то есть исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии.

Может протекать и обратный процесс - рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона с достаточно большой энергией с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном. Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, то есть обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка - из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.

Во всех взаимодействиях элементарные частицы ведут себя как единое целое. Характеристиками элементарных частиц являются, кроме массы покоя, электрического заряда, спина, также такие специфические характеристики (квантовые числа), как барионный заряд, лептонный заряд, гиперзаряд, странность и т.п.

Итак, менее чем за один век представления о фундаментальных законах, определяющих всё многообразие явлений в природе, радикально изменились. Мы многое узнали о «микромире», о тех «строительных элементах», из которых состоит вещество, об их свойствах и законах взаимодействия между собой.

Современная наука ждет ответов на многие сложные вопросы, связанные не только с микромиром, но также касающиеся макро- и мегамиров, ведь три эти области существуют не изолированно друг от друга, а представляют собой единую физическую реальность.

2. Классификация элементарных частиц

В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации (рис.2).

Так, элементарные частицы, различающиеся по своим свойствам и характеру взаимодействия, принято делить на две большие группы:

фермионы - частицы с полуцелым спином (карки, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);

и бозоны - частицы с целым спином (фотон, глюон, мезоны) (рис.1).

Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.

Между частицами существует четыре типа взаимодействия, каждое из которых переносится своим типом бозонов.

Фотон, или квант света переносит электромагнитное взаимодействие.

Глюоны осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки.

Векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц.

Рисунок - 1 Элементарные частицы

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на:

- составные частицы:

адроны - частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Общее число около четырехсот. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

мезоны - являются частицами с целочисленным спином (нулевым). Такие частицы называют бозонами;

барионы - адроны с полуцелым спином (фермионы) и массами не меньше массы протона. За исключением протона все нестабильны.

- фундаментальные частицы - бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. В настоящее время термин применяется преимущественно для лептонов и кварков (по 6 частиц каждого рода, вместе с античастицами, составляют набор из 24 фундаментальных частиц) в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий):

лептоны - фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т.е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10?18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

кварки - дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента).

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы - адроны - построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых.

Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков. Антибарион строится из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк-антикварк.

Как и лептоны, кварки делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

калибровочные бозоны - частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

фотон - частица, переносящая электромагнитное взаимодействие. Не обладают массой, тем не менее могут переносить энергию и импульс;

восемь глюонов - частиц, переносящих сильное взаимодействие;

три промежуточных векторных бозона W+, W? и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

гравитон - гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны - это кванты разных видов излучения. Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

Как видим дать определение элементарной частицы и их свойствам, не так просто. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно.

В обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами и атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона.

Другие элементарные частицы на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные - фундаментальные частицы, под которыми понимаются микрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободной частиц.

Рисунок 2 - Классификация элементарных частиц

Заключение

Итак, микромир - это мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10~8 до 10~16 см, а время жизни - от бесконечности до 10~24 секунд.

Объектами микромира являются фундаментальные и элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Элементарные частицы - это частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома, к ним относят также и те частицы, которые получают при помощи мощных ускорителей частиц.

Есть элементарные частицы, которые возникают при прохождении через атмосферу космических лучей, они существуют миллионные доли секунды, затем распадаются, превращаются в другие элементарные частицы или испускают энергию в форме излучения.

Оказалось, таким образом, что дать определение элементарной частицы не так просто. В обычном употреблении физики называют элементарными такие частицы, которые не являются атомами и атомными ядрами, за исключением протона и нейтрона.

После установления сложной структуры многих элементарных частиц потребовалось ввести новое понятие - фундаментальные частицы, под которыми понимаются микрочастицы, внутреннюю структуру которой нельзя представить в виде объединения других свободной частиц.

Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие. Кварки входят в состав адронов.

Пептоны могут иметь электрический заряд, могут быть нейтральными.

Заряженные лептоны могут, как и электроны (относящиеся к их числу) вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Лептоны, не имеющие заряда могут проходить беспрепятственно через вещество (хоть через всю Землю) не взаимодействуя с ним.

У каждой частицы есть античастица, отличающаяся только зарядом.

Для описания явлений микромира обычно привлекают квантовую механику, законы которой составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц.

Таким образом, много необычного и неожиданного несет для познания физического мира эта область - Микромир.

микромир атом молекула элементарный

Список использованной литературы

1.Бондарев В.П. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов вузов / В.П. Бондарев. - М.: Альфа-М, 2003. - 464 с.

2.Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания: Учебное пособие / С.Х. Карпенков. - М.: Академический Проект, 2002. - 368 с.

3.Грядовой Д.И. Концепции современного естествознания. Лекции для студентов дистанционного отделения УГАТУ / Д.И. Грядовой. - Уфа, 2005. - [Электронный ресурс]. Режим доступа: #"justify">4.Концепции современного естествознания. учеб. пособие / А.А. Горелов. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 469 с.

5.Концепции современного естествознания. Учебник для ВУЗов / В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников, В.Ф. Голубь и др. - М: ЮНИТИ, 1999. - 271 с.

6.Концепции современного естествознания: учеб. пособие / под ред. С.И. Самыгина. - Ростов н/Д.: Феникс, 2005. - 413 с.

7.Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник / В.М. Найдыш. - М.: ИНФРА-М, 2004. - 476 с.

Содержание Введение 1. Микромир 1.1 Понятие «микромир» .2 Молекулы и атомы .3 Микромир как мир элементарных частиц . Классификац

Больше работ по теме: