Обекти на микрокосмоса

Формирането на теорията за атомно-молекулярната структура на света пада в началото на 19-ти век, въпреки че дори Демокрит предполага, че Вселената е съставена от най-малките неделими частици, но е било възможно експериментално да се докаже, че всеки химичен елемент се състои на еднакви атоми едва през 1808г. Това е направено от английския химик и физик Дж. Далтън - създателят на химическия атомизъм, а през 1811 г. италианският физик и химик А. Авогадро излага хипотезата за молекулярната структура на веществата (в частност, прости газове).

В края на XIX - началото на XX век. физиката достигна ново ниво на изследване. Концепциите и принципите на класическата физика се оказаха неприложими не само за изучаване на свойствата на пространството и времето, но още повече за изучаването на физическите свойства на най-малките частици от материя или микрообекти, като електрони, протони, неутрони, атоми и подобни обекти, които често се наричат атомни частици. Те образуват невидим за нас микрокосмос.

Отначало физиците бяха изумени от необичайните свойства на тези най-малки частици материя, които те изучаваха в микрокосмоса. Опитите да се опишат и още повече да се обяснят свойствата на микрочастиците, използвайки концепциите и принципите на класическата физика, очевидно са се провалили. Търсенето на нови концепции и методи за обяснение в крайна сметка доведе до появата на нова квантова механика, чиято окончателна конструкция и обосновка E. E. Schrödinger (1887 - 1961), W. Heisenberg (1901 - 1976), М. Роден (1882 - 1970). В самото начало този механик беше извикан вълна за разлика от конвенционалната механика, която разглежда обектите си като съставени от корпускули или частици. По-късно името е прието за механиката на микрообектите квантова механика.

Всичко по-горе оправдава значимостта на тази тема.

Цел на работата: цялостно изследване и анализ на микросвета и неговите обекти.

Работата се състои от въведение, две глави, заключение и библиография. Общ обем на работа 14 страници.

Цялото разнообразие от обекти, познати на човечеството, и техните характерни явления обикновено се разделят на три качествено различни области - микро-, макро- и мегасветове (виж таблицата).

Концепция "Микросвят" обхваща основни и елементарни частици, ядра, атоми и молекули.

Елементарни частици - това са частиците, които изграждат по-рано "неделимия" атом. Те включват и онези частици, които се получават с помощта на мощни ускорители на частици. Има елементарни частици, които възникват, когато космическите лъчи преминават през атмосферата, те съществуват милионна част от секундата, след това се разпадат, превръщат се в други елементарни частици или излъчват енергия под формата на радиация. Най-известните елементарни частици включват електрон, фотон, пи-мезон, мюон и неутрино. В строгия смисъл на думата елементарните частици не трябва да съдържат никакви други частици. Не всички от най-известните елементарни частици обаче отговарят на това изискване. Установено е, че елементарните частици могат взаимно да се трансформират, т.е. не са "последните градивни елементи" на Вселената. Понастоящем вече са известни стотици елементарни частици, въпреки че според теорията броят им не трябва да бъде особено голям. Най-новите изследвания, по-специално, потвърждават изложената по-рано хипотеза за съществуването на още повече „елементарни“ частици - кварки.

Първата елементарна частица, открита във физиката, е електронът, който през 1897 г., докато изучава газовите разряди, е открит от английския физик Джоузеф Томсън и измерва съотношението на неговия заряд към масата. Електрон -- един от основните структурни елементи на веществото; електронните обвивки на атомите определят оптичните, електрическите, магнитните и химичните свойства на атомите и молекулите, както и повечето свойства на твърдите вещества.

Често физиците наричат елементарни частици, които не са атоми и атомни ядра, с изключение на протона и неутрона. След установяването на сложната структура на много елементарни частици, беше необходимо да се въведе нова концепция - основни частици, които се разбират като микрочастици, чиято вътрешна структура не може да бъде представена като комбинация от други свободни частици.

Във всички взаимодействия елементарните частици се държат като едно цяло. Характеристиките на елементарните частици са в допълнение към масата на покой, електрическия заряд, спина, също такива специфични характеристики (квантови числа) като барионен заряд, лептонен заряд, хиперзаряд, странност и др.

Понастоящем се знае много за атомната структура на материята и елементарните частици. Тъй като елементарните частици са способни на взаимни трансформации, това не позволява да ги разглеждаме, както и атома, като най-простите, неизменни „градивни елементи на Вселената“. Броят на елементарните частици е много голям. Общо са открити над 350 елементарни частици, от които стабилни са само фотонът, електронът и мюонното неутрино, електронът, протонът и техните античастици (всяка елементарна частица, с изключение на абсолютно неутралните, има свои античастица). Останалите елементарни частици спонтанно се разпадат за време от 10 3 s (свободен неутрон) до 10 -22 - 10 -24 s (резонанси).

Има няколко групи елементарни частици, които се различават по своите свойства и характер на взаимодействието, които обикновено се разделят на две големи групи: фермиони и бозони (виж фигурата).

Фермиони съставляващо вещество, бозони трансферно взаимодействие.

Лептони (от гръцки. лесно) - частици със спин 1/2, които не участват в силни взаимодействия и имат запазена вътрешна характеристика - лептонен заряд, могат да бъдат неутрални. Заредените лептони могат, подобно на електроните (свързани с техния брой), да се въртят около ядра, образувайки атоми. Лептоните, които нямат заряд, могат да преминават безпрепятствено през материята (дори през цялата Земя), без да взаимодействат с нея. Всяка частица има античастица, която се различава само по заряд.

Адрони - елементарни частици, участващи във всички фундаментални взаимодействия, включително силни; силните взаимодействия, характерни за адроните, се характеризират с максимален брой запазени количества (закони за опазване). Адроните се делят на бариони и мезони. Според съвременните концепции адроните имат сложна вътрешна структура: барионите се състоят от три кварка; мезони - от кварк и антикварк.

Отделна "група" е фотон.

Когато елементарните частици се сблъскат, настъпват всички възможни трансформации от тях една в друга (включително производството на много допълнителни частици), които не са забранени от законите за опазване.

Атом (от гръцки atomos - неделим) се нарича част от вещество с микроскопични размери и маса, най-малката частица от химичен елемент, която запазва своите свойства. Атомите се състоят от елементарни частици и имат сложна вътрешна структура, представляваща интегрална ядрено-електронна система. В центъра на атома има положително заредено ядро, в което е концентрирана почти цялата маса на атома; електроните се движат, образувайки електронни обвивки, чиито размери (

10-8 см) определят размера на атома. Ядрото на атома се състои от протони и неутрони. Броят на електроните в атома е равен на броя на протоните в ядрото (зарядът на всички електрони на атома е равен на заряда на ядрото), броят на протоните е равен на поредния номер на елемента в периодичната система. Атомите могат да прикачат или отдадат електрони, превръщайки се в отрицателно или положително заредени йони. Химичните свойства на атомите се определят главно от броя на електроните във външната обвивка; комбинирайки се химически, атомите образуват молекули.

Важна характеристика на атома е неговата вътрешна енергия, която може да приеме само определени (дискретни) стойности, съответстващи на стабилни състояния на атома, и да се променя само по начин, подобен на скок чрез квантов преход. Поглъщайки определено количество енергия, атомът преминава в възбудено състояние (до по-високо енергийно ниво). От възбудено състояние атомът, излъчвайки фотон, може да премине в състояние на по-ниска енергия (към по-ниско енергийно ниво). Нивото, съответстващо на минималната енергия на атома, се нарича основно ниво, а останалите - възбудено. Квантовите преходи причиняват атомни абсорбционни и емисионни спектри, които са индивидуални за атомите на всички химични елементи.

Под атомно ядро разбира се централната му част, в която са концентрирани практически цялата маса на атома и целият му положителен заряд. Ядрото се състои от нуклони - протони и неутрони (нотация p и n). Протонна маса мP = 1,673 * 10 -27 = 1,836мд, мн = 1,675X10 -27 = 1835,5мд. Масата на ядрото не е равна на сумата от масите на протоните и неутроните, включени в него (т.нар. „Дефект на масата“). Протонът носи елементарен положителен заряд, неутронът е незаредена частица. Броят на електроните в атома е равен на поредния номер Z. елемент в периодичната система, а броят на протоните, тъй като атомът обикновено е неутрален, е равен на броя на електроните. След това броят на неутроните в ядрото се определя, както следва: нP = A - Z, Където И - масово число, т.е. цяло число, най-близко до атомната маса на елемент в периодичната таблица, Z. - номер на зареждане (брой протони). За обозначаване на ядра се използва обозначението Z.х A, Където х - символ на химичен елемент в периодичната таблица. Ядра с една и съща Z, но различни А се наричат изотопи. Сега са известни над 300 стабилни и над 1000 нестабилни изотопи. Явлението радиоактивност е свързано с нестабилни изотопи - ядрен разпад.

Ядрото като цяло е стабилна система; за унищожаването му трябва да се изразходва енергия. Тази енергия се нарича енергията на свързване на ядрото. Енергията на свързване на нуклон се нарича специфична свързваща енергия. Нуклеоните в ядрото се държат заедно от ядрени сили, които представляват силно взаимодействие и имат размяна характер. Ядрените сили имат редица свойства:

1. Ядрените сили са с малък обсег на действие (радиусът на действие е около 10 -15 m) На тези разстояния те значително надвишават кулоновските отблъскващи сили на протоните. При значително намаляване на разстоянието привличането на нуклони се заменя с отблъскване.

2. Ядрените сили имат независимост от заряди, т.е. действат както между заредени, така и неутрални частици.

3. Ядрените сили имат свойства на насищане. Това означава, че всеки нуклон в ядрото взаимодейства само с ограничен брой нуклони, най-близки до него.

4. Ядрените сили не са централни. Тяхната стойност зависи от ориентацията на въртенията на частиците.

Молекули -- Това е следващото качествено ниво на структурата и еволюцията на материята след атомите. Молекулата е микрочастица, образувана от атоми и способна на независимо съществуване, притежаваща основните си химични свойства. Той има постоянен състав на своите атомни ядра и фиксиран брой електрони и има набор от свойства, които правят възможно разграничаването на молекули от един тип от молекули на друг. Броят на атомите в молекулата може да бъде различен: от две до стотици хиляди.

Молекулите на прости вещества са съставени от едни и същи атоми, сложни - от различни атоми. Съществуват голям брой съединения, молекулите на които се състоят от много хиляди атоми - макромолекули.

Подчертавайки целостта на молекулите, органичното единство на съставните им части, съвременната естествена наука характеризира движението на молекулите като движение на независими и интегрални системи, а не като обикновена сума от разпръснати движения на отделни частици, които ги образуват (атоми, ядра и електрони). Тези взаимодействия на молекули, които не са придружени от промяна в тяхната структура, се изучават от физиката и се наричат физически. Взаимодействията на молекулите, водещи до тяхното качествено взаимообръщане, пренареждане на техните вътрешни връзки, се наричат химични и се изучават от химията.