Самая малая частица материи


Многие из вас могут наивно полагать, что самой маленькой частицей во Вселенной является атом. Что же, атом действительно считался мельчайшей и неделимой частицей вплоть до открытия в 1897 году Джозефом Томпсоном электрона; протона, который был открыт в 1920 году Эрнестом Резерфордом, а в 1932 году и нейтрона, который впервые был обнаружен английским физиком Джеймсом Чедвиком. Спустя почти 100 лет, мы знаем, что все во Вселенной состоит из кварков — загадочных частиц, которые принимают активное участие в гравитационных и электромагнитных взаимодействиях. Так что же такое кварк и как он выглядит?

Что такое кварк?

Кварк — наименьшая частица мироздания. Именно из кварков состоят все электроны, нейтроны и протоны атомов, каждый из которых был образован 13,7 миллиардов лет назад сразу после Большого Взрыва. Спустя несколько минут после рождения Вселенной, наше мироздание смогло остынуть настолько, что смогли образоваться первые элементарные частицы — кварки и электроны.
арки соединились друг с другом, образовав ядро атомов. Спустя примерно 400 000 лет Вселенная смогла остынуть настолько, что произошло замедление в движении электронов, позволив атомным ядрам их захватить. Именно таким образом все видимое и невидимое нам пространство смогло обзавестись первыми атомами гелия и водорода, которые, между прочим, все еще остаются самыми распространенными веществами во Вселенной.

Возможно, вам будет интересно: Робот с машинным зрением способен быстро обезвреживать атомные реакторы

Как выглядят атомные частицы?

Наиболее крупными атомными частицами считаются протоны и нейтроны, которые несколько тяжелее электронов и располагаются прямо в самом центре атома. Электроны же образуют легковесное облако, которое вращается вокруг атомного ядра. Известно, что вес 1800 электронов соответствует одному тяжеловесу-протону. Помимо этого, добавление хотя бы одного протона к атому приводит к образованию нового вещества с отличными от оригинала свойствами, причем добавление лишнего нейтрона создает всего лишь изотоп вещества или же просто более тяжелую его версию.

Наиболее крупными атомными частицами считаются протоны и нейтроны, которые несколько тяжелее электронов и располагаются прямо в самом центре атома. Электроны же образуют легковесное облако, которое вращается вокруг атомного ядра. Известно, что вес 1800 электронов соответствует одному тяжеловесу-протону. Помимо этого, добавление хотя бы одного протона к атому приводит к образованию нового вещества с отличными от оригинала свойствами, причем добавление лишнего нейтрона создает всего лишь изотоп вещества или же просто более тяжелую его версию.


Как уже говорилось выше, абсолютно все элементарные частицы состоят из кварков. которые представляют из себя основу мироздания. Интересный факт: Название “кварк” было взято в одном из романов известного в XX веке писателя-модерниста Джеймса Джойса, который необычным словом решил обозначить звук, воспроизводимый утками.

Сами же кварки подразделяются на 6 так называемых “ароматов”, каждый из которых обладает своими собственными характеристиками или “цветом”. Кроме того, каждый из 6 типов кварков обладает и собственным весьма оригинальным именем. Так, помимо нижнего и верхнего видов кварков, существуют также странный, очарованный, прелестный и истинный кварки.

Конечно же, “странность” или “прелестность” кварков сильно отличаются от привычных нам понятий. Точно так же, как и понятие цвета кварков на самом деле имеет в виду далеко не их оттенок, но способ взаимодействия кварков и других микрочастиц — глюонов. Что ж, фантазия ученых иногда умеет удивлять.

Если вам нравится данная статья, предлагаю вам посетить наш канал на Яндекс.Дзен, где вы сможете найти еще больше полезной информации из мира науки и техники.

В любом случае, кварки представляют из себя по-настоящему уникальные частицы, от которых во всех смыслах зависит существование нашей Вселенной в том виде, в котором мы ее знаем. Быть может, тайна возникновения Большого взрыва и наше постижение основных законов Вселенной действительно зависят от одной крошечной песчинки, которая в тысячи и тысячи раз меньше атома.

Источник: Hi-News.ru

image
Размер, длина волн и шкалы температур/энергий, соответствующие различным частям электромагнитного спектра

Если взять любое количество материи, сколь угодно малое или большое, то по поводу его состава будут только две возможности: либо его можно разделить на что-то поменьше, либо оно фундаментально и неделимо. Большую часть XIX века мы считали, что атомы и есть те самые фундаментальные мельчайшие сущности, поскольку греческое слово ἄτομος и означает буквально «неразрезаемый». Но теперь мы знаем больше, и можем делить атомы на ядра и электроны, а ядра можно делить не только на протоны и нейтроны, но и они сами могут быть разделены на более фундаментальные кварки и глюоны. Но откуда нам вообще известен их «размер»? Наш читатель спрашивает:

Что учёные имеют в виду, говоря о размере элементарной частицы?

Размер – понятие сложное, но квантовая механика спешит нам на помощь.


image
Молекула пентацена через атомный микроскоп IBM с разрешением в 1 атом

Изображение вверху было сделано методом, не сильно отличающимся от обычной фотографии – и это фото отдельных атомов внутри относительно простой молекулы. То, что свет – это волна, позволяет делать фотографии объектов определённого размера, но не чего угодно с размером сколь угодно малым. У света есть определённая длина волны, поэтому он может взаимодействовать с тем, что примерно равно или больше этой длины, но не меньше. Именно поэтому:

• Нам нужны относительно большие антенны для улавливания радиоволн, поскольку их длины волн требуют антенн значительного размера.
• Отверстия в дверце микроволновки не дают волнам выходить наружу – их длины волн больше размеров отверстий.
• Почему крохотные крупинки пыли в космосе способны отлично блокировать коротковолновый (голубой) свет, хуже блокируют более длинные волны (красные) и совершенно прозрачны для ещё более длинных волн (инфракрасных).

Самая малая частица материи
Слева – видимый диапазон, справа – инфракрасное фото глобулы Barnard 68

Чтобы измерить размеры мельчайших частиц, требуются фотоны всё меньшей и меньшей длины волны. Поскольку энергия фотона и его длина волны обратно пропорциональны друг другу, вам нужно всё больше и больше энергии, чтобы заглядывать в меньшие масштабы.


Самая малая частица материи

Но использование фотонов – не единственный вариант. Возможно использовать любые частицы высоких энергий для зондирования размеров материи. Одно из забавных правил квантовой механики состоит в том, что вести себя как волны могут не только частицы света, но и вообще все частицы – включая и такие составные, как протоны, и невидимые (пока что), как электроны. Добравшись до высоких энергий и совершив столкновение с неподвижной мишенью, мы можем либо определить размер частицы, не являющейся фундаментальной, пронаблюдав за её распадом, или же определить, что если частица не фундаментальная, она продемонстрирует это свойство только при размерах, меньших какого-то определённого.

Самая малая частица материи

Именно такая техника позволила нам определить, что:

• Атомы – не неделимые, они состоят из электронов и ядер с размерами порядка 1 Å, или 10-10 м.
• Ядра тоже можно расщепить на протоны и нейтроны, размер которых составляет порядка 1 фм, или 10-15 м.
• А если бомбардировать частицы внутри протонов и нейтронов – кварки и глюоны – высокоэнергетическими частицами, они не демонстрируют никакой внутренней структуры, как и электроны.


Мы определили для каждой из частиц Стандартной Модели, что если у них составная природа, или же есть некий физический размер, отличающийся от точки, то этот размер должен быть не больше, чем 10-19 м.

Самая малая частица материи

Нам это может не казаться странным, но было время, когда людям ещё не была знакома квантовая механика, но при этом было знакомо уравнение E = mc2. Если принять, что у электрона именно такой заряд, каким его измерили, и что за его массу отвечает электрическая потенциальная энергия, то можно подсчитать его размер – эта величина известна, как классический радиус электрона. Оказалось, что это довольно малая величина:

Самая малая частица материи

Но мы уже знаем, что это не так. Эта величина оказалась намного больше размера протона, примерно на три порядка. Иначе говоря, частицы, которые мы находим, оказываются по природе своей истинно квантовыми, а это значит, что если мы будем подниматься до сколь угодно больших энергий, то истинно фундаментальные частицы должны быть точечными.


Самая малая частица материи

Так что, когда мы рассуждаем о размере элементарных частиц, мы говорим о поисках чего-то истинно фундаментального. Действительно ли частицы Стандартной Модели неделимы? Если так, мы должны суметь подниматься до всё больших энергий, и не обнаруживать ничего, что отличалось бы от поведения точечных частиц, вплоть до планковской энергии, то есть до масштабов порядка 10-35. На меньших масштабах физика уже не даёт осмысленных предсказаний, но мы продолжаем приближаться к ним. Возможно, по пути мы обнаружим, что некоторые (или все) эти частицы можно разбить на другие, или же что они состоят из струн или мембран, или же что они – просто точки. Но всё, что нам известно на сегодня касаемо реальных размеров частиц, относится к частицам, не являющимся фундаментальными. Всё остальное – лишь верхние пределы, и поиски путей приближения к меньшим масштабам продолжаются.

Источник: habr.com

Рейтинг самых маленьких частиц, которые существуют

Огромна наша вселенная. Удивительно прекрасная и сказочная реальность находится рядом. С древнейших времён пытались понять наш мир мудрецы и учёные. Постепенно начала складываться картина мира, представление о нём, которое имеется теперь.

Вероятно, эта картина ещё не раз будет дополнена новыми подробностями и отбросом в сторону заблуждений, которые сейчас кажутся истиной.


Но главные тропинки к пониманию, из чего же состоит окружающий большой космос и материя – уже пройдены. И пусть много ещё непонятного, но уже есть фундамент – знания о мельчайших частицах вселенной. Вот сведения о 10 таких частицах.

Электрон

Люди уже почти сотню лет пользуются энергией, извлекаемой из потока этих малых объектов. Но до сих пор до конца понять их строение так и не смогли.

Так как это противоречит человеческой логике и здравому смыслу. Трудно представить облако, похожее на плазму, составные части которой находятся почти везде внутри этого облака. Который находится как размазанная орбита в атоме вокруг ядра.

Это не просто облако или орбита, а бублик. Водород имеет один такой бублик. А литий два. Хотя электронов, частиц и одновременно плазменных образований – три. Есть отчего прийти в недоумение. В школьном курсе химии и физики даются упрощённые представления о строении вещества. Надо это знать и помнить.

Позитрон

Это та же частица, что и предыдущая, но только с обратным знаком. Так уж случилось, что в нашем мире электронов подавляющее большинство, чем его антипода. Хотя, возможно, есть такие области космического пространства, где позитронов больше.

В нашем мире эти частицы стабильны при высоких энергиях. К примеру, в недрах звёзд. Или когда космическое вещество взаимодействует с излучениями.


Нельзя ни на секунду забывать, что эта необычная для нашей области пространства субстанция по поведению и характеристикам – также до конца непонятная пока, как и её сестра, имеющая платье бублика электрона. Эта частица тем более непонятна, так как стабильную её изучать трудно.

Протон

Мы знаем, что материальное вещество состоит из малых тел – атомов. В центре атома есть ядро. Это и есть протон. Образование намного массивнее электрона.

Самое удивительное, что 3 кварка, которые там находятся, никак неделимые. Были эксперименты, когда отсекали у протона часть тела. Отсечённое уходило в виде небольшого выплеска энергии, а протон оставался целёхоньким, вновь с тремя кварками.

Следует знать, что в мире элементарных взаимодействий такие фокусы встречаются часто. Чем глубже в материю, тем чудеснее и волшебнее проявляются эти реальные события на уровне микроскопических масштабов.

Нейтрон

Микроскопическое образование на теле протона. Образно это выглядит таким образом. Трёхмерное тяжёлое облако протона облеплено со всех сторон тяжёлыми облаками нейтронов.

Всё вместе – и нейтроны, облепившие протон, и само центральное тело – рассматривается как она система, которую назвали одним именем – нуклон.

Прослеживается взаимосвязь состояния нуклона от количества бубликов, электронов. То есть это почти живая система, со своим перераспределением энергий, которая, как известно, никуда не исчезает. И нейтрон в этой системе обладает одной из ключевых распределительных функций.


Фотон

Это промежуточное состояние вещества, парадоксальное по своей сути. Он существует только в движении, с определённой скоростью. Частица фотон – это частицы света.

Причём частицей эту уникальную сущность природы можно назвать только условно. Это и частица и волна. Парадоксальность заключается ещё в том, что фотоны могут мгновенно останавливаться, и опять двигаться с прежней огромной скоростью.

Большинство людей даже не задумываются о необычности явления обычного отражения света в зеркале. Свет движется к зеркалу с определённой большой скоростью. На поверхности зеркала останавливается.

Тут же под углом уходит от зеркала в другом направлении, с большой скоростью. А зеркало такое же холодное, как и было. Парадоксально, но это факт. А ведь фотон – материальная частица.

Кварк

Очень удивительные элементарные частицы, которые могут существовать только в связанном состоянии с другими кварками. Тут может быть любая комбинация из разных составляющих. Без этой составляющей физического мира не было бы квантовой физики.

Так как именно кварки, их необычайное поведение и связанные с этим выраженные явно феноменальные законы – стали катализаторами знаний о квантовой физике. При проведении экспериментов и вычислений.

Разные сочетания кварков порождают множество других элементарных частиц. Так пара частиц образуют мезон, тройка – барион. Причём можно подобрать разные сочетания.

Тут ещё непочатый край для экспериментов и исследований. У большинства учёных сложилось впечатление, что исследование в этом направление будет вестись долго. А результатом станут новые научные и технологические открытия.

Глюон

Эти частицы можно понять как связующую субстанцию, которая связывает кварки. Это своеобразный клей для кварков. Отдельно они не могут существовать, а при помощи глюонов, их общего поля – собираются в комбинации элементарных частиц, подчиняющихся каким-то программным установкам физического общего закона взаимодействий, который над ними. Который пронизывает и управляет ими.

Уже классифицированы сотни, если не тысячи новых состояний элементарных частиц, которые образуются из кварков. И всё это благодаря существованию глюонов, их способности соединять, склеивать.

Фото Бозон Хиггса

Мюоны

Это мельчайшие составляющие космических лучей определённой насыщенности, способные проходить через атмосферу и даже проникать через горные породы. Удивительно, но эти странные частицы, их свойства, были лучше изучены в результате заинтересованности одним физиком египетскими пирамидами в середине 60 годов прошлого века.

Изучая пирамиды, этот любознательный физик предположил, что мюоны лучше проходят через воздух, чем через горные породы. Он не успел воспользоваться своей догадкой.

Последующие события в том регионе помешали проверить догадки. Но в начале 21 века после исследований и ряда научных работ мюоны были изучены лучше, даже создали мюонный томограф, который был поставлен на службу в деле нахождения ядерной контрабанды.

Нейтрино

Почти неуловимая частица. По своему похожа на фотон и на электрон. Но не имеет заряда. И почти не имеет массы. Скорость движения зависит от массы, которая очень мала.

Нейтрино чуть медленнее света. Зато проникает везде. Сначала её вычислили математически. Потом в процессе экспериментов всё же были зафиксированы реальные данные обнаружения этой удивительной, неуловимой частицы.

Так как это микроскопическое чудо природы не имеет заряда, то прошивает нашу планету во всех направлениях насквозь, не замечая даже этого. Чтобы экспериментально её уловить, стали строить подземные устройства с хитроумной начинкой. И вот уже несколько десятков лет следящая аппаратура у этих устройств иногда фиксирует след пролёта этой почти неуловимой частицы.

Бозон Хиггса

Поиском этой частицы начали заниматься совсем недавно. И вроде уже нашли. Хотя точных сведений пока нет. Почему такой ажиотаж вокруг этой частицы? Дело в том, что современная физика считает, что существование так называемой частицы бога, бозона Хиггса подтвердит верность стандартной модели, которая бытует в современной физике.

По всем расчётам стандартной модели выходит, что должно существовать одно общее поле. Его назвали полем Хиггса. Оно создаёт частицы бозоны Хиггса. А те, в свою очередь, помогают ломать симметрию. У частиц появляется масса. Это объясняет теорию большого взрыва и появление материи после этого. Так это или нет, покажут дальнейшие исследования.

Источник: bigjournal.ru

1. Элементарно, Ватсон

Само название «элементарная частица» интуитивно наталкивает на мысль, что это что-то невероятно маленькое, далее не делимое. Так оно и есть в реальности.

Правда, что же конкретно считали минимальным компонентом Вселенной, сильно менялось со временем. Долгие века ученые думали, что ничего мельче атома не существует. Он и считался элементарной частицей. Аж со времен Демокрита.

Многие люди думают как Демокрит: атом — самый маленький

2. Ошибочка вышла

Где-то 100 лет назад Э. Резерфорд, отец ядерной физики, сумел опуститься еще глубже. В ходе эксперимента он выявил наличие атомного ядра (положительно заряженного) и электронов. Получается, атом – не самое маленькое явление в природе.

Э. Резерфорд

Несколько позже, независимо друг от друга, В. Гейзенберг и Д. Иваненко выяснили, что и ядра атомов не целостны. Они состоят из протонов и нейтронов. Получалось, что мир элементарных частиц представлен тремя жителями: электронами, протонами, нейтронами.

3. Хитрые вопросы

Квантовая механика поставила физиков в тупик относительно атома. Два вопроса оставалось без ответа:

— почему протоны не разлетаются внутри ядра (ведь они положительно заряжены, поэтому должны отталкиваться);

— почему они не вечны (если частица элементарна, то она должна существовать всегда – ведь ничто не может заставить ее развалиться. Эксперименты показали, что нейтрон распадается).

Внутри атома все очень сложно, а не просто

В ходе распада нейтрона образуется протон, электрон и, новая загадочная частица, нейтрино.

4. Понеслась…

На 4 фундаментальных частицах не остановились. Японский физик Х. Юкава ввел новую – пи-мезон. Она понадобилась для того, чтобы объяснить устойчивость атомного ядра.

Протоны и нейтроны должны как-то держаться вместе. Ядерная сила не позволяет им разлететься. Частица этой силы и была предложена японцем.

Хидеки Юкава

Далее тяжелый электрон был обнаружен (мюон).

А оборудование позволило изучать космические лучи. Так «засекли» мезоны (странные частицы). И это не всё, что преподнесло излучение небесных объектов. Число микрочастиц росло, а понимания становилось меньше.

Источник: zen.yandex.ru

Мир и наука никогда не стоят на месте. Еще совсем недавно в учебниках по физике уверенно писали, что электрон – самая маленькая частица. Потом самыми мельчайшими частицами стали мезоны, потом бозоны. И вот наукой открыта новая самая мельчайшая частица во Вселенной – планковская черная дыра. Правда, открыта она пока что только в теории. Эта частица относится к категории черных дыр потому, что ее гравитационный радиус больше либо равен длине волны. Из всех существующих черных дыр, планковская – самая маленькая.

Слишком маленькое время жизни этих частиц не может сделать возможным их практическое обнаружение. По крайней мере, на данный момент. А образуются они, как это принято считать, в результате ядерных реакций. Но не только время жизни планковских черных дыр не дает их обнаружить. Сейчас, к сожалению, это невозможно с технической точки зрения. Для того, чтобы синтезировать планковские черные дыры необходим ускоритель энергии в более тысячи электрон-вольт.

Не смотря на такое гипотетическое существование этой мельчайшей частицы во Вселенной, ее практическое открытие в будущем является вполне возможным. Ведь еще не так давно легендарный бозон Хиггса так же не удавалось обнаружить. Именно для его обнаружения была создана установка, о которой не слышал только самый ленивый житель на Земле – Большой адронный коллайдер. Уверенность ученых в успехе этих исследований помогла добиться достижения сенсационного результата. Бозон Хиггса на данный момент мельчайшая частица из тех, чье существование доказано практически. Ее открытие очень важно для науки, она позволила приобрести массу всем частицам. А если бы у частиц не было массы, вселенная не могла бы существовать. В ней не могло бы образовываться ни одно вещество.

Не смотря на практическое доказанное существование этой частицы, бозона Хиггса, применения на практике для него еще не придумали. Пока это всего лишь теоритические знания. Но в будущем возможно все. Далеко не все открытия в области физики сразу же имели практическое применение. Никто не знает, что будет через сто лет. Ведь, как говорилось ранее, мир и наука никогда не стоят на месте.

Сайт: http://zenun.ru/samaya-melchayshaya-chastitsa-vo-vselennoy

Источник: aminoapps.com


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.