Які види матерії існують? і отримав найкращу відповідь

Відповідь від Ell04ka[гуру]
у школі вивчають два: речовину та поле.
А взагалі.. .
1 Речовина
- Адронна речовина – основну масу цього типу речовини складають елементарні частинки адрони
+ Баріонна речовина (баріонна матерія) - основний (за масою) компонент - баріони
# Речовина у класичному розумінні. Складається з атомів у звичному значенні цього слова, тобто з атомів, що містять протони, нейтрони та електрони. Ця форма матерії домінує у Сонячній системі та у найближчих зоряних системах
Антиречовина - складається з антиатомів, що містять антипротони, антинейтрони та позитрони
# Нейтронна речовина - складається переважно з нейтронів і позбавлена ​​атомної будови. Основний компонент нейтронних зірок, істотно щільніший, ніж звичайна речовина, але менш щільний, ніж кварк-глюонна плазма
- Інші види речовин, що мають атомоподібну будову (наприклад, речовина, утворена мезоатомами з мюонами)
- Кварк-глюонна плазма - надщільна форма речовини, що існувала на ранній стадії еволюції Всесвіту до об'єднання кварків у класичні елементарні частинки (до конфайнменту)
- докваркові надщільні матеріальні утворення, складові яких - струни та інші об'єкти, з якими оперують теорії великого об'єднання (див. теорія струн, теорія суперструн). Основні форми матерії, які, ймовірно, існували на ранній стадії еволюції Всесвіту. Струноподібні об'єкти в сучасній фізичній теорії претендують на роль найбільш фундаментальних матеріальних утворень, до яких можна звести всі елементарні частинки, тобто в кінцевому рахунку всі відомі форми матерії. Цей рівень аналізу матерії, можливо, дозволить пояснити з єдиних позицій властивості різних елементарних частинок. Приналежність до «речовини» тут слід розуміти умовно, оскільки різниця між речовинною та польовою формами матерії на даному рівні стирається

2 Поле (у класичному сенсі)
- Електромагнітне поле
- Гравітаційне поле
3 Квантові поля різної природи. Згідно з сучасними уявленнями квантове поле є універсальною формою матерії, до якої можуть бути зведені як речовини, так і класичні поля
4 Матеріальні об'єкти неясної фізичної природи
- Темна матерія
- Темна енергія
Джерело: Вікіпедія - Стаття про матерію (фізика)

Відповідь від 2 відповіді[гуру]

Вітання! Ось вибірка тем з відповідями на Ваше запитання: Які види матерії існують?

Відповідь від Артем Переведенцев[Новичок]
Основні види матерії [ред. редагувати вікі-текст]
Основні статті: Форми матерії
Речовина:
Адронна речовина – її структурою є безліч складових частинок: адронів.
Баріонна речовина (баріонна матерія) - речовина, що складається з баріонів.
Речовина у класичному розумінні. Складається переважно із ферміонів. Ця форма матерії домінує у Сонячній системі та у найближчих зоряних системах.
Антиречовина - складається з античасток.
Нейтронна речовина складається переважно з нейтронів і позбавлена ​​атомної будови. Основний компонент нейтронних зірок, істотно щільніший, ніж звичайна речовина, але менш щільний, ніж кварк-глюонна плазма.
Інші види речовин, що мають атомоподібну будову (наприклад, речовина, утворена мезоатомами з мюонами).
Кварк-глюонна плазма - надщільна форма речовини, що існувала на ранній стадії еволюції Всесвіту до об'єднання кварків у класичні елементарні частинки (до конфайнменту).
Гіпотетичні докваркові надщільні матеріальні утворення, що становлять - струни та інші об'єкти, з якими оперують теорії великого об'єднання (див. теорія струн, теорія суперструн). Основні форми матерії, які, ймовірно, існували на ранній стадії еволюції Всесвіту. Струноподібні об'єкти в сучасній фізичній теорії претендують на роль найбільш фундаментальних матеріальних утворень, до яких можна звести всі елементарні частинки, тобто, зрештою, всі відомі форми матерії. Цей рівень аналізу матерії, можливо, дозволить пояснити з єдиних позицій властивості різних елементарних частинок. Приналежність до «речовини» тут слід розуміти умовно, оскільки різницю між речовинної і польової формами матерії цьому рівні стирається.
Поле, на відміну від речовини, не має внутрішніх порожнин, має абсолютну щільність.
Поле (у класичному сенсі):
Електромагнітне поле.
Гравітаційне поле.
Квантові поля різної природи. Згідно з сучасними уявленнями квантове поле є універсальною формою матерії, до якої можуть бути зведені як речовини, так і класичні поля, при цьому існує нечіткий поділ на речові поля (лептонні та кваркові поля ферміонної природи) та поля взаємодій (глюонні сильні, проміжні бозонні слабкі та фотонне електромагнітне поля бозонної природи, сюди ж відносять поки що гіпотетичне поле гравітонів). Осібно серед них стоїть поле Хіггса, яке складно віднести однозначно до будь-якої з цих категорій.
Матеріальні об'єкти неясної фізичної природи:
Темна матерія.
Темна енергія.
Ці об'єкти були введені в науковий побут для пояснення низки астрофізичних та космологічних явищ.

Відповідь від Ільгіз Карімов[Новичок]
Дякую велике все подобається))

Відповідь від Макс games[Новичок]
Матерія є змістом нашого буття. Вона є об'єктивною реальністю, наповнює простір і є головною складовою всіх живих і неживих елементів. Дві, здавалося б, несумісні галузі знань, такі як наука та філософія, згодні лише в одному – у тому, що матерія виконує чільну роль у житті мікро- та макросвітів. З чого складається матерія, яка оточує нас і з якої ми зроблені? Чому вона набуває таких дивних форм, багато з яких для нас ще навіть не розкрито? Спробуємо трохи розібратися.
Як цей термін розуміли великі люди?
Про те, з чого складається матерія і як вона настільки кардинально змінює свої форми, люди почали думати ще з часів античності. У ті роки не було мікроскопів і телескопів, і навіть наймудріші філософи не могли вивчити будь-який людський орган або просто дерево, з якого збитий стілець, до атомного рівня. Проте античні знавці чітко знали, що таке простір-час і як у ньому поводяться всі елементи. Саме вони склали трактування, яке дійшло до наших днів. Матерія була поділена на дві половини: речі наповнювали простір, а події – час. Через постійний хід останнього всі предмети та живі об'єкти могли змінювати свою форму. Людина народжувалась, старіла і вмирала, дерево обсипалося, метал іржавів. У 17 столітті фізик і математик Лейбніц визначив матерію як суб'єкт, що визначає властивості часу та простору. Надалі його праці виявилися теоретично відносності Ейнштейна. з чого складається матерія
Розглядаючи щось під мікроскопом
Якщо ми звернемося за допомогою до біологічної оптики, то на власні очі зможемо побачити, що матерія складається з атомів. Це найпростіша характеристика даного терміна, яка не має спростування та не вимагає подальших доказів. Атомами називаються найменші частинки всього, що оточує нас, і нас самих. Структура кожного їх ідентична. Але при цьому в атомах кожного окремого елемента нашого світу, будь то метанова хмара в атмосфері Юпітера або печінка собаки, закодована інформація про властивості об'єкта-носія. Атом складається з ядра, яке завжди заряджено позитивно, та електронів. Коли кількість протонів і електронів збігається, ця частка стає нейтральною з погляду електричного заряду. Якщо рівновага порушується, то атом перетворюється на іон, який має позитивний або негативний заряд. матерія складається з атомів
У що виливаються атоми?
Зі скупчення двох і більше атомів утворюється молекула. У ньому крім інформації про носії міститься також чимала частка сполучної речовини. Завдяки йому молекули здатні утворювати ту саму матерію, про яку ми говоримо. Такі сполуки передають інформацію від різних атомів один через одного та створюють тим самим нерозривну речовину. Найцікавіше те, що групуватися можуть молекули різних компонентів. Найяскравішим прикладом тут послужить вода: у ній є водень і кисень у певному відсотковому співвідношенні. Виходить, щоб зрозуміти, з чого складається матерія, нам потрібно лише вивчити елементи періодичної таблиці Менделєєва і знайти їх у тих чи інших предметах, які оточують нас. матерія складається з речовини
Що ми бачимо неозброєним оком?
Відсунувши убік телескоп, ми, отримавши певні знання, бачимо, що матерія складається з речовини. Завдяки своїй будові, яку можна розглянути через оптику, вона здатна приймати один із чотирьох агрегатних станів: газоподібний, рідкий, твердий та плазматичний. Перші три з них ми можемо легко уявити на прикладі тієї ж води, яка, будучи рідкою, може перетворитися на лід чи газ. Деякі інші елементи можуть існувати лише в одному із цих чотирьох станів. Заглиблюючись в античну філософію, неможливо провести аналогію з чотирма стихіями.

Відповідно до теорії корпускулярно-хвильового дуалізму світло – це потік частинок – квантів або фотонів, що несуть певні порції енергії та імпульсу, але в той же час світло – це хвилі електромагнітного поля, що мають енергію та імпульс і поширюються в просторі зі швидкістю світла.

У квантовій механіці будь-якій частинці відповідає хвиля. А коли часток багато? З погляду квантової механіки можна було б зіставити кожній частинці своє поле. Однак досвід свідчить про повну невиразність тотожних частинок. Звичайно, у електронів можуть бути різні енергії та імпульси, але при одних і тих же параметрах електрони однакові.

Отже, якщо всі частинки однакові, як хвилі в тому самому середовищі, то, отже, це середовище, тобто поле, є більш фундаментальним поняттям.

Поле визначається через сили, що діють деякий пробний об'єкт (заряд, масу), поміщений у цю точку простору. Простір безперервний. У кожній його точці ця сила має певне значення, що вважається характеристикою поля. При цьому перехід від точки до точки безперервний і плавний. Важливою властивістю поля є безперервність його характеристик. Саме безперервність дозволяє ефективно застосовувати математичні методи для опису фізичних характеристик різноманітних об'єктів. На цей час відомо кілька типів фізичних полів, відповідних типів взаємодій, – електромагнітне та гравітаційне поля, поле ядерних сил, хвильові поля елементарних частинок.

З математичної точки зору поле– це довільна функція або набір функцій, координат та часу.

Поля можуть бути постійними та змінними. Наприклад, електричне та магнітне поля фотона є змінними (вони синусоїдально залежать від координат і часу, тобто змінюються за гармонійним законом), а магнітне поле Землі та електричне поле в грозовій хмарі постійні.

Речовина побудована з електронів та нуклонів (протонів та нейтронів). Останні, у свою чергу, складаються з кварків. Різного роду взаємодії між частинками речовини здійснюються полями. Кванти полів, що переносять електромагнітну взаємодію, є фотони, гравітаційна взаємодія – гравітони, сильна взаємодія – глюони, слабка взаємодія – векторні бозони.

У класичній фізиці речовина і поле абсолютно протиставлялися один одному як два види матерії, у першого з яких структура дискретна, а у другого безперервна. Відкриття квантової теорії двоїстої корпускулярно-хвильової природи мікрооб'єктів нівелює це протиставлення. На цій основі були суворо розділені категорії речовини та матерії, які протягом багатьох століть ототожнювалися у філософії та науці, причому філософське значення залишилося за категорією матерії, а поняття речовина зберегло науковий зміст у фізиці та хімії. У земних умовах речовин відомі чотири стану: тверді тіла, рідини, гази, плазма.

Матерія – об'єктивна реальність, дана намУ ВІДЧУТТЯХ….

Матерія нездійсненна, незнищенна, вічна і нескінченна.

Типи матеріальних систем, відомі сучасній науці:

1) елементарні частки

4) молекули

5) макроскопічні тіла

6) геологічні системи

Цим та іншим матеріальним системам відповідають структурні рівні організації матерії (матерія структурована та систематизована)

Атрибут - невід'ємна властивість матерії.

1) Структурність матерії проявляється в існуванні нескінченно різноманітних матеріальних утворень, кожна з яких являє собою специфічні одиничні річ, процес, які локалізовані у просторі та часі: Всесвіт, галактика, зірка, планета, молекула, атом, елементарна частка та ін. Разом з тим вони тісно взаємопов'язані між собою, оскільки одні матеріальні освіти є складовими частинами інших, тобто входять у їхню структуру як елементи.

2) Системність матерії з'являється у взаємозв'язку речей та процесів, у регулярному перетині структурних рівнів організації матеріального світу, у постійному порушенні автономії, «паралелізму» мікро-, макро- та мегамирів, живого та неживого. Основна проблема тут полягає у невирішеності питання переходу від неживої природи до живої в єдиному еволюційному процесі.

Матерія- це все те, що прямо чи опосередковано діє органи чуття людини та інші об'єкти. Навколишній світ, все існуюче навколо нас є матерією. Невід'ємна властивість матерії – рух.

Рух матерії - будь-які зміни, що відбуваються з матеріальними об'єктами внаслідок їхньої взаємодії.

Матерія немає у безформному стані, з неї утворюється складна ієрархічна система матеріальних об'єктів різних масштабів і складнощів.

Для дослідників природи представляє інтерес не матерія або рух взагалі, а конкретні види матерії і руху.

У сучасному природознавстві розрізняють три види матерії:

1. Речовина - основний вид матерії, що має масу. До речових об'єктів відносяться елементарні частинки, атоми, молекули, численні матеріальні об'єкти, що утворилися з них. У хімії речовини поділяються на прості (з атомами одного хімічного елемента) та складні (хімічні сполуки). властивості речовини залежать від зовнішніх умов та інтенсивності взаємодії атомів та молекул. Це і зумовлює різні агрегатні стани речовини (твердий, рідкий, газоподібний + плазма за порівняно високої температури) перехід речовини з одного стану в інший можна розглянути як один із видів руху матерії.

2. Фізичне поле - особливий вид матерії, який забезпечує фізичну взаємодію матеріальних об'єктів та систем.

Фізичні поля:

· Електромагнітне та гравітаційне

· Поле ядерних сил

· Хвильові (квантові) поля

Джерело фізичних полів – елементарні частинки. Напрямок для електромагнітного поля - джерело, заряджені частинки

Фізичні поля, які утворюються частинками переносять взаємодію між цими частинками з кінцевою швидкістю.

Квантові теорії – взаємодія зумовлена ​​обміном квантами поля між частинками.

3. Фізичний вакуум – нижчий енергетичний стан квантового поля. Цей термін введений у квантовій теорії поля для пояснення деяких мікропроцесів.

Середня кількість частинок (квантів поля) вакуумі дорівнює нулю, проте в ньому можуть народжуватися віртуальні частинки, тобто частки в проміжному стані, що існують короткий час. Віртуальні частки впливають фізичні процеси.

Вважають, що як речовина, а й полі і вакуум мають дискретну структуру. Згідно з квантовою теорією поле, простір і час у дуже малих масштабах утворюють просторово-тимчасове середовище з осередками. Квантові осередки настільки малі (10-35-10-33), що їх можна не враховувати при описі властивостей електромагнітних частинок, вважаючи простір і час безперервними.

Речовина сприймається як безперервне суцільне середовище. для аналізу та опису властивостей такої речовини в більшості випадків враховується лише її безперервність. Однак, та ж речовина при поясненні теплових явищ, хімічних зв'язків, електромагнітних випромінювань розглядається як дискретне середовище, що складається з атомів і молекул, що взаємодіють між собою.

Дискретність та безперервність притаманні фізичному полю, але при вирішенні багатьох фізичних завдань прийнято вважати гравітаційне, електромагнітне та інші поля безперервними. Однак у квантової теорії поля передбачається, що фізичні поля дискретні, отже, для тих самих видів матерії характерна перервність і безперервність.

Для класичного опису природних явищ досить враховувати безперервні властивості матерії, а характеристики різних мікропроцесів - дискретні.

Безперервність та дискретність - невід'ємні властивості матерії.

1) Речовина- це фізичний вид матерії, що складається з частинок, які мають власну масу (масу спокою)

2) Поле– матеріальне утворення, яке пов'язує тіла між собою і передає дію від тіла до тіла (електромагнітне, гравітаційне, внутрішньоядерне поля). Фотон не має маси спокою, адже світло не спочиває.

3) Антивещество- В-во, що складається з античасток. Структура антиречовини: ядра атомів цього виду фізичної реальності повинні існувати з антипротонів та антинейтронів, а оболонка з позитронів.

Навколишній матеріальний світ можна розділити, по-перше, на мікросвіт, макросвіт та мегасвіт, кожен із яких, своєю чергою, включає у собі різні рівні організації матеріального буття:

- у неживій природі: 1) субмікроелементарний рівень (кварки), 2) елементарний (електрони), 3) ядерний (ядро атома), 4) атомний, 5) молекулярний, 6) макроскопічний, 7) планетарний, 8) космічний.

- у живій природі: 1) біологічні макромолекули; 2) клітинний; 3) мікроорганізмний; 4) рівень органів і тканин; 5) рівень організму; 6) популяційний; 7) біоценозний;

- у соціальний: 1) людина (індивід), 2) родина, 3) колективи, 4) соціальні групи, 5) національності, 6) етноси, 7) держави

Кожен із структурних рівнів (і підрівнів) матерії виникає і існує на основі попередніх, проте не зводиться до них як проста сума елементів, оскільки має нові якості та підпорядковується у своєму функціонуванні та розвитку іншим закономірностям.

11.Рух, простір, час як основні форми існування матерії.

Рух– поняття, що охоплює у найзагальнішому вигляді всяка зміна, перетворення. Все існуюче перебуває у постійному прагненні зміни, іншому стану, але змінюється лише те, що має відносну стійкість і у відносному спокої. Але без певної міри стійкості у світі нічого не існувало. Спокій – поняття відносне, а рух – абсолютно. Проте, рух має й властивостями відносності, т.к. зміни одного об'єкта можна зафіксувати лише щодо іншого.

Ще в античності були дві концепції:

1) Зенон – заперечення руху. Апорії Зенона. Доводив неможливість мислити рух.

2) Геракліт - "Все тече!" все постійно переходить з одного стану до іншого.

Енгельс запропонував форми руху:

Механічне

Фізичне

Хімічне

Біологічне

Соціальне

Типи руху матерії:

1) Механічне(без зміни якості)

2) Зі зміною якості. Спрямованість буває 3х видів:

Прогресивне (від нижчого до вищого)

Регресивне (від найвищого до нижчого)

Горизонтальне (явище ідіодаптації в біології, зміни залежать від умов існування і не супроводжуються загальним підвищенням організації та рівня життєдіяльності. Н-р таблиця Менделєєва, де зміни розгортаються на одному горизонтальному структурному рівні організації матерії)

Розвиток підпорядкований ряду законів:

Закон переходу з однієї якості до іншої на основі кількісних змін

Закон єдності та боротьби протилежностей

Закон заперечення заперечення

Хоч би як змінювався предмет, доки він існує, він зберігає свою визначеність. Річка не перестає бути річкою через те, що вона тече: буття річки і полягає у її течії. Здобути абсолютний спокій означає перестати існувати. Усе, що відносно спочиває, неминуче причетне до якогось руху. Спокій завжди має лише видимий та відносний характер. Тіла можуть лежати тільки по відношенню до будь-якої системи відліку, умовно прийнятої за нерухому (Н-р ми нерухомі відно-но будівлі, Землі, але рухаємося по відношенню до Сонця)

Приватні св-ва простору:

-тривимірність(будь-які просторові відносини можна описати трьома вимірами – довжина, ширина, висота)

-оборотність(можна повернутися на те саме місце)

-протяжність

-ізотропність(Рівноправність всіх можливих напрямів)

Приватні св-ва часу:

-одномірність(Достатньо однієї координати: хвилина, година, секунда)

-односпрямованість(Не можна повернутися в минуле)

Загальні св-ва простору та часу:

Об'єктивність (незалежність від нашої свідомості)

Нескінченність (у всесвіті немає такого місця, де б був відсутній простір і час)

Абсолютність (тобто. буття поза простором така ж нісенітниця, як і буття поза часом)

Відносність (тобто уявлення людини про простір і час відносні)

Єдність безперервності (відсутність порожнього простору)

Єдність перервності (роздільна існування матеріальних об'єктів)

Види простору та часу:

-Реальне(Об'єктивні форми існування пр-ва та часу)

-Перцептуальне(суб'єктивне сприйняття людиною реального простору та часу)

-Концептуальне(теоретичне моделювання простору та часу)

Концепції походження простору та часу:

1) Субстанційна(Демокріт, Платон, Ньютон)

Простір і час розглядаються як абсолютні, поряд із матерією в ранзі субстанцій. Існують самостійно, незалежно від матеріальних об'єктів і розглядаються як чиста довжина та чиста тривалість.

2) Реляційна(Арістотель, Лейбніц, а в наш час Енштейн, Лобачевський)

Простір і час це особливе ставлення між об'єктами та самостійно та окремо від них не існуючі. Тобто. якщо для Ньютона дошка займає якесь становище, то для Лейбніца простір і є співвідношення дошки з навколишніми предметами.

З теорії відносності випливали два важливі у філософському відношенні висновки: по-перше, при швидкостях, близьких до швидкості світла, довжини тіл скорочуються приблизно вдвічі; по-друге, темп перебігу процесів часу уповільнюється при швидкості, близької до світлової, приблизно 40 раз. Теорія відносності показала залежність простору (протяжності тіл) і часу (темпа тривалості перебігу процесів) від швидкості тіл, що рухаються.

Матерія- нескінченна безліч всіх об'єктів і систем, що співіснують у світі, сукупність їх властивостей і зв'язків, відносин і форм руху. Вона включає в себе не тільки безпосередньо об'єкти і тіла природи, що спостерігаються, але і всі ті, які не дано людині в її відчуттях.

Невід'ємною властивістю матерії є рух. Рух матерії є будь-які зміни, що відбуваються з матеріальними об'єктами в результаті їх взаємодій. У природі спостерігаються різні види руху матерії: механічний, коливальний та хвильовий, тепловий рух атомів і молекул, рівноважні та нерівноважні процеси, радіоактивний розпад, хімічні та ядерні реакції, розвиток живих організмів та біосфери.

На етапі розвитку природознавства дослідники розрізняють такі види матерії: речовина, фізичне полі і фізичний вакуум.

Речовинаявляє собою основний вид матерії, що має масу спокою. До речових об'єктів відносять: елементарні частинки, атоми, молекули та численні освічені їх матеріальні об'єкти. Властивості речовини залежать від зовнішніх умов та інтенсивності взаємодії атомів та молекул, що й обумовлює різні агрегатні стани речовин.

Фізичне полеє особливий вид матерії, що забезпечує фізичну взаємодію матеріальних об'єктів та їх систем. До фізичних полів дослідники відносять: електромагнітне та гравітаційне поля, поле ядерних сил, хвильові поля, що відповідають різним часткам. Джерелом фізичних полів є частки.

Фізичний вакуум- Це нижчий енергетичний стан квантового поля. Цей термін був у квантову теорію поля для пояснення деяких процесів. Середня кількість частинок - квантів поля - у вакуумі дорівнює нулю, проте в ньому можуть народжуватися частинки в проміжних станах, що існують короткий час.

При описі матеріальних систем використовують корпускулярну (від лат. corpuskulum- Частина) та континуальну (від лат. continium- безперервний) теорії. Континуальнатеорія розглядає безперервні процеси, що повторюються, коливання, які відбуваються в околиці деякого середнього положення. При поширенні коливань серед виникають хвилі. Теорія коливань - сфера фізики, що займається дослідженням цих закономірностей. Отже, континуальна теорія описує хвильові процеси. Поруч із хвильовим (континуальним) описом широко використовується поняття частки - корпускули. З точки зору континуальноїконцепції вся матерія розглядалася як форма поля, рівномірно поширеного у просторі, а після випадкового обурення поля виникли хвилі, тобто частки з різними властивостями. Взаємодія цих утворень призвела до появи атомів, молекул, макротіл, що утворюють макросвіт. На основі цього критерію виділяють такі рівні матерії: мікросвіт, макросвіт та мегасвіт.

Мікросвіт - це область гранично малих, безпосередньо неспостережуваних матеріальних мікрооб'єктів, розмір яких обчислюється в діапазоні від 10-8 до 10-16 см, а час життя - від нескінченності до 10-24 с. Це світ від атомів до простих частинок. Всі вони мають як хвильові, так і корпускулярні властивості.

Макросвіт- Світ матеріальних об'єктів, порівнянних за своїм масштабом з людиною. На цьому рівні просторові величини вимірюються від міліметрів до кілометрів, а час від секунд до років. Макросвіт представлений макромолекулами, речовинами у різних агрегатних станах, живими організмами, людиною та продуктами його діяльності.

Мегамір- сфера величезних космічних масштабів і швидкостей, відстань у якій вимірюється астрономічними одиницями (1 а. е. = 8,3 світлових хвилин), світловими роками (1 світловий рік = 10 трлн км) та парсеками (1пк = 30 трлн км), а час існування космічних об'єктів - мільйонами та мільярдами років. До цього рівня належать найбільші матеріальні об'єкти: планети та їх системи, зірки, галактики та їх скупчення, що утворюють метагалактики.

Класифікація елементарних частинок

Елементарні частинки – основні структурні елементи мікросвіту. Елементарні частинки можуть бути складовими(протон, нейтрон) та нескладними(Електрон, нейтрино, фотон). На цей час виявлено понад 400 частинок та його античастинок. Деякі елементарні частинки мають незвичайні властивості. Так, довгий час вважалося, що частка нейтрино немає маси спокою. У 30-ті роки. XX ст. при вивченні бета-розпаду було виявлено, що розподіл за енергіями електронів, що випускаються радіоактивними ядрами, відбувається безперервно. З цього випливало, що або не виконується закон збереження енергії, або крім електронів випускаються частинки, що важко реєструються, подібні фотонам з нульовою масою спокою, що забирають частину енергії. Вчені висловили припущення, що це нейтрино. Проте зареєструвати нейтрино експериментально вдалося лише 1956 р. на величезних підземних установках. Складність реєстрації цих частинок полягає в тому, що захоплення частинок нейтрино відбувається надзвичайно рідко через їхню високу проникаючу здатність. У ході експериментів було встановлено, що маса спокою нейтрино не дорівнює нулю, хоча від нуля відрізняється ненабагато. Цікавими властивостями володіють і античастинки. Вони мають багато з тих самих ознак, що й їх частки-двійники (масу, спин, час життя тощо. буд.), але від них знаками електричного заряду чи іншими характеристиками.

У 1928 р. П. Дірак передбачив існування античастинки електрона - позитрона, який було виявлено через чотири роки К. Андерсоном у складі космічних променів. Електрон і позитрон - не єдина пара частинок-двійників, всі елементарні частинки, крім нейтральних, мають античастинки. При зіткненні частки та античастинки відбувається їх анігіляція (від лат. annihilatio- перетворення на ніщо) - перетворення елементарних частинок і античастинок на інші частки, число та вид яких визначаються законами збереження. Наприклад, внаслідок анігіляції пари електрон-позитрон народжуються фотони. Число виявлених елементарних частинок з часом зростає. Водночас триває пошук фундаментальних частинок, які могли б бути складовими «цеглинами» для побудови відомих частинок. Гіпотеза про існування таких часток, названих кварками, була висловлена ​​в 1964 р. американським фізиком М. Гелл-Маном (Нобелевська премія 1969 р.).

Елементарні частинки мають велику кількість характеристик. Одна з відмінних рис кварків полягає в тому, що вони мають дробові електричні заряди. Кварки можуть з'єднуватися один з одним парами та трійками. З'єднання трьох кварків утворює баріони(Протони та нейтрони). У вільному стані кварки не спостерігалися. Проте кваркова модель дозволила визначити квантові числа багатьох елементарних частинок.

Елементарні частинки класифікують за такими ознаками: масі частинки, електричного заряду, типу фізичної взаємодії, в якому беруть участь елементарні частки, час життя частинок, спину та ін.

Залежно від маси спокою частинки (маса її спокою, яка визначається по відношенню до маси спокою електрона, що вважається найлегшою зі всіх частинок, що мають масу) виділяють:

♦ фотони (грец. photos- частинки, які не мають маси спокою та рухаються зі швидкістю світла);

♦ лептони (грец. leptos- легкий) - легкі частки (електрон та нейтрино);

♦ мезони (грец. mesos- середній) - середні частки з масою від однієї до тисячі мас електрона (пі-мезон, ка-мезон та ін);

♦ баріони (грец. barys- важкий) - важкі частинки з масою понад тисячу мас електрона (протони, нейтрони та ін.).

Залежно від електричного заряду виділяють:

♦ частинки з негативним зарядом (наприклад, електрони);

♦ частинки з позитивним зарядом (наприклад, протон, позитрони);

♦ частинки з нульовим зарядом (наприклад, нейтрино).

Існують частинки з дробовим зарядом. кварки.З урахуванням типу фундаментальної взаємодії, у якому беруть участь частинки, у тому числі виділяють:

♦ адрони (грец. adros- Великий, сильний), що беруть участь в електромагнітному, сильному і слабкому взаємодії;

♦ лептони, які беруть участь тільки в електромагнітній та слабкій взаємодії;

♦ частки - переносники взаємодій (фотони - переносники електромагнітної взаємодії; гравітони - переносники гравітаційної взаємодії; глюони - переносники сильної взаємодії; проміжні векторні бозони - переносники слабкої взаємодії).

За часом життя частки поділяються на стабільні, квазістабільні та нестабільні. Більшість елементарних частинок нестабільна, час їхнього життя - 10 -10 -10 -24 с. Стабільні частки не розпадаються тривалий час. Вони можуть бути від нескінченності до 10 -10 с. Стабільними частинками вважаються фотон, нейтрино, протон та електрон. Квазістабільні частки розпадаються внаслідок електромагнітної та слабкої взаємодії, інакше їх називають резонансами. Час їхнього життя становить 10 -24 -10 -26 с.

2.2. Фундаментальні взаємодії

Взаємодія - основна причина руху матерії, тому взаємодія притаманна всім матеріальним об'єктам незалежно від їхнього природного походження та системної організації. Особливості різних взаємодій визначають умови існування та специфіку властивостей матеріальних об'єктів. Всього відомо чотири види взаємодії: гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка.

Гравітаційневзаємодія першим із відомих фундаментальних взаємодій стала предметом дослідження вчених. Воно проявляється у взаємному тяжінні будь-яких матеріальних об'єктів, що мають масу, передається за допомогою гравітаційного поля та визначається законом всесвітнього тяжіння, який був сформульований І. Ньютоном

Закон всесвітнього тяжіння визначає падіння матеріальних тіл на полі Землі, рух планет Сонячної системи, зірок тощо. У міру збільшення маси речовини гравітаційні взаємодії зростають. Гравітаційна взаємодія - найслабша з усіх відомих сучасної науки взаємодій. Проте гравітаційні взаємодії визначають будову всього Всесвіту: освіту всіх космічних систем; існування планет, зірок та галактик. Важлива роль гравітаційної взаємодії визначається його універсальністю: всі тіла, частки та поля беруть участь у ньому.

Переносниками гравітаційної взаємодії є гравітони – кванти гравітаційного поля.

Електромагнітневзаємодія також є універсальною і існує між будь-якими тілами в мікро-, макро- та мегасвіті. Електромагнітна взаємодія обумовлена ​​електричними зарядами та передається за допомогою електричного та магнітного полів. Електричне поле виникає за наявності електричних зарядів, а магнітне - під час руху електричних зарядів. Електромагнітна взаємодія описується: законом Кулона, законом Ампера та ін і в узагальненому вигляді - електромагнітною теорією Максвелла, що зв'язує електричне та магнітне поля. Завдяки електромагнітній взаємодії виникають атоми, молекули та відбуваються хімічні реакції. Хімічні реакції є проявом електромагнітних взаємодій і є результатами перерозподілу зв'язків між атомами в молекулах, а також кількості та складу атомів у молекулах різних речовин. Різні агрегатні стани речовини, сили пружності, тертя тощо визначаються електромагнітною взаємодією. Переносниками електромагнітної взаємодії є фотони – кванти електромагнітного поля з нульовою масою спокою.

Усередині атомного ядра виявляються сильні та слабкі взаємодії. Сильневзаємодія забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі. Ця взаємодія визначається ядерними силами, що мають зарядову незалежність, короткодію, насичення та інші властивості. Сильна взаємодія утримує нуклони (протони та нейтрони) в ядрі та кварки всередині нуклонів та відповідає за стабільність атомних ядер. За допомогою сильної взаємодії вчені пояснили, чому протони ядра атома не розлітаються під впливом електромагнітних сил відштовхування. Сильна взаємодія передається глюонами - частинками, що «склеюють» кварки, що входять до складу протонів, нейтронів та інших частинок.

Слабкевзаємодія діє тільки в мікросвіті. У цій взаємодії беруть участь усі елементарні частинки, крім фотона. Воно зумовлює більшість розпадів елементарних частинок, тому його відкриття відбулося за відкриттям радіоактивності. Перша теорія слабкого взаємодії було створено 1934 р. Еге. Фермі і розвинена 1950-ті гг. М. Гелл-Маном, Р. Фейнманом та іншими вченими. Переносниками слабкої взаємодії прийнято вважати частинки з масою в 100 разів більшими за масу протонів - проміжні векторні бозони.

Характеристики фундаментальних взаємодій представлені у табл. 2.1.

Таблиця 2.1

Характеристики фундаментальних взаємодій

З таблиці видно, що гравітаційна взаємодія набагато слабша за інші взаємодії. Радіус його дії необмежений. Воно не відіграє суттєвої ролі в мікропроцесах і в той же час є основним для об'єктів з більшими масами. Електромагнітна взаємодія сильніша за гравітаційну, хоча радіус її дії також необмежений. Сильна та слабка взаємодії мають дуже обмежений радіус дії.

Одне з найважливіших завдань сучасного природознавства - створення єдиної теорії фундаментальних взаємодій, що поєднує різні види взаємодії. Створення такої теорії означало б також побудова єдиної теорії елементарних частинок.

2.3. Теплове випромінювання. Народження квантових уявлень

Наприкінці XX ст. хвильова теорія не могла пояснити та описати теплове випромінювання у всьому діапазоні частот електромагнітних хвиль теплового діапазону. А те, що теплове випромінювання, зокрема світло, є електромагнітними хвилями, стало науковим фактом. Дати точний опис теплового випромінювання вдалося німецькому фізику Максу Планку.

14 грудня 1900 р. Планк виступив на засіданні Німецького фізичного товариства з доповіддю, в якій виклав свою гіпотезу квантової природи теплового випромінювання та нову формулу випромінювання (формула Планка). Цей день фізики вважають днем ​​народження нової фізики – квантової. Видатний французький математик і фізик А. Пуанкаре писав: «Квантова теорія Планка є, безперечно, найбільша і найглибша революція, яку натуральна філософія зазнала з часів Ньютона».

Планк встановив, що теплове випромінювання (електромагнітна хвиля) випромінюється не суцільним потоком, а порціями (квантами). Енергія кожного кванта

тобто пропорційна частоті електромагнітної хвилі – v. Тут h- Постійна Планка, що дорівнює 6,62 · 10 -34 Дж · с.

Збіг розрахунків Планка з досвідченими даними було повним. У 1919 р. М. Планку надали Нобелівську премію.

На основі квантових уявлень А. Ейнштейн у 1905 р. розробив теорію фотоефекту (Нобелівська премія 1922 р.), поставивши науку перед фактом: світло має і хвильові та корпускулярні властивості, воно випромінюється, поширюється і поглинається квантами (порціями). Кванти світла почали називати фотонами.

2.4. Гіпотеза де Бройля про корпускулярно-хвильовий дуалізм властивостей частинок

Французький вчений Луї де Бройль (1892-1987) у 1924 р. у докторській дисертації «Дослідження з теорії квантів» висунув сміливу гіпотезу про універсальність корпускулярно-хвильового дуалізму, стверджуючи, що оскільки світло поводиться в одних випадках як хвиля, а в інших - як частка, те й матеріальні частинки (електрони та ін) в силу спільності законів природи повинні мати хвильові властивості. «В оптиці, – писав він, – протягом сторіччя надто нехтували корпускулярним способом розгляду порівняно з хвильовим; чи не робилася теоретично речовини зворотна помилка? Чи не думали ми надто багато про картину «часток» і чи не нехтували надмірною картиною хвиль?» Тоді гіпотеза де Бройля виглядала божевільною. Лише 1927 р., через три роки, наука пережила величезне потрясіння: фізики До. Девіссон і Л. Джермер експериментально підтвердили гіпотезу де Бройля, отримавши дифракційну картину електронів.

Згідно з квантовою теорією світла А. Ейнштейна, хвильові характеристики фотонів світла (частота коливань vі довжина хвиля л = c/v) пов'язані з корпускулярними характеристиками (енергією ε ф, релятивістської масою m ф та імпульсом р ф) співвідношеннями:

За ідеєю де Бройля, будь-яка мікрочастинка, в тому числі і з масою спокою Ц 0, повинна мати не тільки корпускулярні, але і хвильові властивості. Відповідна частота vі довжина хвилі л визначаються при цьому співвідношеннями, подібними до ейнштейнівських:

Звідси довжина хвилі де Бройля.

Таким чином, співвідношення Ейнштейна, отримані ним при побудові теорії фотонів в результаті гіпотези, висунутої де Бройлем, набули універсального характеру і стали однаково застосовними як для аналізу корпускулярних властивостей світла, так і для дослідження хвильових властивостей усіх мікрочастинок.

2.5. Досліди Резерфорда. Модель атома Резерфорду

А. Досліди Резерфорда

У 1911 р. Резерфорд провів виняткові за своїм значенням експерименти, які засвідчили існування ядра атома. Для дослідження атома Резерфорд застосував його зондування (бомбардування) за допомогою α-часток, які виникають при розпаді радію, полонію та деяких інших елементів. Резерфордом та його співробітниками ще в більш ранніх дослідах у 1909 р. було встановлено, що α-частинки мають позитивний заряд, рівний за модулем подвоєного заряду електрона q =+2e,і масою, що збігається з масою атома гелію, тобто

m а= 6,62 · 10 -27 кг,

що приблизно 7300 разів більше маси електрона. Пізніше було встановлено, що α-частинки є ядрами атомів гелію. Цими частинками Резерфорд бомбардував атоми важких елементів. Електрони внаслідок своєї малої маси не можуть змінити траєкторію -частиниці. Їхнє розсіювання (зміна напрямку руху) може викликати тільки позитивно заряджену частину атома. Таким чином, за розсіянням α-часток можна визначити характер розподілу позитивного заряду, а отже, і маси всередині атома.

Було відомо, що -частинки, випромінювані полонієм, летять зі швидкістю 1,6-107 м/с. Полоній містився всередину свинцевого футляра, вздовж якого висвердлено вузький канал. Пучок α-часток, пройшовши канал та діафрагму, падав на фольгу. Золоту фольгу можна зробити винятково тонкою - товщиною 4-10 -7 м (у 400 атомів золота; це число можна оцінити, знаючи масу, щільність та молярну масу золота). Після фольги -частинки потрапляли на напівпрозорий екран, покритий сульфідом цинку. Зіткнення кожної частинки з екраном супроводжувалося спалахом світла (сцинтиляцією), зумовленим флуресценцією, що спостерігалася мікроскоп.

При хорошому вакуумі всередині приладу (щоб не було розсіювання частинок від молекул повітря) без фольги на екрані виникав світлий гурток із сцинтиляцій, викликаних тонким пучком α-частинок. Коли на шляху пучка поміщалася фольга, то переважна більшість α-частинок все одно не відхилялася від свого первісного напрямку, тобто проходила крізь фольгу, ніби вона була порожнім простором. Однак були α-частинки, які змінювали свій шлях і навіть відскакували назад.

Марсден і Гейгер, учні та співробітники Резерфорда, нарахували понад мільйон сцинтиляцій і визначили, що приблизно одна з 2 тисяч α-часток відхилялася на кути, більші за 90°, а одна з 8 тисяч - на 180°. Пояснити цей результат на основі інших моделей атома, зокрема Томсона, не можна було.

Розрахунки показують, що при розподілі по всьому атому позитивний заряд (навіть без урахування електронів) не може створити достатньо інтенсивне електричне поле, здатне відкинути α-частку назад. Напруженість електричного поля рівномірно зарядженої кулі максимальна на поверхні кулі і зменшується до нуля в міру наближення до центру. Розсіювання α-частинок на великі кути відбувається так, як би весь позитивний заряд атома був зосереджений в його ядрі - області, що займає дуже малий обсяг в порівнянні з усім об'ємом атома.

Імовірність попадання α-частинок у ядро ​​та їх відхилення на великі кути дуже мала, тому для більшості α-частинок фольги як би не існувало.

Резерфорд теоретично розглянув завдання про розсіювання α-часток у кулонівському електричному полі ядра і отримав формулу, що дозволяє за щільністю потоку α-часток, що налітають на ядро, та виміряному числу частинок, розсіяних під деяким кутом, визначити число Nелементарних позитивних зарядів +е, що містяться в ядрі атомів даної фольги, що розсіює. Досліди показали, що число Nдорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі Д. І. Менделєєва, тобто N = Z(Для золота Z= 79).

Таким чином, гіпотеза Резерфорда про зосередження позитивного заряду в ядрі атома дозволила встановити фізичне значення порядкового номера елемента в періодичній системі елементів. У нейтральному атомі має бути також Zелектронів. Істотно, що число електронів в атомі, визначене різними методами, збіглося з числом позитивних зарядів елементарних в ядрі. Це стало перевіркою справедливості ядерної моделі атома.

Б. Ядерна модель атома Резерфорда

Узагальнюючи результати дослідів із розсіювання α-часток золотою фольгою, Резерфорд встановив:

♦ атоми за своєю природою значною мірою прозорі для α-часток;

♦ відхилення α-частинок на великі кути можливі лише в тому випадку, якщо всередині атома є дуже сильне електричне поле, яке створюється позитивним зарядом, пов'язаним з великою і сконцентрованою в дуже малому обсязі масою.

Для пояснення цих дослідів Резерфорд запропонував ядерну модель атома: в ядрі атома (області з лінійними розмірами 10 -15 -10 -14 м) зосереджено весь його позитивний заряд і майже вся маса атома (99,9 %). Навколо ядра в області з лінійними розмірами ~10 -10 м (розміри атома оцінені в молекулярно-кінетичній теорії) рухаються замкнутими орбітами негативно заряджені електрони, маса яких становить лише 0,1 % маси ядра. Отже, електрони перебувають від ядра з відривом від 10 000 до 100 000 діаметрів ядра, тобто основну частину атома становить порожній простір.

Ядерна модель атомів Резерфорда нагадує сонячну систему: у центрі системи знаходиться «сонце» – ядро, а навколо нього по орбітах рухаються «планети» – електрони, тому цю модель називають планетарної.Електрони не падають на ядро ​​тому, що електричні сили тяжіння між ядром та електронами врівноважуються відцентровими силами, зумовленими обертанням електронів навколо ядра.

У 1914 році, через три роки після створення планетарної моделі атома, Резерфорд досліджував позитивні заряди в ядрі. Бомбардуючи електронами атоми водню, він виявив, що нейтральні атоми перетворилися на позитивно заряджені частинки. Оскільки атом водню має один електрон, Резерфорд вирішив, що ядро ​​атома є частинкою, яка несе елементарний позитивний заряд +е. Цю частинку він назвав протоном.

Планетарна модель добре узгоджується з дослідами розсіювання α-часток, але вона не може пояснити стійкість атома. Розглянемо, наприклад, модель атома водню, що містить ядро-протон та один електрон, який рухається зі швидкістю vнавколо ядра по круговій орбіті радіусу r.Електрон повинен по спіралі падати на ядро, і частота його обігу навколо ядра (отже, і частота випромінюваних ним електромагнітних хвиль) повинна безперервно змінюватися, тобто атом нестійкий, і його електромагнітне випромінювання повинно мати безперервний спектр.

Насправді виявляється, що:

а) атом стійкий;

б) атом випромінює енергію лише за певних умов;

в) випромінювання атома має лінійний спектр, який визначається його будовою.

Таким чином, застосування класичної електродинаміки до планетарної моделі атома призвело до повної суперечності з експериментальними фактами. Подолання труднощів зажадало створення якісно нової - квантовий- Теорії атома. Однак, незважаючи на свою неспроможність, планетарна модель і зараз прийнята як наближена і спрощена картина атома.

2.6. Теорія Бору атома водню. Постулати Бора

Датський фізик Нільс Бор (1885-1962) у 1913 р. створив першу квантову теорію атома, зв'язавши в єдине ціле емпіричні закономірності лінійних спектрів водню, ядерну модель атома Резерфорда та квантовий характер випромінювання та поглинання світла.

В основу своєї теорії Бор поклав три постулати, з приводу яких американський фізик Л. Купер зауважив: «Звичайно, було дещо самовпевнено висувати пропозиції, що суперечать електродинаміці Максвелла та механіці Ньютона, але Бор був молодий».

Перший постулат(Постулат стаціонарних станів):в атомі електрони можуть рухатися тільки за певними, так званими дозволеними, або стаціонарними, круговими орбітами, на яких вони, незважаючи на наявність у них прискорення, не випромінюють електромагнітних хвиль (тому ці орбіти названі стаціонарними). Електрон на кожній стаціонарній орбіті має певну енергію E n .

Другий постулат(Правило частот):атом випромінює або поглинає квант електромагнітної енергії при переході електрона з однієї стаціонарної орбіти на іншу:

hv = E 1 - E 2

де E 1 і E 2 - Енергія електрона відповідно до і після переходу.

При E 1 > E 2 відбувається випромінювання кванта (перехід атома з одного стану з більшою енергією в стан з меншою енергією, тобто перехід електрона з будь-якою дальньою на будь-яку орбіту від ядра); при E 1< E 2 - поглощение кванта (переход атома в состояние с большей энергией, то есть переход электрона на более удаленную от ядра орбиту).

Будучи впевненим, що постійна Планка має відігравати основну роль теорії атома, Бор ввів третій постулат(Правило квантування):на стаціонарних орбітах момент імпульсу електрона L n = m e υ n r nкратний величині = h/(2π), тобто

m e υ n r n = nh, n = 1, 2, 3, …,

де = 1,05 · 10 -34 Дж · с - постійна Планка (величина h/(2π)) зустрічається настільки часто, що для неї введено спеціальне позначення («аш» з межею; в даній роботі «аш» - пряме); m е = 9,1 · 10 -31 кг – маса електрона; r п- радіус n-ї стаціонарної орбіти; υ n- Швидкість електрона на цій орбіті.

2.7. Атом водню у квантовій механіці

Рівнянням руху мікрочастинки у різних силових полях є хвильове рівняння Шредінгера.

Для стаціонарних станів рівняння Шредінгера буде таким:

де Δ - оператор Лапласа

, m- Маса частки, h- Постійна Планка, E- Повна енергія, U- потенціальна енергія.

Рівняння Шредінгера є диференціальним рівнянням другого порядку і має рішення, яке вказує на те, що в атомі водню повна енергія має дискретний характер:

E 1 , E 2 , E 3…

Ця енергія знаходиться на відповідних рівнях n=1,2,3,…за формулою:

Найнижчий рівень Eвідповідає мінімальній можливій енергії. Цей рівень називають основним, решта - збудженими.

У міру зростання головного квантового числа nенергетичні рівні розташовуються вже, повна енергія зменшується, і при n= ∞ вона дорівнює нулю. При E>0електрон стає вільним, незв'язаним із конкретним ядром, а атом - іонізованим.

Повний опис стану електрона в атомі, крім енергії, пов'язаний із чотирма характеристиками, які називаються квантовими числами. До них відносяться: головне квантове число п,орбітальне квантове число l,магнітне квантове число m 1 магнітне спинове квантове число m s .

Хвильова φ-функція, що описує рух електрона в атомі, є не одновимірною, а просторовою хвилею, що відповідає трьом ступеням свободи електрона в просторі, тобто хвильова функція в просторі характеризується трьома системами. Кожна з них має свої квантові числа: п, l, m l .

Кожній мікрочастинці, у тому числі й електрону, також властиве власний внутрішній складний рух. Цей рух може характеризуватись четвертим квантовим числом m s . Поговоримо про це докладніше.

A.Головне квантове число п, згідно з формулою, визначає енергетичні рівні електрона в атомі і може приймати значення п= 1, 2, 3…

Б.Орбітальне квантове число/. З рішення рівняння Шредінгера випливає, що момент імпульсу електрона (його механічний орбітальний момент) квантується, тобто набуває дискретних значень, що визначаються формулою

де L l- момент імпульсу електрона на орбіті, l- орбітальне квантове число, яке при заданому пприймає значення i= 0, 1, 2… (n- 1) та визначає момент імпульсу електрона в атомі.

B.Магнітне квантове число m l. З рішення рівняння Шредінгера випливає також, що вектор L l(Момент імпульсу електрона) орієнтується у просторі під впливом зовнішнього магнітного поля. При цьому вектор розгорнеться так, що його проекція на напрямок зовнішнього магнітного поля буде

L l z= hm l

де m lназивається магнітним квантовим числом,яке може набувати значень m l= 0, ±1, ±2,±1, тобто всього (2l + 1) значень.

Враховуючи сказане, можна зробити висновок про те, що атом водню може мати те саме значення енергії, перебуваючи в декількох різних станах (n - те саме, а lі m l- Різні).

Під час руху електрона в атомі електрон помітно виявляє хвильові властивості. Тому квантова електроніка взагалі відмовляється від класичних уявлень про електронні орбіти. Йдеться визначення ймовірного місця знаходження електрона на орбіті, тобто місцезнаходження електрона може бути представлене умовним «хмарою». Електрон при своєму русі як би «розмазаний» по всьому об'єму цієї «хмари». Квантові числа nі lхарактеризують розмір та форму електронної «хмари», а квантове число m l- орієнтацію цієї «хмари» у просторі.

У 1925 р. американські фізики Уленбекі Гаудсмітдовели, що електрон також має власний момент імпульсу (спином), хоча ми не вважаємо електрон складною мікрочастинкою. Пізніше з'ясувалося, що спин мають протони, нейтрони, фотони та інші елементарні частинки

Досвіди Штерна, Герлахата інших фізиків призвели до необхідності характеризувати електрон (і мікрочастинки взагалі) додатковим внутрішнім ступенем свободи. Звідси для повного опису стану електрона в атомі необхідно задавати чотири квантові числа: головне - п,орбітальне - l,магнітне - m l, магнітне спинове число - m s .

У квантовій фізиці встановлено, що так звана симетрія чи асиметрія хвильових функцій визначається спином частки. Залежно від характеру симетрії частинок всі елементарні частинки та побудовані з них атоми та молекули поділяються на два класи. Частинки з напівцілим спином (наприклад, електрони, протони, нейтрони) описуються асиметричними хвильовими функціями та підпорядковуються статистиці Фермі-Дірака. Ці частки називаються ферміонами.Частинки з цілим спином, у тому числі і з нульовим, такі як фотон (Ls=1) або л-мезон (Ls= 0), описуються симетричними хвильовими функціями та підпорядковуються статистиці Бозе-Ейнштейна. Ці частки називаються бозонами.Складні частинки (наприклад, атомні ядра), складені з непарного числа ферміонів, також є ферміонами (сумарний спин – напівцілий), а складені з парного – бозонами (сумарний спин – цілісний).

2.8. Багатоелектронний атом. Принцип Паулі

У багатоелектронному атомі, заряд якого дорівнює Ze, електрони займатимуть різні «орбіти» (оболонки). При русі навколо ядра Z-електрони розташовуються відповідно до квантово-механічного закону, який називається принципом Паулі(1925 р.). Він формулюється так:

> 1. У будь-якому атомі може бути двох однакових електронів, визначених набором чотирьох квантових чисел: головного n,орбітального /, магнітного mта магнітного спинового m s .

> 2. У станах з певним значенням можуть бути в атомі трохи більше 2n 2 електронів.

Значить, на першій оболонці («орбіті») можуть перебувати лише 2 електрони, на другій - 8, на третій - 18 і т.д.

Таким чином, сукупність електронів у багатоелектронному атомі, що мають одне й те головне квантове число n, називають електронною оболонкою.У кожній з оболонок електрони розташовуються за підболочками, які відповідають певному значенню /. Оскільки орбітальне квантове число lприймає значення від 0 до (п - 1), число підболочок дорівнює порядковому номеру оболонки п.Кількість електронів у підболочці визначається магнітним квантовим числом m lта магнітним спиновим числом m s .

Принцип Паулі відіграв визначну роль розвитку сучасної фізики. Так, наприклад, вдалося теоретично обґрунтувати періодичну систему елементів Менделєєва. Без принципу Паулі неможливо було б створити квантові статистики та сучасну теорію твердих тіл.

2.9. Квантово-механічне обґрунтування Періодичного закону Д. І. Менделєєва

У 1869 р. Д. І. Менделєєв відкрив періодичний закон зміни хімічних та фізичних властивостей елементів залежно від їх атомних мас. Д. І. Менделєєв ввів поняття порядкового номера Z-елемента і, розташувавши хімічні елементи у порядку зростання їх номера, отримав повну періодичність у зміні хімічних властивостей елементів. Фізичний зміст порядкового номера Z-елемента в періодичній системі було встановлено в ядерній моделі атома Резерфорда: Zзбігається з числом позитивних елементарних зарядів у ядрі (протонів) та, відповідно, з числом електронів в оболонках атомів.

Принцип Паулі дає пояснення періодичної системи Д. І. Менделєєва. Почнемо з атома водню, що має один електрон та один протон. Кожен наступний атом отримуватимемо, збільшуючи заряд ядра попереднього атома на одиницю (один протон) і додаючи один електрон, який ми поміщатимемо в доступний йому, згідно з принципом Паулі, стан.

У атома водню Z= 1 на оболонці 1 електрон. Цей електрон знаходиться на першій оболонці (K-оболонка) та має стан 1S, тобто у нього n=1,а l=0(S-стан), m= 0, ms = ±l/2 (орієнтація його спина довільна).

У атома гелію (Не) Z = 2 на оболонці 2 електрона, обидва вони розташовуються на першій оболонці і мають стан 1S,але з антипаралельною орієнтацією спинів. На атомі гелію закінчується заповнення першої оболонки (K-оболонки), що відповідає завершенню I періоду Періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва. За принципом Паулі, на першій оболонці більше двох електронів розмістити не можна.

У атома літію (Li) Z= 3, на оболонках 3 електрона: 2-на першій оболонці (К-оболонці) і 1-на другій (L-оболонці). На першій оболонці електрони можуть 1S,а на другий - 2S.Літією починається II період таблиці.

У атома берилію (Be) Z= 4, на оболонках 4 електрони: 2 на першій оболонці в стані ISта 2 на другий у стані 2S.

У наступних шести елементів - від (Z = 5) до Ne(Z = 10) - йде заповнення другої оболонки, при цьому електрони знаходяться як у стані 2S, так і в стані 2р (у другої оболонки утворюється 2 під-оболонки).

У атома натрію (Na) Z= 11. У нього перша та друга оболонки, згідно з принципом Паулі, повністю заповнені (2 електрони на першій та 8 електронів на другій оболонках). Тому одинадцятий електрон розташовується на третій оболонці (М-оболонці), займаючи нижчий стан 3 S.Натрієм відкривається III період Періодичної системи Д. І. Менделєєва. Розмірковуючи так, можна побудувати всю таблицю.

Таким чином, періодичність у хімічних властивостях елементів пояснюється повторюваністю у структурі зовнішніх оболонок у атомів споріднених елементів. Так, інертні гази мають однакові зовнішні оболонки із 8 електронів.

2.10. Основні поняття ядерної фізики

Ядра всіх атомів можна розділити на два великі класи: стабільні та радіоактивні. Останні мимоволі розпадаються, перетворюючись на ядра інших елементів. Ядерні перетворення можуть відбуватися і зі стабільними ядрами при їх взаємодії один з одним та з різними мікрочастинками.

Будь-яке ядро ​​позитивно заряджено, і величина заряду визначається кількістю протонів в ядрі Z (зарядове число). Кількість протонів та нейтронів у ядрі визначає масове число ядра A. Символічно ядро ​​записується так:

де X- Символ хімічного елемента. Ядра з однаковим зарядовим числом Zта різними масовими числами Aназиваються ізотопами. Наприклад, уран у природі зустрічається в основному у вигляді двох ізотопів

Ізотопи мають однакові хімічні властивості та різні фізичні. Наприклад, ізотоп урану 2 3 5 92 U добре взаємодіють з нейтроном 1 0 nбудь-яких енергій і може розділитися на два легші ядра. У той же час ізотоп урану 238 92 Uділиться лише за взаємодії з нейтронами високих енергій, понад 1 мегаэлектроновольта (МеВ) (1 МеВ = 1,6 · 10 -13 Дж). Ядра з однаковими Aта різними Zназиваються ізобарами.

У той час як заряд ядра дорівнює сумі зарядів протонів, що входять до нього, маса ядра не дорівнює сумі мас окремих вільних протонів і нейтронів (нуклонів), вона трохи менше її. Це тим, що з зв'язку нуклонів в ядрі (для організації сильної взаємодії) потрібна енергія зв'язку E.Кожен нуклон (і протон і нейтрон), потрапляючи в ядро, образно кажучи, виділяє частину своєї маси для формування внутрішньоядерної сильної взаємодії, яка склеює нуклони в ядрі. При цьому, згідно з теорією відносності (див. розділ 3), між енергією Eта масою mіснує співвідношення E = mc 2 де з- Швидкість світла у вакуумі. Отже, формування енергії зв'язку нуклонів в ядрі E свпризводить до зменшення маси ядра на так званий дефект маси Δm = E св· З 2 . Ці уявлення підтверджені численними експериментами. Побудувавши залежність енергії зв'язку на один нуклон Eсв / A= ε від числа нуклонів у ядрі A,ми одразу побачимо нелінійний характер цієї залежності. Питома енергія зв'язку зі зростанням Aспочатку круто зростає (у легких ядер), потім характеристика наближається до горизонтальної (у середніх ядер), а далі повільно знижується (у важких ядер). У урану ε ≈ 7,5 МеВ, а у середніх ядер ε ≈ 8,5 МеВ. Середні ядра найбільш стійкі, вони мають велику енергію зв'язку. Звідси відкривається можливість отримання енергії при розподілі важкого ядра на два легших (середніх). Така ядерна реакція поділу може здійснитися під час бомбардування ядра урану вільним нейтроном. Наприклад, 2 3 5 92 U ділиться на два нових ядра: рубідій 37 -94 Rb і цезій 140 55 Cs (один із варіантів поділу урану). Реакція поділу важкого ядра чудова тим, що крім нових легших ядер з'являються два нові вільні нейтрони, які називають вторинними. При цьому на кожен акт розподілу припадає 200 МеВ енергії, що виділяється. Вона виділяється у вигляді кінетичної енергії всіх продуктів поділу і далі може бути використана, наприклад, для нагрівання води або іншого теплоносія. Вторинні нейтрони можуть викликати поділ інших ядер урану. Утворюється ланцюгова реакція, в результаті якої в середовищі, що розмножує, може виділитися величезна енергія. Цей спосіб отримання енергії широко використовується в ядерних боєприпасах та керованих ядерних енергетичних установках на електростанціях та на транспортних об'єктах з атомною енергетикою.

Крім зазначеного способу отримання атомної (ядерної) енергії є і інший - злиття двох легких ядер у важче ядро. Процес об'єднання легких ядер може відбуватися лише при зближенні вихідних ядер на відстань, де діють ядерні сили (сильна взаємодія), тобто ~ 10 - 15 м. Цього можна досягти при надвисоких температурах близько 1 000 000 °C. Такі процеси називають термоядерними реакціями.

Термоядерні реакції у природі йдуть на зірках і, звичайно, на Сонці. В умовах Землі вони відбуваються під час вибухів водневих бомб (термоядерна зброя), запалом для яких служить звичайна атомна бомба, що створює умови для формування надвисоких температур. Керований термоядерний синтез поки що має лише науково-дослідну спрямованість. Промислових установок немає, проте роботи у цьому напрямі ведуться у всіх розвинених країнах, зокрема й у Росії.

2.11. Радіоактивність

Радіоактивністю називається мимовільне перетворення одних ядер на інші.

Спонтанний розпад ізотопів ядер в умовах природного середовища називають природною,а в умовах лабораторій у результаті діяльності людини - штучною радіоактивністю.

Природну радіоактивність відкрив французький фізик Анрі Беккерель у 1896 р. Це відкриття викликало революцію у природознавстві взагалі та у фізиці зокрема. Класична фізика ХІХ ст. з її переконаністю в неподільності атома пішла у минуле, поступившись місцем новим теоріям.

Відкриття та дослідження явища радіоактивності пов'язане також з іменами Марії та П'єра Кюрі. Цим дослідникам у 1903 р. було присуджено Нобелівську премію з фізики.

Штучна радіоактивність відкрита та досліджена подружжям Ірен та Фредеріком Жоліо-Кюрі, яке у 1935 р. також здобуло Нобелівську премію.

Слід зазначити, що принципової різниці між цими двома типами радіоактивності немає.

До кожного радіоактивного елемента встановлено кількісні оцінки. Так, ймовірність розпаду одного атома в одну секунду характеризується постійним розпадом даного елемента л, а час, за який розпадається половина радіоактивного зразка, називається періодом напіврозпаду Г05.

Згодом кількість ядер, що не розпалися. Nспадає за експоненційним законом:

N= N 0 e -λt ,

де N 0 - число ядер, що не розпалися в момент часу t = t 0 (тобто початкове число атомів), N -поточне значення числа нерозпали

Цей закон називається елементарним законом радіоактивного розпаду. З нього можна отримати формулу для періоду напіврозпаду:

Число радіоактивних розпадів у зразку за одну секунду називають активністю радіоактивного препарату.Найчастіше активність позначають буквою Aтоді за визначенням:

де знак «-» означає спадання Nв часі.

Одиниця активності у системі СІ - Беккерель (Бк): 1 Бк=1распад/1с. Часто на практиці використовується позасистемна одиниця – Кюрі (Кі), 1 Кі = 3,7 · 10 10 Бк.

Можна показати, що активність зменшується у часі також за експонентним законом:

A = A 0 e -λt .

Запитання для самоперевірки

1. Що таке матерія? Які види матерії розрізняють у сучасному уявленні?

2. Поясніть поняття «елементарні частки». Назвіть найважливіші характеристики елементарних частинок. Як класифікуються елементарні частки?

3. Скільки видів взаємодії вам відомо? Назвіть основні риси.

4. Що таке античастинки?

5. У чому полягає специфіка вивчення мікросвіту порівняно з вивченням мега- та макросвіту?

6. Охарактеризуйте коротко історію розвитку поглядів на будову атома.

7. Сформулюйте постулати Н. Бора. Чи можна з допомогою теорії М. Бора пояснити структуру атомів всіх елементів таблиці Д. І. Менделєєва?

8. Хто і коли створив теорію електромагнітного поля?

9. Що таке радіоактивність?

10. Назвіть основні типи радіоактивного розпаду.