Будова мікросвіту 1

Мікросвіт - це світ на рівні елементарних частинок. Елементарних частинок дуже багато: близько чотирьохсот. Більшість з цих частинок - фізична екзотика. Ми не знаємо, навіщо їх так багато. Весь наш звичний світ побудований всього з трьох елементарних частинок, які були відкриті першими - це електрон, протон і нейтрон. До елементарних частинок відносять також фотон - частку електромагнітного поля. За сучасними уявленнями питання про розміри частинок ставити некоректно. У них немає чіткої межі, вони як би розмазані по простору, і ми можемо знати тільки ймовірність знаходження частинки в тій чи іншій області. Проте не викликає заперечень твердження, що елементарні частинки дуже малі. Тільки про фотон ми не можемо так сказати. Ми можемо сказати, що фотон має незначну енергією і малим імпульсом, але поняття розміру для фотона не існує. У фотона немає такої властивості, тому не можна сказати "маленький фотон" або "великий фотон".

Так як все речовина побудовано з протонів, нейтронів і електронів, а електромагнітне поле - з фотонів, можна стверджувати, що основне населення мікросвіту складається з цих чотирьох частинок. Це не означає, що інші частинки не мають ніякого значення. Кожна з елементарних частинок важлива на своєму місці. Наприклад, мезони забезпечують взаємодію між протонами і нейтронами і утримують їх разом в ядрі. Всепроникні і майже невловимі нейтрино утворюються при деяких реакціях, несучи частина енергії. Без них ці реакції були б неможливі.

Найпростіший атом речовини - атом водню - складається з одного протона і одного електрона. Його діаметр приблизно дорівнює 10 -10 м = 1 (ангстрем). Ангстрем найбільш зручна одиниця довжини для мікросвіту. Він приблизно в стільки ж разів менше одного метра, у скільки разів довжина нашого класу менше відстані від Землі до Сонця. Можна сказати, що атом так само далекий від нас, як і Сонце. Тільки Сонце далеко вдалину, а атом далекий в глибину.

Один моль речовини містить 6.02 # 8729; 10 23 молекул. Один моль газу при нормальних умовах займає об'єм приблизно рівний 22.4 літра. В одному кубометрі повітря міститься, отже.

Один кубометр повітря містить

Ось ми і прийшли до астрономічних числах в мікросвіті.

Звичайно, це сталося через те, що об'єкти мікросвіту дуже малі і наші звичні одиниці виміру, для них не зручні. Ми сказали вже раніше, що більш зручною є одиниці довжини дорівнює одному Ангстрем 1. Якщо виділити в просторі куб з ребром в один ангстрем, то всередині нього може перебувати тільки одна молекула. Оскільки молекули рухаються, то більшу частину часу цей куб буде порожній і в окремі моменти в нього буде залітати одна молекула: більше молекул в такому кубі не вмістяться. Куб розміром в один ангстрем дуже малий і на цьому рівні розмірів газ вже не здається однорідним і безперервним. Окремі області дуже сильно відрізняються за змістом речовини: в більшості його немає, а в окремих областях, яким пощастило дати притулок на дане короткий час молекулу, щільність речовини дуже висока. Середнє за часом кількість молекул, що міститься в такому кубі, завжди буде набагато менше одиниці.

Якщо ми виділимо куб з довжиною ребра в 100 ангстрем, то обсяг такого куба в метрах буде. Всередину такого куба потрапить в середньому (враховуючи, що молекули швидко і хаотично рухаються) молекул. Приблизно по п'ять молекул уздовж кожного ребра куба. Такі цифри нам вже зрозумілі. Однак куб розміром ангстрем залишається ускользающе малий для уяви. 100 ангстрем складають соту частину одного мікрона, який в свою чергу в тисячу разів менше одного міліметра.

В одному кубометрі (мільярд) кубічних міліметрів. В одному кубічному міліметрі поміщаються молекул газу при нормальних умовах.

У році секунд.

Якщо поставити перед собою завдання перерахувати молекули в одному кубічному міліметрі і відраховувати по одній молекулі в секунду, то знадобиться років. Що приблизно дорівнює одному мільярду років. Приблизно один мільярд років може знадобитися тільки для того, щоб перерахувати молекули в одному кубічному міліметрі газу. Звідси, між іншим, випливає, що ніхто їх ніколи не вважав. Все, що ми знаємо про мікросвіті - це результат непрямих усереднених оцінок і теоретичних висновків.

Планетарна модель атома Резерфорда

Відповідно до моделі Резерфорда атом водню складається з масивного ядра в центрі і обертається навколо нього електрона. Класичний радіус електрона складає м. Радіус орбіти електрона приблизно дорівнює. Радіус орбіти електрона більше його власного радіуса в раз (вісімнадцять тисяч разів).

Орбіта Землі має радіус приблизно дорівнює 150 млрд. Метрів. Радіус Землі 6 млн. Метрів. Відповідне ставлення одно раз. Порядки збігаються. Картини дійсно схожі, і модель атома Резерфорда виправдовує свою назву. І в тому і в іншому випадку основною частиною моделі є порожнеча. У центрі зовсім невелике ядро ​​і дуже маленький (в 18 тисяч разів менше радіуса власної орбіти) електрон. Це класична картина. За сучасними уявленнями, електрон розмазаний по орбіті.

Якщо ми нашу Землю рівномірно размажем спочатку по її орбіті, а потім і по всій сфері, що проходить через цю орбіту, то вийде тонкий шар земної речовини товщиною приблизно в три міліметри. Якщо тепер цей тонкий шар рівномірно розпорошимо до товщини в кілька кілометрів, то отримаємо грубе уявлення про сучасну моделі атома. Сучасна модель атома більше схожа на Сонячну систему в той далекий період історії, коли планети тільки починали утворюватися з газопилової хмари.

Одиницею маси в макросвіті є кілограм.

Маса електрона в кілограмах кг.

Маса протона в кілограмах кг.

Кілограм занадто велика одиниця для вимірювання маси елементарних частинок.

Кожна елементарна частинка має енергію спокою, яку можна обчислити за формулою:.

Енергія спокою електрона

Маса спокою протона

Джоуль теж не дуже зручний в мікросвіті. Для вираження енергії частіше використовують електрон-вольт: він дорівнює енергії, яку набуває електрон, долаючи відстань з різницею потенціалів в один вольт.

дж. Якщо виразити енергію спокою в електрон-вольтах, то отримаємо більш розумні числа:

Оскільки між енергією спокою елементарних частинок і їх масою існує однозначна зв'язок, то масу часто висловлюють через енергію спокою і говорять, наприклад, що електрон має масу 0.512Мев.

Масштаби часу в мікросвіті

Основні елементарні частинки - протон, електрон і фотон - є стабільними частинками і можуть існувати вічно, чи не змінюючись і не старіючи. Протони і електрони утворилися в початковий момент існування Всесвіту і з тих пір не змінилися. Фотони легко поглинаються атомами, але самі вони не вмирають. Вони теж вічні. У це важко повірити, оскільки в "великий" природі, яку ми можемо спостерігати, нічого подібного не буває. Немає нічого вічного під місяцем, кажуть. Виявляється є - це протони й електрони.

Нейтрон виявився нестабільним. У вільному стані він живе приблизно 15 хвилин. Потім розпадається на протон, електрон і нейтрино. У складі ядра нейтрон набуває стійкість і, також як і протон і електрон, може існувати вічно.

Всі інші частинки є нестабільними. Час життя більшості елементарних частинок коливається від 10 -19 до 10 -6 секунд. Можна було б сказати, що вони і не живуть зовсім, але не будемо поспішати з висновками.

Елементарні частинки дуже швидко рухаються, часом навіть зі швидкостями не надто сильно відрізняються від швидкості світла. А якщо частка дуже швидко рухається, то за час своєї, навіть дуже короткою, життя вона може пройти часом навіть дуже пристойну відстань.

Час життя частинки

Отже, навіть дуже короткоживущая елементарна частинка, може народитися в одному місці, а наробити переполох в якому-небудь іншому місці мікросвіту. Саме так і виявляють короткоживучі частинки.

Але 10 -19 це не рекорд. Існують частинки з середнім часом життя до 10 -23 с. Це вже точно не життя, а частинки - НЕ частинки, і називають їх тому резонансами.

Сайт управляється системою uCoz