Чтение онлайн

В природе водород встречается в виде трех изотопов: 1H – протий (Н), 2Н – дейтерий (D), 3Н – тритий (T; радиоактивный, с периодом полураспада 12,32 года). Дейтерия в природе встречается в незначительном количестве, всего лишь 0,0115%. Тритий встречается в еще меньших количествах, образуясь главным образом при взаимодействии космических лучей со стабильными ядрами. Учеными искусственно получены тяжёлые радиоактивные изотопы водорода с массовыми числами 4–7 и периодами полураспада 10– 21– 10– 23 с. Все изотопы являются уровнями структурной организации водорода и отличаются количеством нейтронов в ядре атома, а также свойствами, хотя у искусственных изотопов невозможно определить свойства из-за малого периода жизни.

Гелий с научным названием Helium (He) – химический элемент с номером 2,18-й группы периодической системы. Гелий образуется в термоядерных реакциях, из четырех атомов водорода получается один атом гелия с атомным весом 4. Инертный газ, бесцветный, не имеет запаха и вкуса. Он является одним из самых распространенных элементов, занимает второе место после водорода, и около 23% всей массы Вселенной. На Земле его содержится немного: в атмосфере 1 часть на 200 тыс., в земной коре около 8 частей на миллиард. При температуре —268,9°C гелий переходит в жидкое состояние. Твердый гелий удалось получить лишь под давлением 25 атмосфер при температуре около 1 K.

У гелия имеются природные изотопы: 3He, составляющий 0,00014%, остальное 4He. Получены ещё шесть искусственных радиоактивных изотопов, которые очень быстро распадаются на другие вещества.

Так, последовательно по атомным номерам химических элементов можно привести их качественные характеристики, но для краткости, приведенных примеров достаточно, чтобы показать принцип построения единой картины мира с главной цепью уровней структурной организации материи с разветвлениями подуровней и подподуровней. Таким же образом, следует рассматривать соседние и последующие уровни структурной организации материи, переходя как к более низшим, так и к более высшим уровням структурной организации материи, соблюдая последовательность иерархии до получения полной единой картины мира. Причем уровень структурной организации материи появляется там, где появляется новое качество материи, присущее только данному уровню, данной целостности, как квант, не являющийся суммой качеств составных частей данной целостности. Там, где нет нового качества, не может быть уровня структурной организации материи. Это закономерность проходит по всем уровня структурной организации материи.

С античных времен, пока атом считался неделимым, почти все было ясно, понятно и определенно, пока ученые не решились заглянуть внутрь атома (любопытству нет предела), ясность и определенность исчезли. После античности первым представителем строения атома считается английский физик и химик Джон Дальтон (1766–1844), который недалеко ушел от своих предшественников, но с учетом последних достижений химии, ввел некоторые новые понятия и характеристики атома. Далее, на основе изучения содержимого в лучах на стыке последующих веков, сделан вывод о том, что эти частицы были в две тысячи раз легче, чем водород. В 1904 году Джозеф Джон Томсон (1856–1940) на основе последних научных достижений и своих выводов, предложил так названную «пудинговой моделью атома».

Хотя дальнейшее углублённое исследование атома было еще менее доступно, ученные решили разделить его на части, используя принцип Демокрита, им также не давала спокойствия природа электричества. Более 100 лет тому назад Эрнест Резерфорд (1871–1937), британский физик новозеландского происхождения, бомбардируя фольгу, понял, что атом не сплошная материя, а состоит из ядра, который в 1000 раз меньше самого атома и имеет положительный заряд. Поскольку атом в целом должен быть нейтральным, то должно быть нечто с отрицательным зарядом, заполняющее остальное пространство. Это нечто назвали электроном. Так в 1911 году получилась планетарная модель атома, не очень стройная система. В 1913 году датский физик-теоретик Нильс Бор (1885–1962) подкорректировал эту модель, введя стабильные энергетические уровни электронов, не устранив главные ее недостатки. Все же данная модель официально принятая современной наукой.

Учитывая, что массы ядер многих химических элементов кратны массе ядра водорода, то ядро тоже должно быть составным. В 30-е годы немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг(1901–1976) и российский физик-теоретик Дмитрий Иваненко (1904–1994) предложили гипотезу, что ядро состоит из протона и нейтрона, следовательно, атом состоит из протона, нейтрона и электрона. Данная система не могла удовлетворить физиков. Ядро, состоящее из частиц, имеющих положительный заряд, не разлетается, а электрон не падает на ядро. Значит должна быть сила, удерживающая ядро и атом в стабильном состоянии. Было замечено, что при распаде нейтрона получается положительная частица и что-то еще, замеченное по недостающей энергии. Это что-то названо швейцарским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули (19001958) нейтрино.

Так шло постепенное проникновение вглубь атома. Число частиц стало возрастать. В 1934 году японский физик-теоретик Х. Юкава (1907–1981), построив количественную теорию взаимодействия нуклонов, предложил частицу, отвечающую за ядерные силы, которые удерживают ядерные частицы внутри ядра (чтобы что-то осмыслить, надо сначала все это придумать, и тут как раз наступает черед теоретиков). Физики все более стали разделяться на физиков-теоретиков и физиков-практиков, экспериментаторов и между ними иногда возникали споры. Эта частица впоследствии была названа пионом или пи-мезоном. Вскоре стало ясно, что мезонов несколько, и в 1947 году был предложен первый якобы настоящий мезон, действительно являющийся переносчиком сильных взаимодействий между протоном и нейтроном в соответствии с теорией Юкава. Этих частиц оказалось несколько, и обладали они странными свойствами. Это частицы с зарядами +; —; 0. Кроме того странность не совсем понятное свойство, особенно наряду с последующими, не менее странными частицами – очарование (c-кварк), прелесть (b-кварк) и истинность (t-кварк), имеющие запах, цвет, учитывая что свойство величины целого равно сумме значений величин, составляющих его частей, при возможности разбиения целого на части. Данные свойства, и прежде всего последнее противоречат принципу квантования. Однако мы слишком далеко зашли, вернемся к последовательности.

Дальше больше, возрастанию количества частиц способствовало изучение космических лучей, которые в 1925 году впервые их так назвал американский физик Роберт Эндрюс Милликен (1868–1953). Космические лучи – это частицы, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве, и состоят, главным образом, из долгоживущих частиц: на 92% из протонов, на 6% из ядер гелия, около 1% из электронов и около 1% приходится на более тяжелые элементы. Было также выявлено, что стабильными частицами в свободном состоянии являются протон, электрон, нейтрино и фотон. Остальные частицы являются нестабильными, они быстро распадаются. Время жизни нейтрона в свободном состоянии 880 сек (около 15 минут), время жизни остальных частиц 10– 6– 10– 24 сек. В связи с этим есть мнение мало живущие частицы не следует считать частицами атома, а частицами-осколками, полученными в результате столкновения с высокой энергией частиц атома (по крайней мере, это полезно учащимся школ).

Далее элементарные частицы стали открываться на ускорителях, в которых с помощью электрических и магнитных полей частицы, получая большую энергию, а следовательно скорость, увеличенной порой до близкой к скорости света. Сталкиваясь с другими частицами, в результате получалось большое количество осколков, которые анализировались физиками. Ускорители подразделяются на 2 класса: линейные ускорители, в которых пучок частиц проходит ускоряющие устройства один раз; циклические ускорители, где пучки движутся по замкнутой кривой, проходя ускоряющее устройство многократно. Много небольших ускорителей применяется в медицине для радиационной терапии и в промышленности. К 60-м годам XX века частиц насчитывалось около сотни, естественно стало возникать подозрение элементарности частиц. В последствие, ближе к концу XX века, как стали говорят многие физики, открылся целый зоопарк частиц, их стало известно около 350, для которых появилась необходимость классифицировать их по принципу таблицы Менделеева и давать им названия. Так была создана стандартная теория физики элементарных частиц, однако противоречий и проблем ее обоснования не убавилось.

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия

Каждая из 12 частиц кварков и лептонов, имеет свою античастицу, которых тоже 12. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы. Имеется 12 переносчиков взаимодействий. В свободном состоянии находятся только лептоны – это слабовзаимодействующие частицы, а кварки и антикварки обладают сильным взаимодействием. Частицы, созданные из кварков и соответствующих антикварков, являются адронами. Комбинации положительных кварков с отрицательными антикварками дают мезоны. Комбинация из трех кварков создает барионы. Даже нейтрон имеет античастицу, которые отличаются зарядами магнитного момента и так называемого барионного заряда. Некоторые физики считают, что гравитон открыт, приводят даже доказательства и относят его к бозонам, однако официального подтверждения пока нет. Предполагается существование атомов антивещества, в ядре которого должны быть антинуклоны, а оболочка – из позитронов. Аннигиляции антивещества с веществом вызовет огромную энергию квантов излучения, значительно превосходящую энергию, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.

Столбцы частиц со своими античастицами сгруппированы в поколения (по-моему, неудачное понятие, лучше бы использовать уровни структурной организации частиц, но так сложилось исторически). В частности, специалист в области квантовой теории поля и физики элементарных частиц, член-корреспондент РАН Дмитрий Игоревич Казаков (1951 г. р.) в лекции отмечает: «Оказалось, что природа создала три копии (еще одно неудачное понятие). Все эти протоны, нейтроны, электроны – это все первая копия. Но зачем-то есть еще вторая и третья копии. Кстати, тут надо отдать должное – теоретики об этих копиях не думали. А экспериментаторы открыли вдруг новую частицу. Это была копия электрона – тяжелый электрон, назвали его мюоном. Открыли его в 1936 году. И никто не понимал – зачем? А потом оказалось, что всё имеет копию. Вот вам первая загадка: зачем природа сделала копию?»