Чтение онлайн

Элементарными частицами называются мельчайшие частицы: 1) входящие в состав атома; 2) получаемые его дроблением с помощью ускорителей частиц; 3) образованные в результате прохождения через атмосферу космических лучей и существующие миллионные доли секунды, порождая при распаде другие частицы или энергию.

Самыми известными элементарными частицами являются: электрон, фотон, пи-мезон, мюон, нейтрино. Существует ряд частиц, способных превращаться в другие частицы. Одними из наиболее элементарных являются предсказанные и затем зарегистрированные экспериментально кварки.

К элементарным частицам относятся входящие в состав атома протон и нейтрон. Для частиц, имеющих более сложную структуру, введено понятие фундаментальных частиц.

Элементарные частицы классифицируют по свойствам и характеру взаимодействия на фермионы и бозоны. Друг от друга они отличаются выполняемыми функциями: фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.

Фермионы делятся на адроны (сильные) и лептоны (легкие). В состав адронов входят кварки. Лептоны могут: 1) иметь отрицательный электрический заряд (тогда они вращаются вокруг ядра атома); 2) быть нейтральными (тогда они обладают способностью проходить сквозь вещество без взаимодействия с ним).

Каждая частица имеет противоположную по заряду античастицу. Античастицы были предсказаны Полом Дюраком.

Бозоны включают в себя глюоны, фотоны, вионы, гравитоны, которые образуют четыре типа взаимодействия. Фотон (квант) переносит электромагнитное взаимодействие, глюон – сильные ядерные взаимодействия, вион (векторный бозон) – слабые взаимодействия, возникающие при распаде частиц, гравитон должен переносить гравитационное взаимодействие, но пока он существует чисто теоретически. На сегодняшний день известно 12 фундаментальных частиц и античастиц, то есть 6 лептонов (электрон, мюон, Тау-лептон, ν e, ν µ, ντ) и 6 кварков.

Во всех видах взаимодействий элементарные частицы представляют собой единое целое. Их характеристиками являются такие: масса покоя, электрический заряд, спин, квантовые характеристики – барионный заряд, лептонный заряд, гиперзаряд, странность и т. д.

Ядром атома называют его центральную часть, в которой сосредоточена практически вся масса атома и весь его положительный заряд. В состав ядра входят протоны и нейтроны, которые обобщенно называют нуклонами. Протоны положительно заряжены, нейтроны – нейтральны. Но масса ядра не соответствует сложению масс нуклонов. Расчет числа протонов исходит из числа электронов (оно равно числу электронов), количество нейтронов определяется по формуле NP = A – Z, где А – массовое число, то есть целое число, ближайшее к атомной массе элемента в таблице Менделеева, Z – зарядовое число (число протонов).

Ядра атомов принято обозначать буквами ZXA, где Х – символ химического элемента в таблице Менделеева. Ядра с равным значением Z, но различными значениями А именуются изотопами , их существует более трехсот в устойчивой форме и более тысячи в неустойчивой. Изотопы неустойчивого типа способны к слабым взаимодействиям, то есть ядерному распаду и обладают радиоактивностью.

По типу строения модели ядро может быть оболочечным, оптическим, капельным. Оболочечное ядро характерно для легких атомов и выглядит как оболочка самого атома, а нуклоны «размазаны» по оболочке атомного ядра. Физиком Паули для нуклонов выведен такой принцип: на одной орбите не может быть двух нуклонов с одним и тем же спином. Оптическое ядро характерно для средних и тяжелых ядер: ядро окружают частицы с дуальными корпускулярно-волновыми свойствами, при равенстве длины волн возникают дифракция и интерференция. Капельное строение характерно для тяжелых ядер с естественной радиоактивностью: начиная с висмута, радиоактивность имеют все элементы. Тип ядра сравнивается с каплями жидкости, плотность которой при одной температуре и давлении постоянна и не зависит от числа молекул. Применительно к ядру, плотность ядерного вещества постоянна и не зависит от числа нуклонов, имеющих волновые свойства и заряд. Ядро является устойчивым, нуклоны удерживаются ядерными силами сильного взаимодействия со следующими свойствами: 1) они короткодействующие; 2) имеют зарядовую независимость; 3) обладают свойствами насыщения; 4) ориентация спинов определяет их величину. Для разрушения ядра необходимо приложить энергию, разрушение ядер тоже сопровождается выбросом энергии.

Молекула – наименьшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства и состоящая из атомов, соединенных между собой химическими связями. Существование молекул при помощи броуновского движения доказал в XIX в. Жан Батист Перрен. Молекулы делят на простые и сложные, к простым относят молекулы, состоящие из одинаковых атомов, к сложным – из разных атомов.

В одноатомном состоянии находятся инертные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон); имеются соединения, макромолекулы которых насчитывают тысячи атомов (искусственные полимеры, белки, целлюлоза).

Молекулярные взаимодействия изучает химия. Молекулярные взаимодействия могут происходить в процессе соединения и превращения веществ или при воздействии на них внешних факторов (теплоты, света, электрического тока, магнитного поля), во время которых образуются новые химические связи, то есть новые конфигурации атомов, отличающиеся от исходных типов молекул. Существует два основных типа связей: ионная и ковалентная, включающая свою разновидность – водородную связь.

Ионная связь выражается в передаче одним атомом другому одного или нескольких электронов, из-за чего образуются отрицательно и положительно заряженные ионы, которые притягиваются друг к другу. Ковалентная связь возникает при создании пары общих электронов, по одному от каждого атома, которые притягиваются атомами с одинаковой силой (связь между одинаковыми атомами), с разной силой (полярная связь, электрически несимметричная связь). Разновидность ковалентной связи – водородная связь, соединяющая между собой три атома (два атома одного элемента и водород), она является наиболее характерной для живой материи.

Химические связи принято рассматривать с точки зрения затраченной энергии: если она меньше, чем сумма энергий составляющих ее атомов, то связь считается устойчивой; если больше – молекула распадается. Энергия, необходимая для связи частиц, называется энергией ассоциации , а необходимая для разложения молекулы – энергией диссоциации . Способность молекул присоединять атомы делает состав данного вещества постоянным и связана с валентностью – свойством атомов соединяться с другими атомами. Валентность равна числу атомов водорода, которые может присоединить элемент.

Химические реакции могут идти в обе стороны – тогда их называют обратимыми , в одну – тогда они называются необратимыми , а некоторые вещества никак не реагируют между собой. Возможность или невозможность осуществления реакции объясняет термодинамика: реакция возможна только при уменьшении энергии веществ: F = E – TS и увеличении энтропии. Квантовая химия изучает протекание реакций на микроуровне, выявляя не только сами молекулы, но и особенности их электронных структур. До начала XX в. считалось, что в химических реакциях участвуют только атомы и молекулы, но в 1900 г. были открыты так называемые свободные радикалы, которые являются отделившейся половиной молекулы с ионным зарядом и способны тоже вступать в реакции. Следовательно, химические реакции определяются реакционной способностью, энергетическими и энтропийными возможностями, каталитическими и кинетическими закономерностями.

Объяснение направленности химических реакций и невозможности превращения молекул при некоторых реакциях нашел Ле-Шателье. Он обратил внимание, что наряду с прямыми и обратными реакциями существует множество реакций, которые не доводятся до конца. Как только в данной системе при данных условиях устанавливается динамическое равновесие, реакция прекращается. Ле-Шателье предложил способ выведения системы из равновесия по следующему установленному им принципу (получившему название принципа Ле-Шателье): «Если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов равновесия, например, увеличить давление, то произойдет реакция, сопровождающаяся уменьшением объема, и наоборот; если же такие реакции происходят без изменения объема, то изменение давления не будет влиять на равновесие».

В современной формулировке принцип Ле-Шателье звучит так: любое внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление результатов такого воздействия. Сегодня этот принцип считается общим принципом стабильности, устанавливающим взаимосвязи между всеми элементами Вселенной, включая живые и социальные системы.

В макромире вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Для каждого агрегатного состояния присуще характерное тепловое движение атомов и молекул.