Физика микромира и мегамира. Атомная физика

Представления об атомах и их строении за последние сто лет изменились радикально. В конце XIX века ученые считали, что:

1) химические атомы каждого элемента неизменны, и су­
ществуют столько сортов атомов, сколько известно хи­
мических элементов (в то время - примерно 70);

2) атомы данного элемента одинаковы;

3) атомы имеют вес, причем различие атомов основано на
различии их веса;

4) взаимный переход атомов данного элемента в атомы
другого элемента невозможен.

В конце XIX — начале XX вв. в физике были сделаны выдающиеся открытия, разрушившие прежние представле­ния о строении материи. Открытие электрона (1897г.), за­тем протона, фотона и нейтрона показали, что атом име­ет сложную структуру. Исследование строения атома ста­новится важнейшей задачей физики XX века.

После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 году нейтрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц. В том чис­ле: позитрон, (античастица электрона); мезоны — неста­бильные микрочастицы; различного рода гипероны — не­стабильные микрочастицы с массами больше массы нейт­рона; частицы резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10^-22-10^-24 с); нейтрино — стабильная, не имеющая электрического заряда частица, обладающая поч­ти невероятной проницаемостью; антинейтрино — антича­стица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком леп-тонного заряда, и др.

В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление — взаимодействие.

Различают четыре вида взаимодействия.

Сильное взаимодействие (короткодействующее, радиус действия около 10^-13 см) связывает между собой нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре; именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разру­шить.

Электромагнитное взаимодействие (дальнодействующее, радиус действия не ограничен) определяет взаимодействие между электронами и ядрами атомов или молекул; взаи-

модействующие частицы имеют электрические заряды; проявляется в химических связях, силах упругости, трения.

Слабое взаимодействие (короткодействующее, радиус действия меньше 10^-15 см), в котором участвуют все эле­ментарные частицы, обусловливает взаимодействие нейтри­но с веществом.

Гравитационное взаимодействие — самое слабое, не учитывается в теории элементарных частиц; распространя­ется на все виды материи; имеет решающее значение, когда речь идет об очень больших массах.

Элементарные частицы в настоящее время обычно раз­деляют на следующие классы:

1. Фотоны — кванты электромагнитного поля, части­
цы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого
взаимодействия, но участвуют в электромагнитном.

2. Лептоны (от греч. leptos — легкий), к числу которых
относятся электроны, нейтрино; все они не обладают силь­
ным взаимодействием, но участвуют в слабом взаимодей­
ствии, а имеющие электрический заряд — также и в элект­
ромагнитном взаимодействии.

3. Мезоны — сильно взаимодействующие нестабильные
частицы.

4. Барионы (от греч. barys — тяжелый), в состав кото­
рых входят нуклоны (нестабильные частицы с массами,
большими массы нейтрона), гипероны, многие из резонансов.

Сначала, особенно когда число известных элементар­ных частиц ограничивалось электроном, нейтроном и про­тоном, господствовала точка зрения, что атом состоит из этих элементарных «кирпичиков». А дальнейшая задача в исследовании структуры вещества заключается в том, чтобы разыскивать новые, еще не известные «кирпичики», из которых состоит атом, и в определении того, не явля­ются ли эти «кирпичики» (или некоторые из них) сами сложными частицами, построенными из еще более тонких «кирпичиков».

Однако действительная картина строения вещества оказалась еще более сложной, чем можно было предпола­гать. Оказалось, что элементарные частицы могут претер­певать взаимные превращения, в результате которых неко­торые из них исчезают, а некоторые появляются. Неста­бильные микрочастицы распадаются на другие, более ста­бильные, но это вовсе не значит, что первые состоят из вто-

рых. Поэтому в настоящее время под элементарными ча­стицами понимают такие «кирпичики» Вселенной, из ко­торых можно построить все, что нам известно в природе.

Приблизительно в 1963-1964 годах появилась гипотеза о существовании кварков — частиц, из которых состоят барионы и мезоны, являющиеся сильно взаимодействую­щими и по этому свойству объединенными общим назва­нием адронов. Кварки имеют весьма необычные свойства: обладают дробными электрическими зарядами, что не ха­рактерно для других микрочастиц, и, по-видимому, не мо­гут существовать в свободном, не связанном виде. Число различных кварков, отличающихся друг от друга величи­ной и знаком электрического заряда и некоторыми други­ми признаками, достигает уже нескольких десятков.

Основные положения современной атомистики могут быть сформулированы следующим образом:

1) атом является сложной материальной структурой,
представляет собой мельчайшую частицу химического
элемента;

2) у каждого элемента существуют разновидности атомов
(содержащиеся в природных объектах или искусственно
синтезированы);

3) атомы одного элемента могут превращаться в атомы
другого; эти процессы осуществляются либо самопроиз­
вольно (естественные радиоактивные превращения),
либо искусственным путем (посредством различных
ядерных реакций).

Таким образом, физика XX века давала все более глу­бокое обоснование идеи развития.