Jakie cząstki subatomowe są fundamentalne. Czym jest cząstka subatomowa? Jakie są zadania fizyki cząstek elementarnych

Na temat „Właściwości atomu”

Ukończone przez studenta I roku

Grupy Ke-DLI-401

Eliseev Vladislav

Sprawdzony:

Miedwiediew Olga Aleksiejewna

Kemerowo 2015

Budowa atomu.

W odległej przeszłości filozofowie starożytnej Grecji zakładali, że cała materia jest jedna, ale nabiera pewnych właściwości w zależności od swojej „istoty”. Niektórzy z nich twierdzili, że materia składa się z maleńkich cząstek zwanych atomami. Naukowe podstawy teorii atomowej i molekularnej położono później w pracach rosyjskiego naukowca M.V. Łomonosow, francuscy chemicy L. Lavoisier i J. Proust, angielski chemik D. Dalton, włoski fizyk A. Avogadro i inni badacze.

Prawo okresowe D.I. Mendelejew pokazuje istnienie regularnego związku między wszystkimi pierwiastkami chemicznymi. Sugeruje to, że podstawa wszystkich atomów jest czymś wspólnym. Do końca XIX wieku w chemii dominowało przekonanie, że atom jest najmniejszą niepodzielną cząstką prostej substancji. Uważano, że podczas wszystkich przemian chemicznych tylko cząsteczki są niszczone i tworzone, podczas gdy atomy pozostają niezmienione i nie można ich podzielić na części. I wreszcie pod koniec XIX wieku dokonano odkryć, które pokazały złożoność budowy atomu i możliwość przekształcenia jednych atomów w inne.

Stanowiło to bodziec do powstania i rozwoju nowej sekcji chemii „Struktura atomu”. Pierwszym wskazaniem złożonej struktury atomu były eksperymenty dotyczące badania promieni katodowych powstających w wyniku wyładowania elektrycznego w silnie rozrzedzonych gazach. Aby obserwować te promienie, wypompowuje się jak najwięcej powietrza ze szklanej rurki, do której wlutowane są dwie metalowe elektrody, a następnie przepływa przez nią prąd o wysokim napięciu. W takich warunkach „niewidzialne” promienie katodowe rozchodzą się z katody rurki prostopadle do jej powierzchni, powodując jasnozieloną poświatę w miejscu, w którym padają. Promienie katodowe mają zdolność wprawiania w ruch. Po drodze łatwo poruszające się ciała odchylają się od swojej pierwotnej ścieżki w polu magnetycznym i elektrycznym (w tym ostatnim w kierunku dodatnio naładowanej płyty). Działanie promieni katodowych ujawnia się tylko wewnątrz rury, ponieważ szkło jest dla nich nieprzenikliwe. Badanie właściwości promieni katodowych doprowadziło do wniosku, że składają się one z maleńkich cząstek, które przenoszą ładunek ujemny i lecą z prędkością dochodzącą do połowy prędkości światła. Możliwe było również określenie masy i wielkości ich ładunku. Masa każdej cząstki wynosiła 0,00055 cząstek węgla. Opłata wynosi 1,602 razy 10 do potęgi minus 19. Szczególnie godne uwagi jest to, że masa cząstek i wielkość ich ładunku nie zależy ani od natury gazu pozostającego w rurze, ani od substancji, z której wykonane są elektrody, ani od innych warunków eksperymentu. Ponadto cząstki katodowe są znane tylko w stanie naładowanym i nie mogą istnieć bez swoich ładunków, nie mogą zostać przekształcone w cząstki elektrycznie obojętne: ładunek elektryczny jest istotą ich natury. Te cząstki nazywane są elektronami. W lampach katodowych elektrony są oddzielane od katody pod wpływem ładunku elektrycznego. Ale mogą również powstać bez związku z ładunkiem elektrycznym. Na przykład podczas emisji elektronów metale emitują elektrony; Podczas efektu fotoelektrycznego wiele substancji również emituje elektrony. Uwalnianie elektronów przez wiele różnych substancji wskazuje, że cząstki te są częścią wszystkich atomów; dlatego atomy są złożonymi formacjami zbudowanymi z mniejszych „składników”.

Badania budowy atomu rozpoczęto praktycznie w latach 1897-1898, po ostatecznym ustaleniu natury promieni katodowych jako strumienia elektronów i określeniu wielkości ładunku i masy elektronu. Fakt, że elektrony są uwalniane przez wiele różnych substancji, doprowadził do wniosku, że elektrony są częścią wszystkich atomów. Ale atom, jak wiecie, jest elektrycznie obojętny, wynikało z tego, że powinien był zawierać jeszcze jeden składnik, równoważący sumę ujemnych ładunków elektronów. Ta dodatnio naładowana część atomu została odkryta w 1911 roku. Rutherford w nauce ruchu

cząstki w gazach i innych substancjach.

cząstki emitowane przez substancje pierwiastków aktywnych to dodatnio naładowane jony helu, których prędkość dochodzi do 20 000 km/s. Dzięki tak ogromnej prędkości cząstki przelatujące w powietrzu i zderzające się z cząsteczkami gazu wybijają z nich elektrony. Cząsteczki, które utraciły elektrony, stają się naładowane dodatnio, podczas gdy elektrony wybite natychmiast łączą się z innymi cząsteczkami, ładując je ujemnie. W ten sposób w powietrzu na drodze cząstek tworzą się dodatnio i ujemnie naładowane jony gazu. Zdolność cząstek do jonizacji powietrza została wykorzystana przez angielskiego fizyka Wilsona w celu uwidocznienia torów ruchu poszczególnych cząstek i ich sfotografowania.

Następnie aparat do fotografowania cząstek nazwano komorą mgłową. (Pierwszy detektor śladów naładowanych cząstek. Wynaleziony przez C. Wilsona w 1912 roku. Działanie komory Wilsona opiera się na kondensacji pary przesyconej (powstawanie małych kropelek cieczy) na jonach pojawiających się wzdłuż toru (ścieżki) naładowaną cząsteczkę, którą później zastąpiły inne detektory śladów.)

Badając tory ruchu cząstek za pomocą kamery Rutherford zauważył, że w komorze są one równoległe (ścieżki), a gdy wiązka równoległych promieni przechodzi przez warstwę gazu lub cienką metalową płytkę, nie przychodzą one równolegle, ale nieco odbiegają, tj. cząstki odbiegają od swojej pierwotnej ścieżki. Niektóre cząstki były bardzo mocno odchylane, inne w ogóle nie przeszły przez cienką płytkę.

Na podstawie tych obserwacji Rutherford zaproponował swój schemat budowy atomu: w centrum atomu znajduje się dodatnie jądro, wokół którego wirują ujemne elektrony na różnych orbitach. Siły dośrodkowe powstające w wyniku ich rotacji utrzymują je na swoich orbitach i zapobiegają odlatywaniu. Ten model atomu łatwo wyjaśnia zjawisko odchylania się cząstek. Wymiary jądra i elektronów są bardzo małe w porównaniu z wymiarami całego atomu, które określają orbity elektronów najbardziej oddalonych od jądra; dlatego większość cząstek przelatuje przez atomy bez zauważalnego odchylenia. Tylko w przypadkach, gdy cząsteczka zbliża się bardzo blisko jądra, odpychanie elektryczne powoduje gwałtowne zbaczanie z pierwotnej ścieżki. Tak więc badanie rozpraszania cząstek zapoczątkowało jądrową teorię atomu. Jednym z zadań stojących przed teorią budowy atomu na początku jego rozwoju było określenie ładunku jądra różnych atomów. Ponieważ atom jako całość jest elektrycznie obojętny, określając ładunek jądra, można by określić liczbę elektronów otaczających jądro. W rozwiązaniu tego problemu wielką pomoc dostarczyły badania widm rentgenowskich. Promienie rentgenowskie powstają, gdy szybko lecące elektrony uderzają w ciało stałe i różnią się od promieni światła widzialnego tylko znacznie krótszą długością fali. Podczas gdy krótkie długości fal światła wynoszą około 4000 angstremów (promieni fioletowych), długości fal rentgenowskich wahają się od 20 do 0,1 angstremów. Aby uzyskać widmo promieni rentgenowskich, nie można użyć zwykłego pryzmatu ani siatki dyfrakcyjnej. (Siatka dyfrakcyjna, urządzenie optyczne; zestaw dużej liczby równoległych szczelin w nieprzezroczystym ekranie lub lustrzanych pasach (obrysach) w równych odległościach od siebie, na których następuje dyfrakcji światła. Siatka dyfrakcyjna rozkłada wiązkę światła padającego na nią na widmo, które jest używane w urządzeniach spektralnych.)

Promienie rentgenowskie wymagały kraty o bardzo dużej liczbie podziałek na milimetr (około 1 milion/1 mm). Takiej kraty nie dało się sztucznie przygotować. W 1912 roku szwajcarski fizyk Laue powstał pomysł wykorzystania kryształów jako siatki dyfrakcyjnej dla promieni rentgenowskich.

Uporządkowane rozmieszczenie atomów w krysztale i niewielka odległość między nimi dały podstawy do przyjęcia, że ​​to właśnie kryształy będą spełniały rolę wymaganej siatki dyfrakcyjnej.

Eksperyment znakomicie potwierdził założenie Laue i wkrótce udało się zbudować urządzenia, które umożliwiły uzyskanie widma rentgenowskiego prawie wszystkich pierwiastków. Aby otrzymać widma rentgenowskie, antykatoda w lampach rentgenowskich jest wykonana z metalu, którego widmo ma być uzyskane, lub stosuje się związek badanego pierwiastka. Papier fotograficzny służy jako ekran dla widma; po opracowaniu widoczne są na nim wszystkie linie widma. W 1913 r. angielski naukowiec Moseley, badając widma rentgenowskie, znalazł związek między długościami fal promieniowania rentgenowskiego a numerami seryjnymi odpowiednich pierwiastków - nazywa się to prawem Moseleya i można je sformułować w następujący sposób: Pierwiastki kwadratowe wzajemne wartości długości fal są liniowo zależne od elementów numerów seryjnych.

Jeszcze przed pracą Moseleya niektórzy naukowcy zakładali, że liczba atomowa pierwiastka wskazuje na liczbę ładunków w jądrze jego atomu. Jednocześnie Rutherford, badając rozpraszanie cząstek podczas przechodzenia przez cienkie metalowe płytki, odkrył, że jeśli ładunek elektronu przyjmie się jako jedność, to ładunek jądrowy wyrażony w takich jednostkach jest w przybliżeniu równy połowie masy atomowej pierwiastka . Liczba atomowa, przynajmniej lżejszych pierwiastków, jest również równa około połowie masy atomowej. Wszystkie razem wzięte doprowadziły do ​​wniosku, że ładunek jądra jest liczbowo równy liczbie porządkowej pierwiastka. W ten sposób prawo Moseleya umożliwiło określenie ładunków jąder atomowych. Tym samym, ze względu na neutralność atomów, ustalono również liczbę elektronów krążących wokół jądra w atomie każdego pierwiastka. Jądrowy model atomu Rutherforda został dalej rozwinięty dzięki pracy Niels Bora, w którym doktryna budowy atomu jest nierozerwalnie związana z doktryną pochodzenia widm.

Widma liniowe uzyskuje się przez rozkład światła emitowanego przez gorące pary lub gazy. Każdy pierwiastek ma swoje widmo, które różni się od widm innych pierwiastków. Większość metali daje bardzo złożone widma zawierające ogromną liczbę linii (do 5000 w żelazie), ale spotyka się również widma stosunkowo proste.

Rozwijając teorię jądrową Rutherforda, naukowcy doszli do wniosku, że złożona struktura widm liniowych wynika z drgań elektronów zachodzących wewnątrz atomów. Zgodnie z teorią Rutherforda każdy elektron krąży wokół jądra, a siła przyciągania jądra jest równoważona siłą odśrodkową wynikającą z rotacji elektronu. Rotacja elektronu jest całkiem analogiczna do jego szybkich oscylacji i powinna powodować emisję fal elektromagnetycznych. Można więc przyjąć, że wirujący elektron emituje światło o określonej długości fali, zależnej od częstotliwości orbity elektronu. Ale emitując światło, elektron traci część swojej energii, w wyniku czego zostaje zakłócona równowaga między nim a jądrem; aby przywrócić równowagę, elektron musi stopniowo zbliżać się do jądra, a częstotliwość jego obrotu i charakter emitowanego przez niego światła również będą się stopniowo zmieniać. W końcu, po wyczerpaniu całej energii, elektron musi „spaść” na jądro, a emisja światła ustanie. Gdyby rzeczywiście zachodziła taka ciągła zmiana w ruchu elektronu, to widmo zawsze byłoby ciągłe, a nie z promieniami o określonej długości fali. Ponadto „upadek” elektronu na jądro oznaczałby zniszczenie atomu i ustanie jego istnienia. Tak więc teoria Rutherforda nie była w stanie wyjaśnić nie tylko wzorców w rozkładzie

linie widma, ani samo istnienie widm liniowych. W 1913 roku Bohr zaproponował własną teorię budowy atomu, w której z wielką wprawą pogodził zjawiska spektralne z modelem jądrowym atomu, stosując do tego ostatniego tzw. kwantową teorię promieniowania, wprowadzoną do nauki przez niemieckiego fizyka Plancka. Istota teorii kwantowej sprowadza się do tego, że energia promienista jest emitowana i pochłaniana nie w sposób ciągły, jak wcześniej akceptowano, ale w oddzielnych małych, ale dobrze określonych porcjach - kwantach energii. Zapas energii ciała promieniującego zmienia się skokami, kwant po kwantie; ułamkowa liczba kwantów, których ciało nie może ani emitować, ani wchłonąć. Wielkość kwantu energii zależy od częstotliwości promieniowania: im wyższa częstotliwość promieniowania, tym większa wielkość kwantu. Kwanty energii promienistej nazywane są również fotonami. Stosując koncepcje kwantowe do rotacji elektronów wokół jądra, Bohr oparł swoją teorię na bardzo śmiałych założeniach lub postulatach. Chociaż te postulaty są sprzeczne z prawami klasycznej elektrodynamiki, znajdują swoje uzasadnienie w zdumiewających wynikach, do jakich prowadzą, oraz w całkowitej zgodności wyników teoretycznych z ogromną liczbą faktów doświadczalnych. Postulaty Bohra są następujące: elektron może poruszać się nie po dowolnych orbitach, a jedynie po takich, które spełniają określone warunki wynikające z teorii kwantowej. Te orbity nazywane są orbitami stabilnymi lub kwantowymi. Kiedy elektron porusza się po jednej z możliwych dla niego stabilnych orbit, nie promieniuje. Przejściu elektronu z odległej orbity na bliższą towarzyszy utrata energii. Energia tracona przez atom podczas każdego przejścia jest przekształcana w jeden kwant energii promieniowania. Częstotliwość emitowanego światła w tym przypadku jest określona przez promienie dwóch orbit, pomiędzy którymi następuje przejście elektronu. Im większa odległość od orbity, na której znajduje się elektron, do tej, do której przechodzi, tym większa częstotliwość promieniowania. Najprostszym z atomów jest atom wodoru; tylko jeden elektron krąży wokół jądra. W oparciu o powyższe postulaty Bohr obliczył promienie możliwych orbit dla tego elektronu i stwierdził, że są one powiązane jako kwadraty liczb naturalnych: 1: 2: 3: ... n Wartość n nazwano główną liczbą kwantową. Promień orbity najbliższej jądru w atomie wodoru wynosi 0,53 angstremów. Obliczone z tego częstotliwości promieniowania, towarzyszące przejściom elektronu z jednej orbity na drugą, okazały się dokładnie takie same, jak częstotliwości znalezione eksperymentalnie dla linii widma wodoru. W ten sposób udowodniono poprawność obliczeń orbit stabilnych, a jednocześnie przydatność postulatów Bohra do takich obliczeń. Następnie teoria Bohra została rozszerzona na strukturę atomową innych pierwiastków, chociaż wiązało się to z pewnymi trudnościami ze względu na jej nowość.

Teoria Bohra umożliwiła rozwiązanie bardzo ważnego pytania o rozmieszczenie elektronów w atomach różnych pierwiastków oraz ustalenie zależności właściwości pierwiastków od budowy powłok elektronowych ich atomów. Obecnie opracowano schematy budowy atomów wszystkich pierwiastków chemicznych. Należy jednak pamiętać, że wszystkie te schematy są tylko mniej lub bardziej wiarygodną hipotezą, która pozwala wyjaśnić wiele fizycznych i chemicznych właściwości pierwiastków. Jak wspomniano wcześniej, liczba elektronów krążących wokół jądra atomu odpowiada liczbie porządkowej pierwiastka w układzie okresowym. Elektrony są ułożone warstwami, tj. Każda warstwa ma określoną liczbę elektronów, które ją wypełniają lub jakby ją nasycają. Elektrony tej samej warstwy charakteryzują się prawie taką samą ilością energii, tj. są mniej więcej na tym samym poziomie energii. Cała powłoka atomu rozpada się

do wielu poziomów energii. Elektrony każdej kolejnej warstwy mają wyższy poziom energii niż elektrony poprzedniej warstwy. Największa liczba elektronów N, które mogą znajdować się na danym poziomie energii, jest równa dwukrotności kwadratu numeru warstwy:

gdzie n jest numerem warstwy. Ponadto stwierdzono, że liczba elektronów w warstwie zewnętrznej dla wszystkich pierwiastków, z wyjątkiem palladu, nie przekracza ośmiu, aw warstwie przedostatniej – osiemnastu. Elektrony warstwy zewnętrznej, jako najbardziej oddalone od jądra, a więc najsłabiej związane z jądrem, mogą oderwać się od atomu i połączyć z innymi atomami, wchodząc w skład warstwy zewnętrznej tego ostatniego. Atomy, które straciły jeden lub więcej elektronów, stają się naładowane dodatnio, ponieważ ładunek jądra atomu przekracza sumę ładunków pozostałych elektronów. Wręcz przeciwnie, atomy, do których przyczepione są elektrony, stają się naładowane ujemnie. Powstały w ten sposób naładowane cząstki, jakościowo różne od odpowiednich atomów. nazywane są jonami. Z kolei wiele jonów może stracić lub zyskać elektrony, zamieniając się albo w elektrycznie obojętne atomy, albo w nowe jony o innym ładunku. Teoria Bohra bardzo przysłużyła się fizyce i chemii, zbliżając się z jednej strony do odkrycia praw spektroskopii i wyjaśnienia mechanizmu promieniowania, z drugiej zaś do wyjaśnienia budowy poszczególnych atomów i nawiązanie połączenia między nimi. Jednak nadal istniało wiele zjawisk w tej dziedzinie, których teoria Bohra nie była w stanie wyjaśnić.

Ruch elektronów w atomach Bohr przedstawił jako prosty mechaniczny, ale jest złożony i osobliwy. Ta oryginalność została wyjaśniona przez nową teorię kwantową. Stąd się wzięło: „Dualizm karpuskularno-Vrolne”.

I tak elektron w atomie charakteryzuje się:

1. Główna liczba kwantowa n, wskazująca energię elektronu;

2. Orbitalna liczba kwantowa l wskazująca na charakter orbity;

3. Magnetyczna liczba kwantowa charakteryzująca położenie chmur w przestrzeni;

4. I spinowa liczba kwantowa charakteryzująca ruch elektronu w kształcie wrzeciona wokół własnej osi.

W odległej przeszłości filozofowie starożytnej Grecji zakładali, że cała materia jest jedna, ale nabiera pewnych właściwości w zależności od swojej „istoty”. A teraz, w naszych czasach, dzięki wspaniałym naukowcom, wiemy dokładnie, z czego tak naprawdę się składa.

Używane książki:

1) Kurs chemii ogólnej (N.V. Korovin)

2) Kurs chemii ogólnej (AN Kharin)

3) Struktura materii (V.K. Vasiliev, A.N. Shuvalova)

4) chemia fizyczna (A.L. Daineko)

Struktura jądra atomowego. cząstki elementarne. Elementy. Izotopy.

Atom składa się z jądra i otaczającej go chmury elektronowej. znajduje się w chmurze elektronicznej elektrony niedźwiedź negatywnyładunek elektryczny. protony, które są częścią jądra, carry pozytywny opłata.

W każdym atomie liczba protonów w jądrze jest dokładnie równa liczbie elektronów w chmurze elektronowej, więc atom jako całość jest cząsteczką neutralną, która nie ma ładunku.

Atom może stracić jeden lub więcej elektronów lub odwrotnie - przechwycić elektrony innych ludzi. W tym przypadku atom uzyskuje ładunek dodatni lub ujemny i nazywa się jon.

Prawie cała masa atomu jest skoncentrowana w jego jądrze, ponieważ masa elektronu to tylko 1/1836 masy protonu. Gęstość materii w jądrze jest fantastycznie wysoka - około 10 13 - 10 14 g/cm 3 . Pudełko zapałek wypełnione substancją o tej gęstości ważyłoby 2,5 miliarda ton!

Zewnętrzne wymiary atomu odpowiadają znacznie mniej gęstej chmurze elektronowej, która jest około 100 000 razy większa od średnicy jądra.

Oprócz protonów jądro większości atomów zawiera neutrony które nie niosą żadnych opłat. Masa neutronu praktycznie nie różni się od masy protonu. Razem nazywamy protony i neutrony nukleony(od jądra łacińskiego - rdzeń).

Elektrony, protony i neutrony są głównymi „cegiełkami” atomów i są nazywane cząstki elementarne. Ich ładunki i masy w kg oraz w specjalnych „atomowych” jednostkach masy (amu) przedstawiono w tabeli 2-1.

Tabela 2-1. cząstki elementarne.

Tabela 2-1 pokazuje, że masy cząstek subatomowych są niezwykle małe. Wykładnik (na przykład potęga od dziesięciu do minus dwudziestej siódmej) wskazuje, ile zer po przecinku należy zapisać, aby uzyskać ułamek dziesiętny wyrażający masę cząstki subatomowej w kilogramach. Jest to najmniejsza część kilograma, więc wygodniej jest wyrazić masę cząstek subatomowych jako jednostki masy atomowej(w skrócie a.m.). Jednostka masy atomowej to dokładnie 1/12 masy atomu węgla, którego jądro zawiera 6 protonów i 6 neutronów. Schematyczne przedstawienie takiego „odniesienia” atomu węgla pokazano na ryc. 2-5 (b). Jednostkę masy atomowej można również wyrazić w gramach: 1 w nocy. = 1.660540 10 -24 g.

<="" p="">

Ryż. 2-5. Atomy składają się z dodatnio naładowanego jądra i chmury elektronowej. a) Jądro atomu wodoru zawiera tylko 1 proton, a chmura elektronów jest wypełniona jednym elektronem. b) W jądrze atomu węgla znajduje się 6 protonów i 6 neutronów, aw chmurze elektronowej 6 elektronów. w) Jest również izotopowy węgiel, którego jądro jest 1 neutron jeszcze. Zawartość tego izotopu w naturalnym węglu wynosi nieco ponad 1% (izotopy patrz poniżej). Liniowe wymiary atomów są bardzo małe: ich promienie wahają się od 0,3 do 2,6 angstremów (1 angstrem = 10–8 cm). Promień jądra wynosi około 10–5 angstremów, czyli 10–13 cm, czyli 100 000 razy mniej niż rozmiar powłoki elektronowej. Dlatego niemożliwe jest prawidłowe pokazanie względnych proporcji jąder i powłok elektronowych na rysunku. Gdyby atom urósł do rozmiarów Ziemi, jądro miałoby tylko około 60 metrów średnicy i zmieściłoby się na boisku piłkarskim.

Masę atomu wyrażoną w kilogramach lub gramach nazywamy bezwzględna masa atomowa. Częściej używane względna masa atomowa, który jest wyrażony w jednostkach masy atomowej (a.m.u.). Względna masa atomowa to stosunek masy atomu do masy 1/12 atomu węgla. Czasami mówią krócej: masa atomowa. Ten ostatni termin wcale nie jest przestarzały, jak czasami pisano w podręcznikach - jest szeroko stosowany we współczesnej literaturze naukowej, więc będziemy go również używać. Względna masa atomowa i masa atomowa są w rzeczywistości wielkościami bezwymiarowymi (masa atomu jest dzielona przez masę części atomu węgla), więc oznaczenie „jm”. po zwykle pomija się wartość liczbową (ale można pisać, nie będzie w tym błędu). Warunki " względna masa atomowa”, „masa atomowa”, “masa atomowa" w naukowym języku chemicznym są one zwykle używane zamiennie i po prostu nie rozróżniają między nimi. Międzynarodowa Unia Chemików (IUPAC) ma Komisję ds. Obfitości Izotopów i Mas Atomowych (w skrócie CIAAW), ale nie ma Komisji ds. Względnych Mas Atomowych. Jednak wszyscy chemicy doskonale zdają sobie sprawę, że mówimy o tym samym.

Rosyjskie podręczniki i zadania USE używają tego terminu względna masa atomowa , który jest oznaczony symbolem A r. Tutaj „r” - od angielskiego „krewnego” - krewnego. Na przykład, A r= 12.0000 - względna masa atomowa węgla 12 6 C wynosi 12.0000. We współczesnej literaturze naukowej względna masa atomowa oraz masa atomowa - synonimy.

** Z kursu fizyki pamiętasz, że ciężar ciała fizycznego jest zmienną. Na przykład na Ziemi i na Księżycu to samo ciało fizyczne ma inną wagę, ale masa ciała jest wartością stałą. Dlatego termin względna masa atomowa” uważane za bardziej rygorystyczne. Do wielu obliczeń wygodnie jest używać mas protonów i neutronów w skali amu. uważaj zaokrąglone za równe jednostka.

Na ryc. 2-5 pokazują atomy dwóch różnych rodzajów. Może pojawić się pytanie: dlaczego dwa, a nie trzy typy - w końcu na rysunku widać trzy atomy? Faktem jest, że atomy (b) i (c) odnoszą się do tego samego pierwiastek chemiczny węgiel, podczas gdy atom (a) to zupełnie inny pierwiastek (wodór). Co to są chemiczne elementy i czym się od siebie różnią?

Wodór i węgiel są różne liczba protonów w jądrze, a w konsekwencji liczba elektronów w powłoce elektronowej. Nazywa się liczbę protonów w jądrze atomu ładunek jądrowy atom i oznaczony literą Z. Jest to bardzo ważna wartość. Kiedy przejdziemy do badania prawa okresowego, zobaczymy, że liczba protonów w jądrze pokrywa się z numer seryjny atom w układzie okresowym D.I. Mendelejewa.

Jak już powiedzieliśmy, ładunek jądrowy (liczba protonów) jest taki sam, jak liczba elektronów w atomie. Kiedy atomy zbliżają się do siebie, przede wszystkim oddziałują ze sobą nie za pomocą jąder, ale elektronów. Liczba elektronów określa zdolność atomu do tworzenia wiązań z innymi atomami, czyli jego właściwości chemiczne. Dlatego atomy o tym samym ładunku jądrowym (i tej samej liczbie elektronów) zachowują się chemicznie prawie w ten sam sposób i są uważane za atomy o tym samym pierwiastek chemiczny.

Chociaż szereg pierwiastków nie zawiera kombinacji ruchów o dodatnim przemieszczeniu netto mniejszym niż wodoru, 2–1–(–1), nie oznacza to, że takie kombinacje nie istnieją. Oznacza to, że nie mają wystarczającego przesunięcia prędkości, aby utworzyć dwa kompletne układy obrotowe, a zatem nie mają właściwości charakteryzujących kombinacje rotacji, które nazywamy atomami. Te mniej złożone kombinacje rotacji można zdefiniować jako cząstki elementarne. Jak wynika z powyższego, cząstki te nie są składniki atomów tak jak są uważane we współczesnej myśli naukowej. Są to struktury o tej samej naturze co atomy pierwiastków, ale ich całkowite przemieszczenie jest poniżej minimum wymaganego do utworzenia kompletnej struktury atomowej.

Termin „subatomowy” odnosi się do tych cząstek przy założeniu, że te cząstki są lub mogą być budulcem, z którego zbudowane są atomy. Nasze odkrycia czynią ten sens przestarzałym, ale nazwa jest akceptowalna w sensie systemu ruchów o niższym stopniu złożoności niż atomy. Dlatego w tej pracy zostanie on zachowany, ale będzie używany w zmodyfikowanym sensie. Termin „cząstka elementarna” należy odrzucić. W sensie jednostek podstawowych, z których mogą powstać inne struktury, nie ma cząstek „elementarnych”. Cząstka jest mniejsza i mniej złożona niż atom, ale bynajmniej nie elementarna. Jednostka elementarna to jednostka ruchu.

Od czasu opublikowania pierwszego wydania, teoretyczna charakterystyka cząstek subatomowych wywodząca się z postulatów STO była dalej badana. W rezultacie nastąpił znaczny wzrost ilości informacji dostępnych w związku z tymi obiektami, w tym teoretyczne odkrycie niektórych cząstek bardziej złożonych niż te opisane w pierwszym wydaniu. Co więcej, możemy teraz znacznie głębiej zbadać strukturę i zachowanie kosmicznych cząstek subatomowych (w kolejnych rozdziałach). Aby dostosować się do zwiększonej ilości prezentowanych informacji, opracowano nowy system do przedstawiania rozkładu rotacji na pomiary.

Oczywiście oznacza to, że teraz używamy jednego systemu do reprezentowania rotacji pierwiastków, a innego systemu do reprezentowania rotacji o tej samej naturze, gdy mamy do czynienia z cząstkami. Na pierwszy rzut oka może się to wydawać niepotrzebną komplikacją. Chodzi jednak o to, że chcemy skorzystać z wygody stosowania podwójnej jednostki wyporowej w przypadku pierwiastków, podczas gdy w przypadku cząstek powinniśmy używać pojedynczej jednostki, jesteśmy zmuszeni korzystać z dwóch różnych systemów, niezależnie od tego, czy są do siebie podobne. albo nie. W rzeczywistości to brak świadomości tej różnicy doprowadził do zamieszania, którego teraz chcemy uniknąć. Wydaje się, że o ile do wygodnego korzystania z danych potrzebne są dwa różne systemy notacji, to będziemy musieli stworzyć system dla cząstek, który będzie lepiej służył naszym celom i będzie na tyle różny, aby uniknąć nieporozumień.

Podobnie jak w pierwszym wydaniu, nowa notacja zastosowana w tym wydaniu będzie wskazywać przesunięcia w różnych wymiarach i tak jak poprzednio wyrażać je w poszczególnych jednostkach, ale pokaże tylko obecny przesunięcia i zawierają znaki alfabetyczne zaprojektowane specjalnie w celu wskazania podstawy obrotu cząstki. Ze względu na charakterystykę procesów matematycznych, którymi będziemy się posługiwać przy pracach z elementami, konieczne jest uwzględnienie pierwotnej nieczynnej jednostki obrotu. Nie dotyczy to cząstek subatomowych. A ponieważ w żadnym wypadku nie można użyć notacji atomowej (podwójnej), pokażemy tylko efektywne przemieszczenia i poprzedzimy je literami M lub W celu aby wskazać, czy podstawa rotacji kombinacji jest materialna czy kosmiczna. Będzie to korzystne dzięki wyraźnemu wskazaniu, że wielkości rotacji w każdym konkretnym przypadku są wyrażone w nowej notacji.

Zmiany w symbolicznym przedstawieniu rotacji i inne modyfikacje terminologii, jakich dokonujemy w tym wydaniu, mogą sprawiać trudności tym, którzy są już przyzwyczajeni do sposobu przedstawiania we wczesnych pismach. Radzimy jednak skorzystać z wszelkich możliwości ulepszeń, które można rozpoznać na obecnym, wczesnym etapie rozważań teoretycznych. W miarę upływu czasu ulepszenia tego rodzaju staną się mniej odpowiednie, a istniejące praktyki staną się odporne na zmiany.

Na nowej podstawie podstawa rotacji materiałów - M 0–0–0. Do tej podstawy można dodać jedną jednostkę dodatniego wyporu elektrycznego, tworząc pozyton, M 0–0–1 lub jedno ujemne przemieszczenie elektryczne, w takim przypadku wynikiem jest elektron, M 0–0–(1). Elektron jest wyjątkową cząsteczką. Jest to jedyna struktura oparta na materiale, a zatem stabilna w lokalnym środowisku, która ma skuteczne negatywne nastawienie. Jest to możliwe, ponieważ całkowite przemieszczenie obrotowe elektronu jest sumą pierwotnej dodatniej jednostki magnetycznej wymaganej do zlikwidowania ujemnego przemieszczenia fotonu (nie pokazanego na obrazie strukturalnym) i ujemnej jednostki elektrycznej. Podobnie jak w przypadku ruchu dwuwymiarowego, główną składową całkowitego obrotu jest jednostka magnetyczna, chociaż jej wartość liczbowa nie jest większa od wartości jednowymiarowego obrotu elektrycznego. Dlatego elektron spełnia warunek, że wynikowa suma obrót cząstka materiału musi być dodatnia.

Jak już wspomniano, dodatkowy ruch z ujemnym przemieszczeniem dodaje więcej miejsca do istniejącej sytuacji fizycznej, jakakolwiek by ona nie była. Dlatego elektron jest obracającą się jednostką przestrzeni. Później zobaczymy, że fakt ten odgrywa ważną rolę w wielu procesach fizycznych. Jednym z natychmiastowych i bardzo zauważalnych wyników jest obfitość elektronów w środowisku materialnym, podczas gdy pozytony są niezwykle rzadkie. Na podstawie rozważań dotyczących elektronu możemy sklasyfikować pozyton jako obracającą się jednostkę czasu. Jako taki, pozyton jest łatwo wchłaniany przez materialny system kombinacji, którego składnikami są głównie struktury czasowe; to znaczy jednostki wirujące o wyporności netto (prędkość = 1/t). W tych strukturach możliwości zastosowania ujemnego polaryzacji elektronów są niezwykle ograniczone.

Jeśli do podstawy obrotu doda się jednostkę magnetyczną, a nie elektryczną, wynik można wyrazić jako M 1-0-0. Okazuje się jednak, że oznaczenie M Preferowane jest ½-½-0. Oczywiście nie ma półjednostek, ale dwuwymiarowa jednostka rotacji oczywiście zajmuje oba wymiary. Aby uświadomić sobie ten fakt, do każdego wymiaru przypiszemy pół jednostki. Notacja ½-½ lepiej wyraża sposób, w jaki ten system ruchów wchodzi w dalsze kombinacje. Z powodów, które wkrótce staną się jasne, nazwiemy cząstkę M½-½-0 bezmasowy neutron.

Na poziomie jednostki w jednojednostkowym systemie rotacyjnym jednostki magnetyczne i elektryczne są liczbowo równe, to znaczy 1 2 =1. Dodawanie do kombinacji ruchów M½-½-0 jednostek ujemnego przemieszczenia elektrycznego - bezmasowy neutron, tworzy kombinację z całkowitym wynikowym przemieszczeniem równym zero. Takie połączenie M½-½-(1) można zdefiniować jako neutrin.

W poprzednim rozdziale właściwość atomów materii, zwaną masą lub masą atomową, zdefiniowano jako wynikowe, dodatnie trójwymiarowe przemieszczenie obrotowe (prędkość) atomów. Ta właściwość zostanie szczegółowo omówiona w następnym rozdziale, ale na razie zauważ, że ta sama definicja dotyczy cząstek subatomowych. Oznacza to, że cząstki te mają masę do tego stopnia, że ​​mają netto dodatnie przemieszczenie obrotowe w trzech wymiarach. Do tej pory uważano, że żadna z cząstek nie spełnia tego wymogu. Elektron i pozyton mają rotację netto w jednym wymiarze, bezmasowy neutron w dwóch. Neutrino w ogóle nie ma wyporności netto. Stąd kombinacje rotacji subatomowych są definiowane jako bezmasowe cząstki.

Jednak w połączeniu z innymi ruchami przemieszczenie w jednym lub dwóch wymiarach może osiągnąć status trójwymiarowej składowej przemieszczenia. Na przykład cząsteczka może uzyskać ładunek, rodzaj ruchu, który zostanie zbadany później. A kiedy tak się stanie, całe przemieszczenie ładunku i cząstki pierwotnej pojawi się jako masa. Lub cząstkę można połączyć z innymi ruchami tak, że przemieszczenie bezmasowej cząstki staje się składową trójwymiarowego przemieszczenia połączonej struktury.

Dodanie jednostki dodatniego, a nie ujemnego przemieszczenia elektrycznego do bezmasowego neutronu spowoduje powstanie M½-½-1, a wynikowe całkowite przesunięcie tej kombinacji wynosi 2. To wystarczy do utworzenia kompletnego podwójnego układu wirującego - atomu. ja b o Większa możliwość podwójnej konstrukcji uniemożliwia istnienie jakiejkolwiek kombinacji M½-½-1, z wyjątkiem instant.

Te same względy prawdopodobieństwa wykluczają dwujednostkową strukturę magnetyczną M 1-1-0 i dodatnia pochodna M 1-1-1, które mają przemieszczenia netto odpowiednio 2 i 3. Jednak ujemna pochodna M 1-1-(1), praktycznie utworzony przez dodanie neutrin M½-½-(1) do neutronów bezmasowych M½-½-0, może istnieć jako cząstka, ponieważ jej wynikowe całkowite przemieszczenie to tylko jedna jednostka, co nie wystarcza do stworzenia podwójnej struktury bezbłędnie. Taką cząstkę można zdefiniować jako proton.

Tutaj widzimy przykład tego, jak same bezmasowe cząstki (ponieważ nie mają trójwymiarowej rotacji) są łączone w celu utworzenia cząstki o efektywnej masie. Bezmasowy neutron obraca się tylko w dwóch wymiarach, podczas gdy neutrino nie ma rotacji netto. Ale dodając je do siebie, powstaje kombinacja z efektywną rotacją we wszystkich trzech wymiarach. Rezultatem jest proton M 1-1-(1) mający jedną jednostkę masy.

Na obecnym (raczej wczesnym) etapie rozwoju teorii nie jest możliwe dokładne oszacowanie czynników prawdopodobieństwa i innych wpływów, które decydują o tym, czy w danym zestawie okoliczności rzeczywiście istnieje teoretycznie istotna kombinacja rotacji. Jednak obecnie dostępne informacje wskazują, że każda kombinacja postaci materiału o przemieszczeniu netto mniejszym niż 2 może istnieć jako cząstka w lokalnym środowisku. Żaden z systemów łączonych zdefiniowanych w poprzednich paragrafach nie jest obserwowany w praktyce i istnieją poważne wątpliwości, w jaki sposób móc obserwować inaczej niż za pomocą procesów pośrednich, które pozwalają zakładać ich istnienie. Na przykład neutrino jest "obserwowane" tylko poprzez produkty pewnych zdarzeń, w których cząsteczka ta ma uczestniczyć. Elektron, pozyton i proton zaobserwowano jedynie w stanie naładowanym, a nie w stanie nienaładowanym, podstawowym stanie wszystkich omówionych do tej pory kombinacji rotacji. Niemniej jednak istnieje wystarczający powód, aby twierdzić, że wszystkie te nienaładowane struktury rzeczywiście istnieją i odgrywają znaczącą rolę w procesach fizycznych. Zostanie on podany później, w miarę kontynuowania rozważań teoretycznych.

W poprzednich postach kombinacja M½-½-0 (1-1-0 w stosowanej w nich notacji) zdefiniowano jako neutron. Zaobserwowano jednak, że w niektórych procesach fizycznych, takich jak niestabilność (rozpad) promienia kosmicznego, przesunięcie magnetyczne, które miało zostać wyemitowane w postaci neutronów, było w rzeczywistości przekazywane w postaci bezmasowej. Ponieważ obserwowany neutron jest cząstką o jednostkowej masie atomowej, wywnioskowano wówczas, że w tych konkretnych przykładach neutrony działają jak kombinacja neutrin i pozytonów — cząstek bezmasowych. Na tej podstawie neutron odgrywa podwójną rolę: w pewnych okolicznościach jest bezmasowy, aw innych ma jednostkę masy.

Dalsze badania, skupiające się głównie na masie wtórnej cząstek subatomowych, które zostaną omówione w rozdziale 13, wykazały, że: zauważalny neutron nie jest jednojednostkowym efektywnym obrotem magnetycznym z wynikającymi z tego przemieszczeniami M½-½-0, ale bardziej złożona cząstka o takim samym przemieszczeniu netto, a jednojednostkowe przemieszczenie magnetyczne jest bezmasowe. Nie trzeba już zakładać, że ta sama cząstka działa na dwa różne sposoby. Istnieją dwie różne cząstki.

Wyjaśnienie jest następujące: nowe odkrycia ujawniły istnienie struktury pośredniej między pojedynczymi wirującymi układami cząstek bezmasowych a integralnymi układami binarnymi atomów. W strukturach pośrednich występują dwa układy wirujące, podobnie jak w atomach pierwiastków. Ale tylko jeden z nich ma wynikające z tego efektywne przemieszczenie. W takim układzie rotacja to obrót protonu M 1-1-(1). W drugim układzie występuje rotacja typu neutrinowego.

Obroty bezmasowe drugiego układu mogą być rotacjami materiału neutrino M½-½-(1), czyli kosmiczne neutrino W celu½-½-1. W przypadku rotacji materiału neutrino, połączone przemieszczenia wynoszą M½-½-(2). Ta kombinacja ma masę jednego izotopu wodoru, strukturę identyczną ze zwykłą masą dwuatomowego deuteru. M 2-2-(2) lub M 2-1-(1) w kategoriach atomowych, z tym wyjątkiem, że jego przemieszczenie magnetyczne jest o jedną jednostkę mniejsze, a zatem jego masa jest również o jedną jednostkę mniejsza. Jeśli do protonu dodamy rotację kosmicznego neutrina, połączone przemieszczenia wyniosą M 2-2-0, taki sam wynik, jak jednojednostkowy obrót magnetyczny. Ta teoretyczna cząstka złożony neutron, jak go nazwiemy, można zdefiniować jako obserwowalny neutron.

Identyfikacja poszczególnych rotacji struktur typu pośredniego z rotacjami neutrin i protonów nie powinna być interpretowana w ten sposób, że neutrina i protony jako takie rzeczywiście istnieją w strukturach kombinacyjnych. Na przykład w rzeczywistości oznacza to, że jeden ze składników rotacji tworzących złożony neutron ma takiego samego rodzaju rotacji, podobnie jak neutron tworzący proton, jeśli ten ostatni istnieje oddzielnie.

Ponieważ wynikowe całkowite przemieszczenie złożonego neutronu jest identyczne z wynikowym całkowitym przemieszczeniem bezmasowego neutronu, aspekty zachowania cząstek (jak je nazywa się właściwości), które zależą od wynikowego całkowitego przemieszczenia, są takie same. Ponadto właściwości zależne od całkowitego przemieszczenia magnetycznego lub całkowitego przemieszczenia elektrycznego są również identyczne. Ale inne właściwości związane ze strukturą cząstki są różne dla obu neutronów. Złożony neutron ma efektywną jednostkę trójwymiarowego przemieszczenia w układzie rotacyjnym z rotacją jak proton, dlatego ma jedną jednostkę masy. Bezmasowy neutron nie ma trójwymiarowego przemieszczenia, a zatem nie ma masy.

Paradoksy subatomowego świata

Podsumujmy niektóre wyniki, wyraźnie nakreślając wszystkie znane nam paradoksy subatomowego świata.

1. Na poziomie atomu, jądra i cząstki elementarnej materia ma dwojaki aspekt, który w jednej sytuacji objawia się jako cząstki, w innej – jako fale. Co więcej, cząsteczka ma mniej lub bardziej określone położenie, a fala rozchodzi się we wszystkich kierunkach w przestrzeni.

2. Dwoistość materii determinuje „efekt kwantowy”, który polega na tym, że cząstka znajdująca się w ograniczonej objętości przestrzeni zaczyna się intensywniej poruszać, a im większe ograniczenie, tym większa prędkość. Wynikiem typowego „efektu kwantowego” jest twardość materii, identyczność atomów jednego pierwiastka chemicznego oraz ich wysoka stabilność mechaniczna.

Ponieważ ograniczenia objętości atomu, a tym bardziej jądra, są bardzo znaczące, prędkości ruchu cząstek są niezwykle wysokie. Aby badać świat subatomowy, trzeba skorzystać z fizyki relatywistycznej.

3. Atom wcale nie przypomina małego układu planetarnego. To nie cząstki – elektrony – krążą wokół jądra, ale fale probabilistyczne, a elektron może przemieszczać się z orbity na orbitę, pochłaniając lub emitując energię w postaci fotonu.

4. Na poziomie subatomowym nie ma stałych obiektów materialnych fizyki klasycznej, ale falowe modele probabilistyczne, które odzwierciedlają prawdopodobieństwo istnienia relacji.

5. Cząstki elementarne wcale nie są elementarne, ale niezwykle złożone.

6. Wszystkie znane cząstki elementarne mają własne antycząstki. Pary cząstek i antycząstek powstają przy wystarczającej ilości energii i są przekształcane w czystą energię w odwrotnym procesie anihilacji.

7. W zderzeniach cząstki mogą przechodzić jedna w drugą: na przykład w zderzeniu protonu i neutronu rodzi się mezon pi itp.

8. Żaden eksperyment nie może jednocześnie prowadzić do dokładnego pomiaru zmiennych dynamicznych: na przykład niepewność położenia zdarzenia w czasie okazuje się powiązana z niepewnością ilości energii w taki sam sposób, jak niepewność przestrzenne położenie cząstki jest związane z niepewnością jej pędu.

9. Msza jest formą energii; ponieważ energia jest dynamiczną wielkością związaną z procesem, cząsteczka jest postrzegana jako dynamiczny proces wykorzystujący energię, która objawia się jako masa cząsteczki.

10. Cząstki subatomowe są zarówno podzielne, jak i niepodzielne. Podczas zderzenia energia dwóch cząstek ulega redystrybucji i powstają te same cząstki. A jeśli energia jest wystarczająco wysoka, to oprócz tych samych, co oryginalne, mogą powstawać dodatkowo nowe cząstki.

11. Siły wzajemnego przyciągania i odpychania między cząstkami są w stanie przekształcić się w te same cząstki.

12. Świat cząstek nie może być rozłożony na najmniejsze, niezależne od siebie składniki; cząstki nie można wyizolować.

13. Wewnątrz atomu materia nie istnieje w pewnych miejscach, ale raczej „może istnieć”; Zjawiska atomowe na pewno nie dzieją się w określonych miejscach iw określony sposób, ale raczej „mogą się wydarzyć”.

14. Na wynik eksperymentu wpływa system przygotowania i pomiaru, którego końcowym ogniwem jest obserwator. Własności obiektu mają znaczenie tylko w kontekście interakcji obiektu z obserwatorem, ponieważ obserwator decyduje o tym, jak będzie dokonywał pomiarów i w zależności od swojej decyzji otrzymuje charakterystykę właściwości obserwowanego obiektu.

15. W świecie subatomowym istnieją połączenia nielokalne.

Wydawałoby się, że w subatomowym świecie, który leży u podstaw makrokosmosu, jest wystarczająco dużo złożoności i zamieszania. Ale nie! To nie wszystko.

Rzeczywistość odkryta w wyniku badania świata subatomowego ujawniła jedność pojęć, która do tej pory wydawała się przeciwstawna, a nawet nie do pogodzenia. Nie tylko cząstki są jednocześnie podzielne i niepodzielne, materia jest zarówno nieciągła, jak i ciągła, energia zamienia się w cząstki i vice versa itd., fizyka relatywistyczna nawet zunifikowała pojęcia przestrzeni i czasu. To właśnie ta fundamentalna jedność istniejąca w wyższym wymiarze (czterowymiarowa czasoprzestrzeń) jest podstawą zjednoczenia wszystkich przeciwstawnych pojęć.

Wprowadzenie pojęcia fal prawdopodobieństwa, które w pewnym stopniu rozwiązało paradoks „fal cząstek”, przenosząc go w zupełnie nowy kontekst, doprowadziło do powstania nowej pary znacznie bardziej globalnych opozycji: istnienie i nieistnienie(jeden). Rzeczywistość atomowa również leży poza tą opozycją.

Być może ta opozycja jest najtrudniejsza do wyobrażenia z naszej świadomości. W fizyce można budować modele betonowe, które pokazują przejście ze stanu cząstek do stanu fal i odwrotnie. Ale żaden model nie może wyjaśnić przejścia od istnienia do niebytu. Żaden proces fizyczny nie może być użyty do wyjaśnienia przejścia ze stanu zwanego wirtualną cząsteczką do stanu spoczynku w próżni, w którym obiekty te znikają.

Nie możemy powiedzieć, że cząstka atomowa istnieje w tym czy innym punkcie i nie możemy powiedzieć, że jej tam nie ma. Będąc schematem probabilistycznym, cząstka może istnieć (jednocześnie!) w różnych punktach i przedstawiać dziwny rodzaj fizycznej rzeczywistości, coś pomiędzy istnieniem a nieistnieniem. Dlatego nie możemy opisać stanu cząstki za pomocą ustalonych przeciwstawnych pojęć (czarno-biały, plus-minus, zimno-ciepło itp.). Cząstka nie znajduje się w pewnym punkcie i nie jest tam nieobecna. Nie rusza się ani nie odpoczywa. Zmienia się tylko prawdopodobny wzór, to znaczy tendencja cząstki do przebywania w określonych punktach.

Najdokładniej ten paradoks wyraził Robert Oppenheimer, mówiąc: „Jeśli pytamy na przykład, czy położenie elektronu jest stałe, musimy powiedzieć „nie”, jeśli pytamy, czy położenie elektronu zmienia się w czasie, musimy powiedzieć „nie”, jeśli pytamy, czy elektron jest nieruchomy, musimy powiedzieć nie, jeśli pytamy, czy się porusza, musimy powiedzieć nie. Lepiej nie mów!

Nieprzypadkowo W. Heisenberg przyznał: „Do późnych godzin nocnych pamiętam liczne spory z Bogiem, których kulminacją było uznanie naszej bezradności; kiedy po kłótni poszedłem na spacer do sąsiedniego parku, raz po raz zadawałem sobie to samo pytanie: „Czy w przyrodzie może być tyle absurdu, ile widzimy w wynikach eksperymentów atomowych?”

Takie pary przeciwstawnych pojęć, takie jak siła i materia, cząstka i fala, ruch i spoczynek, istnienie i nieistnienie, połączone w jednoczesną jedność, reprezentują dziś najtrudniejszą do zrozumienia pozycję teorii kwantowej. Trudno przewidzieć, z jakimi innymi paradoksami, które stawiają na głowie wszystkie nasze idee, nauka będzie musiała się zmierzyć.

szalejący świat . Ale to nie wszystko. Zdolność cząstek do reagowania na kompresję poprzez zwiększenie prędkości ruchu mówi o fundamentalnej ruchliwości materii, która ujawnia się podczas zagłębiania się w świat subatomowy. W tym świecie większość cząstek jest przykuta do struktur molekularnych, atomowych i jądrowych i wszystkie nie są w spoczynku, ale są w stanie chaotycznego ruchu; mają charakter mobilny. Teoria kwantowa pokazuje, że materia nieustannie się porusza, ani na chwilę nie pozostając w spoczynku.

Na przykład biorąc do ręki kawałek żelaza, nie słyszymy ani nie czujemy tego ruchu, żelazo wydaje nam się nieruchome i bierne. Jeśli jednak spojrzymy na ten „martwy” kawałek żelaza pod bardzo potężnym mikroskopem, który pozwoli nam zobaczyć wszystko, co dzieje się w atomie, zobaczymy coś zupełnie innego. Przypomnijmy model atomu żelaza, w którym dwadzieścia sześć elektronów krąży wokół jądra składającego się z dwudziestu sześciu protonów i trzydziestu neutronów. Szybki wir dwudziestu sześciu elektronów wokół jądra przypomina chaotyczny i ciągle zmieniający się rój owadów. To niesamowite, jak te dziko wirujące elektrony nie zderzają się ze sobą. Wydaje się, że każdy ma wbudowany mechanizm w środku, czuwając nad tym, aby się nie zderzyły.

A jeśli zajrzymy do jądra, zobaczymy protony i neutrony tańczące w szaleńczym rytmie lambady, z tancerzami na przemian i parami zmieniającymi się partnerami. Jednym słowem, w „martwym” metalu, w sensie dosłownym i przenośnym, panuje tak różnorodny ruch protonów, neutronów i elektronów, którego po prostu nie można sobie wyobrazić.

Ten wielowarstwowy, szalejący świat składa się z atomów i cząstek subatomowych poruszających się po różnych orbitach z dziką prędkością, „tańczących” cudowny taniec życia do muzyki, którą ktoś skomponował. Ale w końcu wszystkie obiekty materialne, które widzimy wokół nas, składają się z atomów połączonych wiązaniami wewnątrzcząsteczkowymi różnych typów, tworząc w ten sposób cząsteczki. Tylko elektrony w cząsteczce poruszają się nie wokół każdego jądra atomowego, ale wokół grupy atomów. A te cząsteczki są również w ciągłym chaotycznym ruchu oscylacyjnym, którego natura zależy od warunków termicznych wokół atomów.

Jednym słowem, w subatomowym i atomowym rytmie świata króluje ruch i nieustanna zmiana. Ale wszystkie zmiany nie są przypadkowe i nie są arbitralne. Kierują się bardzo jasnymi i precyzyjnymi prawami: wszystkie cząstki tego czy innego rodzaju są absolutnie identyczne pod względem masy, ładunku elektrycznego i innych charakterystycznych wskaźników; wszystkie naładowane cząstki mają ładunek elektryczny, który jest albo równy ładunkowi elektronu, albo przeciwny w znaku, albo przekracza go dwukrotnie; a inne cechy cząstek mogą przyjmować nie dowolne wartości, a jedynie ograniczoną ich liczbę, co pozwala naukowcom podzielić cząstki na kilka grup, które można również nazwać „rodzinami” (24).

Mimowolnie pojawiają się pytania: kto skomponował muzykę do niesamowitego tańca cząstek subatomowych, kto ustawił program informacyjny i nauczył pary tańczyć, w którym momencie ten taniec się zaczął? Innymi słowy: jak powstaje materia, kto ją stworzył, kiedy to się stało? To są pytania, na które nauka szuka odpowiedzi.

Niestety nasz światopogląd jest ograniczony i przybliżony. Nasze ograniczone rozumienie natury prowadzi do rozwoju ograniczonych „praw natury”, które pozwalają nam opisać dużą liczbę zjawisk, ale najważniejsze prawa wszechświata, które wpływają na ludzki światopogląd, są nadal w dużej mierze nam nieznane.

„Postawa większości fizyków przypomina światopogląd schizofrenika”, mówi fizyk kwantowy Fritz Rohrlich z Syracuse University. Z jednej strony akceptują standardową interpretację teorii kwantowej. Z drugiej strony obstają przy rzeczywistości systemów kwantowych, nawet jeśli są one zasadniczo nieobserwowalne”.

Naprawdę dziwne stanowisko, które można wyrazić w ten sposób: „Nie będę o tym myślał, nawet jeśli wiem, że to prawda”. To stanowisko powstrzymuje wielu fizyków przed rozważeniem logicznych konsekwencji najbardziej zdumiewających odkryć fizyki kwantowej. Jak wskazuje David Mermin z Cornell University, fizycy dzielą się na trzy kategorie: po pierwsze, niewielka mniejszość, której nawiedzają oczywiste logiczne konsekwencje; druga to grupa, która unika problemu za pomocą wielu rozważań i argumentów, w większości nie do utrzymania; i wreszcie trzecia kategoria - ci, którzy nie mają żadnych względów, ale ich to nie obchodzi. „Ta pozycja jest oczywiście najwygodniejsza”, zauważa Mermin (1).

Niemniej naukowcy mają świadomość, że wszystkie ich teorie opisujące zjawiska naturalne, w tym opis „praw”, są wytworem ludzkiej świadomości, konsekwencją struktury pojęciowej naszego obrazu świata, a nie właściwościami samej rzeczywistości. Wszystkie modele i teorie naukowe są jedynie przybliżeniami do prawdziwego stanu rzeczy. Żaden z nich nie może twierdzić, że jest ostateczną prawdą. Niejednoznaczność teorii przejawia się przede wszystkim w stosowaniu tzw. „stałych fundamentalnych”, czyli wielkości, których wartości nie pochodzą z odpowiednich teorii, ale są określane empirycznie. Teoria kwantowa nie potrafi wyjaśnić, dlaczego elektron ma taką masę i taki ładunek elektryczny, a teoria względności nie może wyjaśnić właśnie takiej wartości prędkości światła.

Oczywiście nauka nigdy nie będzie w stanie stworzyć idealnej teorii, która wszystko wyjaśni, ale musi do tego nieustannie dążyć, nawet jeśli jest to nieosiągalny kamień milowy. Bo im wyżej ustawiona jest poprzeczka, nad którą skoczek musi przeskoczyć, tym większą wzniesie się, nawet jeśli nie ustanowi rekordu. A naukowcy, niczym skoczek w treningu, nieustannie podnoszą poprzeczkę, konsekwentnie rozwijając indywidualne teorie cząstkowe i przybliżone, z których każda jest dokładniejsza od poprzedniej.

Dzisiaj nauka ma już szereg prywatnych teorii i modeli, które z powodzeniem opisują niektóre aspekty rzeczywistości kwantowej fal, która nas ekscytuje. Według wielu naukowców najbardziej obiecującymi teoriami – punktem oparcia dla dalszego rozwoju fizyki teoretycznej opartej na świadomości – są hipoteza „bootstrap” Jeffreya Chu, teoria Davida Bohma oraz teoria pól torsyjnych. A wyjątkowa praca eksperymentalna rosyjskich naukowców pod kierunkiem akademika V.P. Kaznacheeva w dużej mierze potwierdza poprawność podejść do badania Wszechświata i Świadomości, które są osadzone w tych hipotezach i teoriach.

2. 1. Paradoksy współczesnej Rosji. Czasy się zmieniły. Obecny „demokrata”, aby kontynuować rabunek Rosji i jej mieszkańców, musi podjąć pewne wysiłki, aby „ustabilizować gospodarkę”. A „patrioci – suwerenni” już dawno przeszli wszystkie przydzielone im warunki