Морозова Елена Германовна , кандидат химических наук Введение в естествознание (учебное пособие) Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, священник Константин Буфеев Учебное пособие представляет собой курс естествознания, который может быть использован в системе высшего гуманитарного и среднего общего образования.
После второй мировой войны, благодаря использованию современной экспериментальной техники, и прежде всего мощным ускорителям, в которых создаются условия высоких энергий и громадных скоростей, было установлено существование большого числа элементарных частиц — свыше 300. Среди них имеются как экспериментально обнаруженные, так и теоретически вычисленные, включая резонансы, кварки, виртуальные частицы.
Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа. Масса покоя элементарных частиц определяет средние частицы с массой покоя в пределах от одной до тысячи масс электрона. Некоторые частицы, например, фотоны, не имеют массы покоя. Остальные частицы по величине массы покоя делятся на три группы. Лептоны — легкие частицы (электрон и нейтрино)
; мезоны — средние частицы с массой покоя в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы — тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы. Электрический заряд является важнейшей характеристикой элементарных частиц. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом.
Спин характеризует момент количества микрочастицы. Вместе с понятием «квантовое число» он характеризует состояние элементарной частицы. Характеристикой элементарных частиц являются также взаимодействия. В природе различают четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Свойства элементарных частиц определяются, в основном, первыми тремя видами взаимодействия.
Сильное взаимодействие существует на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10-13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего образуются материальные системы с высокой энергией связи — атомные ядра.
Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми и их трудно разрушить. Частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называются лептонами (например, электроны, мюоны, нейтрино). Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам.
Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон— квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, а атомы в молекулы. Можно сказать, что это взаимодействие является основным на макроуровне организации материи. Слабое взаимодействие возможно между различными частицами.
Оно простирается на расстоянии порядка 10-15 – 10-22 см и связано, главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с современными представлениями нестабильность большинства частиц обусловлена слабым взаимодействием. Гравитационное взаимодействие является самым слабым и оно не учитывается в теории элементарных частиц. Но на ультрамалых расстояниях порядка 10-33 и при ультрабольших энергиях гравитация приобретает существенное значение, поскольку гравитационное взаимодействие по своей силе становится сравнимым с другими взаимодействиями. Решающее значение, с неограниченным радиусом действия, гравитационное взаимодействие приобретает в космических масштабах. В природе, как правило, проявляется не одно, а все виды взаимодействий, и свойства многих частиц определяются всеми четырьмя его типами. Например, протон — частица с сильным взаимодействием, но наличие электрического заряда заставляет его принимать участие также в электромагнитном взаимодействии. А поскольку он мог возникнуть вследствии (β-распада нейтрона, т. е. в результате слабого взаимодействия, он связан со слабым взаимодействием. Кроме того, протон учавствует в гравитационном взаимодействии, так как тела, в состав атомов которых он входит, имеют вес. Частицами, участвующими во всех видах взаимодействия, являются андроны (к числу этих частиц принадлежат нуклоны и все резонансы). От силы взаимодействия зависит время, в течение которого совершается превращение элементарных частиц. Чтобы при столкновениях элементарных частиц рождались новые частицы, кинетическая энергия сталкивающихся частиц должна быть сравнимой с энергией покоя рождающихся частиц. Частицы с такими большими энергиями находятся в космических лучах или разгоняются в ускорителях. По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10-10 ч -10-24 сек, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10-23-10-22ч называют резонансами. Из-за краткого времени жизни они распадаются до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансы, как уже упоминалось, вычислены только теоретически и экспериментально не зафиксированы. Квантовая механика является той областью знания, где особенно отчетлива видна ограниченность научного метода познания микромира. В настоящее время физика элементарных частиц подошла к уровню, когда формы материи (вещество и поле) становятся неразличимы между собой, и проявляется вторичность материальных свойств по отношению к идеальным характеристикам, описываемым лишь в терминах информации [2]. (Помните: «В начале было Слово...» (Иоан. 1, 1), «В начале словом Божиим небеса и земля составлены» (2 Пет. 3, 5)