События к-2 ч-21

СОБЫТИЯ К-2 Ч-21

Все во Вселенной — от ядра Земли до самых дальних галактик — состоит из атомов. Это фундаментальная единица элемента. К настоящему времени было идентифицировано 118 элементов (все они перечислены в периодической таблице). Слово "атом", означающее "неделимый", происходит от древнегреческого слова ";;;;;;". Древнегреческие философы считали, что атом невозможно разделить на что-то меньшее. Однако ученые доказали этот факт неправильно в начале 20 века, когда они открыли субатомные частицы (электроны, протоны, нейтроны). Ниже мы перечислили некоторые из наиболее интригующих фактов об атомах, которые только сделают вас умнее. Так что давайте начнем с самого короткого и простого. 1. Состав атомов Каждый атом содержит одно ядро [в центре] и один или несколько электронов. Ядро обычно состоит из равного числа протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами. 2. Ядро содержит почти всю массу Ядро, расположенное в центре атома, составляет более 99,9 % его массы, но занимает лишь одну триллионную его общего объема. Таким образом, большая часть пространства внутри атома пуста. 3. Электроны чрезвычайно малы Электрон является наиболее активным компонентом атома, но он почти ничего не вносит в массу атома. Например, в атоме водорода масса электрона составляет всего 0,0005 массы ядра. 4. Атом может иметь электрический заряд Электроны несут отрицательный заряд, протоны несут положительный заряд, а нейтроны не имеют электрического заряда. Атом электрически нейтрален, если он имеет одинаковое количество электронов и протонов. Однако, если атом имеет меньше или больше протонов, чем электронов, он имеет общий положительный или отрицательный заряд (известный как Ион). 5. Что удерживает протоны и нейтроны вместе? Ядерная сила удерживает протоны и нейтроны вместе в ядре атома. Электроны притягиваются к протонам другой силой, называемой электромагнитной силой, которая слабее ядерной силы. Эта ядерная сила примерно в 1038 раз сильнее гравитационной, но действует только в очень малых масштабах. 6. 94 Атома естественного происхождения на Земле Из 118 известных атомов 94 встречаются в природе, хотя некоторые встречаются в незначительных количествах. Остальные 24 были синтезированы только в лабораториях или ядерных реакторах. 7. Каждый атом уникален Каждый атом содержит определенное количество протонов в ядре. Например, все атомы натрия содержат 11 протонов, а все атомы серебра содержат 47 протонов. Изотоп элемента определяется числом нейтронов, а магнитные характеристики зависят от количества электронов в атоме. 8. Самый большой и самый маленький атом Самым большим элементом (по размеру) является Франций, но поскольку он крайне нестабилен, предпочтение отдается Цезию. У него большая валентная оболочка и относительно менее эффективный заряд ядра. Наименьший элемент - гелий, первый в группе благородных газов в периодической таблице. Его атомный радиус примерно в 9 раз меньше диаметра цезия. Иллюстрация атома гелия | Предоставлено: Викимедиа. 9. Самый тяжелый и легкий атом Оганессон - самый тяжелый элемент (по атомной массе), открытый в 2002 году. Это первый благородный газ, который удивительно химически активен и проявляет очень необычные физические и химические свойства. Оганессон, однако, является самым тяжелым синтетическим химическим элементом. Самым тяжелым природным элементом является Уран с атомным весом 238,029. Элемент, который имеет самый легкий атом-это водород. У него есть только один протон, обращающийся вокруг одного электрона. Его самый распространенный изотоп, известный как Протии;, состоит из одного протона и нулевых нейтронов. 10. Возможно ли преобразовать один элемент в другой? В некоторых экстремальных условиях электромагнитная сила (которая отталкивает электроны и протоны) преодолевает сильную ядерную силу, выбрасывая нуклоны из атомного ядра и оставляя после себя совершенно другой элемент. Это именно то, что происходит при делении ядер. Однако этот процесс [распада] является дорогостоящим и опасным. Ученые пока не смогли безопасно генерировать энергию с помощью ядерного деления. 11. Атомы в человеческом теле Тело человека весом 70 кг состоит из 7 ; 10 27 атомов. Три атома (водород, кислород и углерод) составляют до 99 процентов от общего количества. Что еще интереснее, 98 процентов этих атомов обновляются каждый год, даже не подозревая об этом. Самая быстро меняющаяся молекула - это вода: почти 50 процентов молекул воды в организме заменяются каждые 8 дней. Более того, человеческий волос - 100 нанометров в поперечнике - состоит из миллиона атомов углерода. 12. Сколько атомов существует во Вселенной? Наблюдаемая вселенная огромна: она охватывает приблизительно 93 миллиарда световых лет. Согласно теоретической оценке, в нашей вселенной насчитывается от 1078 до 1082 атомов. Это не какой-то выдуманный номер. Расчеты основаны на достоверных данных (что мы знаем о вселенной). Однако между этими оценками существует огромная разница, что говорит о значительной степени ошибки. Более точные цифры будут доступны, когда мы узнаем больше о космосе. 13. Радиоактивные атомы В нестабильном атоме силы неуравновешенны. В этом случае атомное ядро содержит избыток либо протонов, либо нейтронов. Атом пытается достичь стабильного состояния, выбрасывая свои дополнительные частицы или высвобождая энергию в других формах. Элементы, содержащие такие нестабильные ядра, называются радиоактивными. Фермий, например, является радиоактивным элементом: его самый стабильный изотоп (Fm-257) имеет период полураспада 100,5 суток. 14. Видя атомы Поскольку атомы невероятно малы по сравнению с длиной волны видимого света, их нельзя наблюдать даже с самым мощным в мире оптическим микроскопом. Сканирующий туннельный микроскоп захватывает атомы кремния на поверхности кристаллического карбида кремния Вот почему ученые используют микроскоп другого типа, известный как сканирующий туннельный микроскоп. Он может обеспечить боковое разрешение 0,1 нм и разрешение по глубине 0,01 нм, что достаточно для изображения отдельных атомов в материалах. 15. Квантовая природа атомных свойств Электрон совершает мгновенный "квантовый скачок" с одного энергетического уровня на другой Поскольку атомы чрезвычайно малы по размеру, они проявляют квантовые свойства, поэтому предсказание их поведения с применением классической физики всегда приведет к неверным результатам. Когда электрон прыгает с одного энергетического уровня (орбиты) на другой, он не перемещается в пространстве между ними. Вместо этого он исчезает с одной орбиты, а затем сразу же появляется на другой орбите. Чтобы лучше описать и оценить их поведение, несколько атомных моделей включили в себя законы квантовой физики.

Элементарные частицы. Тайны природы, которые нам предстоит открыть
Открытие «невидимых» элементарных частиц положило начало современной физике. В ней всё время совершаются новые грандиозные прорывы: например, подтвердилось существование бозона Хиггса. Знать, что такое лептоны, кварки и бозоны, очень важно для понимания актуальной картины мира. Мы собрали базовые знания по физике элементарных частиц, которые пригодятся всем.
В конце XVIII — начале XIX века физики были твердо убеждены, что в их науке больше нечего исследовать и никаких прорывов в ней не предвидится. Однако прошло всего полвека, и в научных журналах стали появляться статьи, описывавшие необъяснимые результаты экспериментов. То Рентген откроет лучи, которые проникают через стекло и отклоняются в магнитном поле, то Беккерель засветит фотопластинку минералом урана... Эти явления заставили людей задуматься о том, что атомный мир намного сложнее, чем они думали.
Самой первой частицей, о которой узнали физики, стал электрон. Это понятие ввел еще в конце XIX века британский ученый Джордж Стоуни, чтобы описать перенос заряда в электрохимических процессах. А в 1897 году Джозеф Томсон, исследуя «катодные лучи», выяснил, что они состоят из частиц, обладающих также и волновыми свойствами.
Свойства волны и частицы во многом противоположны. Например, частица, ударяясь о препятствие, отскакивает, а волна может его огибать. Показателен в этом плане эксперимент Томаса Юнга, в котором ученый пропускал свет через две узкие щели. Казалось бы, если фотоны (еще одна элементарная частица, квант света) — это частицы, то они должны проходить через щель и оставлять на экране за ней две полосы. Но оказалось, что полос гораздо больше! Всё это легко объяснимо, если принять, что фотон — это волна, а волнам свойственно огибать препятствия (это явление называется дифракцией). Как рябь на воде огибает камень, так и электромагнитные волны могут «обходить» встречающиеся на их пути преграды.
Какие бывают элементарные частицы
После открытия электрона ученые ввели в картину мира фотон и остальные бозоны, дополнили список лептонов и открыли кварки.
С каждым витком развития науки люди стремились поделить вещество на мельчайшие части, чтобы понять, как оно устроено. Оказалось, что вся материя, которая нас окружает, похожа на матрешку с четырьмя оболочками:
• то, что мы видим невооруженным глазом;
• молекулярная структура;
• атомная структура;
• элементарный уровень.
Последняя «оболочка» была открыта не так давно и на данный момент считается самой маленькой. Она включает в себя все элементарные или фундаментальные частицы.
Да, их очень много — но так даже интереснее. Со времен открытия электрона ученые обнаружили огромное количество фундаментальных частиц и разделили их на две большие группы: фермионы (от фамилии итальянского физика Энрико Ферми) и бозоны (в честь индийского физика Сатьендры Нат Бозе).
 Все частицы Стандартной модели, собранные в подобие системы Менделеева. Справа — бозоны, слева — фермионы
Элементарные частицы, в отличие от атомов, — это не всегда реально существующие объекты. Это, скорее, модели, созданные для описания разных видов взаимодействий и свойств материи.
Например, электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов, ядро атома находится в стабильном состоянии благодаря мезонам — частицам, удерживающим протоны и нейтроны.
Физики выделяют разные виды взаимодействий (сильное, слабое, электромагнитное, гравитационное) и типы материи (атомы, антиматерия, темная материя, излучения). Чтобы изучить их свойства, нужно подробно описать их природу.
Во второй половине ХХ века группа ученых создала теорию под названием «Стандартная модель». Она помогла систематизировать большое количество открытых на тот момент элементарных частиц и соотнести каждую со своим видом материи или взаимодействия. Сейчас эта теория считается завершенной и включает 17 видов элементарных частиц, вместе описывающих 3 фундаментальных взаимодействия и некоторую часть известных видов материи. Однако Стандартная модель описывает далеко не всё. Например, в ее рамках нельзя описать силу гравитации, и ученые до сих пор ломают голову над тем, как бы ее объяснить.
Чтобы разобраться в мире элементарных частиц, мы расскажем обо всех 17 частицах Стандартной модели, разделив их на две большие группы: фермионы и бозоны.
I. Фермионы
В этот класс входят 12 обычных частиц и столько же античастиц. Они противоположны по заряду: например, античастица отрицательно заряженного электрона — это положительно заряженный позитрон.
Эти 12 частиц, в свою очередь, можно поделить на две группы по 6 штук: кварки и лептоны.
Как устроен атом
Атом состоит из ядра, в котором сосредоточено более 99 % его массы, и электронной оболочки, окружающей его, как облако. Электроны, составляющие внешнюю оболочку, — это элементарные частицы. Ядро же состоит из протонов и нейтронов (вместе они называются нуклонами). Протоны заряжены положительно, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов на внешней оболочке, а нейтроны, как следует из названия, вообще не имеют заряда и «склеивают» ядро, не давая ему распасться (как это происходит с радиоактивными элементами).
Долгое время протоны и нейтроны считались неделимыми, но они слишком большие для элементарных частиц. Позже ученые установили, что каждая из них состоит из трех кварков.
Кварки — любители ходить в парах
В отличие от электронов кварки не могут существовать в свободном состоянии и соединяются в пары. Эти пары называются мезонами — это частицы, которые перемещаются между протонами и нейтронами и удерживают ядро в стабильном состоянии. Три кварка образуют нуклоны — протон или нейтрон. Частицы, состоящие из четырех или пяти кварков, являются экзотическими и отчасти вызывают гравитационное взаимодействие между телами.
Лептоны — одиночки
Второй тип фермионов — лептоны, их свойства совершенно другие. Кварки не могут существовать поодиночке, а лептоны, наоборот, не могут соединяться (если это, конечно, не частица со своей античастицей: объединяясь, они исчезают, выделяя энергию).
Лептоны похожи на волков-одиночек, и самый влиятельный и могущественный среди них (прямо как волк с Уолл-стрит) — электрон, самый распространенный и наиболее изученный лептон.
Долгое время ученые не могли понять, в чем «сила» электрона. В конце концов они нашли этому одно разумное объяснение: электрон — это единственная стабильная заряженная частица из своего класса. Остальные 5 заряженных лептонов не существуют дольше 2 микросекунд: они либо распадаются на несколько более мелких частиц, либо, наоборот, соединяются в одну более крупную.
Нейтрино — неуловимые лептоны
Еще один вид лептонов — нейтрино, практически неуловимые частицы, которые движутся в космосе со скоростью света. Еще с середины ХХ века проводятся эксперименты, чтобы их поймать и изучить. Многое в этих «неуловимых» частицах уже исследовано, и ученые даже пытались создать коммуникацию с их помощью, но идея осталась лишь в планах. Нейтрино могут быть индикаторами различных процессов, происходящих в ядрах звезд. Например, в нашем Солнце протекает множество термоядерных реакций каждую секунду, и практически каждая такая реакция выделяет хотя бы одно нейтрино.
Читайте также
«Реальный мир — это тот, где ты жив, а возможный — где ты мертв». Как философы путешествуют по возможным мирам
Вселенная как нейросеть. Интервью с физиком Виталием Ванчуриным
Нейтрино бывают нескольких видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Все эти названия взяты не с потолка.
Каждое нейтрино соответствует своему лептону (электрону, мюону, тау-лептону), так как напоминает его по своим квантовым характеристикам. Разные виды этих частиц, двигаясь совместно, могут переходить друг в друга — это называется нейтринной осцилляцией.
Итак, фермионы бывают двух видов: кварки и лептоны. Первые могут существовать только группами, а вторые — только по отдельности. Первые входят в состав ядер атомов, вторые — в состав электронных оболочек этих атомов.
А теперь мы переходим ко второй, не менее интересной группе элементарных частиц — бозонам. Готовы спорить, что она у вас на слуху благодаря одному известному ее представителю.
II. Бозоны
Невольно возникает вопрос: а чем фермионы отличаются от бозонов? Всё дело в квантовой характеристике — спи;не. У фермионов он дробный: чтобы при повороте в пространстве частица стала симметричной себе, надо повернуть ее больше чем на один полный оборот. А у бозонов спин целый — то есть либо они одинаковы, как ни крути, либо для совмещения самих с собой в пространстве их нужно повернуть на 180 или 360 градусов.
Спин обуславливает обменное взаимодействие элементарных частиц, когда между двумя одинаково заряженными частицами может возникать связь (это свойство исчезает при переходе к большим системам). Если по законам классической механики два электрона должны отталкиваться, то квантовая механика «разрешает» им находиться относительно близко друг от друга — на одной орбитали.
 Траектории движения элементарных частиц, образующихся в результате столкновения двух протонов
Бозоны, слава богу, не делятся ни на какие группы. В Стандартной модели их выделяют всего пять: фотон, W-бозон, Z-бозон, глюон и бозон Хиггса. С фотоном мы уже знакомы, его функция — переносить электромагнитное возбуждение (то есть свет разного диапазона длин волн). W- и Z-бозоны — это своего рода волшебные палочки. W-бозоны переносят электрический заряд, понижая или повышая его у выбранной цели, и могут превращать один вид кварков в другой. Z-бозоны помогают передавать импульс и спин от одной частицы к другой при их столкновении.
Выделяют 8 типов глюонов.
Глюоны напоминают кварки и фотоны одновременно: их никогда не видели в свободном состоянии, они не имеют заряда и в теории не обладают массой. Глюоны отвечают за передачу между кварками квантовой характеристики, называемой цветом (общее с теми цветами, которые мы видим, — только название).
Последний тип — бозоны Хиггса — очень странная вещь. Они существовали лишь теоретически, их долго не могли обнаружить, однако в 2012 году это удалось сделать с помощью Большого адронного коллайдера (БАК).
Бозон Хиггса обуславливает массы всех элементарных частиц. Его открытие завершило Стандартную модель.
Она описывает 3 вида взаимодействий: электромагнитное, сильное (между нуклонами в ядре атома) и слабое, но ее нельзя считать Теорией всего, так как она не описывает, например, гравитационное взаимодействие, темную материю и энергию. Так что у физики большое и светлое будущее.
Итак, бозоны переносят различные виды взаимодействий. Они имеют целочисленный спин и различаются между собой массой и свойствами. Существование всех этих частиц ученые уже доказали с помощью БАК.
Составные частицы
Фермионы и бозоны — это лишь основа всей физики элементарных частиц. Соединяясь, они образуют что-то вроде молекул. Это очень похоже на химическую реакцию: две элементарные частицы могут соединяться друг с другом, как и химические вещества.
Самый известный вид составных частиц — адроны. Их делят на два вида: барионы и мезоны. Барионы — это частицы, состоящие из кварков, в том числе протоны и нейтроны; мезоны переносят взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов.
Физика элементарных частиц невероятно разнообразна. Кроме перечисленных основных классов выделяют также квазичастицы («почти»-частицы), которые формально не существуют: человек придумал их для описания различных природных процессов. Кроме того, есть много гипотетических частиц, существование которых экспериментально не подтверждено.
________________________________________
Сегодня мы знаем Вселенную едва ли на 0,1 %. С помощью физики мы пытаемся расширить границы познания и описать всё, что нам непонятно. Но каждый новый шаг вперед всё труднее: если пять лет назад вы были на острие прогресса и понимали всё, что происходит в вашей науке, то сегодня она вас озадачит своей сложностью и запутанностью.
Однако сложность добавляет физике прелесть и очарование, которое притягивает новые пытливые умы. С помощью них мы, быть может, скоро создадим Теорию всего и постигнем все тайны мироздания.
А потом природа преподнесет нам сюрприз, и окажется, что всё, что мы знали, — полная туфта.

Наше тело, пища, дом, Планета и Вселенная состоят из мельчайших частиц. Что за частицы, из чего и как они возникают в природе? Как взаимодействуют, соединяются в атомы, молекулы, тела, планеты, звезды, галактики и, наконец, как исчезают из бытия?

Возможно, многих это удивит, но не ученых-физиков: теоретическая физика давно находится в идейном кризисе. У нее нет теории, которая бы логично, а не сказочно в виде бездоказательных постулатов, объясняла бы очевидный факт существования окружающей нас действительности.  Есть лишь интересные литературные труды отдельных авторов, в которых они занятно рассуждают о неком Большом взрыве, якобы чудотворно образовавшем Вселенную. Умозрительно они расписывают доли секунд, когда во Вселенной якобы возникли неизвестно от чего электроны, нейтроны, протоны, затем минутами – когда возникли ядра водорода, гелия, тысячелетиями и миллиардами лет – когда возникли атомы, тела, звезды, галактики, планеты и т.д., не объясняя, на основании чего они дают такие заключения. Не говоря уже о вопросах, ПОЧЕМУ И КАК все это могло произойти?

Как говорил Б.Рассел: «Многие понятия кажутся глубокими, лишь потому что они неясны и путаны».
И всякий раз, когда концепция Большого взрыва заводит в тупики, приходится опять в нее  вводить бездоказательно какую-нибудь новую «потрясающую» сущность типа необъяснимой космической инфляции на ранней стадии Большого Взрыва, во время которой за малые доли секунды сама Вселенная необъяснимо быстро вдруг расширилась на много порядков, и  продолжает расширяться до сих пор, и почему-то с ускорением? А также о темной материи, темной энергии, кварках, барионной асимметрии, бозоне Хиггса и т.д., и т.п.

Но вопросы и дальше «вылазят», вот некоторые из них:

;как мог возникнуть Большой взрыв вопреки основному закону природы – закону сохранения энергии? Причем еще и с немыслимой температурой, вопреки законам термодинамики? Откуда вдруг могла возникнуть такая энергия первоначально? И что сосредоточило ее в какой-то сингулярной точке?

;почему же Вселенная, якобы возникшая Большим взрывом в неком эпицентре и разлетающаяся из него, имеет ячеистую структуру сверхскоплений и скоплений галактик? И почему она все время расширяется совсем не так, как должна бы после взрыва? Ведь разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а лишь скопления ярких галактик. В то время как звезды и галактики, наоборот, как бы связаны друг с другом и образуют устойчивые структуры? Причем скопления галактик, в каком направлении ни посмотри, разбегаются примерно с одинаковой скоростью? Причем, не замедляясь, а ускоряясь?

;почему галактики и звездные системы имеют, как правило, формы плоских дисков? Как мог Большой взрыв их так сформировать?

;почему Вселенная состоит из вещества, и нигде в ней не встречается антивещество?

;какая сила привела во вращение все звездные системы и галактики?

;почему звёзды так долго горят? Почему Вселенная имеет повсеместно неравномерную температуру звезд и тел, но строго равномерное во всех точках межзвездного пространства микроволновое излучение, около 2,73 градусов выше абсолютного нуля? Так не бывает нигде после взрывов.

;почему заряд электрона по модулю строго равен заряду протона, который имеет массу на три порядка большую, чем электрон, и якобы состоит из трех кварков с дробными зарядами?

;почему атомы даже самых тяжелых элементов, в которых более сотни электронов якобы распределены по 4-м энергетическим уровням и 7-ми слоям-орбиталям, по размеру оказываются почти такими же, как и легчайший атом водорода с одним электроном? И почему не все атомы круглые?

;что собирает звезды возле центров многих галактик в «спирали»?

;как возникла Луна и почему она всегда обращена к Земле лишь одной стороной?

;что придает телам во Вселенной свойство гравитации?

;что придает всем телам, галактикам, скоплениям галактик во Вселенной свойство инерции? Если бозон Хиггса, тогда каким же образом он сам получает свою массу и как он придает ее всему?

;что волнуется при распространении электромагнитной волны?

;известно, что энергия в природе не возникает и не исчезает, а лишь переходит в другие формы. Что же в таком разе является ее первоисточником?

И т.д...,  и т.п...

Естественно, не все ученые согласны принимать такую «теорию» на веру.
Вот, например, слова Х.Альфвена, шведского физика и астрофизика, Нобелевского лауреата «за фундаментальные работы и открытия в магнитной гидродинамике и плодотворные приложения их в различных областях физики плазмы», награжден также золотой медалью Королевского астрономического общества в Лондоне и золотой медалью АН СССР, члена Шведской, Лондонской и других академий:
«Современная космологическая теория представляет собой верх абсурда – она утверждает, что вся Вселенная возникла в некий момент подобно взорвавшейся атомной бомбе… Похоже, что в теперешней интеллектуальной атмосфере огромным преимуществом космологии «Большого взрыва» служит то, что она является оскорблением здравого смысла: credo, guia absurdum (верую, ибо абсурдно)».

Вот мнение известного авторитета в современной физике – А.Эйнштейна:
«Большие первоначальные успехи квантовой теории не могли меня заставить поверить в лежащую в ее  основе игру в кости... Физики считают меня старым глупцом, но я убежден, что в будущем развитие физики пойдет в другом направлении».

Интересно также заключение о квантовой теории известного специалиста в области теории познания, аналитика методологии науки, постпозитивиста И.Лакатоса:
«После 1925 г. «новая» квантовая теория перешла на «анархистскую позицию», а современная квантовая физика в ее «копенгагенской» интерпретации стала одним из главных оплотов философского обскурантизма…  Разум в современной физике отступил и воцарился анархистский культ невообразимого хаоса».

На таком вот спорном базисе Большого взрыва и квантовой теории построены дальнейшие теории в современной космо- и микрофизике, которые не объясняют факты, приводят к парадоксам и недосчитывают, как известно, более 95% материи во Вселенной! По сути, имеем дело с наукообразной религией.

Но есть ведь и другие взгляды на происхождения Вселенной. Концепций о непрерывном рождении вещества во Вселенной, придерживались многие известные физики. Например, П.Дирак, Ф.Хойл, П.Фомин, Э.Трайон.
Многолетние исследования автора этой работы тоже показали, что идея о непрерывном рождении вещества во Вселенной логична и рациональна. Вопрос лишь в том, а как же именно это происходит?