Чтение онлайн

Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных) имеет свою античастицу. Причем масса, спин, время существования и некоторые другие внутренние характеристики у частицы и античастицы одинаковые, но отличаются они знаками электрического заряда и магнитного момента, барионного заряда и др. При их столкновении происходит аннигиляция, то есть частица и античастица исчезают, превращаясь в другие частицы, число и вид которых лимитируется законами сохранения. Например, при малых энергиях столкновения в процессе аннигиляции пары позитрон — электрон возникают фотоны, а пары нуклон — антинуклон — основные пи-мезоны.

Процессы, протекающие с элементарными частицами, довольно различны по интенсивности. В соответствии с этим выделяют три класса взаимодействия: сильное, электромагнитное и слабое. Все микрочастицы обладают также гравитационным взаимодействием.

Сильное взаимодействие приводит к самой сильной связи между элементарными частицами. Так, связь протона и нейтрона в ядрах атомов обусловлена этим взаимодействием. В основе электромагнитного взаимодействия лежит связь частиц с электромагнитным полем. Связь электронов атомов с ядрами и атомов в молекулах обусловлена электромагнитным взаимодействием. Слабое взаимодействие вызывает весьма медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Иллюстрацией слабого взаимодействия может служить тот факт, что нейтрино, обладающие только слабым взаимодействием, беспрепятственно пронизывают толщу Земли и Солнца. Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных фундаментальных взаимодействий из-за малости масс этих частиц.

В зависимости от типа взаимодействия все известные элементарные частицы (за исключением фотона) разделяются на две основные группы: адроны и лептоны. Адроны обладают сильным взаимодействием, наряду с электромагнитным и слабым, тогда как лептоны участвуют только в слабом и электромагнитном взаимодействиях. Первыми исследованными представителями адронов были протон и нейтрон, а лептонов — электрон. Фотон, обладающий только электромагнитным взаимодействием, не может быть отнесен ни к лептонам, ни к адронам, и поэтому его выделяют в отдельную «группу».

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса, время существования, электрический заряд и спин (собственный момент количества движения, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого). В зависимости от времени существования элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными являются фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы (время существования у них неограниченно большое), остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от ~ 103 секунд (для свободного нейтрона) до 10–22 –10–24  секунд (для резонансов).

По современным представлениям физики микромира не только фотоны, но и электроны, и любые другие микрочастицы материи наряду с корпускулярными (корпускулы — частицы), обладают также волновыми свойствами. Согласно квантовой механике, свободное движение элементарных частиц можно представить как плоскую волну (волну де Бройля).

Атом — наименьшая составная часть вещества, в которой сохраняется индивидуальность химического элемента. Сам химический элемент являет собой совокупность атомов одного сорта. Взаимодействие между одинаковыми или разными атомами может приводить к образованию из них более сложных комплексов — молекул. Любые твердые, жидкие и газообразные вещества составлены из одного или нескольких химических элементов. Фактически именно атомы выступают в роли строительных «кирпичей» вещества и в конечном счете ответственны за его механические, химические, оптические, электрические, магнитные и другие свойства.

Атом состоит из тяжелого ядра с положительным электрическим зарядом и окружающих его электронов с отрицательным зарядом. По современным представлениям ядро атома состоит из протонов и нейтронов (нуклонов), удерживаемых в ядре мощными ядерными силами. Масса протона в 1836, а масса нейтрона в 1839 раз больше массы электрона, поэтому практически вся масса атома сосредоточена в его ядре. Ядро окружено облаком электронов, образующих электронные оболочки атома. Линейные размеры атома определяются размерами его электронной оболочки и составляют величину порядка 10–8 см, что в десятки тысяч раз превышает размеры ядра. В обычных условиях атом электрически нейтрален: число электронов в оболочке равно числу протонов в ядре. Причем положительный заряд протона и отрицательный электрона одинаковы по абсолютной величине. Нейтрон электрическим зарядом не обладает. Теряя электроны, нейтральный атом превращается в ионизированный атом — положительно заряженный ион, а в результате присоединения одного или нескольких электронов — в отрицательный ион.

Характеристикой атома, обусловливающей его принадлежность к определенному элементу, является заряд ядра. Число протонов в ядре, определяющее заряд ядра, называется атомным номером, который совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Масса атома пропорциональна общему числу протонов и нейтронов в ядре и возрастает с увеличением числа протонов в ядре.

Строение электронных оболочек атома, прежде всего его внешней оболочки, и связанные с этим химические и большинство физических свойств (оптические, электрические, магнитные, механические) определяются в основном электромагнитными взаимодействиями электронов с ядром и электронов друг с другом.

Нуклоны связаны в ядре благодаря ядерным силам, которые значительно превосходят силы электростатического отталкивания между положительно заряженными протонами. Ядерные силы являются проявлением самых интенсивных из всех известных в физике взаимодействий. Для расщепления ядра на составляющие его нуклоны (протоны и нейтроны) требуется преодолеть эти силы, то есть затратить энергию. Соединение нуклонов с образованием ядра, наоборот, сопровождается высвобождением энергии связи ядра. Это — максимальная энергия, которая может выделиться. Энергия связи ядра складывается из энергии притяжения нуклонов друг к другу под воздействием ядерных сил и энергии электростатического отталкивания протонов. Ядерная энергия, высвобождающаяся при ядерных превращениях, может выделяться при слиянии легких ядер (реакция синтеза ядер — используется в ядерной энергетике, термоядерных бомбах) или при расщеплении тяжелых ядер (деление ядер, лежащее в основе взрыва ядерной бомбы).

Так как общий центр масс ядра и электронов располагается вблизи ядра, а само ядро обладает малыми размерами, большой массой и незначительной скоростью перемещения относительно центра масс, то атом можно рассматривать как систему электронов, движущихся вокруг неподвижного притягивающего центра. Полная энергия такой системы равна сумме кинетических энергий всех электронов и потенциальной энергии притяжения их ядром и отталкивания электронов друг от друга. Поскольку атом является квантовой системой, то есть подчиняется квантово-механическим законам, то его основная характеристика — полная внутренняя энергия — квантуется, то есть может принимать дискретный (прерывный) ряд значений, соответствующих устойчивым, стационарным состояниям атома. Промежуточные значения эта энергия принимать не может. Она может изменяться только скачкообразно путем квантового перехода из одного стационарного состояния в другое (иными словами, с одного уровня энергии на другой).

Самый нижний (основной) уровень, отвечающий минимальному значению энергии, соответствует наиболее устойчивому, нормальному состоянию атома, в котором атом, не подверженный внешним воздействиям, может находиться неограниченно долго. Все остальные уровни соответствуют возбужденному состоянию атома, в которых атом обладает большей энергией. В возбужденном состоянии атом может находиться очень кратковременно (~ 10–8 с — для свободного атома). При переходе из возбужденного в основное состояние атом испускает фотон, энергия которого равна разности энергий верхнего и нижнего уровней. При обратном переходе с нижнего уровня на верхний атому должна быть сообщена энергия. Возбудить атомы можно различными способами: тепловым, когда благодаря нагреву усиливается молекулярное движение, и при соударении атомов электроны переходят на более высокие уровни; фотовозбуждением, когда электроны переходят на более высокие уровни за счет поглощения энергии падающих фотонов (флуоресценция, фосфоресценция); электрическим возбуждением, например, в газоразрядных лампах, где электроны и ионы двигаются с высокими скоростями и, соударяясь с атомами, переводят их в возбужденное состояние. Следует отметить, что видимый свет испускают только внешние электроны атома, возбужденные указанными способами.