Строение вещества. 
Строение вещества

Все, что нас окружает, объ единяется термином «материя». Материя несотворима и неуничтожима, вечна и бесконечна. Неотъемлемым атрибутом материи является движение: не только перемещение тел относительно друг друга (меха ническое движение), но и любое измен. свойств, состояний, связей и т. п. материя атомный пространство электронный Всеобщие объективные свойства бытия материи — это пространство и время. Одним из самых универсальных свойств материи является её способность отражаться в нашем сознании.

Современной науке известны следующие типы материальных систем и соответствующие им структурные уровни материи: элементарные частицы, поля, атомы, молекулы, макроскопические тела, геологические системы, плане ты, звезды, внутригалактические системы, галактики, системы галактик. Осо бым типом материальных систем является живое вещество, то есть множество живых организмов.

Ведущей идеей атомно-молекулярного учения, составляющего фундамент современной физики, химии и естествознания, является идея дискретности (прерывности строения) вещества. Вещество не заполняет целиком занимаемое им пространство, оно состоит из отдельных, находящихся на очень малом расстоянии друг от друга частиц, называемых молекулами. Молекула — это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Свойства молекулы определяются е составом и химическим строением.

Каждая молекула, в свою очередь, состоит из атомов. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав молекул простых и сложных веществ. Химические свойства элемента определяются строением его атомов. Число видов молекул исчисляется количеством возможных соединений атомов (порядка миллиона), число атомов равно числу химических элементов (116).

Атомы разных наименований веществ различаются атомной массой. При обычных условиях атомы отдельно существовать не могут. Ввиду их способности соединяться, одноименные атомы образуют молекулы элементов, а разноименные — молекулы соединений. Атомы элементов не меняются в результате химического процесса. Молекулы при любой химической реакции изменяются.

Атом сложен по своему строению. Представления о его строении сильно изменились за последние 100 лет. В конце Х1Х-го века ученые считали, что химические атомы каждого элемента неизменны, атомы — неделимые и наименьшие из существующих частиц, атомы данного элемента одинаковы и взаимный переход атомов одного элемента в атомы другого элемента невозможен.

В конце Х1Х-начале ХХ века были сделаны выдающиеся открытия, разрушившие прежние представления о строении материи.

• 1895 г. — Рентген открыл лучи, названные в его честь, и лично провел первые рентгеновские исследования человеческого тела.
• 1896 г. — в процессе изучения радиоактивности (Беккерель, П. Кюри и М. Складовская-Кюри) открыты особые лучи, при прохождении которых через вещество одни хим. элементы могут превращаться в другие. Открыт электрон.
• 1897 г. — Томсон установил, что электроны — составные части всех атомов; он построил электромагнитную модель атомов: электроны расположены вокруг положительно заряженной сферы.

Открытие рентгеновских лучей, естественной радиоактивности и электрона положили начало развитию атомной и ядерной физики.

1899 г. — Резерфорд предложил планетарную модель атома, согласно которой вокруг массивного ядра вращаются по своим орбитам отрицательно заряженные частицы (электроны).

Бор впоследствии модифицировал эту модель и выдвинул гипотезу, согласно которой электроны вращаются на стационарных орбитах. В противном случае они непрерывно излучали бы энергию и упали бы на ядро; в результате атомы самопроизвольно разрушались бы.

Т.о. было установлено, что атом не является «последним кирпичиком мироздания», и многие ученые устремились на поиск тех частиц, которые уже не содержали бы в себе какие-то другие элементы.

Выяснилось, что радиоактивные лучи состоят из трех составляющих:

альфа-лучи — являются потоком ионизированных (лишенных электронов) атомов гелия, бета-лучи — это поток электронов, гамма-лучи являются жестким (коротковолновым) электромагнитным излучением.

С помощью альфа-частиц в 1911 г. Э. Резерфорд «проникает» внутрь атома и доказывает существование положительно заряженного атомного ядра, в котором сосредоточена практически вся его масса. В 1919 г., облучая альфа-частицами легкие газы, Резерфорд получает ионизированные ядра водорода, которые он назвал протонами, предположив, что протоны являются структурной частью всех более тяжелых ядер.

Согласно современной электронной теории строения вещества, атом любого элемента состоит из электрически положительно заряженного атомного ядра, состоящего из протонов (+заряд) и нейтронов (0заряд), вокруг которого, подобно планетам Солнечной системы, обращаются электроотрицательно заряженные электроны («электронная оболочка»). По сравнению с ядром они почти не имеют массы. Атом в целом является электрически нейтральным, поскольку заряд ядра атома равен заряду электронной оболочки, т. е. число электронов оболочки равно числу протонов ядра атома. Электроны вращаются вокруг ядра атома по определенным энергетически уравновешенным орбитам. Скорость движения электронов настолько велика, что на данном этапе развития науки невозможно увидеть электрон, а только его т.н. «облако», или орбиту. Электроны, входящие в состав атома, располагаются на различном рас стоянии от его ядра, движутся по орбитам разной формы, имеют различные скорости и, главное, различные энергии). Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь отрицательно или положительно заряженными. Химические свойства атомов опре деляются в основном числом электронов во внешней оболочке.

Опыты и расчеты на основе законов квантовой механики показывают, что в каж дом атоме может быть несколько групп элек тронов, различающихся между собой энерги ей и образующих вокруг атомного ядра т.н. электронные оболочки. Их мож, но представлять себе в виде концентрических сфер. Максимальное число элек тронных оболочек в атоме равно семи.

Строение атомов изучают с помощью спектров. Оказывается, атом сам сообщает о себе на языке спектральных линий света, испускаемых или поглощаемых атомом. Такая возможность связана с тем, что основной характеристикой атома является его энергия. Она может принимать лишь определенные дискретные значения, соответственно состояниям атомов, и изменяется толь ко скачкообразно путем квантовых переходов. Поглощая порцию света, атом переходит на более высокий уровень энергии и становится возбужденным. Если электрон перехо дит с какого-то уровня на более глубокий, то он излучает один квант лучистой энергии — фотон.

Уровень, соответствующий минимальной энергии атома, называется основным. Изменения энергетических состояний ато мов, или т. н. квантовые переходы, однозначно обусловлены соот ветственными особенностями спектров поглощения и испускания, которые абсолют, но индивидуальны для всех атомов, имеющих одинаковую структуру.

После открытия электрона, протона, фотона и (в 1932 г.) нейтрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц.

Элементарные частицы — это специфические формы существования материи, которые не объединены в ядра и атомы (их часто называют субъядерными частицами). Каждая античастица, кроме нейтральных, имеет свою античастицу. По современным представлениям, «кирпичиками», из которых складывается материя, являются именно элементарные частицы.

По интенсивности, с которой происходит взаимодействие между элементарными частицами, их делят на 4 вида:

• 1) сильное взаимодействие — самое интенсивное; осуществляет связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах. Радиус действия равен 10^-13см (10^-15м). Состоит в испускании промежуточных частиц, выполняющих функцию передатчика ядерных сил (мезоны).
• 2) электромагнитное взаимодействие — примерно в 100 раз слабее сильного. Осуществляет связь между электронами и ядрами в атоме, между атомами в молекуле. Фотоны выполняют функцию передатчика электромагнитных сил.
• 3) слабое взаимодействие — вызывает медленно протекающие процессы с элементарными частицами (распад т.н. квазичастиц). Интенсивность в 10¹⁰-10¹¹ раз меньше интенсивности ядерных сил. Радиус действия 10^-15см; переносят его векторные безоны. (Некоторые виды ядерных процессов.)
• 4) гравитационное взаимодействие — самое слабое. Вследствие крайней малости частиц дает весьма малые эффекты (силы электрического отталкивания двух электронов в 10⁴² раз больше величины их гравитационного притяжения). При сокращении расстояний гравитационные силы возрастают очень медленно, но на фантастически малых расстояниях (меньше 10^-32см) гравитационные взаимодействия становятся преобладающими. Функции передатчика гравитационных сил выполняют гравитоны. (Взаимное притяжение тел по закону всемирного тяготения.)

В настоящее время существует лишь более-менее конкретная идея о взаимосвязи сильного, слабого и электромагнитного видов взаимодействий, а над объяснением их взаимосвязи с гравитационным взаимодействием физики только работают.

В настоящее время известно более 300 элементарных частиц. Они классифицируются по различным основаниям.

Множество элементарных частиц делится на 2 группы: адроны и лептоны. Фотон не входит ни в одну из этих групп.

Адроны участвуют во всех видах фундаментальных взаимодействий, включая сильные. Делятся на мезоны (сильно взаимодействующие нестабильные частицы) и барионы (греч berys — тяжелый). К числу барионов относят гипероны и нуклоны. Нуклоны — общее название протонов и нейтронов, основных составляющих атомных ядер.

Лептоны (греч. Leptos — легкий) — это частицы, которые участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях, кроме сильного. К их числу относятся электроны, нейтрино.

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

По времени возможного существования в свободном состоянии все элементарные частицы делятся на стабильные и нестабильные. К стабильным относятся: фотоны, нейтрино, электроны, протоны и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от 10³ с (для свободных нейтронов) до 10^-22-10^-24 с (для частиц, называемых резонансами).

К элементарным частицам, из которых состоят окружающие нас объекты, относятся электроны, протоны и нейтроны.

Электроны представляют собой стабильные отрицательно заряженные элементарные частицы с массой около 9^.10^-31 кг каждая. Участвуют в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях и относятся к лептонам. Электроны — один из основных структурных элементов вещества: электронные оболочки определяют оптические, электрические, магнитные, химические свойства атомов и молекул, а также большинство свойств твердых тел.

Протоны — как и электроны, относятся к стабильным элементарным частицам, масса каждого из них превышает массу электрона в 1836 раз. Протон относится к барионам и представляет собой ядро легкого изотопа атома водорода (протия).

Нейтроны — нейтральные элементарные частицы. Масса немного превышает массу протона. Относятся к барионам. В свободном состоянии нестабильны, время жизни около 16 минут. Вместе с протонами образуют атомные ядра, причем, находясь в них, нейтроны стабильны.

Термин элементарные частицы в значительной мере условен, т.к. не существует четкого критерия элементарности частиц. В частности, уже установлено, что адроны имеют сложную внутреннюю структуру и, как предполагают, состоят из т.н. кварков — сильно взаимодействующих частиц, имеющих весьма необычные свойства: они обладают дробными электрическими зарядами, что не характерно какой-либо микрочастице, 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. Впервые гипотеза о существовании кварков появилась в 1963;1964 гг.