Die leichtesten und massereichsten Elementarteilchen. Das kleinste Teilchen im Universum

Zur Frage: Was ist das kleinste Teilchen im Universum? Quark, Neutrino, Higgs-Boson oder Planck-Schwarzes Loch? vom Autor gegeben kaukasisch Die beste Antwort lautet: Alle Grundteilchen haben die Größe Null (der Radius ist Null). Nach Gewicht. Es gibt Teilchen mit einer Masse gleich Null (Photon, Gluon, Graviton). Von den massiven Neutrinos haben Neutrinos die kleinste Masse (weniger als 0,28 eV/s^2, genauer gesagt noch nicht gemessen). Frequenz und Zeit sind keine Eigenschaften von Teilchen. Man kann über die Zeiten des Lebens sprechen, aber das ist ein anderes Gespräch.

Antwort von Stich[Guru]
Mosk Zerobubus.

Antwort von Michail Levin[Guru]
Tatsächlich gibt es im Mikrokosmos praktisch kein Konzept von „Größe“. Nun, für einen Kern kann man immer noch von einer Art Analogon der Größe sprechen, zum Beispiel über die Wahrscheinlichkeit, dass Elektronen aus einem Strahl in ihn gelangen, aber für kleinere – nicht.

Antwort von Christus machen[Guru]
„Größe“ eines Elementarteilchens ist eine Eigenschaft eines Teilchens, die die räumliche Verteilung seiner Masse oder elektrischen Ladung widerspiegelt; Normalerweise reden sie über das sogenannte. quadratischer Mittelradius der elektrischen Ladungsverteilung (der gleichzeitig die Massenverteilung charakterisiert)
Eichbosonen und Leptonen weisen im Rahmen der Genauigkeit der durchgeführten Messungen keine endlichen „Dimensionen“ auf. Das bedeutet, dass ihre „Größen“< 10^-16 см
Im Gegensatz zu echten Elementarteilchen sind die „Größen“ von Hadronen endlich. Ihr charakteristischer quadratischer Mittelwertradius wird durch den Einschlussradius (oder Einschlussradius von Quarks) bestimmt und liegt in der Größenordnung von 10^-13 cm. Darüber hinaus variiert er natürlich von Hadron zu Hadron.

Antwort von Kirill Odding[Guru]
Einer der großen Physiker sagte (vielleicht nicht Niels Bohr?): „Wenn Sie es schaffen, die Quantenmechanik visuell zu erklären, erhalten Sie Ihren Nobelpreis.“

Antwort von SerShkod Polikanov Sergey[Guru]
Was ist das kleinste Elementarteilchen im Universum?
Elementarteilchen erzeugen einen Gravitationseffekt.
Sogar weniger?
Elementarteilchen, die diejenigen in Bewegung setzen, die den Gravitationseffekt erzeugen
aber sie selbst sind daran beteiligt.
Es gibt noch kleinere Elementarteilchen.
Ihre Parameter passen gar nicht in die Berechnungen, da die Strukturen und ihre physikalischen Parameter unbekannt sind.

Antwort von Mischa Nikitin[aktiv]
QUARK

Antwort von Matipati kipirofinovich[aktiv]
PLANCK SCHWARZES LOCH

Antwort von Bro qwerty[Neuling]
Quarks sind die kleinsten Teilchen der Welt. Für das Universum gibt es keine Vorstellung von Größe; es ist grenzenlos. Wenn Sie eine Maschine erfinden, um einen Menschen kleiner zu machen, dann wird es möglich sein, unendlich kleiner, kleiner, kleiner zu schrumpfen ... Ja, Quark ist das kleinste „Teilchen“. Aber es gibt etwas, das kleiner ist als ein Teilchen. Raum. Nicht. Es hat. Größe.

Antwort von Anton Kurochka[aktiv]
Proton Neutron 1*10^-15 1 Femtometer
Quark-U Quark-D Elektron 1*10^-18 1 Attometer
Quark-S 4*10^-19 400 Zeptometer
Quark-C 1*10^-19 100 Zeptometer
Quark-B 3*10^-20 30 Zeptometer
Hochenergetische Neutrinos 1,5*10^-20 15 Zeptometer
Preon 1*10^-21 1 Zeptometer
Quark-T 1*10^-22 100 Yoktometer
MeV Neutrino 2*10^-23 20 Yoktometer
Neutrino 1*10^-24 1 Yoktometer - (soooo kleine Größe!!!) -
Plonk-Partikel 1,6*10^-35 0,000 000 000 016 Yoktometer
Quantenschaum Quantenschnur 1*10^-35 0,000 000 000 01 Yoktometer
Dies ist eine Tabelle mit Partikelgrößen. Und hier sieht man, dass das kleinste Teilchen das Planck-Teilchen ist, aber da es zu klein ist, ist das Neutrino das kleinste Teilchen. Aber für das Universum ist nur die Planck-Länge kleiner

Das kleinste Zuckerteilchen ist ein Zuckermolekül. Ihre Struktur ist so, dass Zucker süß schmeckt. Und die Struktur der Wassermoleküle ist so, dass reines Wasser nicht süß erscheint.

4. Moleküle bestehen aus Atomen

Und ein Wasserstoffmolekül wird das kleinste Teilchen der Substanz Wasserstoff sein. Die kleinsten Atomteilchen sind die Elementarteilchen: Elektronen, Protonen und Neutronen.

Alle bekannte Materie auf der Erde und darüber hinaus besteht aus chemische Elemente. Die Gesamtzahl der natürlich vorkommenden Elemente beträgt 94. Mit normale Temperatur 2 davon befinden sich im flüssigen Zustand, 11 im gasförmigen Zustand und 81 (darunter 72 Metalle) im festen Zustand. Der sogenannte „vierte Zustand der Materie“ ist Plasma, ein Zustand, in dem sich negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen befinden ständige Bewegung. Die Mahlgrenze ist festes Helium, das, wie bereits 1964 festgestellt wurde, ein einatomiges Pulver sein sollte. TCDD oder 2,3,7,8-Tetrachlordibenzo-p-dioxin wurde 1872 entdeckt und ist in einer Konzentration von 3,1 × 10–9 mol/kg tödlich, was 150.000 Mal stärker ist als eine ähnliche Dosis Cyanid.

Materie besteht aus einzelnen Teilchen. Moleküle verschiedene Substanzen sind anders. 2 Sauerstoffatome. Das sind Polymermoleküle.

Genau das Komplexe: das Geheimnis des kleinsten Teilchens im Universum oder wie man ein Neutrino fängt

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eine Theorie, die die Eigenschaften und Wechselwirkungen von Elementarteilchen beschreibt. Alle Quarks haben außerdem eine elektrische Ladung, die ein Vielfaches von 1/3 der Elementarladung beträgt. Ihre Antiteilchen sind Antileptonen (das Antiteilchen eines Elektrons heißt Positron). historische Gründe). Hyperonen wie Λ-, Σ-, Ξ- und Ω-Teilchen enthalten ein oder mehrere S-Quarks, zerfallen schnell und sind schwerer als Nukleonen. Moleküle sind die kleinsten Teilchen einer Substanz, die diese noch enthalten Chemische Eigenschaften.

Welchen finanziellen oder sonstigen Nutzen kann man aus diesem Partikel ziehen? Physiker zucken mit den Schultern. Und sie wissen es wirklich nicht. Es war einmal, dass die Untersuchung von Halbleiterdioden reine Grundlagenphysik ohne praktische Anwendung war.

Das Higgs-Boson ist ein Teilchen, das für die Wissenschaft so wichtig ist, dass es den Spitznamen „Gottesteilchen“ trägt. Wissenschaftler glauben, dass dies allen anderen Teilchen Masse verleiht. Diese Partikel beginnen sich zu zersetzen, sobald sie entstehen. Die Erzeugung eines Teilchens erfordert eine enorme Energiemenge, wie sie beispielsweise beim Urknall entsteht. Was die größere Größe und das größere Gewicht der Superpartner betrifft, glauben Wissenschaftler, dass die Symmetrie in einem verborgenen Bereich des Universums gebrochen wurde, der weder gesehen noch gefunden werden kann. Licht besteht beispielsweise aus Teilchen mit der Masse Null, sogenannten Photonen, die eine elektromagnetische Kraft übertragen. Ebenso sind Gravitonen theoretische Teilchen, die die Schwerkraft tragen. Wissenschaftler versuchen immer noch, Gravitonen zu finden, aber das ist sehr schwierig, da diese Teilchen nur sehr schwach mit Materie interagieren.

Sie erscheinen in verschiedene Formen und Größen, einige kommen in zerstörerischen Duos vor, was bedeutet, dass sie sich am Ende gegenseitig zerstören, und einige haben unglaubliche Namen wie „Neutralino“. Hier ist eine Liste winziger Teilchen, die selbst Physiker in Erstaunen versetzen.

Gott Partikel

Das Higgs-Boson ist ein Teilchen, das für die Wissenschaft so wichtig ist, dass es den Spitznamen „Gottesteilchen“ trägt. Wissenschaftler glauben, dass dies allen anderen Teilchen Masse verleiht. Es wurde erstmals 1964 diskutiert, als sich Physiker fragten, warum manche Teilchen mehr Masse haben als andere. Das Higgs-Boson ist mit dem Higgs-Feld verbunden, einer Art Gitter, das das Universum ausfüllt. Das Feld und das Boson gelten als verantwortlich für die Massezunahme anderer Teilchen. Viele Wissenschaftler glauben, dass der Higgs-Mechanismus die fehlenden Puzzleteile enthält, um ihn vollständig zu verstehen Standardmodell, das alle bekannten Teilchen beschreibt, deren Zusammenhang jedoch noch nicht nachgewiesen ist.

Quarks

Quarks sind Blöcke aus Protonen und Neutronen mit entzückenden Namen, die niemals einzeln sind und immer nur in Gruppen existieren. Offenbar nimmt die Kraft, die Quarks zusammenhält, mit der Entfernung zu, das heißt, je mehr jemand versucht, eines der Quarks von der Gruppe wegzubewegen, desto stärker wird es zurückgezogen. Daher gibt es in der Natur einfach keine freien Quarks. Insgesamt gibt es sechs Arten von Quarks, Protonen und Neutronen bestehen beispielsweise aus mehreren Quarks. In einem Proton gibt es drei davon – zwei vom gleichen Typ und einen vom anderen, aber in einem Neutron sind es nur zwei, beide von unterschiedlichem Typ.

Super Partner

Diese Teilchen gehören zur Theorie der Supersymmetrie, die das für jedes besagt dem Menschen bekannt Teilchen gibt es ein weiteres ähnliches Teilchen, das noch nicht entdeckt wurde. Beispielsweise ist der Superpartner eines Elektrons ein Selectron, der Superpartner eines Quarks ein Squark und der Superpartner eines Photons ein Photino. Warum werden diese Superteilchen derzeit nicht im Universum beobachtet? Wissenschaftler glauben, dass sie viel schwerer sind als ihre Partner und dass ein höheres Gewicht ihre Lebensdauer verkürzt. Diese Partikel beginnen sich zu zersetzen, sobald sie entstehen. Die Erzeugung eines Teilchens erfordert eine enorme Energiemenge, wie sie beispielsweise beim Urknall entsteht. Vielleicht finden Wissenschaftler einen Weg, Superteilchen beispielsweise im Large Hadron Collider zu reproduzieren. Was die größere Größe und das größere Gewicht der Superpartner betrifft, glauben Wissenschaftler, dass die Symmetrie in einem verborgenen Bereich des Universums gebrochen wurde, der weder gesehen noch gefunden werden kann.

Neutrino

Dabei handelt es sich um leichte subatomare Teilchen, die sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Tatsächlich bewegen sich zu jedem Zeitpunkt Billionen von Neutrinos durch Ihren Körper, aber sie interagieren fast nie mit gewöhnlicher Materie. Einige Neutrinos stammen von der Sonne, andere von der kosmischen Strahlung, die mit der Atmosphäre interagiert.

Antimaterie

Alle gewöhnlichen Teilchen haben einen Partner in Antimaterie, identische Teilchen mit entgegengesetzter Ladung. Wenn Materie und Antimaterie aufeinander treffen, zerstören sie sich gegenseitig. Für ein Proton ist ein solches Teilchen ein Antiproton, für ein Elektron jedoch ein Positron.

Gravitonen

In der Quantenmechanik werden alle fundamentalen Kräfte von Teilchen ausgeübt. Licht besteht beispielsweise aus Teilchen mit der Masse Null, sogenannten Photonen, die eine elektromagnetische Kraft übertragen. Ebenso sind Gravitonen theoretische Teilchen, die die Schwerkraft tragen. Wissenschaftler versuchen immer noch, Gravitonen zu finden, aber das ist sehr schwierig, da diese Teilchen nur sehr schwach mit Materie interagieren. Wissenschaftler geben den Versuch jedoch nicht auf, denn sie hoffen, dass es ihnen dennoch gelingt, Gravitonen einzufangen, um sie genauer zu untersuchen – dies könnte ein echter Durchbruch in der Quantenmechanik sein, da viele ähnliche Teilchen bereits untersucht wurden, aber Das Graviton bleibt ausschließlich theoretisch. Wie Sie sehen, kann Physik viel interessanter und spannender sein, als Sie sich vorstellen können. Die ganze Welt ist mit verschiedenen Partikeln gefüllt, von denen jedes ein riesiges Forschungs- und Studienfeld sowie eine riesige Wissensbasis über alles darstellt, was einen Menschen umgibt. Und man muss nur bedenken, wie viele Teilchen bereits entdeckt wurden – und wie viele Menschen noch entdeckt werden müssen.

Doktor der physikalischen und mathematischen Wissenschaften M. KAGANOV.

Nach langer Tradition berichtet die Zeitschrift „Wissenschaft und Leben“ über die neuesten Errungenschaften moderne Wissenschaft, über die neuesten Entdeckungen auf dem Gebiet der Physik, Biologie und Medizin. Aber um zu verstehen, wie wichtig und interessant sie sind, ist es zumindest notwendig allgemeiner Überblick ein Verständnis für die Grundlagen der Wissenschaft haben. Die moderne Physik entwickelt sich rasant, und die Menschen der älteren Generation, die vor 30 bis 40 Jahren in der Schule und am College studiert haben, sind mit vielen ihrer Bestimmungen nicht vertraut: Sie existierten damals einfach nicht. Und unsere jungen Leser hatten noch keine Zeit, sich mit ihnen vertraut zu machen: Populärwissenschaftliche Literatur wird praktisch nicht mehr veröffentlicht. Deshalb haben wir den langjährigen Autor der Zeitschrift M.I. Kaganov gebeten, über Atome und Elementarteilchen und die Gesetze, die sie regieren, darüber zu sprechen, was Materie ist. Moses Isaakovich Kaganov ist theoretischer Physiker, Autor und Co-Autor von mehreren hundert Werken zur Quantentheorie von Festkörpern, zur Metalltheorie und zum Magnetismus. Er war ein leitender Mitarbeiter des nach ihm benannten Instituts für Körperliche Probleme. P. L. Kapitsa und Professor an der Moskauer Staatlichen Universität. M. V. Lomonosov, Mitglied der Redaktion der Zeitschriften „Nature“ und „Quantum“. Autor zahlreicher populärwissenschaftlicher Artikel und Bücher. Lebt jetzt in Boston (USA).

Wissenschaft und Leben // Illustrationen

Der griechische Philosoph Demokrit war der erste, der das Wort „Atom“ verwendete. Nach seiner Lehre sind Atome unteilbar, unzerstörbar und in ständiger Bewegung. Sie sind unendlich vielfältig, haben Vertiefungen und Ausbuchtungen, mit denen sie ineinandergreifen und alle materiellen Körper bilden.

Tabelle 1. Die wichtigsten Eigenschaften von Elektronen, Protonen und Neutronen.

Deuteriumatom.

Als Begründer gilt zu Recht der englische Physiker Ernst Rutherford Kernphysik, die Lehre von der Radioaktivität und die Theorie der Atomstruktur.

Auf dem Foto: die Oberfläche eines Wolframkristalls, 10 Millionenfach vergrößert; Jeder helle Punkt ist sein einzelnes Atom.

Wissenschaft und Leben // Illustrationen

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Bei der Erstellung der Strahlungstheorie kam Max Planck im Jahr 1900 zu dem Schluss, dass Atome erhitzter Materie Licht in Portionen, Quanten, mit einer Wirkungsdimension (J.s) und einer Energie proportional zur Strahlungsfrequenz emittieren sollten: E = hn .

Im Jahr 1923 übertrug Louis de Broglie Einsteins Idee der dualen Natur des Lichts – Welle-Teilchen-Dualität – auf die Materie: Die Bewegung eines Teilchens entspricht der Ausbreitung einer unendlichen Welle.

Beugungsexperimente bestätigten überzeugend die Theorie von de Broglie, die besagte, dass die Bewegung jedes Teilchens von einer Welle begleitet wird, deren Länge und Geschwindigkeit von der Masse und Energie des Teilchens abhängen.

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Ein erfahrener Billardspieler weiß immer, wie die Kugeln nach dem Schlag rollen und treibt sie problemlos in die Tasche. Bei atomaren Teilchen ist es viel schwieriger. Es ist unmöglich, die Flugbahn eines fliegenden Elektrons anzugeben: Es ist nicht nur ein Teilchen, sondern auch eine im Raum unendliche Welle.

Nachts, wenn keine Wolken am Himmel sind, der Mond nicht sichtbar ist und keine Lichter im Weg sind, ist der Himmel voller hell leuchtender Sterne. Es ist nicht notwendig, nach bekannten Sternbildern zu suchen oder erdnahe Planeten zu finden. Schau nur! Versuchen Sie sich einen riesigen Raum vorzustellen, der voller Welten ist und sich über Milliarden Lichtjahre erstreckt. Nur aufgrund der Entfernung erscheinen die Welten als Punkte, und viele von ihnen sind so weit entfernt, dass sie einzeln nicht unterscheidbar sind und zu Nebeln verschmelzen. Es scheint, dass wir uns im Zentrum des Universums befinden. Jetzt wissen wir, dass das nicht stimmt. Die Ablehnung des Geozentrismus ist ein großes Verdienst der Wissenschaft. Es hat viel Mühe gekostet, zu erkennen, dass sich die kleine Erde in einem zufälligen, scheinbar nicht markierten Bereich des riesigen (im wahrsten Sinne des Wortes!) Weltraums bewegt.

Aber das Leben entstand auf der Erde. Es entwickelte sich so erfolgreich, dass es einen Menschen hervorbringen konnte, der in der Lage war, die Welt um ihn herum zu begreifen und nach den Gesetzen der Natur zu suchen und diese zu finden. Die Errungenschaften der Menschheit beim Verständnis der Naturgesetze sind so beeindruckend, dass man unwillkürlich stolz darauf ist, zu dieser Prise Intelligenz zu gehören, die am Rande einer gewöhnlichen Galaxie verloren geht.

Angesichts der Vielfalt von allem, was uns umgibt, ist die Existenz allgemeiner Gesetze erstaunlich. Nicht weniger erstaunlich ist das Alles besteht aus nur drei Arten von Teilchen – Elektronen, Protonen und Neutronen.

Um mithilfe der Grundgesetze der Natur Observable abzuleiten und neue Eigenschaften verschiedener komplexer Substanzen und Objekte vorherzusagen mathematische Theorien, die gar nicht so leicht zu verstehen sind. Aber die Konturen des wissenschaftlichen Weltbildes können ohne Rückgriff auf strenge Theorie erfasst werden. Dazu braucht es natürlich Lust. Aber nicht nur das: Auch das erste Kennenlernen erfordert einige Arbeit. Wir müssen versuchen, neue Fakten zu verstehen, unbekannte Phänomene, die auf den ersten Blick nicht mit der bestehenden Erfahrung übereinstimmen.

Die Errungenschaften der Wissenschaft führen oft zu der Vorstellung, dass ihr „nichts heilig“ sei: Was gestern wahr war, wird heute verworfen. Mit Wissen geht ein Verständnis dafür einher, wie ehrfurchtsvoll die Wissenschaft mit jedem Körnchen angesammelter Erfahrung umgeht, mit welcher Vorsicht sie voranschreitet, insbesondere in Fällen, in denen es notwendig ist, tief verwurzelte Ideen aufzugeben.

Der Zweck dieser Geschichte besteht darin, die grundlegenden Merkmale der Struktur anorganischer Substanzen vorzustellen. Trotz der unendlichen Vielfalt ist ihr Aufbau relativ einfach. Vor allem, wenn man sie mit jedem, selbst dem einfachsten lebenden Organismus, vergleicht. Aber es gibt auch eine Gemeinsamkeit: Alle lebenden Organismen sind wie anorganische Stoffe aus Elektronen, Protonen und Neutronen aufgebaut.

Es ist unmöglich, die Unermesslichkeit zu erfassen: Um den Aufbau lebender Organismen zumindest allgemein vorzustellen, bedarf es einer besonderen Geschichte.

Die Vielfalt der Dinge, Gegenstände – alles, was wir nutzen, was uns umgibt, ist immens. Nicht nur durch ihren Zweck und ihr Design, sondern auch durch die Materialien, aus denen sie hergestellt wurden – Stoffe, wie man sagt, wenn ihre Funktion nicht betont werden muss.

Stoffe und Materialien wirken solide und der Tastsinn bestätigt, was die Augen sehen. Es scheint, dass es keine Ausnahmen gibt. Fließendes Wasser und festes Metall, die sich so sehr unterscheiden, sind sich in einem Punkt ähnlich: Sowohl Metall als auch Wasser sind fest. Zwar können Sie Salz oder Zucker in Wasser auflösen. Sie finden einen Platz für sich im Wasser. Ja, und zwar in einem festen Körper, zum Beispiel in Holzbrett, du kannst einen Nagel einschlagen. Mit erheblichem Aufwand können Sie erreichen, dass der Platz, den der Baum einnahm, durch einen Eisennagel eingenommen wird.

Wir wissen genau: Von einem festen Körper kann man ein kleines Stück abbrechen, man kann fast jedes Material schleifen. Manchmal ist es schwierig, manchmal passiert es spontan, ohne unser Zutun. Stellen wir uns vor, wir wären am Strand, im Sand. Wir verstehen: Ein Sandkorn ist bei weitem nicht das kleinste Teilchen der Substanz, aus der Sand besteht. Wenn Sie es versuchen, können Sie die Sandkörner beispielsweise zerkleinern, indem Sie sie durch Walzen leiten – durch zwei Zylinder aus sehr hartem Metall. Zwischen den Walzen wird das Sandkorn in kleinere Stücke zerkleinert. Im Wesentlichen wird auf diese Weise in Mühlen aus Getreide Mehl hergestellt.

Nachdem das Atom nun fest in unserer Wahrnehmung der Welt verankert ist, ist es sehr schwer vorstellbar, dass die Menschen nicht wussten, ob der Zerkleinerungsprozess begrenzt ist oder die Substanz auf unbestimmte Zeit zerkleinert werden kann.

Es ist nicht bekannt, wann sich Menschen diese Frage zum ersten Mal stellten. Es wurde erstmals in den Schriften antiker griechischer Philosophen erwähnt. Einige von ihnen glaubten, dass eine Substanz, egal wie klein sie ist, in noch kleinere Teile zerlegt werden kann – es gibt keine Grenze. Andere äußerten die Idee, dass es winzige unteilbare Teilchen gibt, aus denen alles besteht. Um zu betonen, dass diese Teilchen die Grenze der Fragmentierung darstellen, nannten sie sie Atome (im Altgriechischen bedeutet das Wort „Atom“ unteilbar).

Es ist notwendig, diejenigen zu benennen, die als erste die Idee der Existenz von Atomen vertreten haben. Das ist Demokrit (geboren um 460 oder 470 v. Chr.) neue Ära, starb in sehr hohem Alter) und Epikur (341-270 v. Chr.). Die Atomwissenschaft ist also fast 2500 Jahre alt. Das Konzept der Atome wurde nicht sofort von allen akzeptiert. Noch vor etwa 150 Jahren gab es selbst unter Wissenschaftlern nur wenige Menschen, die von der Existenz von Atomen überzeugt waren.

Tatsache ist, dass Atome sehr klein sind. Sie sind nicht nur mit bloßem Auge, sondern beispielsweise auch mit einem Mikroskop mit 1000-facher Vergrößerung nicht zu erkennen. Denken wir einmal darüber nach: Wie groß sind die kleinsten Partikel, die man sehen kann? U unterschiedliche Leute unterschiedliches Sehvermögen, aber wahrscheinlich sind sich alle einig, dass es unmöglich ist, ein Teilchen zu sehen, das kleiner als 0,1 Millimeter ist. Wenn Sie also ein Mikroskop verwenden, können Sie, wenn auch mit Schwierigkeiten, Partikel mit einer Größe von etwa 0,0001 Millimetern oder 10 -7 Metern erkennen. Indem wir die Größe der Atome und die interatomaren Abstände (10–10 Meter) mit der Länge vergleichen, die wir als Grenze der Sehfähigkeit akzeptierten, werden wir verstehen, warum uns jede Substanz fest erscheint.

2500 Jahre sind eine riesige Zeit. Egal was auf der Welt passierte, es gab immer Menschen, die versuchten, die Frage zu beantworten, wie die Welt um sie herum funktioniert. Manchmal waren die Probleme der Struktur der Welt ein größeres, manchmal weniger besorgniserregendes Problem. Die Geburt der Wissenschaft in ihrem modernes Verständnis geschah vor relativ kurzer Zeit. Wissenschaftler haben gelernt, Experimente durchzuführen – der Natur Fragen zu stellen und ihre Antworten zu verstehen, Theorien zu entwickeln, die die Ergebnisse von Experimenten beschreiben. Die Theorien erforderten strenge mathematische Methoden, um zuverlässige Schlussfolgerungen zu ziehen. Die Wissenschaft hat einen langen Weg zurückgelegt. Auf diesem Weg, der für die Physik vor etwa 400 Jahren mit der Arbeit begann Galileo Galilei(1564-1642) wurden unendlich viele Informationen über den Aufbau der Materie und die Eigenschaften von Körpern unterschiedlicher Natur gewonnen, unendlich viele verschiedene Phänomene entdeckt und verstanden.

Die Menschheit hat gelernt, die Natur nicht nur passiv zu verstehen, sondern sie auch für ihre eigenen Zwecke zu nutzen.

Wir werden die Geschichte der Entwicklung atomarer Konzepte über 2500 Jahre und die Geschichte der Physik über die letzten 400 Jahre nicht berücksichtigen. Unsere Aufgabe ist es, so kurz und klar wie möglich zu erzählen, was und wie alles aufgebaut ist – die Objekte um uns herum, Körper und wir selbst.

Wie bereits erwähnt besteht alle Materie aus Elektronen, Protonen und Neutronen. Ich weiß davon Schuljahre, aber es überrascht mich immer wieder, dass alles aus nur drei Arten von Partikeln besteht! Aber die Welt ist so vielfältig! Darüber hinaus sind auch die Mittel, mit denen die Natur baut, recht eintönig.

Eine zusammenhängende Beschreibung, wie Stoffe aufgebaut sind verschiedene Typen, ist eine komplexe Wissenschaft. Sie verwendet ernsthafte Mathematik. Es muss betont werden, dass es keine andere, einfache Theorie gibt. Aber physikalische Prinzipien, die dem Verständnis der Struktur und Eigenschaften von Stoffen zugrunde liegen, sind zwar nicht trivial und schwer vorstellbar, aber dennoch verständlich. Mit unserer Geschichte werden wir versuchen, allen zu helfen, die sich für die Struktur der Welt, in der wir leben, interessieren.

Es scheint, dass das am meisten ist natürliche Weise verstehen, wie ein bestimmtes komplexes Gerät (Spielzeug oder Mechanismus) funktioniert – es zerlegen, in seine Einzelteile zerlegen. Sie müssen nur sehr vorsichtig sein und bedenken, dass das Falten viel schwieriger sein wird. „Zerbrechen heißt nicht aufbauen“, heißt es im Volksmund. Und noch etwas: Wir verstehen vielleicht, woraus das Gerät besteht, aber wir werden wahrscheinlich nicht verstehen, wie es funktioniert. Manchmal muss man eine Schraube lösen, und schon funktioniert das Gerät nicht mehr. Es ist nicht so sehr notwendig, es zu zerlegen, sondern vielmehr zu verstehen.

Da es sich nicht um die tatsächliche Zersetzung aller Objekte, Dinge, Organismen um uns herum handelt, sondern um das Imaginäre, also um das Geistige, und nicht um reale Erfahrungen, müssen Sie sich keine Sorgen machen: Sie tun es nicht sammeln müssen. Lassen Sie uns außerdem nicht mit unseren Anstrengungen sparen. Denken wir nicht darüber nach, ob es schwierig oder einfach ist, das Gerät in seine Einzelteile zu zerlegen. Augenblick. Woher wissen wir, dass wir das Limit erreicht haben? Vielleicht können wir mit mehr Aufwand weiterkommen? Gestehen wir uns ein: Wir wissen nicht, ob wir die Grenze erreicht haben. Wir müssen uns auf die allgemein anerkannte Meinung berufen und sind uns darüber im Klaren, dass dies kein sehr verlässliches Argument ist. Wenn Sie jedoch bedenken, dass dies nur eine allgemein akzeptierte Meinung und nicht die endgültige Wahrheit ist, ist die Gefahr gering.

Es ist mittlerweile allgemein anerkannt, dass die Teile, aus denen alles aufgebaut ist, Elementarteilchen sind. Und das ist noch nicht alles. Wenn wir uns das entsprechende Nachschlagewerk ansehen, werden wir überzeugt sein: Es gibt mehr als dreihundert Elementarteilchen. Die Fülle an Elementarteilchen ließ uns über die Möglichkeit der Existenz von Subelementarteilchen nachdenken – Teilchen, aus denen die Elementarteilchen selbst bestehen. So entstand die Idee der Quarks. Sie haben die erstaunliche Eigenschaft, dass sie in einem freien Staat offenbar nicht existieren. Es gibt ziemlich viele Quarks – sechs, und jedes hat sein eigenes Antiteilchen. Vielleicht ist die Reise in die Tiefen der Materie noch nicht zu Ende.

Für unsere Geschichte ist die Häufigkeit der Elementarteilchen und die Existenz subelementarer Teilchen unwichtig. Elektronen, Protonen und Neutronen sind direkt am Aufbau von Stoffen beteiligt – alles entsteht nur aus ihnen.

Bevor wir die Eigenschaften realer Teilchen besprechen, wollen wir darüber nachdenken, welche Teile wir gerne sehen würden, aus denen alles aufgebaut ist. Wenn es darum geht, was wir sehen möchten, müssen wir natürlich die Vielfalt der Ansichten berücksichtigen. Wählen wir einige Funktionen aus, die obligatorisch erscheinen.

Erstens müssen Elementarteilchen die Fähigkeit besitzen, sich zu verschiedenen Strukturen zu verbinden.

Zweitens würde ich gerne glauben, dass Elementarteilchen unzerstörbar sind. Wissen, welches lange Geschichte Da es eine Welt gibt, kann man sich kaum vorstellen, dass die Teilchen, aus denen es besteht, sterblich sind.

Drittens möchte ich, dass es nicht zu viele Details gibt. Wenn wir Bausteine ​​betrachten, sehen wir, wie viele verschiedene Strukturen aus denselben Elementen erstellt werden können.

Wenn wir uns mit Elektronen, Protonen und Neutronen vertraut machen, werden wir feststellen, dass ihre Eigenschaften unseren Wünschen nicht widersprechen, und der Wunsch nach Einfachheit entspricht zweifellos der Tatsache, dass an der Struktur aller Stoffe nur drei Arten von Elementarteilchen beteiligt sind.

Stellen wir Ihnen die wichtigsten Eigenschaften von Elektronen, Protonen und Neutronen vor. Sie sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Die Größe der Ladung wird in Coulomb angegeben, die Masse in Kilogramm (SI-Einheiten); Die Wörter „Spin“ und „Statistik“ werden im Folgenden erklärt.

Achten wir auf den Unterschied in der Masse der Teilchen: Protonen und Neutronen sind fast 2000-mal schwerer als Elektronen. Folglich wird die Masse eines jeden Körpers fast ausschließlich durch die Masse der Protonen und Neutronen bestimmt.

Das Neutron ist, wie der Name schon sagt, neutral – seine Ladung ist Null. Und ein Proton und ein Elektron haben Ladungen gleicher Größe, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen. Ein Elektron ist negativ geladen und ein Proton ist positiv geladen.

Unter den Eigenschaften von Partikeln scheint es keine zu geben wichtiges Merkmal- ihre Größe. Um die Struktur von Atomen und Molekülen zu beschreiben, können Elektronen, Protonen und Neutronen als materielle Punkte betrachtet werden. Sie müssen sich bei der Beschreibung nur die Größen von Proton und Neutron merken Atomkerne. Selbst im Vergleich zur Größe von Atomen sind Protonen und Neutronen ungeheuer klein (in der Größenordnung von 10 bis 16 Metern).

Im Wesentlichen geht es in diesem kurzen Abschnitt darum, Elektronen, Protonen und Neutronen als Bausteine ​​aller Körper in der Natur vorzustellen. Wir könnten uns einfach auf Tabelle 1 beschränken, aber wir müssen verstehen, wie Elektronen, Protonen und Neutronen funktionieren Welche Konstruktionen durchgeführt werden, was dazu führt, dass sich Partikel zu komplexeren Strukturen verbinden und was diese Strukturen sind.

Es gibt viele Atome. Es erwies sich als notwendig und möglich, sie auf besondere Weise anzuordnen. Die Ordnung ermöglicht es, die Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Atomen hervorzuheben. Die vernünftige Anordnung der Atome ist das Verdienst von D. I. Mendeleev (1834-1907), der das nach ihm benannte Periodengesetz formulierte. Wenn wir die Existenz von Perioden vorübergehend außer Acht lassen, ist das Prinzip der Anordnung der Elemente äußerst einfach: Sie werden nacheinander entsprechend dem Gewicht der Atome angeordnet. Das leichteste ist das Wasserstoffatom. Das letzte natürliche (nicht künstlich erzeugte) Atom ist das Uranatom, das mehr als 200-mal schwerer ist.

Das Verständnis der Struktur von Atomen erklärte das Vorhandensein von Periodizität in den Eigenschaften von Elementen.

Gleich zu Beginn des 20. Jahrhunderts zeigte E. Rutherford (1871-1937) überzeugend, dass fast die gesamte Masse eines Atoms in seinem Kern konzentriert ist – einem kleinen (selbst im Vergleich zu einem Atom) Raumbereich: dem Radius des Kern ist ungefähr 100.000 Mal kleinere Größe Atom. Als Rutherford seine Experimente durchführte, war das Neutron noch nicht entdeckt. Mit der Entdeckung des Neutrons wurde erkannt, dass Kerne aus Protonen und Neutronen bestehen, und es ist natürlich, sich ein Atom als einen Kern vorzustellen, der von Elektronen umgeben ist, deren Anzahl gleich der Anzahl der Protonen im Kern ist – danach Alles in allem ist das Atom als Ganzes neutral. Protonen und Neutronen sind ähnlich Baumaterial Kernel, erhalten gemeinsamen Namen- Nukleonen (aus dem Lateinischen Kern - Kern). Dies ist der Name, den wir verwenden werden.

Die Anzahl der Nukleonen in einem Kern wird üblicherweise mit dem Buchstaben angegeben A. Es ist klar, dass A = N + Z, Wo N ist die Anzahl der Neutronen im Kern und Z- Anzahl der Protonen, gleich der Zahl Elektronen in einem Atom. Nummer A heißt Atommasse und Z- Ordnungszahl. Atome mit den gleichen Ordnungszahlen werden Isotope genannt: Im Periodensystem befinden sie sich in derselben Zelle (auf Griechisch). Isos - gleich , Topos - Ort). Tatsache ist, dass die chemischen Eigenschaften von Isotopen nahezu identisch sind. Wenn Sie das Periodensystem genau betrachten, können Sie davon überzeugt sein, dass die Anordnung der Elemente streng genommen nicht übereinstimmt Atommasse, A Ordnungszahl. Wenn es etwa 100 Elemente gibt, dann gibt es mehr als 2000 Isotope. Viele von ihnen sind zwar instabil, also radioaktiv (aus dem Lateinischen). Radio- Ich strahle, Aktivus- aktiv), zerfallen sie und geben dabei verschiedene Strahlungen ab.

Rutherfords Experimente führten nicht nur zur Entdeckung von Atomkernen, sondern zeigten auch, dass im Atom die gleichen elektrostatischen Kräfte wirken, die gleich geladene Körper voneinander abstoßen und unterschiedlich geladene Körper anziehen (z. B. Elektroskopkugeln).

Das Atom ist stabil. Folglich bewegen sich die Elektronen in einem Atom um den Kern: Die Zentrifugalkraft kompensiert die Anziehungskraft. Dieses Verständnis führte zur Schaffung eines Planetenmodells des Atoms, in dem der Kern die Sonne und die Elektronen die Planeten sind (aus der Sicht der klassischen Physik ist das Planetenmodell inkonsistent, aber mehr dazu weiter unten).

Essen ganze Zeile Möglichkeiten, die Größe eines Atoms abzuschätzen. Unterschiedliche Schätzungen führen zu ähnlichen Ergebnissen: Die Größen der Atome sind natürlich unterschiedlich, entsprechen aber ungefähr mehreren Zehntel Nanometern (1 nm = 10 -9 m).

Betrachten wir zunächst das Elektronensystem eines Atoms.

IN Sonnensystem Planeten werden durch die Schwerkraft von der Sonne angezogen. In einem Atom wirkt eine elektrostatische Kraft. Es wird oft als Coulomb bezeichnet, zu Ehren von Charles Augustin Coulomb (1736–1806), der feststellte, dass die Wechselwirkungskraft zwischen zwei Ladungen umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist. Die Tatsache, dass zwei Gebühren Q 1 und Q 2 anziehen oder abstoßen mit einer Kraft gleich F C = Q 1 Q 2 /R 2 , Wo R- Der Abstand zwischen den Ladungen wird als „Coulombsches Gesetz“ bezeichnet. Index " MIT" der Gewalt zugeordnet F durch den ersten Buchstaben von Coulombs Nachnamen (auf Französisch). Coulomb). Unter den unterschiedlichsten Aussagen gibt es nur wenige, die so zu Recht als Gesetz bezeichnet werden wie das Coulombsche Gesetz: Schließlich ist der Umfang seiner Anwendbarkeit praktisch unbegrenzt. Geladene Körper, unabhängig von ihrer Größe, sowie atomare und sogar subatomare geladene Teilchen – sie alle ziehen sich gemäß dem Coulombschen Gesetz an oder stoßen sich ab.

Mit der Schwerkraft wird der Mensch vertraut frühe Kindheit. Durch den Fall lernt er, die Schwerkraft der Erde zu respektieren. Die Bekanntschaft mit beschleunigter Bewegung beginnt normalerweise mit der Untersuchung des freien Falls von Körpern – der Bewegung eines Körpers unter dem Einfluss der Schwerkraft.

Zwischen zwei Massenkörpern M 1 und M 2 Kraftakte F N=- GM 1 M 2 /R 2 . Hier R- Abstand zwischen Körpern, G- Gravitationskonstante gleich 6,67259,10 -11 m 3 kg -1 s -2 , der Index „N“ wird zu Ehren von Newton (1643 – 1727) vergeben. Dieser Ausdruck wird Gesetz genannt universelle Schwerkraft, was seinen universellen Charakter betont. Gewalt F N bestimmt die Bewegung von Galaxien, Himmelskörpern und den Fall von Objekten auf die Erde. Das Gesetz der universellen Gravitation gilt in jedem Abstand zwischen Körpern. Veränderungen im Bild der Schwerkraft herbeigeführt durch allgemeine Theorie Relativitätstheorie von Einstein (1879-1955) werden wir nicht erwähnen.

Sowohl die elektrostatische Coulomb-Kraft als auch die Newtonsche Kraft der universellen Gravitation sind gleich (da 1/ R 2) mit zunehmendem Abstand zwischen den Körpern abnehmen. Dadurch können Sie die Wirkung beider Kräfte in jedem Abstand zwischen den Körpern vergleichen. Vergleicht man die Kraft der Coulomb-Abstoßung zweier Protonen betragsmäßig mit der Kraft ihrer Gravitationsanziehung, so stellt sich Folgendes heraus F N/ F C= 10 -36 (Q 1 =Q 2 = e P ; M 1 = =M 2 =M P). Daher spielt die Schwerkraft für die Struktur des Atoms keine wesentliche Rolle: Sie ist im Vergleich zur elektrostatischen Kraft zu klein.

Elektrische Ladungen zu erkennen und die Wechselwirkungen zwischen ihnen zu messen, ist nicht schwierig. Wenn die elektrische Kraft so groß ist, warum ist sie dann nicht wichtig, wenn man beispielsweise fällt, springt oder einen Ball wirft? Denn in den meisten Fällen haben wir es mit neutralen (ungeladenen) Körpern zu tun. Im Weltraum gibt es immer viele geladene Teilchen (Elektronen, Ionen). anderes Zeichen). Unter dem Einfluss einer enormen (auf atomarer Skala) anziehenden elektrischen Kraft, die von einem geladenen Körper erzeugt wird, strömen geladene Teilchen zu ihrer Quelle, bleiben am Körper haften und neutralisieren seine Ladung.

Es ist sehr schwierig, über atomare und noch kleinere, subatomare Teilchen zu sprechen, vor allem weil ihre Eigenschaften in unseren keine Entsprechungen haben Alltagsleben Nein. Man könnte meinen, dass es zweckmäßig wäre, sich die Teilchen, aus denen solch kleine Atome bestehen, als materielle Punkte vorzustellen. Aber es stellte sich heraus, dass alles viel komplizierter war.

Ein Teilchen und eine Welle... Es scheint, dass es keinen Sinn macht, überhaupt zu vergleichen, sie sind so unterschiedlich.

Wenn Sie an eine Welle denken, stellen Sie sich wahrscheinlich zuerst eine kräuselnde Meeresoberfläche vor. Wellen kommen vom offenen Meer ans Ufer; die Wellenlängen – die Abstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenkämmen – können unterschiedlich sein. Es ist leicht, Wellen mit einer Länge von mehreren Metern zu beobachten. Bei Wellen vibriert die Wassermasse offensichtlich. Die Welle deckt ein beträchtliches Gebiet ab.

Die Welle ist zeitlich und räumlich periodisch. Wellenlänge ( λ ) ist ein Maß für die räumliche Periodizität. Die zeitliche Periodizität der Wellenbewegung ist an der Häufigkeit der Ankunft der Wellenberge am Ufer erkennbar und lässt sich beispielsweise an der Auf- und Abbewegung eines Schwimmkörpers erkennen. Bezeichnen wir die Periode der Wellenbewegung – die Zeit, in der eine Welle vergeht – mit dem Buchstaben T. Der Kehrwert der Periode heißt Frequenz ν = 1/T. Die einfachsten Wellen (harmonische) haben eine bestimmte Frequenz, die sich im Laufe der Zeit nicht ändert. Jede komplexe Wellenbewegung kann als eine Reihe einfacher Wellen dargestellt werden (siehe „Wissenschaft und Leben“ Nr. 11, 2001). Streng genommen nimmt eine einfache Welle unendlich viel Raum ein und existiert unendlich lange. Ein Teilchen, wie wir es uns vorstellen, und eine Welle sind völlig unterschiedlich.

Seit Newton gibt es eine Debatte über die Natur des Lichts. Was Licht ist, ist eine Ansammlung von Teilchen (Korpuskeln, aus dem Lateinischen). Korpuskulum- kleiner Körper) oder Wellen? Die Theorien konkurrierten lange Zeit miteinander. Die Wellentheorie gewann: Die Korpuskulartheorie konnte die experimentellen Fakten (Interferenz und Beugung des Lichts) nicht erklären. Die Wellentheorie kam mit der geradlinigen Ausbreitung eines Lichtstrahls problemlos zurecht. Eine wichtige Rolle spielte dabei die Tatsache, dass die Länge von Lichtwellen nach alltäglichen Vorstellungen sehr klein ist: der Wellenlängenbereich sichtbares Licht von 380 bis 760 Nanometer. Kürzer Elektromagnetische Wellen- Ultraviolett, Röntgen- und Gammastrahlen sowie längere Strahlen - Infrarot, Millimeter, Zentimeter und alle anderen Radiowellen.

ZU Ende des 19. Jahrhunderts Jahrhundert schien der Sieg der Wellentheorie des Lichts über die Korpuskulartheorie endgültig und unwiderruflich. Das 20. Jahrhundert brachte jedoch gravierende Veränderungen mit sich. Es schien wie Licht oder Wellen oder Partikel. Es stellte sich heraus – sowohl Wellen als auch Partikel. Für Lichtteilchen, für ihre Quanten, wie man so sagt, wurde ein spezielles Wort geprägt – „Photon“. Das Wort „Quantum“ kommt vom lateinischen Wort Quantum- wie viele und „Photon“ - vom griechischen Wort Fotos - Licht. Wörter, die die Namen von Teilchen bezeichnen, haben in den meisten Fällen die Endung Er. Überraschenderweise verhält sich Licht in manchen Experimenten wie Wellen, während es sich in anderen wie ein Teilchenstrom verhält. Nach und nach gelang es, eine Theorie zu entwickeln, die vorhersagte, wie sich Licht in welchem ​​Experiment verhalten würde. Heutzutage wird diese Theorie von allen akzeptiert, das unterschiedliche Verhalten des Lichts ist nicht mehr überraschend.

Die ersten Schritte sind immer besonders schwierig. Ich musste gegen die etablierte Meinung in der Wissenschaft verstoßen und Aussagen machen, die wie Ketzerei wirkten. Echte Wissenschaftler glauben wirklich an die Theorie, mit der sie die von ihnen beobachteten Phänomene beschreiben. Es ist sehr schwierig, eine akzeptierte Theorie aufzugeben. Die ersten Schritte wurden von Max Planck (1858–1947) und Albert Einstein (1879–1955) unternommen.

Nach Planck-Einstein wird Licht in getrennten Portionen, Quanten, emittiert und von der Materie absorbiert. Die von einem Photon getragene Energie ist proportional zu seiner Frequenz: E = Hν. Proportionalitätsfaktor H nannte Plancksche Konstante zu Ehren des deutschen Physikers, der sie 1900 in die Strahlungstheorie einführte. Und schon im ersten Drittel des 20. Jahrhunderts wurde das deutlich Plancksche Konstante- eine der wichtigsten globalen Konstanten. Natürlich wurde sorgfältig nachgemessen: H= 6.6260755.10 -34 J.s.

Ist ein Lichtquant viel oder wenig? Die Frequenz des sichtbaren Lichts beträgt etwa 10 14 s -1 . Zur Erinnerung: Frequenz und Wellenlänge des Lichts hängen durch die Beziehung ν = zusammen C/λ, wo Mit= 299792458,10 10 m/s (genau) – die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Quantenenergie Hν beträgt, wie leicht zu erkennen ist, etwa 10 -18 J. Aufgrund dieser Energie kann eine Masse von 10 -13 Gramm auf eine Höhe von 1 Zentimeter gehoben werden. Im menschlichen Maßstab ist es ungeheuer klein. Aber das ist eine Masse von 10 14 Elektronen. Im Mikrokosmos ist der Maßstab völlig anders! Natürlich kann ein Mensch eine Masse von 10-13 Gramm nicht spüren, aber das menschliche Auge ist so empfindlich, dass es einzelne Lichtquanten sehen kann – dies wurde durch eine Reihe subtiler Experimente bestätigt. IN normale Bedingungen Eine Person unterscheidet das „Korn“ des Lichts nicht und nimmt es als kontinuierlichen Strom wahr.

Wenn man weiß, dass Licht sowohl eine korpuskuläre als auch eine Wellennatur hat, kann man sich leichter vorstellen, dass „echte“ Teilchen auch Welleneigenschaften haben. Dieser ketzerische Gedanke wurde erstmals von Louis de Broglie (1892-1987) geäußert. Er versuchte nicht herauszufinden, was die Natur der Welle war, deren Eigenschaften er vorhersagte. Nach seiner Theorie ein Teilchen mit Masse M, mit hoher Geschwindigkeit fliegen v, entspricht einer Welle mit der Wellenlänge l = hmv und Häufigkeit ν = E/H, Wo E = mv 2/2 - Teilchenenergie.

Die Weiterentwicklung der Atomphysik führte zu einem Verständnis der Natur der Wellen, die die Bewegung atomarer und subatomarer Teilchen beschreiben. Es entstand eine Wissenschaft namens „Quantenmechanik“ (in den Anfangsjahren wurde sie häufiger als Wellenmechanik bezeichnet).

Die Quantenmechanik bezieht sich auf die Bewegung mikroskopischer Teilchen. Bei der Betrachtung der Bewegung gewöhnlicher Körper (z. B. aller Teile von Mechanismen) macht es keinen Sinn, Quantenkorrekturen (Korrekturen aufgrund der Welleneigenschaften der Materie) zu berücksichtigen.

Eine der Erscheinungsformen der Wellenbewegung von Teilchen ist das Fehlen einer Flugbahn. Damit eine Flugbahn existiert, ist es notwendig, dass das Teilchen zu jedem Zeitpunkt eine bestimmte Koordinate und eine bestimmte Geschwindigkeit hat. Doch genau das verbietet die Quantenmechanik: Ein Teilchen kann nicht gleichzeitig einen bestimmten Koordinatenwert haben X, und ein bestimmter Geschwindigkeitswert v. Ihre Unsicherheiten Dx Und Dv verbunden durch die von Werner Heisenberg (1901-1974) entdeckte Unschärferelation: D X D v ~ h/m, Wo M ist die Masse des Teilchens und H- Plancksche Konstante. Das Plancksche Wirkungsquantum wird oft als das universelle Quantum der „Wirkung“ bezeichnet. Ohne Angabe des Begriffs Aktion, achten Sie auf den Beinamen Universal-. Er betont, dass die Unschärferelation immer gültig ist. Wenn man die Bewegungsbedingungen und die Masse des Teilchens kennt, kann man abschätzen, wann es notwendig ist, die Quantengesetze der Bewegung zu berücksichtigen (mit anderen Worten, wann die Welleneigenschaften von Teilchen und ihre Konsequenz – die Unschärferelationen) nicht vernachlässigt werden können , und wenn es durchaus möglich ist, die klassischen Bewegungsgesetze zu verwenden. Wir betonen: Wenn es möglich ist, dann ist es notwendig, denn die klassische Mechanik ist deutlich einfacher als die Quantenmechanik.

Bitte beachten Sie, dass das Plancksche Wirkungsquantum durch die Masse dividiert wird (sie sind in Kombinationen enthalten). Hm). Je größer die Masse, desto geringer ist die Rolle der Quantengesetze.

Um zu spüren, wann es durchaus möglich ist, Quanteneigenschaften zu vernachlässigen, werden wir versuchen, die Unsicherheiten D abzuschätzen X und D v. Wenn D X und D v im Vergleich zu ihren durchschnittlichen (klassischen) Werten vernachlässigbar sind, beschreiben die Formeln der klassischen Mechanik die Bewegung perfekt; wenn sie nicht klein sind, muss auf die Quantenmechanik zurückgegriffen werden. Es macht keinen Sinn, die Quantenunsicherheit zu berücksichtigen, selbst wenn andere Gründe (im Rahmen der klassischen Mechanik) zu einer größeren Unsicherheit führen als die Heisenberg-Beziehung.

Schauen wir uns ein Beispiel an. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass wir die Möglichkeit der Anwendung der klassischen Mechanik aufzeigen möchten, betrachten wir ein „Teilchen“ mit einer Masse von 1 Gramm und einer Größe von 0,1 Millimetern. Im menschlichen Maßstab ist dies ein Korn, ein leichtes, kleines Teilchen. Aber es ist 10 24-mal schwerer als ein Proton und eine Million Mal größer als ein Atom!

Lassen Sie „unser“ Getreide in einem mit Wasserstoff gefüllten Gefäß wandern. Wenn ein Korn schnell genug fliegt, kommt es uns so vor, als würde es sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit geradlinig bewegen. Dieser Eindruck ist falsch: Durch den Aufprall von Wasserstoffmolekülen auf das Korn ändert sich dessen Geschwindigkeit bei jedem Aufprall geringfügig. Lassen Sie uns genau abschätzen, wie viel.

Die Temperatur von Wasserstoff sei 300 K (wir messen die Temperatur immer auf einer absoluten Skala, auf der Kelvin-Skala; 300 K = 27 °C). Multiplikation der Temperatur in Kelvin mit der Boltzmann-Konstante k B = 1,381,10 -16 J/K, wir werden es in Energieeinheiten ausdrücken. Die Änderung der Geschwindigkeit eines Korns kann mithilfe des Impulserhaltungssatzes berechnet werden. Bei jedem Zusammenstoß eines Korns mit einem Wasserstoffmolekül ändert sich seine Geschwindigkeit um etwa 10 -18 cm/s. Die Änderung erfolgt völlig zufällig und in zufälliger Richtung. Daher ist es naheliegend, den Wert von 10 -18 cm/s als Maß für die klassische Unsicherheit der Korngeschwindigkeit (D.) zu betrachten v) cl für diesen Fall. Also, (D v) Klasse = 10 -18 cm/s. Es ist offenbar sehr schwierig, den Standort eines Korns mit einer Genauigkeit von mehr als 0,1 seiner Größe zu bestimmen. Akzeptieren wir (D X) cl = 10 -3 cm. Schließlich (D X) Klasse (D v) cl = 10 -3 .10 -18 = 10 -21 . Es scheint ein sehr kleiner Wert zu sein. In jedem Fall sind die Unsicherheiten in Geschwindigkeit und Position so gering, dass die durchschnittliche Bewegung des Korns berücksichtigt werden kann. Aber im Vergleich zur Quantenunsicherheit, die durch die Heisenberg-Beziehung (D X D v= 10 -27) ist die klassische Heterogenität enorm – in diesem Fall übersteigt sie sie um das Millionenfache.

Fazit: Wenn Sie die Bewegung eines Korns betrachten, berücksichtigen Sie diese Welleneigenschaften, das heißt, die Existenz einer Quantenunsicherheit von Ort und Geschwindigkeit ist nicht notwendig. Wenn es um die Bewegung atomarer und subatomarer Teilchen geht, ändert sich die Situation dramatisch.

Diese Welt ist seltsam: Manche Menschen streben danach, etwas Monumentales und Gigantisches zu schaffen, um auf der ganzen Welt berühmt zu werden und in die Geschichte einzugehen, während andere minimalistische Kopien gewöhnlicher Dinge schaffen und die Welt damit nicht weniger in Erstaunen versetzen. Diese Rezension enthält die kleinsten Objekte, die es auf der Welt gibt, und sind gleichzeitig nicht weniger funktional als ihre Gegenstücke in Originalgröße.

1. SwissMiniGun-Pistole

Die SwissMiniGun ist nicht größer als ein normaler Schraubenschlüssel, kann aber winzige Kugeln abfeuern, die mit einer Geschwindigkeit von über 430 km/h aus dem Lauf fliegen. Dies ist mehr als genug, um eine Person aus nächster Nähe zu töten.

2. Schälen Sie 50 Autos

Mit einem Gewicht von nur 69 kg ist der Peel 50 das kleinste Auto, das jemals für den Straßenverkehr zugelassen wurde. Dieser dreirädrige Pepelats konnte eine Geschwindigkeit von 16 km/h erreichen.

3. Kalou-Schule

Die UNESCO hat die iranische Kalou-Schule als die kleinste der Welt anerkannt. Es gibt nur drei Schüler und den ehemaligen Soldaten Abdul-Muhammad Sherani, der jetzt als Lehrer arbeitet.

4. Teekanne mit einem Gewicht von 1,4 Gramm

Es wurde vom Keramikmeister Wu Ruishen geschaffen. Obwohl diese Teekanne nur 1,4 Gramm wiegt und auf Ihre Fingerspitze passt, können Sie darin Tee zubereiten.

5. Sark-Gefängnis

Das Sark-Gefängnis wurde 1856 auf den Kanalinseln erbaut. Es gab nur Platz für zwei Gefangene, die in sehr beengten Verhältnissen untergebracht waren.

6. Tumbleweed

Dieses Haus wurde „Perakati Field“ (Tumbleweed) genannt. Es wurde von Jay Schafer aus San Francisco gebaut. Obwohl das Haus kleiner ist als die Schränke einiger Leute (es ist nur 9 Quadratmeter), Er hat Arbeitsplatz, Schlafzimmer und Badezimmer mit Dusche und WC.

7. Mills End Park

Der Mills End Park in Portland ist der kleinste Park der Welt. Sein Durchmesser beträgt nur... 60 Zentimeter. Gleichzeitig gibt es im Park ein Schwimmbad für Schmetterlinge, ein Miniatur-Riesenrad und winzige Statuen.

8. Edward Niño Hernandez

Edward Niño Hernandez aus Kolumbien ist nur 68 Zentimeter groß. Im Guinness-Buch der Rekorde wurde er als kleinster Mann der Welt anerkannt.

9. Polizeistation in einer Telefonzelle

Im Wesentlichen ist es nicht größer als eine Telefonzelle. Aber es war tatsächlich eine funktionierende Polizeistation in Carabella, Florida.

10. Skulpturen von Willard Wigan

Der britische Bildhauer Willard Wigan, der unter Legasthenie und schlechten schulischen Leistungen litt, fand Trost in der Schaffung von Miniaturkunstwerken. Seine Skulpturen sind mit bloßem Auge kaum zu erkennen.

11. Mycoplasma Genitalium-Bakterium

12. Schweine-Circovirus

Obwohl immer noch darüber diskutiert wird, was als „lebendig“ gilt und was nicht, klassifizieren die meisten Biologen ein Virus nicht als lebenden Organismus, da es sich nicht vermehren kann oder keinen Stoffwechsel hat. Ein Virus kann jedoch viel kleiner sein als jeder lebende Organismus, einschließlich Bakterien. Das kleinste ist ein einzelsträngiges DNA-Virus namens Porcines Circovirus. Seine Größe beträgt nur 17 Nanometer.

13. Amöbe

Das kleinste mit bloßem Auge sichtbare Objekt ist etwa 1 Millimeter groß. Das bedeutet, dass ein Mensch unter bestimmten Bedingungen eine Amöbe, einen Pantoffelwimpertier und sogar ein menschliches Ei sehen kann.

14. Quarks, Leptonen und Antimaterie...

Im letzten Jahrhundert haben Wissenschaftler große Fortschritte beim Verständnis der Weite des Weltraums und der mikroskopischen „Bausteine“, aus denen er besteht, gemacht. Als es darum ging, herauszufinden, was das kleinste beobachtbare Teilchen im Universum war, stießen die Menschen auf einige Schwierigkeiten. Irgendwann dachten sie, es sei ein Atom. Wissenschaftler entdeckten dann ein Proton, ein Neutron und ein Elektron.

Aber damit war es noch nicht getan. Heute weiß jeder, dass diese Teilchen, wenn man sie an Orten wie dem Large Hadron Collider ineinander schleudert, in noch kleinere Teilchen wie Quarks, Leptonen und sogar Antimaterie zerlegt werden können. Das Problem besteht darin, dass es unmöglich ist, zu bestimmen, was das Kleinste ist, da die Größe auf der Quantenebene irrelevant wird und alle üblichen Regeln der Physik nicht gelten (einige Teilchen haben keine Masse, während andere sogar eine negative Masse haben).

15. Vibrierende Saiten subatomarer Teilchen

Wenn man bedenkt, was oben darüber gesagt wurde, dass das Konzept der Größe auf Quantenebene keine Bedeutung hat, könnte man an die Stringtheorie denken. Dabei handelt es sich um eine leicht kontroverse Theorie, die besagt, dass alle subatomaren Teilchen aus vibrierenden Saiten bestehen, die interagieren, um Dinge wie Masse und Energie zu erzeugen. Da diese Strings technisch gesehen keine physikalische Größe haben, kann man argumentieren, dass sie in gewissem Sinne die „kleinsten“ Objekte im Universum sind.