З ДРІБНИХ ЧАСТИНОК

Із чого все складається?

Навіщо знову запитувати? Та знаємо ми: молекули з атомів, атоми — з ядер та електронів, ядра — з протонів і нейтронів.

І що? І вас не цікавить, чи є ще дрібніші частинки? А ось учених дуже цікавить. У найбільшому в світі міжнародному дослідницькому центрі європейської спільноти (ЦЕРН) працює близько 12 000 дослідників 80 національностей з 500 наукових центрів й університетів, це половина всіх фізиків — дослідників мікросвіту

ВИ НАВЧИТЕСЯ

Називати складові частинки атома, елементарні частинки; основні положення молекулярно-кінетичної теорії будови речовини.

Наводити приклади підтвердження дискретності речовини; металів і неметалів; частинок й античастинок.

Передбачати властивості хімічних елементів і простих речовин залежно від розташування елементів у періодичній системі.

Пояснювати відмінності між атомами, йонами, молекулами; фізичними й хімічними явищами.

Розрізняти способи опису об’єктів і систем: дискретний і неперервний.

Розуміти суть корпускулярно-хвильового дуалізму.

Усвідомлювати значення астрономічних досліджень для розвитку природничих наук.

ЧИ Є МЕЖА ПОДІЛУ?

Гіпотеза про дискретну будову речовини була висунута ще 25 століть тому грецьким філософом Демокрітом. За легендою, якось Демокріт сидів на камені біля моря, тримав у руці яблуко й розмірковував: «Якщо я зараз це яблуко розріжу навпіл — у мене залишиться половина яблука; якщо я потім цю половину знову розріжу на дві частини — залишиться чверть яблука; але якщо я й далі продовжуватиму такий поділ, то чи не приведе це до того, що решта вже не матиме властивостей яблука?». Демокріт дійшов висновку, що межа поділу є, і назвав цю останню, вже неподільну частинку, «атом» — неподільний. Від найдавніших часів до середини XIX ст. було відкрито 63 різновиди атомів — хімічні елементи.

ХVІ—ХІХ ст. знаменні дослідженнями електрики й магнетизму. Саме тоді почала розвиватися електрохімія. За результатами досліджень було створено перші хімічні (гальванічні) джерела струму, відкрито термоелектричні явища та електроліз. Уперше електролізом розкладено воду на кисень і водень. Проте питання, що є причиною цих явищ, тривалий час залишалося без відповіді. Науковці висували ідеї, співзвучні з дискретністю речовини: є дискретна частинка — атом електрики, що відповідає за електричні, теплові та світлові явища. Майкл Фарадей увів термін «йон», фізик і математик Джордж Стоні (1826—1911, Велика Британія) — термін «електрон» — для позначення електричного заряду одновалентного йона в електролізі.

Після відкриття явища радіоактивності, пов’язаного з перетворенням нуклідів одного хімічного елемента на нукліди іншого, у 1898 р. було з’ясовано, що внаслідок цього виділяються частинки (α-частинки, β-частинки, γ-кванти). Протягом наступних років було досліджено штучну радіоактивність (ядерні реакції) з метою з’ясування будови атомного ядра. Дослідження елементарних частинок у лабораторних умовах, як ми вже знаємо, здійснюють за допомогою пришвидшувачів частинок і пристроїв для реєстрації їх. У природних умовах досліджують природні потоки частинок — космічні промені.

У 1919 р. Ернест Резерфорд здійснив першу ядерну реакцію й відкрив суб’ядерну частинку — протон (р). У 1932 р. фізик Джеймс Чедвік (1891—1974, Велика Британія) відкрив ще одну суб’ядерну частинку — нейтрон.

У 1930 р. виявили відразу дві взаємодії: сильну й слабку.

Ще в 1928 р. англійський фізик Поль Дірак (1902—1984, Велика Британія) за двома експериментально визначеними характеристиками електрона — масою та зарядом — досліджував, як має рухатися електрон згідно із загальними принципами теорії відносності та квантової теорії. З його теоретичних розрахунків випливала можливість існування такої само частинки, як електрон, однак з позитивним зарядом — позитрона. У 1932 р. фізик Карл Девід Андерсон (1905—1991, США) фотографував сліди космічних променів в установці для дослідження їх і виявив на одній з фотографій слід, який міг належати позитрону. У 1932 р. Фредерик Жоліо-Кюрі експериментально виявив позитрон під час штучної ядерної реакції.

Експериментальне підтвердження існування позитрона дало новий поштовх у дослідженні елементарних частинок. Було виявлено, що майже кожна частинка має свою античастинку, частинки зазнають взаємних перетворень — під час взаємодії частинок одні зникають, інші народжуються.

У 1949 р. Луї де Бройль (1892—1987, Франція) запропонував створити міжнародну організацію для здійснення наукових досліджень мікросвіту. У 1954 р. офіційно відкрито європейську організацію з ядерних досліджень (ЦЕРН) — найбільшу в світі лабораторію фізики високих енергій.

До початку 60-х років ХХ ст. кількість виявлених елементарних частинок стала настільки великою, що виникла необхідність систематизувати їх. Спершу — за масою. Легкі частинки — лептони (до них належить електрон), найважчі — адрони (до них належать протони та нейтрони), й особлива частинка — фотон — частинка без маси, яка здатна існувати лише в русі зі швидкістю світла.

Далі було з’ясовано, що кожній фундаментальній взаємодії відповідає певна частинка, яка переносить цю взаємодію. Для гравітаційної — гравітони¹, для електромагнітної взаємодії — фотони, сильну взаємодію зумовлено глюонами, слабку — векторними бозонами. Більше про елементарні частинки ви дізнаєтеся, проаналізувавши малюнок 4.1.

¹ Існування гравітонів поки не доведено експериментально у зв’язку зі слабкістю гравітаційної взаємодії, проте її вважають цілком ймовірною.

Мал. 4.1. Елементарні частинки

Майже всі частинки, які можна безпосередньо спостерігати, належать до лептонів або адронів. Головна відмінність між ними в тому, що адрони беруть участь у сильній взаємодії, а лептони — ні. До того ж лептонів є лише 6, а адронів — понад сотня. Це дало підставу вважати, що адрони не є суто елементарними частинками й мають певну внутрішню структуру. У 1964 р. фізики Марі Гелл-Манн (нар. 1929, США) та Джордж Цвейг (нар. 1937, США) запропонували модель, за якою адрони мають складатися з фундаментальніших частинок — кварків.

Саме кварки та лептони є «будівельним матеріалом» для речовин. Завдяки взаємодії кварків існують ядра атомів. Формування електронних оболонок навколо ядра веде до утворення атомів (мал. 4.2).

Мал. 4.2. «Будівельний матеріал» речовин

Погляньте на малюнок 4.2. Подібні зображення траплялися вам у підручниках фізики та хімії, аналогічні малюнки ви знайдете за допомогою пошукової системи Google. Електрони на них зображено як маленькі жовті кульки, ядро атома схоже на ягоду малини, складену із червоних і чорних протонів і нейтронів. Однак ця модель дуже далека від реальності.

У макросвіті немає нічого такого, із чим можна було б порівняти елементарні частинки. Коли відомого фізика Вернера Гайзенберга (1901—1976, Німеччина) запитали, як уявити атом, він відповів: «Навіть не намагайтеся». Складники атома зображують у вигляді кульок, щоб хоч так проілюструвати будову речовини. Електрони не схожі на планети, що обертаються орбітами, вони більше нагадуюсь лопаті вентилятора, що в процесі обертання здатні заповнити кожний клаптик простору на своїх орбіталях.

Річ у тім, що елементарні частинки по суті не є частинками у звичному для нас розумінні. Вони поводяться то як частинки, то як хвилі.

Уперше подвійну властивість хвиля-корпускула було виявлено під час дослідження світла (термін «корпускула» використовували саме для того, щоб описати дискретну властивість світла). Світло поширюється в просторі як електромагнітна хвиля, а поглинається й випромінюється як частинка — фотон (докладніше про це йтиметься згодом). Пізніше було доведено, що електрон також має як корпускулярні, так і хвильові властивості. У науці таку подвійну властивість називали корпускулярно-хвильовим дуалізмом, тобто будь-яка елементарна частинка має хвильові властивості, а хвиля має властивості, характерні для частинки.

Отже, у світі елементарних частинок практично немає різниці між хвилею й частинкою, як між структурними елементами речовини й поля. Як окремі види матерії речовину й поле розрізняють на атомарному рівні.