Взаимодействие частиц вещества

Современная теория строения вещества опирается на пять основных положений.

1. Все вещества состоят из частиц.

Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Все известные химические элементы перечислены в таблице Менделеева. Молекула – мельчайшая частица вещества, сохраняющая его свойства. Молекула может состоять из одного или нескольких атомов.

2. Между частицами вещества есть промежутки.

3. Частицы вещества двигаются непрерывно и хаотично.

4. Движение частиц вещества становится интенсивнее с ростом температуры. Движение частиц вещества называют тепловым.

5. Частицы вещества взаимодействуют между собой: притягиваются и отталкиваются. Притяжение и отталкивание действуют одновременно и постоянно. Силы взаимодействия определяют свойства агрегатных состояний вещества. Так как в состав атомов и молекул входят частицы, обладающие электрическими зарядами, межмолекулярные взаимодействия имеют электромагнитную природу. Силы притяжения и отталкивания по-разному зависят от расстояния между частицами. На расстоянии, примерно равном размеру частицы, притяжение и отталкивание равны. Этому расстоянию соответствует наиболее устойчивое расположение частиц, с уменьшение расстояния преобладает отталкивание частиц. С увеличением – притяжение. На расстояниях, превышающих размер частицы в десять и более раз, силы взаимодействия ничтожно малы.

Каждое из пяти положений теории строения вещества имеет экспериментальные доказательства.

1. Фотографии веществ с большим увеличением. Такие явления, как стачивание, растворение, растекание жидкостей до образования тонких плёнок.

2. Фотографии вещества. Тепловое расширение веществ. Уменьшение суммарного объёма при смешивании различных жидкостей.

3. Диффузия и броуновское движение.

4. Возрастание скорости диффузии и интенсивности броуновского движения при увеличении температуры вещества.

5. Слипание веществ при их тесном контакте, упругие деформации, смачивание жидкостями твёрдых поверхностей.

Почему многие твердые тела обладают большой прочностью? На стальном тросе толщиной всего 25 мм можно поднять тепловоз. Трудно разделить на куски камень. Объяснить это можно притяжением частиц, из которых состоят твердые тела. Молекулы (атомы) в твердых веществах притягиваются друг к другу. Но почему тогда куски разбитого стеклянного стакана нельзя без клея соединить друг с другом в одно целое? В то же время куски пластилина легко можно соединить в один кусок.

Объяснить эти факты можно, предположив, что притяжение молекул (атомов) проявляется лишь на малых расстояниях между ними. Действительно, если нагреть стеклянные куски так, чтобы стекло стало мягким, и прижать их друг к другу, они слипнутся в одно целое.

Притягиваются и молекулы жидкости. Проведем опыт. Подвесим на пружине чистую стеклянную пластинку и отметим положение нижнего конца пружины указателем. Поднесем к пластинке сосуд с водой до соприкосновения с поверхностью воды, после чего будем опускать сосуд до отрыва пластинки. Растяжение пружины увеличится, что указывает на притяжение частиц жидкости (воды) в сосуде и на поверхности стеклянной пластины.

А вот молекулы (атомы) газа практически не притягиваются друг к другу. В газах частицы находятся на расстояниях, больших, чем в жидкостях и твердых телах. Притяжение на этих расстояниях ничтожно мало. Поэтому молекулы газа разлетаются по всему предоставленному газу объему. Например, запах духов из открытого флакона распространяется по всей комнате.

А есть ли между молекулами отталкивание?

Возьмите сплошной резиновый мячик и попробуйте его сжать. Легко ли это сделать? Стоит только перестать сжимать мячик, как он тут же восстанавливает свою форму. Значит, между частицами существует отталкивание . Именно отталкивание частиц затрудняло сжатие мячика, оно же восстановило его первоначальную форму.

Очень важно понять, что притяжение и отталкивание частиц вещества проявляется лишь на малых расстояниях между частицами, т. е. в твердых телах и жидкостях, и заметно меняется при изменении этих расстояний. Описывая взаимодействие молекул, будем их моделировать шариками. Так, на определенных расстояниях притяжение двух молекул компенсируется (уравновешивается) отталкиванием. При отдалении молекул отталкивание становится меньше притяжения, а при сближении молекул отталкивание становится больше притяжения.

Взаимодействие двух молекул в теле условно можно сравнить со взаимодействием двух шариков, скрепленных пружиной. При расстояниях r > r 0 (пружина растянута) шарики притягиваются друг к другу, а при расстояниях r < r 0 (пружина сжата) - отталкиваются.

Хотя эта модель наглядна, но имеет недостаток: в ней между шариками проявляется или притяжение, или отталкивание. Между частицами вещества притяжение и отталкивание существует одновременно! На одних расстояниях (при отдалении частиц) преобладает притяжение, а на других (при сближении) - отталкивание.

Если аккуратно ножом или лезвием зачистить торцы двух свинцовых цилиндров и плотно прижать их друг к другу, то цилиндры «слипаются». Взаимное притяжение цилиндров настолько велико, что они могут удерживать гирю массой m = 5 кг.

«Слипание» свинцовых цилиндров доказывает, что частицы веществ способны притягиваться друг к другу. Однако это притяжение возникает лишь тогда, когда поверхности тел очень гладкие (для этого и понадобилась зачистка лезвием). Кроме того, тела должны быть плотно прижаты друг к другу, чтобы расстояния между поверхностями тел было сравнимо с расстоянием между молекулами.

Вы знаете, что в телах частицы находятся в непрерывном беспорядочном движении. Почему же твердое тело не распадается на отдельные частицы? Это объясняется тем, что частицы (молекулы или атомы) большинства твердых тел расположены в определенном порядке и очень близко друг к другу.

Каждая частица притягивает к себе соседние частицы и сама притягивается к ним. Эти силы удерживают, например, атомы железа в куске металла, молекулы воды в куске льда или в капле воды. Иначе говоря, сила притяжения – это такая сила, которая удерживает частицы вместе.

Если разломать вязальную спицу на две части и составить их вместе, то они не будут удерживаться друг около друга. Оказывается, притяжение между частицами вещества становится возможным лишь тогда, когда они находятся на определенном расстоянии, достаточно близко одна от другой.

Опыт позволяет обнаружить притяжение частиц.

Берут небольшой свинцовый цилиндр, разрезают его на две половины и быстро сдвигают их свежими срезами. Если место среза не успело окислиться, то обе части свинцового цилиндра соединятся в одно целое. Это можно проверить, закрепив один из цилиндров в держатель, а к другому подвесив груз. Половинка цилиндра с грузом не падает. Следовательно, молекулы половинок цилиндра взаимодействуют друг с другом.

Рис. 34. Притяжение частиц. Две половины свинцового цилиндра соединяются благодаря взаимодействию молекул

Описанный опыт удается благодаря мягкости свинца. С более твердыми, чем свинец, телами (например, половинками разбитого стекла) подобный опыт осуществить невозможно.

Чтобы произошло соединение, молекулы должны находиться на расстоянии друг от друга несколько меньше размеров самих молекул. Куски мягкого материала, например пластилина, слипаются легко. Это происходит потому, что их можно сблизить на такое расстояние, на котором действуют силы притяжения.

Строение жидкостей отличается от строения твердых тел. В жидкостях взаимодействие между молекулами слабее, чем в твердых телах, но все-таки оно имеется. Представьте, что в стакан налили воду, а затем перелили ее в колбу. Первоначально жидкость занимала форму стакана, а затем колбы, в которую ее перелили. Если бы в воде между молекулами действовало притяжение такой же силы, как и в твердых телах, то ее форма не могла бы меняться так легко.

Молекулы в жидкостях расположены почти вплотную друг к другу, поэтому все жидкости обладают очень малой сжимаемостью. Но взаимодействие между молекулами не так велико, чтобы жидкости сохраняли свою форму. Этим объясняется главное свойство жидкостей – текучесть.

Мы уже говорили, что газ можно сжать так, что его объем уменьшится в несколько раз. Значит, в газах расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул. В таких случаях молекулы слабо притягиваются друг к другу. Вот почему газы не сохраняют форму и объем.

Между частицами в твердых телах, жидкостях и газах существует взаимное притяжение.

Возникает вопрос: «Почему существуют промежутки между частицами?» Казалось бы, частицы, притягиваясь друг к другу, должны «слипнуться». Сжатию тел, однако, препятствует отталкивание частиц. Что это именно так, можно убедиться на примере. Резиновый ластик, сжатый и согнутый пополам, распрямится, если края отпустить. Сжатые тела распрямляются потому, что при сжатии частицы настолько сближаются, что начинают отталкиваться друг от друга. Следовательно, притяжение, действующее между частицами – атомами и молекулами, удерживает их друг около друга, а отталкивание препятствует их полному сближению.

На рисунке справа частицы тела схематично изображены упорядоченно расположенными шариками. Стрелками показаны силы отталкивания, действующие на частицу со стороны её «соседок». Если бы все частицы находились на равных расстояниях друг от друга, то силы отталкивания взаимно уравновешивались бы («зелёная» частица).

Однако, согласно второму положению МКТ, частицы постоянно и беспорядочно движутся. Из-за этого расстояния от каждой частицы до её соседок постоянно меняются («красная» частица). Следовательно, силы их взаимодействия постоянно меняются и не уравновешиваются, стремясь вернуть частицу в положение равновесия. То есть, потенциальная энергия частиц твёрдых и жидких тел, существуя всегда, постоянно меняется. Сравните: в газах потенциальная энергия частиц практически отсутствует, поскольку они находятся вдалеке друг от друга (см. § 7-б).

Возникновение силы упругости. Сжимая или растягивая, изгибая или скручивая тело, мы сближаем или удаляем его частицы (см. рис.). Поэтому меняются силы притяжения-отталкивания частиц, совместное действие которых и является силой упругости.

Частицы резины изгибаемого ластика (см. также рис.«г») мы условно изобразили шариками. При надавливании пальцем верхние частицы сближаются друг с другом («зелёное» расстояние меньше «красного»). Это приводит к возникновению сил отталкивания (чёрные стрелки направлены от частиц). Вблизи нижней грани ластика частицы удаляются друг от друга, что приводит к возникновению между ними сил притяжения (чёрные стрелки направлены к частицам). В результате одновременного действия сил отталкивания вблизи верхней грани и сил притяжения вблизи нижней грани ластик «хочет» выпрямиться. А это и значит, что в нём возникает сила упругости, направленная противоположно силе давления.

Проверьте свои знания:

1. Основная цель этого параграфа – обсудить...
2. Что мы заметим при сжатии торцов цилиндриков?
3. Прочно ли цилиндрики сцепляются друг с другом?
4. Какой вывод следует из опыта с цилиндриками?
5. При каком условии возникает притяжение частиц тел и веществ?
6. Какое наблюдение свидетельствует об отталкивании частиц?
7. Почему мы считаем, что частицы веществ могут отталкиваться друг от друга?
8. При каком условии наблюдается взаимодействие частиц?
9. Как изменяется характер взаимодействия частиц вещества в зависимости от расстояния между ними?
10. В каком случае взаимодействие частиц веществ отсутствует?
11. Почему частицы веществ могут обладать потенциальной энергией?
12. Почему у частиц твёрдых и жидких веществ всегда имеется потенциальная энергия?
13. Что символизируют чёрные стрелки на рисунке с частицами твёрдого тела?
14. Поскольку частицы любого тела или вещества постоянно движутся, ...
15. Поскольку расстояния между частицами постоянно меняются, ...
16. Охарактеризуйте потенциальную энергию частиц твёрдых тел и жидкостей. Она, ...
17. Охарактеризуйте потенциальную энергию частиц газов.
18. В каких случаях мы изменяем расстояние между частицами тела?
19. При этом силы притяжения-отталкивания частиц тела меняются, так как...
20. Сила упругости тела – это одновременно действующие...
21. Что происходит с частицами вблизи верхней части ластика? Они...
22. Сила упругости в ластике возникает из-за...

частица атом элементарный кварк

Важнейший вопрос физики - вопрос о взаимодействиях. Если бы не взаимодействия, то частицы материи двигались бы независимо, не подозревая о существовании других частиц. Благодаря взаимодействиям частицы обретают, как бы способность распознавать другие частицы и реагировать на них, благодаря чему рождается коллективное поведение. Поскольку вся материя состоит из частиц , для объяснения природы сил необходимо, в конечном счете, обратиться к физике элементарных частиц. Сделав это, физики обнаружили, что все взаимодействия, независимо от того, как они проявляются в больших масштабах, можно свести к четырем фундаментальным типам: гравитационному, электромагнитному и двум типам ядерных.

На уровне кварков доминируют ядерные взаимодействия . Сильное взаимодействие связывает кварки в протоны и нейтроны и не дает ядрам разваливаться. На уровне атомов преобладает электромагнитное взаимодействие , связывающее атомы и молекулы. В астрономических масштабах господствующим становится гравитационное взаимодействие .

В последние годы физики заинтересовались соотношением между четырьмя фундаментальными взаимодействиями, которые в совокупности управляют Вселенной. Существует ли между ними какая-либо связь? Не являются ли они всего лишь различными ипостасями единственной основополагающей суперсилы ? Если такая суперсила существует, то именно она представляет собой действующее начало всякой активности во Вселенной - от рождения субатомных частиц до коллапса звезд. Разгадка тайны суперсилы невообразимо увеличила бы нашу власть над природой и даже позволила бы объяснить само «сотворение» мира.

Мы уже знаем, что элементарные частицы взаимодействуют друг с другом посредством других частиц, которые они непрерывно испускает и поглощает. Слои этих частиц экранируют заряды, поэтому частица с различных высот до нее выглядит заряженной по-разному. Именно так, всегда различно заряженными, видят друг друга сталкивающиеся частицы. Чем больше их энергия, тем глубже они проникают друг в друга и тем отчетливее ощущают «дыхание» их центральных неэкранированных зарядов. Поэтому можно ожидать, что с ростом энергии различные типы взаимодействий будут становиться все более похожими и при высоких энергиях сольются в одно-единое взаимодействие - суперсилу. Произойдет «великое объединение» всех сил природы.

Реальное положение дел несколько сложнее. Экранирующие облака образуются не только вокруг заряда, но и вокруг каждой частички-переносчика, которыми прощупывают друг друга сталкивающиеся частицы. Если переносчики взаимодействия очень тяжелые, то взаимодействие переносится на ультрамалые расстояния. Вдали от центра такие частицы почти не встречаются и связанное с ними взаимодействие проявляется очень слабо. В других случаях переносчики легкие (например, фотоны), они способны далеко уйти от испустившего их заряда, и с их помощью происходит взаимодействие на больших расстояниях.

Таким образом, не только частицы, но и силы, связывающие их, оказываются необычайно сложными. Простейшими точками их уже никак не назовешь! И трудно поверить, что сила тяготения двух электронов и в миллиарды большая сила их электромагнитного отталкивания - ветви одного дерева.

К идее «великого объединения» физики пришли совсем недавно - каких-нибудь двадцать-тридцать лет назад, хотя первый шаг сделали еще Фарадей и Максвелл, объединившие электричество и магнетизм, которые как тогда считалось, совсем разные взаимодействия. Они же ввели и понятие «поля». Фарадей доказал, что электричество и магнетизм - два компонента одного и того же электромагнитного поля.

Следующий шаг на пути к «великому объединению» был значительно более трудным. Он был сделан лишь в середине 60-х годов ХХ века. Внимание физиков привлекло тогда слабое взаимодействие. Оно обладало странной особенностью: для всех других сил можно указать промежуточное поле, кванты которого служат переносчиком взаимодействия, а в распадных процессах частицы «разговаривают» так сказать, напрямую, без всяких посредников, толкая друг друга как бильярдные шары.

Естественно предположить, что в этом случае тоже происходит обмен между частицами, но только такими тяжелыми, что весь процесс происходит на очень малых расстояниях, и со стороны это выглядит как будто частицы просто толкают друг друга.

Расчеты показали: если бы не большая масса промежуточных частиц, то такое взаимодействие по своим свойствам было бы очень похожим на электромагнитное. И вот трое физиков: Абдус Салам, Стив Вайнберг и Шелдон Глешоу допустили, что фотон и тяжелые промежуточные частицы слабого взаимодействия - это одна и та же частица, только в разных «шубах». Разработанную ими теорию стали называть «электрослабой», поскольку она, как частный случай, содержит электродинамику и старую теорию слабых взаимодействий. Вскоре на ускорителях были выловлены тяжелые кванты электрослабого поля - три брата-мезона с массой, почти в сто раз больше протонной. Создание теории электрослабого поля и экспериментальное открытие его переносчиков было отмечено сразу двумя Нобелевскими премиями.

Вдохновленные открытием электрослабого поля, физики увлеклись новой идеей дальнейшего объединения - слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Суть этой идеи в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, названный цветом. В отличие от заряда, видов цветов у кварка - три. Поэтому глюонное поле более сложное. Оно состоит из восьми составляющих силовых полей. В типичном адроне - протоне или нейтроне - комбинация трех кварков - красного, зеленого и синего - всегда имеет «белый» цвет. Испускаемые мезоны содержат пары кварк-антикварк, поэтому они тоже «бесцветны». Так как мы знаем, что при взаимодействиях частиц происходит экранировка их зарядов, то это и приводит к тем эффектам различия в дальности взаимодействий различных видов частиц. Оценка расстояния, при котором все взаимодействия становятся сравнимы по величине, составляет около 10 в -29 степени сантиметров. Переносчик взаимодействия - Х-частица - обладает массой, равной примерно 10 в 14 степени масс протона. На протяжении того ничтожного отрезка времени, какой существует Х-частица, энергия и масса имеют громадную неопределенность. И в этом отношении мы похожи на Фалеса и других греческих философов, которые размышляли о свойствах атомов, не имея ни малейшей надежды хоть когда-нибудь увидеть их.

Элементарные частицы нельзя разделить на более простые части (именно поэтому их и назвали «элементарными»). В любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга - взаимопревращаются. Причем из легких могут родиться более тяжелые частицы - если они движутся с достаточной скоростью (кинематическая энергия переходит в массу)

Элементарные частицы различаются по заряду, спину, массе, времени жизни и так далее. Например, время жизни протона больше времени жизни Вселенной, а ро-мезон живет 10 в -23 степени секунды. Масса фотонов и нейтрино равна нулю, а масса еще не открытого, но предсказанного теоретиками максимона (самой тяжелой элементарной частицы, которая только может существовать) - что-то около микрограмма - как у крупной, видимой глазом пылинки. Их можно разбить на семейства, и членов каждого рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. Семейства объединяются в более сложные группы - кланы, или мультиплеты. Но главное - мультиплеты связаны определенными правилами симметрии. В целом получается что-то вроде периодической таблицы элементарных частиц, наподобие Менделеевской. Можно предполагать, физики нащупали следующий ярус строения материи.

Большую роль в развитии знаний сыграли ускорители элементарных частиц. Электронное просвечивание показало, что протон на самом деле не точка, а довольно крупный объект радиусом около 10 в -13 степени сантиметров. Анализируя результаты новых опытов по рассеянию электронов, ученые сделали вывод, что нуклоны являются роем каких-то очень мелких частичек, которые при меньшем увеличении выглядят как сгусток накладывающихся и проникающих друг в друга мезонов и других элементарных частиц. Теоретики, занимавшиеся классификацией частиц, обрадовались, так как уже давно догадывались о существовании таких частиц, только называли их по-своему: кварки.

Когда кварки замелькали на страницах теоретических статей, многие ученые считали их всего лишь неким курьезом, временными строительными лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков очень просто и наглядно объясняются самые различные экспериментальные факты, а теоретические вычисления сильно упрощаются. Без кварков стало просто невозможно обойтись, также как без молекул и атомов.

Опыты по зондированию нуклона доказали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействием и ведут себя как плавающие в воздухе воздушные шарики. Если же они попытаются разойтись, то сразу же возникают стягивающие их силы. На периферии кварки могут находиться лишь в форме связанных сгустков - например, в виде пи-мезонов, что согласуется с теорией ядерного взаимодействия на основе мезонов. Но как взаимодействуют друг с другом кварки? Так как другого способа организовать взаимодействие, чем посредством передачи частицы-носителя взаимодействия, наука не знает, то были предложены глюоны - склеивающие кварки частицы. Глюоны похожи на фотоны, только с зарядом. Фотон никакого поля вокруг себя не создает, поэтому наибольшую интенсивность поле имеет возле своего источника - заряда, дальше оно постепенно рассеивается и ослабевает. Глюон же своим зарядом рождает новые глюоны, те в свою очередь - следующие и так далее, поэтому глюонное поле не ослабевает, а наоборот, возрастает при удалении от породившего его кварка. Удаляющийся кварк, как пеной обрастает новыми глюонами и их связь становится более сильной.

Физика элементарных частиц представляет собой удивительный сплав эксперимента и теории. Свойства мельчайших частиц вещества установлены и продолжают устанавливаться в экспериментах, по сложности не имеющих себе равных в других областях науки. Эти уникальные эксперименты сочетают поистине индустриальный размах с ювелирной точностью. В большинстве случаев сами объекты исследования - частицы - создаются тут же в лаборатории с помощью ускорителей и живут столь ничтожные промежутки времени, что по сравнению с ними мгновение кажется вечностью. Случай какого-нибудь редкого распада частицы приходится находить среди миллиардов похожих на него «неинтересных» распадов. Все сведения об элементарных частицах добываются в результате тщательных измерений.