Масштабы макромира и структурные уровни микромира

Физические системы и процессы, в них протекающие, можно классифицировать по разным признакам. Один из них – характерные масштабы, то есть типичные размеры исследуемых объектов и типичные расстояния между ними. Окружающие нас тела обладают «обычными» размерами и составляют макромир — предмет макроско­пической физики.

В том случае, когда характерные масштабы большие, порядка миллионов световых лет, речь идет о мегамире, который изучают космология и аст­рофизика.

Если характерные масштабы не превышают 10^–8 м, то физические системы относят к области микромира, законы которого устанавливает квантовая физика.

Главный предмет обсуждения в этом разделе – самые нижние подуровни микро­мира. Исходным пунктом обсуждения будет служить схема, представленная на рисунке 3.1. На схеме указаны структурные уровни строения мате­рии. Наиболее подробно расшифро­вана структура микромира, выделен­ного штриховой линией. Именно здесь расположен интересующий нас уровень ядер атомов и элементарных частиц.

В классической физике, описыва­ющей макромир, считается, что ма­терия существует в двух видах: в ви­де вещества и поля (прежде всего, имеются в виду электромагнитное и гравитационное по­ля). Они выступают в качестве носи­телей противоположных свойств – дискретности и непрерывности. Но нужно иметь в виду, что в современ­ной физике грань между понятиями вещества и поля практически полно­стью стирается и взаимоотношения между категориями дискретного и непрерывного обретают характер диалектического единства.

Ядро атома было открыто Э. Резерфордом в 1911 в опытах по рассеянию α -частиц при прохождении их через вещество. Ядро – это массивная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. В атомном ядре сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95%). Размеры ядер порядка 10 ^–15 м. Ядра имеют положительный электрический заряд, кратный абсолютной величине заряда электрона e: Q = Ze. Целое число Z совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе элементов. Ядро атома с порядковым номером Z и массовым числом А содержит Z протонов p и А – Z нейтронов n – то есть всего А частиц (Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон, В. Гейзенберг, 1932). Ядра с одинаковыми зарядами Z и разным числом нейтронов называются изотопами, ядра с разными Z и одинаковыми N – изотонами, ядра с одинаковыми А и разными Z и N – изобарами.

Протоны и нейтроны объединяются общим названием нуклоны. Они являются типичными представителями целого класса микрообъектов — класса адронов. Для адронного уровня характерны масштабы R < 10 ^{– 15} м.

По современным представлениям, протон и нейтрон состоят из кварков и глюонов, то есть ядро – сложная система из большого количества кварков, глюонных полей, взаимодействующих друг с другом. Последовательное описание атомного ядра должно достигаться в рамках квантовой хромодинамики. Однако в силу своей сложности эта задача ещё не решена.

Атомное ядро окружено сравнительно рыхлой и легко перестраиваемой оболочкой из Z электронов . Именно электронные оболочки ответственны за химические и многие физические (в частности, оптические) свойства вещества. Это связано с тем, что электроны могут теряться атомом и присоединяться к нему, образуя положительно и отрицательно заряженные ионы. Кроме того, они могут переходить с одного энергетического уровня на другой, в результате чего атом будет испускать или погло­щать кванты света. Электрон – родоначальник класса лептонов, который содержит и другие частицы.

С квантовой точки зрения элементарные возбуждения электромагнитного поля обладают всеми свойствами частиц. Они называются фотонами. В классической физике считается, что электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством элект­ромагнитного поля, в квантовой теории оно рассматривается как результат обмена заряженных частиц виртуальными фотонами. Но наряду с электромагнитным взаимодействием, существуют и другие фундаментальные взаимодействия. Фотон – типичный представитель нового важ­нейшего класса микрообъектов — переносчиков взаимодействий.

Сравнительно недавно нуклоны, электроны и фотоны размещались на едином уровне элементарных частиц и рассматривались как его равноправные члены. Однако постепенно выяснилось, что протон и нейтрон (и вообще все адроны) являются составными микрообъектами. Они построены из некоторых более «мелких» частиц, которые обозначают символами и и d. Эти частицы принадлежат к классу кварков. Кроме и и d есть другие кварки, которые необходимы для построения других адронов, отличных от протона и нейтрона.

Сейчас, по традиции, продолжают говорить об элементарных частицах. Так назы­вают все субъядерные микрообъекты, хотя многие из них и не являются элементарными в первоначальном смысле этого слова. Данный термин повторил историю слова «атом», которое в переводе с греческого означает «неделимый».

Согласно современным воззрениям, единый ранее уровень элементарных частиц на самом деле оказывается расщепленным на два уровня. На верхнем из них – адронном – расположены составные частицы, в том числе протон р и нейтрон n. Самый нижний уровень – это уровень истинно элементарных частиц, часто называемых фундаментальными частицами. Именно на нем находятся электрон е^– (лептоны), фотон γ (переносчики взаимодействий), а также кварки.

Существуют ли еще более глубокие уровни строения материи, в настоящее время неизвестно, хотя такие возможности обсуждаются в научной литературе и даже строят­ся конкретные модели (субкварки, преоны, ришоны и др.). Этот важнейший вопрос может быть решен только экспериментально.