Субатомный уровень: 6. Мир субатомных частиц (Пол Девис)

13. Структура материи: молекулярный, атомный, субатомный уровни.

Основные, структурные уровни материи
таковы: субмикроэлементарный уровень— форма существования материи природы,
из которой рождаются элементарные
частицы (микроэлементарный уровень),
далее образуются ядра (ядерный уровень),
из ядер и электронов возникают атомы
(атомный уровень), а из них — молекулы
(молекулярный уровень), из молекул
формируются агрегаты — газообразные,
жидкие, твердые тела (макроскопический
уровень).

Молекулярный уровеньсоставляет
предмет молекулярной биологии, изучающей
строение белков, их функции как ферментов,
роль нуклеиновых кислот в хранении и
реализации генетической информации,
т. е. процессы синтеза ДНК, РНК и белков.

На этом уровне достигнуты большие успехи
в области биотехнологии и генной
инженерии.

Молекулярный уровень организации жизни
представлен разнообразными молекулами,
находящимися в живой клетке. Науки,
ведущие исследования: БиохимияБиофизикаМолекулярная
биологияМолекулярная
генетика

Атом— электронейтральная
частица, состоящая из положительно
заряженного ядра и компенсирующих его
заряд электронов. Атом выражает собой
тот предел структурного усложнения
частиц, когда электромагнитные волны
уже не могут образовывать структурные
элементы. Дальнейшее усложнение возможно
путем комбинации элементарных частиц
самих по себе — влияние гравитационных
сил становится ничтожным, основной
силой является сила электрического
взаимодействия. Атом состоит из более
мелких частиц, называемыхсубатомными
частицами—электронов,протонов,
все атомы, кромеводорода-1,
содержат такженейтроны.

На
субатомном
уровне
определяющую роль играют сильные
взаимодействия элементарных частиц.
Здесь иные пространственно — временные
понятия.

По современным космогоническим
представлениям Земля образовалась
примерно 4,6-4,7 млрд. лет назад из
захваченного притяжением Солнца
протопланетного облака. У Земли имеется
единственный спутник — Луна. ЗЕМЛЯ,
третья от Солнца большая планета
Солнечной системы. Благодаря своим
уникальным природным условиям Земля
стала местом, где возникла органическая
жизнь.

По форме Земля близка к эллипсоиду,
сплюснутому у полюсов и растянутому в
экваториальной зоне. Земля движется
вокруг Солнца период одного обращения
по орбите 365,24 солнечных суток. Ось
вращения наклонена к плоскости эклиптики
под углом 66° 33′ 22». Этот наклон и годовое
обращение Земли вокруг Солнца обусловливают
исключительно важную для климата Земли
смену времен года, а собственное ее
вращение — смену дня и ночи. Вращение
Земли из-за приливных воздействий
неуклонно замедляется. Площадь поверхности
Земли: 70,8% — Мировой океан, суша — 29,2%
(шесть материков и острова), горы-1/3
поверхности суши. Пустыни покрывают
около 20% поверхности суши, саванны и
редколесья — около 20%, леса — около 30%,
ледники — свыше 10%. Свыше 10% суши занято
под сельскохозяйственными угодьями.Температура в центральной части Земли
порядка 5000 °С. Максимальная температура
на поверхности приближается к 60 °С (в
тропических пустынях Африки и Северной
Америки), а минимальная составляет около
-90°С (в центральных районах Антарктиды).
Тепло из недр Земли передается к ее
поверхности благодаря теплопроводности
и конвекции. Земля окружена атмосферой.
Нижний ее слой (тропосфера) простирается
в среднем до высоты в 14 км. Слой от 14 до
50-55 км называют стратосферой. Еще выше
(примерно до 80-85 км) находится мезосфера,
над которой наблюдаются серебристые
облака. Для биологических процессов на
Земле огромное значение имеет озоносфера
— слой озона, находящийся на высоте от
12 до 50 км. Область выше 50-80 км называют
ионосферой. Атомы и молекулы в этом слое
интенсивно ионизируются под действием
солнечной радиации, в частности,
ультрафиолетового излучения. Если бы
не озоновый слой, потоки излучения
доходили бы до поверхности Земли,
производя разрушения в имеющихся там
живых организмах. Все происходящее в
недрах нашей планеты изучено пока еще
далеко не полно.

    

Субатомные частицы: квантовое царство | New-Science.ru

Внутри атома находится в основном пустое пространство, плотное ядро с величайшей силой, когда-либо известной, и частицы, называемые кварками, которые еще не были замечены. На самом деле, у кварков может быть нулевой размер, в то время как они перемещаются вокруг нейтронов и протонов почти со скоростью света. Электроны также находятся везде, где они могут быть, одновременно. Ну, квантовое царство — странное место.

Кварки внутри протонов и нейтронов настолько малы, что еще не были обнаружены никаким оборудованием. Самым мощным устройством в этом отношении является европейский ускоритель частиц, называемый Большим адронным коллайдером, который позволяет нам определять размеры объектов размером до 5 * 10 -20 м, то есть размером 1/2000 протона. Все, что меньше этого, может остаться незамеченным, а кварки могут быть меньше.

Насколько велики кварки?

Кварк необязательно должен иметь размер 5 * 10 -20 м. Он может даже иметь нулевой размер, но это тоже теория. Если рассматривать эту теорию как реальность, протон может быть размером с баскетбольный мяч, а три кварка — размером с три маленькие песчинки или даже меньше. Кварки движутся вокруг протона или нейтрона почти со скоростью света. Как и атом, протон и нейтрон также состоят из пустого пространства.

Однако силы, удерживающие кварки вместе, огромны. В отличие от Земли, внутри протона нет ни поля, ни гравитации.

Силы в квантовом мире

Вещи в мире субатомных частиц не так легко представить и понять, как вещи, происходящие на Земле. В 1940-х годах американский физик Ричард Фейнман начал исследовать субатомные силы. Он обнаружил, что, скажем, в протоне нет гравитационного поля. Вместо этого частицы толкались, испуская и поглощая частицы.

Движения и силы внутри атомного ядра нелегко описать с помощью гравитационных полей и законов.

В протоне или нейтроне есть частица, несущая силу и удерживающую протон вместе. Он действует как клей и поэтому называется глюоном. Глюон — это то, что кварки излучают и поглощают. Следовательно, внутри протона не только движущиеся кварки. Есть также глюоны, прыгающие вперед и назад между кварками, а некоторые глюоны даже взаимодействуют с другими глюонами. Пустое место в протонах, нейтронах и атоме все еще остается. Итак, откуда берется масса?

Масса и энергия

Все состоит из атомов, и все имеет массу. Однако атом по сути является пустым пространством. Протоны и нейтроны имеют почти одинаковую массу и в общем называются нуклонами. Масса нуклона примерно в 1836 раз больше массы электрона. Если округлить массу до 2000, электроны можно не учитывать. Масса объекта почти равна к сумме масс нуклонов, создающих этот объект. Но и нуклоны тоже имейте значительное пустое пространство внутри.

Глюоны безмассовые, поэтому каждый кварк должен иметь массу, равную одной трети нуклона, но это не так. Сумма массы всех кварков в объекте составляет около 2% от общей суммы. Скорость кварков близка к скорости света, то есть они содержат значительную кинетическую энергию. Кварки масштабируются в пространстве 10-15 м в поперечном направлении, и содержание такого быстрого объекта в таком маленьком месте требует огромных усилий, а значит, создает массу потенциальной энергии.

Относительность в субатомных частицах

Кварки состоят из 2% массы и 98% потенциальной и кинетической энергии. Уравнение относительности Эйнштейна, то есть E = mc2, утверждает, что энергия и масса эквивалентны. Таким образом, 2% массы любого объекта — это масса кварков, а остальные 98% — это исключительно энергия. По сути, все это в основном силовые поля, а не «материал», имеющий массу.

Около 98% массы всего сущего состоит из экстремальной энергии протонов и нейтронов, а не из массы кварков внутри них.

В атоме есть нечто большее: виртуальные частицы вещества и антивещества, которые существуют всего лишь мгновение. Они усложняют представление, поскольку появляются повсюду во Вселенной, от глубокого космоса до ядра атомов.

Окончательным изображением объекта будет, главным образом, энергия, удерживаемая вместе силовыми полями в протонах и нейтронах, ядрах, атомах и молекулах, создающих объект. Это объяснимо в квантовом царстве. Науке предстоит многое сделать, чтобы завершить этот образ и узнать, что на самом деле происходит в любом масштабе окружающего мира или в нас.

Общие вопросы о субатомных частицах

Сколько существует субатомных частиц?
На данный момент открыто 36 подтвержденных элементарных частиц. Они также включают в себя античастицы. Субатомные частицы бывают двух типов: элементарные и составные. Они могут длиться всего несколько секунд и обнаруживаться повсюду во Вселенной, а не только внутри ядра атома.

Какие силы удерживают вместе субатомные частицы?
Субатомные частицы удерживаются вместе двумя типами сил: ядерной силой и электромагнитной силой. Это самая мощная сила, известная человечеству. Он должен удерживать частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, в чрезвычайно маленьком пространстве, так что это самая сильная сила, обнаруженная до сих пор.

Что такое 12 элементарных частиц?
Существует более 12 субатомных частиц, но 12 основных включают шесть кварков (верхний, нижний, странный, очарованный, красивый и истинный), три электрона (электрон, мюон, тау) и три нейтрино (электрон, мюон, тау).

Что такое кварк?
Кварк — это субатомная частица, находящаяся внутри протонов и нейтронов. Они значительно меньше протонов, поэтому внутри протонов и нейтронов остается много пустого места. Кварки имеют 2% массы и 98% энергии, но они создают тяжелую массу нуклонов, согласно теории относительности Эйнштейна.

2.3: Атомы и субатомные частицы

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    213160

    • Цели обучения

    • Дайте определение атому и субатомной частице.
    • Опишите расположение, заряды и относительные массы протонов и электронов.
    • Определить количество протонов и электронов в элементе.

    Атом  определяется как наименьшая единица элемента, которая все еще обладает свойствами этого элемента. Например, кусок алюминиевой фольги блестящий, серебристого цвета, легкий и проводит тепло и электричество. Если этот кусок фольги разорвать пополам, каждая из этих половинок будет иметь те же характеристики, что и исходный кусок. Каждая половина может быть разделена снова и снова, и каждый новый фрагмент будет сохранять те же свойства, пока не будет достигнут атомный уровень.

    Идея атома была впервые введена греческим философом Демокритом в 450 г. до н.э. Однако его теории были в значительной степени забыты до начала 1800-х годов, когда Джон Дальтон использовал концепцию атома, чтобы объяснить, почему элементы, казалось, объединялись в целочисленных отношениях. Как упоминалось в первом разделе этой главы, эти отношения обозначаются нижними индексами химических формул, и вывод этих отношений будет обсуждаться более подробно в следующей главе. По мере того, как теории Дальтона становились все более популярными, дополнительные ученые пытались доказать существование этих маленьких частиц и в конечном итоге добились успеха. В ходе этих исследований было установлено, что атомы электрически нейтральны, что означает, что они не несут общего заряда, и считались неделимыми.

    Хотя позже было доказано, что первое открытие было верным, второе оказалось неверным. Вопреки тому, во что верили Дальтон и его современники, атомы на самом деле могут быть разбиты на более мелкие единицы, называемые субатомными частицами . В конечном итоге были обнаружены три основных типа субатомных частиц.

    Электроны

    Электроны , которые были впервые обнаружены в 1897 году, являются отрицательно заряженными субатомными частицами и поэтому обозначаются с помощью обозначения «e − ». В частности, каждый электрон несет заряд −1. Электроны имеют невероятно малую массу, но занимают большую часть объема атома. Первоначально ученые считали, что электроны представляют собой крошечные частицы, беспорядочно распределенные по значительному объему. точно так же, как капли дождя — это маленькие кусочки воды, разбросанные по дождевым облакам. Однако позже было доказано, что эта концепция «электронного облака» неверна. Эта теория будет пересмотрена и исправлена ​​в следующем разделе этой главы. 

    Электроны очень важны, потому что определенное подмножество электронов, называемое валентными электронами , полностью определяет, как элементы взаимодействуют или связывают друг с другом. Концепция связи находится в центре внимания главы 3 этого текста.

    Протоны

    Протоны , открытые в 1919 году, представляют собой субатомные частицы, каждая из которых несет заряд +1 и, соответственно, обозначается с помощью обозначения «p + «. Протоны в 2000 раз массивнее электронов. Это соотношение можно приблизительно определить, сравнив массу шара для боулинга с массой пенни. Однако, несмотря на свою относительно большую массу, протоны занимают очень небольшой процент от объема атома. Плотно упакованное пространство в центре атома, в котором находятся протоны, называется ядро ​​ . Поговорку «противоположности притягиваются» можно использовать для объяснения того, почему электроны остаются закрепленными внутри атомов. Поскольку центральное пространство внутри атома заряжено положительно, все отрицательно заряженные электроны внутри этого атома будут притягиваться и, следовательно, связываться внутри атома с ядром.

    Напомним, что атомный номер элемента определяется как количество протонов, содержащихся в атоме этого элемента. Следовательно, поскольку атомные номера являются уникальными значениями, идентичность элемента зависит исключительно от числа протонов, присутствующих в атоме этого элемента. Например, каждый атом углерода С, существующий в известной Вселенной, имеет определил как содержащий 6 протонов, потому что его атомный номер равен 6, а никакой другой элемент не может содержать ровно 6 протонов. Кроме того, выше было указано, что атомы в целом электрически нейтральны, но содержат как электроны, так и протоны, которые являются заряженными частицами. Чтобы вся эта информация оставалась достоверной, количество положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов в атоме должно быть равным, чтобы их совокупные заряды эффективно «уравновешивались» до нулевого или нейтрального заряда. Следовательно, атомный номер элемента должен указывать не только количество протонов, находящихся в атоме этого элемента, но также и количество электронов, содержащихся в атоме этого элемента.

    Пример \(\PageIndex{1}\)

    Используйте периодическую таблицу, чтобы определить количество протонов и количество электронов, содержащихся в атоме каждого из следующих элементов.

    1. Кремний
    2. CD
    3. Бром

    Решения

    Количество протонов в атоме определяется атомным номером элемента, который находится над символом элемента в прямоугольнике периодической таблицы. Кроме того, поскольку атом должен иметь общий нейтральный заряд, количество протонов и электронов, находящихся внутри атома элемента, должно быть равным.

    1. Поскольку кремний Si имеет атомный номер 14, каждый атом кремния содержит 14 протонов и 14 электронов .
    2. Поскольку Cd, кадмий, имеет атомный номер 48, каждый атом кадмия содержит 48 протонов и 48 электронов .
    3. Поскольку бром Br имеет атомный номер 35, каждый атом брома содержит 35 протонов и 35 электронов .

    Нейтроны

    Последний тип субатомной частицы, нейтрон , будет обсуждаться в следующем разделе.

    1. Наверх
      • Была ли эта статья полезной?
      1. Тип изделия
        Раздел или Страница
        Показать страницу TOC
        № на стр.
      2. Теги
          На этой странице нет тегов.

      Субатомное определение и значение | Dictionary.com

      • Основные определения
      • Викторина
      • Связанный контент
      • Примеры
      • Британский
      • Культурный

      Показывает уровень сложности слова.

      [suhb-uh-tom-ik]

      / ˌsʌb əˈtɒm ɪk /

      Сохрани это слово!

      См. синонимы слова субатомный на сайте Thesaurus.com

      Показывает уровень обучения в зависимости от сложности слова.

      прилагательное Физика.

      процесса, происходящего внутри атома, или относящегося к нему.

      Отмечающий или относящийся к частице или частицам, содержащимся в атоме, таким как электроны, протоны или нейтроны.

      ВИКТОРИНА

      ВЫ ПРОЙДЕТЕ ЭТИ ГРАММАТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИЛИ НАТЯНУТСЯ?

      Плавно переходите к этим распространенным грамматическим ошибкам, которые ставят многих людей в тупик. Удачи!

      Вопрос 1 из 7

      Заполните пропуск: Я не могу понять, что _____ подарил мне этот подарок.

      Происхождение субатомного

      Впервые зафиксировано в 1900-05 гг.; sub- + atomic

      Слова рядом с subatomic

      subassembly, subastral, subastringent, subatmospheric, subatomic, subatomic, subatomic частица, субатомные частицы, subaudition, subauricular, subaxillary

      Dictionary.com Unabridged
      Основано на словаре Random House Unabridged Dictionary, © Random House, Inc., 2022 г.

      Слова, относящиеся к субатомному

      атомный, бесконечно малый, маленький, минутный

      Как использовать субатомный в предложении

      • Дополнительные ингредиенты этого огромного космоса в конечном счете состоят из нескольких субатомных частиц, или, точнее, ответственных квантовых полей для этих частиц.

        «Основы» показывают, как реальность строится из нескольких основных ингредиентов|Том Зигфрид|26 января 2021|Новости науки

      • Субатомная случайность, которая придает этим драгоценным веществам их мощные эффекты, трудно смоделировать с помощью обычных компьютеров, которые состоят из простых переключателей включения-выключения, известных как биты.

        Квантовые вычисления могут выйти на рынок к 2023 году, говорит генеральный директор IBM|dzanemorris|1 декабря 2020|Fortune

      • Эти посланники космического взрыва, легкие субатомные частицы, называемые нейтрино, открыли множество новой информации о сверхновых.

        Гигантские лазеры помогают воссоздать загадочную взрывчатую физику сверхновых|Эмили Коновер|12 ноября 2020|Новости науки

      • Глобальные группы, в каждой из которых работают десятки и тысячи ученых, сегодня проводят самые передовые исследования — будь то субатомные частицы или редактирование генов.

        Нобели науки застряли в 20-м веке?|Чару Кастури|11 октября 2020|Ози

      • Если новые тесты и предсказания кажутся точными, то несоответствие может указывать на какую-то новую субатомную частицу.

        Экзотический «атом» позитрония удивляет ученых|Эмили Коновер|23 сентября 2020 г.|Новости науки для студентов

      • Оказывается, Вильямсбург — не лучшее место для изучения субатомных частиц.

        Мэр Блумберг, Крис Кристи, Андерсон Купер и другие вирусные видео|Видео The Daily Beast|7 июля 2012 г.|DAILY BEAST

      • Что ж, сегодня физики, вглядываясь в бесконечно малые сферы субатомных частиц, находят подтверждения религиозной веры.

        Полные адреса Союза с 1790 по 2006 год | Различные

      Британские определения словаря для субатомного

      Субатомного

      / (ˌsʌbəˈmkk) /

      / (ˌsʌbəˈmk) /

      / (ˌsʌbəˈmk) /

      ,

      ,

      ,

      ,

      ,

      . атом или процесс, происходящий внутри атомаэлектрон является субатомной частицей

      с размерами меньше атомных

      Collins English Dictionary — Complete & Unabridged 2012 Digital Edition
      © William Collins Sons & Co. Ltd., 1979, 1986 © HarperCollins
      Publishers 1998, 2000, 2003, 2005, 2006, 2007, 2009, 2012

      Культурные определения субатомных

      субатомных

      Описательный термин для объектов и событий внутри атома.