Какая самая маленькая частица, которую мы знаем?

Когда физики впервые столкнули электроны с протонами, они заметили, что электроны отскакивают от трех маленьких твердых ядер внутри протона. Ядра тогда назывались кварки. Кварки — это мельчайшие частицы, с которыми мы сталкивались в наших научных усилиях. Открытие кварков означало, что протоны и нейтроны больше не были фундаментальными.

Чтобы лучше это понять, давайте разберем кусок материи и обнаружим его составные части, удаляя каждый слой один за другим.

С высоты птичьего полета материя выглядит жесткой, а ее свойства легко измерить. Тем не менее, даже 6-летний ребенок может сделать вывод, что прочные опоры его тщательно спроектированного замка из песка состоят из миллиардов микроскопических песчинок.

Следующий вопрос: что представляет собой песчинка?

Рекомендуемое видео для вас:

Если вы хотите купить/лицензировать это видео, напишите нам по адресу admin@scienceabc.com.

Атом

Снимите еще один слой, и вы обнаружите четко организованную структуру атомов. Концепция атомов была впервые предложена греками, которые считали, что объекты можно бесконечно делить на половины, пока не останется одна неделимая частица материи.Эта крошечная единица не могла быть далее разделена и поэтому была названа «атомом», происходящим от греческого слова А-Томос: А для «нет» и Томос для «расщепляющихся» или делящихся. Удивительно, но теория не прошла хорошо. Большинство текстов об элементарных компонентах через несколько столетий были утеряны и найдены вновь. Прошло почти два тысячелетия, пока атом был признан реальным физическим базовым объектом. Предположение окончательно подтвердилось в 19 веке, когда химик Джон Дальтон провел серию сложных экспериментов с газами: средний диаметр атома составлял около 50 наносантиметров — миллионная часть песчинки. Атом был тогда самой маленькой вещью, известной человеку.

Субатомные частицы

Так было, конечно, только до 1897 года, когда сэр Дж.Дж. Томсон копнул глубже и открыл нечто еще более фундаментальное — электрон! Это было поистине революционное открытие, и пионеры электронной техники не могут отблагодарить его за это. «Средний» диаметр электрона оказался равным 0,00000000000001 сантиметра или в 2000 миллиардов раз меньше песчинки. Поскольку объекты электрически нейтральны, Томсон развил идею о том, что отрицательный заряд электронов должен нейтрализоваться небольшим сгустком положительного заряда, в который встроены электроны. Эта идея была справедливо отвергнута в 1911 году, когда Резерфорд бомбардировал тонкую золотую фольгу альфа-лучами и обнаружил, что атомы в основном пусты, но содержат концентрированный положительный центральный заряд. Он назвал этот центр атомным ядро и назвал положительно заряженную частицу a протон. Измерено, что «средний» диаметр протона в три раза меньше, чем у электрона, но с точки зрения массы он в 1837 раз тяжелее! Он также предположил, что электроны вращаются вокруг ядра, аналогично модели планет Солнечной системы.Однако шкала расстояний между центральной сущностью и теми, кто придерживается ее, в двух моделях демонстрировала астрономическое несоответствие. Но радость длилась не слишком долго. Вскоре химики открыли изотопы — элементы, химически неразличимые, но отличающиеся своей атомной массой. Казалось, что одна пара изотопов содержит одинаковое количество протонов, но имеет разную общую массу. Резерфорд объяснил это тем, что предложил новую элементарную частицу, немного тяжелее протона, но электрически нейтральную, и его предположение стало реальностью, когда Джеймс Чедвик открыл эту немногословную частицу — нейтрон — в 1932 году. Нейтроны и протоны оказались одинаково большими и массивными — примерно в 2000 раз больше размера электрона. Можем ли мы раздвинуть дело дальше? Я имею в виду, разве 0,000000000000001 сантиметра недостаточно?! Ну… не совсем.

Кварк

Мы построили прекрасные ускорители частиц для поиска частиц, которые еще более элементарны, чем электроны, протоны и нейтроны.

(Фото предоставлено Искателем / Youtube)

Ускорители разбивают субатомные частицы на огромных скоростях, в результате чего они разбиваются на составные части. Это похоже на изучение внутренних механизмов телевидения, когда его сбрасывают с крыши 20-этажного дома и тщательно исследуют сломанные компоненты. Когда физики впервые начали сталкивать электроны с протонами, они заметили, что электроны отскакивают от трех небольших твердых ядер внутри протона. Было обнаружено, что ядра представляют собой еще более мелкие частицы, из которых состоит протон. Эти элементарные частицы называются кварками, и открытие кварков означало, что протоны и нейтроны больше не были фундаментальными. Мы уже написали более подробную и захватывающую статью, специально посвященную свойствам и поведению кварков. Вы можете найти это здесь. Но можем ли мы копнуть глубже? Нет, мы не можем.

Элементарные частицы

Кварки — это мельчайшие единицы, с которыми мы столкнулись в наших научных усилиях через песчинку. Кварки и электроны, на самом деле, но подождите, почему электрон? Ну, в отличие от своих сверстников, электрон продолжает настаивать на том, чтобы быть действительно фундаментальной частицей. Он сопротивлялся дальнейшему разбиению на более элементарные части. Однако, если электроны и кварки фундаментальны, а кварки находятся в протонах, то как его радиус в три раза больше, чем у протона?! Радиус, который мы приписываем субатомной частице, возникает из определенных предположений. Например, когда предполагается, что массо-энергетический потенциал электрона полностью ограничен, его радиус оказывается больше, чем у протона. Было признано, что лучшим подходом к вычислению радиуса электрона является использование отношения масс протона/электрона. Используя эти отношения, мы находим, что радиус электрона примерно в десять раз меньше, чем мы думали раньше; миллиардная часть миллиардной сантиметра или 0,000000000000000001 см. По этой причине я использовал слово «средний» для описания физических свойств этих частиц. Радиус является размерной конструкцией и не имеет ничего общего с фактическим радиусом. Точно так же нам не повезло и с кварками. Они отказываются от изоляции, а если и остаются, то не длятся слишком долго. Некоторые живут всего лишь одну миллиардную миллиардной миллиардной доли секунды! Для разделения пары требуется так много энергии, что в конечном итоге она используется для образования двух кварков, которые связываются с исходными двумя! Не пугайтесь количества энергии здесь. Подумайте об этом так… вы буквально пытаетесь разорвать ткань самой реальности.

Почему наше представление о «размере» неверно?

Ментальный образ субатомной частицы, который мы вызываем в этих вопросах, просто неверен! Слово «частица» часто напоминает крошечный стальной или бильярдный шар, вездесущий в учебниках по физике.Однако его структура и поведение в таких крошечных размерах никак не напоминают наш повседневный опыт. В области квантовой механики определение формы не является однозначным. Их физические свойства невозможно точно измерить, а их существование в том или ином регионе можно определить только вероятностно. Тем не менее, ученые смогли провести несколько умных исследований, чтобы приблизить размер кварка. Наконец-то я смог узнать, что это примерно одна миллиардная миллиардной сантиметра, который находится в той же лиге, что и электрон. Модель, использованная в этих рассуждениях, до сих пор охватывала все, что было известно, с поразительной точностью. Она считается самой точной теорией в любой области. Конечно, как и любое другое в науке, это предположение не боится быть скомканным и отброшенным, когда уступает место новое. Ученые не боятся вернуться к чертежной доске, если есть доказательства. В данном случае открытие частицы внутри.