კვარკები და რვაჯერადი გზა. რისგან შედგება ყველაფერი ელემენტარული ნაწილაკების სახელების გამოყენებით

>> ატომები. იონები. ქიმიური ელემენტები. ცნობისმოყვარეებისთვის. ქიმიური ელემენტები ცოცხალ ბუნებაში

ატომები. იონები. ქიმიური ელემენტები

ამ პუნქტში მოცემული მასალა დაგეხმარებათ:

> გაარკვიე რა სტრუქტურა აქვს ატომი;
> გაიგოს განსხვავება ატომსა და იონს შორის;
> ვისწავლოთ ქიმიური ელემენტების სახელები და აღნიშვნები - გარკვეული ტიპის ატომები;
> გამოიყენე დ.ი. მენდელეევის პერიოდული სისტემა ქიმიური ელემენტების შესახებ ინფორმაციის წყაროდ.

ატომები.

ძველი ბერძენი ფილოსოფოსები ფიქრობდნენ ნივთიერებებზე და მათ სტრუქტურაზე. ისინი ამას ამტკიცებდნენ ნივთიერებებიშედგება ატომებისგან - უხილავი და განუყოფელი ნაწილაკებისგან და მათი შეერთების შედეგად ჩამოყალიბდა და არსებობს გარემომცველი სამყარო.

1 სახლში ფილტრი შეიძლება იყოს ბამბა ან ბინტი რამდენჯერმე დაკეცილი. ფილტრი უნდა მოთავსდეს საყოფაცხოვრებო სარწყავ ჭურჭელში.

ბერძნულიდან თარგმნილი სიტყვა "ატომი" ნიშნავს "განუყოფელს".

ატომების არსებობა მხოლოდ მე-19 საუკუნეში დადასტურდა. რთული ფიზიკური ექსპერიმენტების გამოყენებით. ამავე დროს, დადგინდა, რომ ატომი არ არის უწყვეტი, მონოლითური ნაწილაკი. იგი შედგება ბირთვისა და ელექტრონებისგან. 1911 წელს შემოგვთავაზეს ატომის ერთ-ერთი პირველი მოდელი - პლანეტარული. ამ მოდელის მიხედვით, ბირთვი მდებარეობს ატომის ცენტრში და იკავებს მისი მოცულობის მცირე ნაწილს და ელექტრონები მოძრაობენ ბირთვის გარშემო გარკვეულ ორბიტებზე, ისევე როგორც პლანეტები მზის გარშემო (სურ. 32).

ელექტრონი ათასობითჯერ უფრო მცირეა ვიდრე ატომის ბირთვი. ეს არის უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკი. მისი მუხტი ყველაზე პატარაა, რაც ბუნებაში არსებობს. მაშასადამე, ელექტრონის მუხტის სიდიდე ფიზიკოსებიაღებულია, როგორც უმცირესი ნაწილაკების მუხტის საზომი ერთეული (ელექტრონების გარდა, არის სხვა ნაწილაკები). ამრიგად, ელექტრონის მუხტი არის - 1. ეს ნაწილაკი აღინიშნება შემდეგნაირად: .

ატომის ბირთვი დადებითად არის დამუხტული. ბირთვის მუხტი და ატომის ყველა ელექტრონის მთლიანი მუხტი ტოლია სიდიდით, მაგრამ საპირისპირო ნიშნით. ამიტომ ატომი ელექტრულად ნეიტრალურია. თუ ატომის ბირთვის მუხტი არის +1, მაშინ ასეთი ატომი შეიცავს ერთ ელექტრონს, თუ +2 - ორ ელექტრონს და ა.შ.

ბრინჯი. 32. უმარტივესი ატომის აგებულება (პლანეტარული მოდელი)

ატომი არის მატერიის უმცირესი ელექტრულად ნეიტრალური ნაწილაკი, რომელიც შედგება დადებითად დამუხტული ბირთვისა და უარყოფითად დამუხტული ელექტრონებისგან, რომლებიც მოძრაობენ მის გარშემო.

იონები.

ატომს გარკვეულ პირობებში შეუძლია დაკარგოს ან მოიპოვოს ერთი ან მეტი ელექტრონი. ამავე დროს, იგი იქცევა დადებითად ან უარყოფითად დამუხტულ ნაწილაკად - იონ 1.

იონი არის დამუხტული ნაწილაკი, რომელიც წარმოიქმნება ატომის მიერ ერთი ან მეტი ელექტრონის დაკარგვის ან მოპოვების შედეგად.

1 სიტყვა „იონი“ ბერძნულად ნიშნავს „წასვლას“. ელექტრული ნეიტრალური ატომისგან განსხვავებით, იონს შეუძლია ელექტრულ ველში გადაადგილება.

თუ ატომმა დაკარგა ერთი ელექტრონი, მაშინ წარმოიქმნება იონი +1 მუხტით, ხოლო თუ ის მოიპოვებს ელექტრონს, მაშინ იონის მუხტი იქნება - I-ის ტოლი (სქემა 5). თუ ატომი კარგავს ან მოიპოვებს ორს
ელექტრონები, იონები წარმოიქმნება მუხტით +2 ან -2, შესაბამისად.

სქემა 5. იონების წარმოქმნა ატომებიდან

ასევე არსებობს იონები, რომლებიც წარმოიქმნება რამდენიმე ატომისგან.

ქიმიური ელემენტები.

სამყაროში ატომების უსასრულო რაოდენობაა. ისინი გამოირჩევიან ბირთვების მუხტით.

ატომის ტიპს გარკვეული ბირთვული მუხტით ეწოდება ქიმიური ელემენტი.

+1 ბირთვული მუხტის მქონე ატომები მიეკუთვნება ერთ ქიმიურ ელემენტს, მუხტით +2 სხვა ელემენტს და ა.შ.

ამჟამად ცნობილია 115 ქიმიური ელემენტი. მათი ატომების ბირთვული მუხტები მერყეობს +1-დან +112-მდე, ასევე +114, +116 და +118-მდე.

ბუნებაში თითქმის 90 ელემენტია, დანარჩენი (ჩვეულებრივ, ატომური ბირთვების ყველაზე მაღალი მუხტის მქონე ელემენტები) ადამიანის მიერ შექმნილი ელემენტებია. მათ მეცნიერები იღებენ უნიკალური კვლევითი აღჭურვილობის გამოყენებით. ხელოვნური ელემენტების ატომების ბირთვები არასტაბილურია და სწრაფად იშლება.

ქიმიური ელემენტების, ატომების და იონების სახელები.

თითოეულ ქიმიურ ელემენტს აქვს სახელი. ელემენტების თანამედროვე სახელები მომდინარეობს ლათინური სახელებიდან (ცხრილი I). ისინი ყოველთვის დიდი ასოებით იწერება.

ცხრილი I

ბოლო დრომდე 18 ელემენტს ჰქონდა სხვა (ტრადიციული) სახელები, რომლებიც გვხვდება ადრე გამოქვეყნებულ ქიმიის სახელმძღვანელოებში, ისევე როგორც ცხრილში I. მაგალითად, ერთ-ერთი ელემენტის ტრადიციული სახელია წყალბადი, ხოლო თანამედროვე სახელწოდება არის წყალბადი.

ელემენტების სახელები ასევე გამოიყენება შესაბამისი ნაწილაკებისთვის: წყალბადის ატომი ( წყალბადის), წყალბადის (წყალბადის) იონი.

რამდენიმე ატომისგან წარმოქმნილი იონების სახელებს მოგვიანებით შეიტყობთ.

ქიმიური ელემენტების სახელებს განსხვავებული წარმოშობა აქვს. ზოგი ასოცირდება ნივთიერების სახელებთან ან თვისებებთან (ფერი, სუნი), ზოგიც პლანეტების, ქვეყნების სახელებთან და ა.შ. არის ელემენტები, რომლებიც გამოჩენილი მეცნიერების სახელს ატარებს. ზოგიერთი სახელის წარმოშობა უცნობია, რადგან ისინი დიდი ხნის წინ გაჩნდა.

Ეს საინტერესოა

ერთ-ერთი ელემენტის თანამედროვე სახელია მერკური. იგი განსხვავდება ლათინური სახელწოდებისგან (Hydrargyrum), მაგრამ ახლოს არის ინგლისურთან (Mercury) და ფრანგულთან (Mercure).

რას ფიქრობთ ასეთი ელემენტების სახელების წარმოშობაზე: ევროპიუმი, ფრანციუმი, ნეპტუნიუმი, პრომეთიუმი, მენდელევიუმი?

Ეს საინტერესოა

ელემენტების სიმბოლოები ყველა ქვეყანაში ერთნაირია.

ქიმიური ელემენტების სიმბოლოები.

თითოეულ ელემენტს, გარდა სახელისა, ასევე აქვს შემოკლებული აღნიშვნა - სიმბოლო ან ნიშანი. დღესდღეობით ისინი იყენებენ ელემენტების სიმბოლოებს, რომლებიც შემოთავაზებული იყო ცნობილი შვედი ქიმიკოსის J. J. Berzelius (1779-1848) მიერ თითქმის 200 წლის წინ. ისინი შედგება ერთი ლათინური ასოსგან (პირველი ელემენტების ლათინურ სახელებში) ან ორი1. I ცხრილში ასეთი ასოები მონიშნულია დახრილებით ელემენტების სახელებში.

ბრინჯი. 33. პერიოდული ცხრილის უჯრა

თითქმის ყველა ელემენტის სიმბოლოების გამოთქმა ემთხვევა მათ სახელებს. მაგალითად, იოდის I ელემენტის სიმბოლო იკითხება "iod" და არა "i", ხოლო ელემენტის სიმბოლო Ferrum Fe იკითხება "ferum" ვიდრე "fe". ყველა გამონაკლისი შეგროვებულია I ცხრილში.

ზოგიერთ შემთხვევაში გამოიყენება ქიმიური ელემენტის ზოგადი აღნიშვნა - E.

მენდელეევის პერიოდულ სისტემაში ქიმიური ელემენტების სიმბოლოები და სახელებია.

მენდელეევის ქიმიური ელემენტების პერიოდული ცხრილი .

1869 წელს რუსმა ქიმიკოსმა დიმიტრი ივანოვიჩ მენდელეევმა შესთავაზა ცხრილი, რომელშიც მან მოათავსა იმ დროისთვის ცნობილი 63 ელემენტი. ამ ცხრილს ეწოდა ქიმიური ელემენტების პერიოდული სისტემა.
ჩვენი სახელმძღვანელო შეიცავს მის ორ ვერსიას: მოკლე (endpaper I) და long (endpaper II).

პერიოდულ ცხრილს აქვს ჰორიზონტალური რიგები, რომელსაც პერიოდები ეწოდება და ვერტიკალური სვეტები, რომელსაც ეწოდება ჯგუფები. იკვეთება, ისინი ქმნიან უჯრედებს, რომლებიც შეიცავს ყველაზე მნიშვნელოვან ინფორმაციას ქიმიური ელემენტების შესახებ.

თითოეული უჯრედი დანომრილია. შეიცავს ელემენტის სიმბოლოს, მის ქვეშ კი - სახელს (სურ. 33).

1 ახლახან აღმოჩენილი ოთხი ელემენტის სიმბოლოები სამი ასოსგან შედგება.

დიმიტრი ივანოვიჩ მენდელეევი (1834-1907)

გამოჩენილი ქიმიკოსი, მრავალი ქვეყნის მეცნიერებათა აკადემიის წევრი და საპატიო წევრი. 1869 წელს, 35 წლის ასაკში, მან შექმნა ქიმიური ელემენტების პერიოდული სისტემა (სისტემა) და აღმოაჩინა პერიოდული კანონი - ქიმიის ფუნდამენტური კანონი. პერიოდული კანონის საფუძველზე მან ქიმია გამოკვეთა თავის სახელმძღვანელოში „ქიმიის საფუძვლები“, რომელიც არაერთხელ დაიბეჭდა რუსეთში და სხვა ქვეყნებში. ჩაატარა ამონახსნები და შეიმუშავა მათი სტრუქტურის თეორია (1865-1887 წწ.). გამოიტანეს აირის მდგომარეობის ზოგადი განტოლება (1874 წ.). მან შემოგვთავაზა ნავთობის წარმოშობის თეორია, შეიმუშავა უკვამლო დენთის წარმოების ტექნოლოგია და მნიშვნელოვანი წვლილი შეიტანა გაზომვების მეცნიერების - მეტროლოგიის განვითარებაში.

უჯრედის ნომერი ეწოდება მასში მოთავსებული ელემენტის სერიულ ნომერს. მისი ზოგადი აღნიშვნაა Z. გამოთქმა „ნეონის ელემენტის სერიული ნომერი არის 10“ შემოკლებულია შემდეგნაირად: Z(Ne) = 10. ელემენტის სერიული ნომერი ემთხვევა მისი ატომის ბირთვის მუხტს და რიცხვს. მასში არსებული ელექტრონები.

პერიოდულ სისტემაში ყველა ელემენტი განლაგებულია ატომის ბირთვების მუხტის გაზრდის მიზნით.

ასე რომ, D.I. მენდელეევის პერიოდული ცხრილიდან შეგიძლიათ მიიღოთ შემდეგი ინფორმაცია ქიმიური ელემენტის შესახებ:

სიმბოლო;
სახელი;
სერიული ნომერი;
ატომის ბირთვის მუხტი;
ელექტრონების რაოდენობა ატომში;
პერიოდის რაოდენობა, რომელშიც ელემენტი მდებარეობს;
ჯგუფის ნომერი, რომელშიც ის მოთავსებულია.

პერიოდულ სისტემაში იპოვეთ ელემენტი სერიული ნომრით 5 და ჩაწერეთ ინფორმაცია მის შესახებ რვეულში.

ქიმიური ელემენტების გავრცელება.

ზოგიერთი ელემენტი ბუნებაში გვხვდება „ყოველ ნაბიჯზე“, ზოგი კი უკიდურესად იშვიათია. ელემენტის სიმრავლე ჰაერში, წყალში, ნიადაგში და ა.შ ფასდება მისი ატომების რაოდენობის სხვა ელემენტების ატომების რაოდენობის შედარებით.

ვლადიმერ ივანოვიჩ ვერნადსკი (1863-1945)

რუსი და უკრაინელი ბუნებისმეცნიერი, სსრკ მეცნიერებათა აკადემიისა და უკრაინის მეცნიერებათა აკადემიის აკადემიკოსი, უკრაინის მეცნიერებათა აკადემიის პირველი პრეზიდენტი (1919). გეოქიმიის ერთ-ერთი ფუძემდებელი. მან წამოაყენა მინერალების წარმოშობის თეორია. მან შეისწავლა ცოცხალი ორგანიზმების როლი გეოქიმიურ პროცესებში. შეიმუშავა დოქტრინა ბიოსფეროსა და ნოოსფეროს შესახებ. მან შეისწავლა ლითოსფეროს, ჰიდროსფეროსა და ატმოსფეროს ქიმიური შემადგენლობა. რამდენიმე კვლევითი ცენტრის ორგანიზატორი. გეოქიმიკოსთა სკოლის დამფუძნებელი.

ელემენტების განაწილებას ჩვენი პლანეტის სხვადასხვა კუთხეში სწავლობს გეოქიმიის მეცნიერება. მის განვითარებაში მნიშვნელოვანი წვლილი შეიტანა გამოჩენილმა რუსმა მეცნიერმა V.I.

ატმოსფერო თითქმის მთლიანად შედგება ორი აირისგან - აზოტისა და ჟანგბადისგან. ჰაერში ოთხჯერ მეტი აზოტის მოლეკულაა, ვიდრე მოლეკულებიჟანგბადი ამიტომ, ატმოსფეროში გავრცელებით პირველ ადგილს იკავებს ელემენტი აზოტი, ხოლო მეორე - ჟანგბადი.

ჰიდროსფერო არის მდინარეები, ტბები, ზღვები, ოკეანეები, რომლებშიც მცირე რაოდენობითაა მყარი და გაზები. წყლის მოლეკულის შემადგენლობის გათვალისწინებით, ადვილია დასკვნამდე მისვლა, რომ ჰიდროსფერო შეიცავს ყველაზე მეტ წყალბადის ატომს.

ლითოსფერო, ანუ დედამიწის ქერქი, არის დედამიწის მყარი ზედაპირული ფენა. ის შეიცავს ბევრ ელემენტს. ყველაზე გავრცელებულია ჟანგბადი (ყველა ატომის 58%), სილიციუმი (19,6%) და ალუმინი (6,4%).

იგივე ელემენტები არსებობს სამყაროში, როგორც ჩვენს პლანეტაზე. მასში სიმრავლის პირველი და მეორე ადგილები წყალბადს (ყველა ატომის 92%) და ჰელიუმს (7%) უკავია - ელემენტები, რომელთა ატომებს აქვთ უმარტივესი სტრუქტურა.

დასკვნები

ატომი არის ნივთიერების ყველაზე პატარა ელექტრულად ნეიტრალური ნაწილაკი, რომელიც შედგება დადებითად დამუხტული ბირთვისა და უარყოფითად დამუხტული ელექტრონებისგან.

იონი არის დადებითად ან უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკი, რომელიც წარმოიქმნება ატომის მიერ ერთი ან მეტი ელექტრონის დაკარგვის ან მოპოვების შედეგად.

ატომის ტიპს გარკვეული ბირთვული მუხტით ეწოდება ქიმიური ელემენტი. თითოეულ ელემენტს აქვს სახელი და სიმბოლო.

ყველაზე მნიშვნელოვან ინფორმაციას ქიმიური ელემენტების შესახებ შეიცავს რუსი მეცნიერის დ.ი.

ბუნებაში თითქმის 90 ქიმიური ელემენტია; ისინი განსხვავდებიან გავრცელებით.

?
37. აღწერეთ ატომის აგებულება.
38. განსაზღვრეთ იონი. როგორ წარმოიქმნება ეს ნაწილაკი ატომისგან?
39. რა არის ქიმიური ელემენტი? რატომ არ შეიძლება მისი იდენტიფიცირება ატომთან ან ნივთიერებასთან?
40. გარდაიქმნება თუ არა ერთი ელემენტი მეორეში, თუ ატომი დაკარგავს (მოიპოვებს) ელექტრონს? Განმარტე შენი პასუხი.
41. იპოვეთ და წაიკითხეთ პერიოდულ სისტემაში ქიმიური ელემენტების შემდეგი სიმბოლოები: Li, H, Al, 0, C, Na, S, Cu, Ag, N, Au. დაასახელეთ ეს ელემენტები.
42. რომელი სიმბოლო შეესაბამება ფერუმს (F, Fr, Fe), სილიციუმს (C, Cl, S, Si, Sc), ნახშირბადს (K, C, Co, Ca, Cr, Kr)?
43. პერიოდული ცხრილიდან ჩამოწერეთ ყველა ელემენტის სიმბოლო, რომელიც იწყება ასო A. რამდენი ასეთი ელემენტია?
44. მოამზადეთ მოკლე მოხსენება წყალბადის, ჰელიუმის ან სხვა ელემენტის სახელების წარმოშობის შესახებ.
45. შეავსეთ ცარიელი ადგილები: ა) ზ(...) = 8, ზ(...) = 12; ბ) Z(C) = ..., Z(Na) = ...
46. ​​შეავსეთ ცხრილი:

47. აბზაცის ტექსტში მოცემული მონაცემების გამოყენებით დაადგინეთ დაახლოებით რამდენი ჟანგბადის ატომია დედამიწის ქერქში სილიციუმის I ატომზე და ალუმინის I ატომზე.

ცნობისმოყვარეებისთვის

ქიმიური ელემენტები ცოცხალ ბუნებაში დადგენილია, რომ მცენარეთა მასის საშუალოდ 80% წყალია. ეს ნივთიერება ასევე ჭარბობს ცხოველთა და ადამიანის ორგანიზმებში. შესაბამისად, ცოცხალ ბუნებაში, ისევე როგორც ჰიდროსფეროში, ყველაზე გავრცელებული ელემენტია წყალბადი.

ბრინჯი. 34. ქიმიური ელემენტები ზრდასრულთა სხეულში (ატომების საერთო რაოდენობის პროცენტულად)

ადამიანის ორგანიზმს 20-ზე მეტი ქიმიური ელემენტი სჭირდება. მათ ბიოელემენტებს უწოდებენ (სურ. 34). ისინი გვხვდება ჰაერში, წყალში და ბევრ ნივთიერებაში, რომლებიც ორგანიზმში შედის საკვებით. ნახშირბადი, ჟანგბადი, წყალბადი, აზოტი, გოგირდი გვხვდება ცილებში და სხვა ნივთიერებებში, რომლებიც ქმნიან ორგანიზმს. კალიუმი და ნატრიუმი გვხვდება სისხლში, უჯრედულ სითხეებში და ა.შ. ჟანგბადი, ფოსფორი და კალციუმი აუცილებელია ძვლის ფორმირებისთვის. ფერუმი, ფტორი, იოდი ძალიან მნიშვნელოვანია ადამიანისთვის. ორგანიზმში ფერუმის ნაკლებობა იწვევს ანემიას, ფლუორი იწვევს კარიესს, ხოლო იოდი ანელებს ბავშვის გონებრივ განვითარებას.

ფიზიკა-მათემატიკის მეცნიერებათა დოქტორი მ. კაგანოვი.

ჟურნალი „მეცნიერება და ცხოვრება“ დიდი ხნის ტრადიციის მიხედვით საუბრობს თანამედროვე მეცნიერების უახლეს მიღწევებზე, ფიზიკის, ბიოლოგიისა და მედიცინის სფეროში უახლეს აღმოჩენებზე. მაგრამ იმისათვის, რომ გავიგოთ, რამდენად მნიშვნელოვანი და საინტერესოა ისინი, აუცილებელია მეცნიერების საფუძვლების ზოგადი გაგება მაინც. თანამედროვე ფიზიკა სწრაფად ვითარდება და უფროსი თაობის ადამიანები, რომლებიც სწავლობდნენ სკოლაში და კოლეჯში 30-40 წლის წინ, არ იცნობენ მის ბევრ დებულებას: ისინი უბრალოდ მაშინ არ არსებობდნენ. და ჩვენს ახალგაზრდა მკითხველს ჯერ არ ჰქონდა დრო, რომ გაეცნონ მათ: პოპულარული სამეცნიერო ლიტერატურა პრაქტიკულად შეწყდა გამოქვეყნება. ამიტომ, ჩვენ ვთხოვეთ ჟურნალის დიდი ხნის ავტორს M.I. კაგანოვს გვესაუბრა ატომებზე და ელემენტარულ ნაწილაკებზე და მათ შესახებ კანონებზე, თუ რა არის მატერია. მოსე ისააკოვიჩ კაგანოვი არის თეორიული ფიზიკოსი, ავტორი და რამდენიმე ასეული ნაშრომის თანაავტორი მყარი სხეულების კვანტური თეორიის, ლითონების თეორიისა და მაგნეტიზმის შესახებ. ის იყო ფიზიკური პრობლემების ინსტიტუტის წამყვანი თანამშრომელი. P.L. Kapitsa და მოსკოვის სახელმწიფო უნივერსიტეტის პროფესორი. მ.ვ.ლომონოსოვი, ჟურნალების "Nature" და "Quantum" სარედაქციო კოლეგიის წევრი. მრავალი პოპულარული სამეცნიერო სტატიისა და წიგნის ავტორი. ამჟამად ცხოვრობს ბოსტონში (აშშ).

მეცნიერება და ცხოვრება // ილუსტრაციები

ბერძენმა ფილოსოფოსმა დემოკრიტემ პირველმა გამოიყენა სიტყვა "ატომი". მისი სწავლების თანახმად, ატომები განუყოფელია, ურღვევი და მუდმივ მოძრაობაშია. ისინი უსაზღვროდ მრავალფეროვანია, აქვთ ჩაღრმავებები და ამოზნექილებები, რომლითაც ისინი ერთმანეთში ირევიან და ქმნიან ყველა მატერიალურ სხეულს.

ცხრილი 1. ელექტრონების, პროტონებისა და ნეიტრონების ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებლები.

დეიტერიუმის ატომი.

ინგლისელი ფიზიკოსი ერნსტ რეზერფორდი სამართლიანად ითვლება ბირთვული ფიზიკის, რადიოაქტიურობის დოქტრინისა და ატომის სტრუქტურის თეორიის ფუძემდებლად.

ფოტოზე: 10 მილიონჯერ გადიდებული ვოლფრამის ბროლის ზედაპირი; თითოეული ნათელი წერტილი მისი ინდივიდუალური ატომია.

მეცნიერება და ცხოვრება // ილუსტრაციები

მეცნიერება და ცხოვრება // ილუსტრაციები

რადიაციის თეორიის შექმნაზე მუშაობისას მაქს პლანკი 1900 წელს მივიდა დასკვნამდე, რომ გაცხელებული ნივთიერების ატომები უნდა ასხივებდნენ სინათლეს ნაწილებად, კვანტებით, ქონდეს მოქმედების განზომილება (J.s) და ენერგია გამოსხივების სიხშირის პროპორციული: E = hn. .

1923 წელს ლუი დე ბროგლიმ აინშტაინის იდეა სინათლის ორმაგი ბუნების შესახებ - ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობა - გადასცა მატერიას: ნაწილაკების მოძრაობა შეესაბამება უსასრულო ტალღის გავრცელებას.

დიფრაქციის ექსპერიმენტებმა დამაჯერებლად დაადასტურა დე ბროლის თეორია, რომელიც ამტკიცებდა, რომ ნებისმიერი ნაწილაკების მოძრაობას თან ახლავს ტალღა, რომლის სიგრძე და სიჩქარე დამოკიდებულია ნაწილაკების მასაზე და ენერგიაზე.

მეცნიერება და ცხოვრება // ილუსტრაციები

გამოცდილმა ბილიარდის მოთამაშემ ყოველთვის იცის, როგორ იშლება ბურთები დარტყმის შემდეგ და ადვილად დევს მათ ჯიბეში. ატომური ნაწილაკებით ეს ბევრად უფრო რთულია. მფრინავი ელექტრონის ტრაექტორიის მითითება შეუძლებელია: ეს არის არა მხოლოდ ნაწილაკი, არამედ ტალღა, უსასრულო სივრცეში.

ღამით, როდესაც ცაზე ღრუბლები არ არის, მთვარე არ ჩანს და შუქი არ არის გზაზე, ცა ივსება კაშკაშა ვარსკვლავებით. არ არის აუცილებელი ნაცნობი თანავარსკვლავედების ძებნა ან დედამიწასთან ახლოს პლანეტების პოვნა. Უბრალოდ უყურე! შეეცადეთ წარმოიდგინოთ უზარმაზარი სივრცე, რომელიც სავსეა სამყაროებით და გადაჭიმულია მილიარდობით მილიარდი სინათლის წლის განმავლობაში. მხოლოდ მანძილის გამო ჩანს, რომ სამყაროები წერტილებად გვევლინება და ბევრი მათგანი იმდენად შორს არის, რომ ისინი ცალკე არ გამოირჩევა და ნისლეულებად ერწყმის. როგორც ჩანს, ჩვენ ვართ სამყაროს ცენტრში. ახლა ჩვენ ვიცით, რომ ეს სიმართლეს არ შეესაბამება. გეოცენტრიზმის უარყოფა მეცნიერების დიდი დამსახურებაა. დიდი ძალისხმევა დასჭირდა იმის გაგებას, რომ პატარა დედამიწა მოძრაობს შემთხვევითი, ერთი შეხედვით შეუზღუდავი ფართობის (სიტყვასიტყვით!) სივრცის ტერიტორიაზე.

მაგრამ სიცოცხლე დედამიწაზე გაჩნდა. ის იმდენად წარმატებულად განვითარდა, რომ შეძლო შეექმნა ადამიანი, რომელსაც შეეძლო გაეგო მის გარშემო არსებული სამყარო, ეძია და ეპოვა ბუნების მარეგულირებელი კანონები. კაცობრიობის მიღწევები ბუნების კანონების გაგებაში იმდენად შთამბეჭდავია, რომ უნებურად გრძნობთ სიამაყეს, რომ მიეკუთვნებით ჩვეულებრივი გალაქტიკის პერიფერიაზე დაკარგული ინტელექტის ამ მწვერვალს.

ყველაფრის მრავალფეროვნების გათვალისწინებით, რაც ჩვენს გარშემოა, გასაოცარია ზოგადი კანონების არსებობა. არანაკლებ გასაოცარი ის არის ყველაფერი აგებულია მხოლოდ სამი ტიპის ნაწილაკებისგან - ელექტრონები, პროტონები და ნეიტრონები.

იმისათვის, რომ ბუნების ძირითადი კანონების გამოყენებით გამოვიტანოთ დაკვირვება და სხვადასხვა ნივთიერებისა და საგნების ახალი თვისებების პროგნოზირება, შეიქმნა რთული მათემატიკური თეორიები, რომელთა გაგება სულაც არ არის ადვილი. მაგრამ სამყაროს სამეცნიერო სურათის კონტურების გაგება შესაძლებელია მკაცრი თეორიის გამოყენების გარეშე. ბუნებრივია, ეს მოითხოვს სურვილს. მაგრამ არა მხოლოდ ეს: წინასწარი გაცნობაც კი გარკვეულ სამუშაოს მოითხოვს. ჩვენ უნდა ვეცადოთ გავიაზროთ ახალი ფაქტები, უცნობი მოვლენები, რომლებიც ერთი შეხედვით არ ეთანხმება არსებულ გამოცდილებას.

მეცნიერების მიღწევებს ხშირად მივყავართ აზრამდე, რომ მისთვის „არაფერი წმინდაა“: რაც გუშინ ჭეშმარიტი იყო, დღეს უგულებელყოფენ. ცოდნასთან ერთად ხდება იმის გაგება, თუ რამდენად პატივისცემით ეპყრობა მეცნიერება დაგროვილი გამოცდილების ყველა მარცვალს, რა სიფრთხილით მიიწევს იგი წინ, განსაკუთრებით იმ შემთხვევებში, როდესაც აუცილებელია ფესვგადგმული იდეების მიტოვება.

ამ მოთხრობის მიზანია არაორგანული ნივთიერებების სტრუქტურის ფუნდამენტური მახასიათებლების გაცნობა. მიუხედავად უსაზღვრო მრავალფეროვნებისა, მათი სტრუქტურა შედარებით მარტივია. მით უმეტეს, თუ მათ შეადარებთ ნებისმიერ, თუნდაც უმარტივეს ცოცხალ ორგანიზმს. მაგრამ ასევე არის რაღაც საერთო: ყველა ცოცხალი ორგანიზმი, ისევე როგორც არაორგანული ნივთიერებები, აგებულია ელექტრონების, პროტონებისა და ნეიტრონებისგან.

უკიდეგანობის ჩაწვა შეუძლებელია: ცოცხალი ორგანიზმების სტრუქტურის, სულ მცირე, ზოგადი თვალსაზრისით გასაცნობად საჭიროა სპეციალური ამბავი.

შესავალი

ნივთების, საგნების მრავალფეროვნება - ყველაფერი, რასაც ვიყენებთ, რაც ჩვენს გარშემოა, უზარმაზარია. არა მხოლოდ მათი დანიშნულებითა და დიზაინით, არამედ მათ შესაქმნელად გამოყენებული მასალებით - ნივთიერებები, როგორც ამბობენ, როცა არ არის საჭირო მათი ფუნქციის ხაზგასმა.

ნივთიერებები და მასალები მყარად გამოიყურება, ხოლო შეხების გრძნობა ადასტურებს იმას, რასაც თვალები ხედავს. როგორც ჩანს, გამონაკლისი არ არის. ნაკადი წყალი და მყარი ლითონი, ერთმანეთისგან ასე განსხვავებულები, ერთი მხრივ მსგავსია: ლითონიც და წყალიც მყარია. მართალია, წყალში მარილი ან შაქარი შეგიძლიათ დაითხოვოთ. წყალში თავის ადგილს პოულობენ. დიახ, და შეგიძლიათ ლურსმანი ჩაყაროთ მყარ სხეულში, მაგალითად, ხის დაფაში. დიდი ძალისხმევით, შეგიძლიათ მიაღწიოთ იმას, რომ ადგილი, რომელიც ხემ დაიკავა, დაიკავებს რკინის ლურსმანს.

ჩვენ კარგად ვიცით: თქვენ შეგიძლიათ ამოშალოთ პატარა ნაჭერი მყარი სხეულიდან, შეგიძლიათ დაფქვათ თითქმის ნებისმიერი მასალა. ხან რთულია, ხან სპონტანურად, ჩვენი მონაწილეობის გარეშე. წარმოვიდგინოთ თავი სანაპიროზე, ქვიშაზე. ჩვენ გვესმის: ქვიშის მარცვალი შორს არის იმ ნივთიერების უმცირესი ნაწილაკისგან, საიდანაც შედგება ქვიშა. თუ ცდილობთ, შეგიძლიათ შეამციროთ ქვიშის მარცვლები, მაგალითად, გორგოლაჭებში გატარებით - ძალიან მყარი ლითონისგან დამზადებული ორი ცილინდრით. მას შემდეგ, რაც ლილვაკებს შორისაა, ქვიშის მარცვალი დაქუცმაცებულია პატარა ნაჭრებად. არსებითად, ასე მზადდება ფქვილი მარცვლეულისგან ქარხნებში.

ახლა, როდესაც ატომი მტკიცედ შევიდა ჩვენს აღქმაში სამყაროს შესახებ, ძნელი წარმოსადგენია, რომ ადამიანებმა არ იცოდნენ, დამსხვრევის პროცესი შეზღუდულია თუ ნივთიერების გაფუჭება შეიძლება განუსაზღვრელი ვადით.

უცნობია, როდის დაუსვეს ხალხმა საკუთარ თავს ეს კითხვა. ის პირველად დაფიქსირდა ძველი ბერძენი ფილოსოფოსების ნაშრომებში. ზოგიერთ მათგანს სჯეროდა, რომ რაც არ უნდა მცირე იყოს ნივთიერება, ის შეიძლება დაიყოს კიდევ უფრო მცირე ნაწილებად - არ არსებობს შეზღუდვა. სხვებმა გამოთქვეს აზრი, რომ არსებობს პაწაწინა განუყოფელი ნაწილაკები, საიდანაც ყველაფერი შედგება. იმის ხაზგასასმელად, რომ ეს ნაწილაკები ფრაგმენტაციის ზღვარია, მათ მათ ატომები უწოდეს (ძველ ბერძნულად სიტყვა "ატომი" განუყოფელს ნიშნავს).

აუცილებელია დავასახელოთ ისინი, ვინც პირველად წამოაყენა იდეა ატომების არსებობის შესახებ. ესენი არიან დემოკრიტე (დაიბადა დაახლოებით ძვ. წ. 460 ან 470 წლებში, გარდაიცვალა ძალიან მოხუცებულ ასაკში) და ეპიკურუსი (ძვ. წ. 341-270 წწ.). ასე რომ, ატომური მეცნიერება თითქმის 2500 წლისაა. ატომების ცნება ყველამ დაუყოვნებლივ არ მიიღო. დაახლოებით 150 წლის წინც კი, მეცნიერებს შორისაც ცოტა ადამიანი იყო, ვინც დარწმუნებული იყო ატომების არსებობაში.

ფაქტია, რომ ატომები ძალიან მცირეა. მათი დანახვა შეუძლებელია არა მხოლოდ შეუიარაღებელი თვალით, არამედ, მაგალითად, 1000-ჯერ გადიდებული მიკროსკოპით. მოდით დავფიქრდეთ: რა არის ყველაზე პატარა ნაწილაკების ზომა, რაც ჩანს? სხვადასხვა ადამიანს განსხვავებული ხედვა აქვს, მაგრამ ალბათ ყველა დამეთანხმება, რომ შეუძლებელია 0,1 მილიმეტრზე პატარა ნაწილაკის დანახვა. ამიტომ, თუ მიკროსკოპს იყენებთ, შეგიძლიათ, თუმცა ძნელად, ნახოთ ნაწილაკები დაახლოებით 0,0001 მილიმეტრის, ანუ 10-7 მეტრის. ატომების ზომისა და ატომთაშორისი მანძილების (10-10 მეტრი) შედარებით იმ სიგრძესთან, რომელიც ჩვენ მივიღეთ ხედვის შესაძლებლობის ზღვარად, გავიგებთ, რატომ გვეჩვენება რაიმე ნივთიერება მყარი.

2500 წელი დიდი დროა. რაც არ უნდა მომხდარიყო მსოფლიოში, ყოველთვის იყვნენ ადამიანები, რომლებიც ცდილობდნენ პასუხის გაცემას კითხვაზე, თუ როგორ მუშაობს მათ გარშემო არსებული სამყარო. ზოგ დროს სამყაროს სტრუქტურის პრობლემები უფრო აწუხებდა, ზოგში - ნაკლებად. მეცნიერების დაბადება მისი თანამედროვე გაგებით შედარებით ცოტა ხნის წინ მოხდა. მეცნიერებმა ისწავლეს ექსპერიმენტების ჩატარება - ბუნების კითხვების დასმა და მისი პასუხების გაგება, თეორიების შექმნა, რომლებიც აღწერს ექსპერიმენტების შედეგებს. თეორიები საჭიროებდა მკაცრ მათემატიკურ მეთოდებს სანდო დასკვნების მისაღწევად. მეცნიერებამ დიდი გზა გაიარა. ამ გზაზე, რომელიც ფიზიკისთვის დაიწყო დაახლოებით 400 წლის წინ გალილეო გალილეის (1564-1642) შრომით, უსასრულო ინფორმაცია იქნა მიღებული მატერიის აგებულებისა და სხვადასხვა ბუნების სხეულების თვისებების შესახებ, უსასრულო რაოდენობა. აღმოჩენილი და გასაგებია სხვადასხვა ფენომენი.

კაცობრიობამ ისწავლა არა მხოლოდ ბუნების პასიურად გაგება, არამედ მისი საკუთარი მიზნებისთვის გამოყენებაც.

ჩვენ არ განვიხილავთ 2500 წელზე მეტი ხნის განმავლობაში ატომური კონცეფციების განვითარების ისტორიას და ბოლო 400 წლის განმავლობაში ფიზიკის ისტორიას. ჩვენი ამოცანაა, რაც შეიძლება მოკლედ და გარკვევით ვუთხრათ, რა და როგორ არის აგებული ყველაფერი - ჩვენს გარშემო არსებული ობიექტები, სხეულები და საკუთარი თავი.

როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ყველა მატერია შედგება ელექტრონების, პროტონებისა და ნეიტრონებისგან. ამის შესახებ სკოლიდან ვიცოდი, მაგრამ არ წყვეტს გაოცებას, რომ ყველაფერი მხოლოდ სამი ტიპის ნაწილაკებისგან არის აგებული! მაგრამ სამყარო იმდენად მრავალფეროვანია! გარდა ამისა, საკმაოდ ერთფეროვანია ის საშუალებებიც, რომლებსაც ბუნება იყენებს მშენებლობის განსახორციელებლად.

თანმიმდევრულად აღწერა, თუ როგორ არის აგებული სხვადასხვა ტიპის ნივთიერებები, რთული მეცნიერებაა. ის იყენებს სერიოზულ მათემატიკას. ხაზგასმით უნდა აღინიშნოს, რომ სხვა მარტივი თეორია არ არსებობს. მაგრამ ფიზიკური პრინციპები, რომლებიც საფუძვლად უდევს ნივთიერებების სტრუქტურისა და თვისებების გაგებას, თუმცა ისინი არატრივიალური და ძნელი წარმოსადგენია, მაინც შეიძლება გავიაზროთ. ჩვენი სიუჟეტით ვეცდებით დავეხმაროთ ყველას, ვინც დაინტერესებულია სამყაროს სტრუქტურით, რომელშიც ჩვენ ვცხოვრობთ.

ფრაგმენტების მეთოდი, ან გაყოფა და გაგება

როგორც ჩანს, ყველაზე ბუნებრივი გზა იმის გასაგებად, თუ როგორ მუშაობს გარკვეული რთული მოწყობილობა (სათამაშო ან მექანიზმი) არის მისი დაშლა და მისი შემადგენელ ნაწილებად დაშლა. თქვენ უბრალოდ უნდა იყოთ ძალიან ფრთხილად, გახსოვდეთ, რომ დაკეცვა ბევრად უფრო რთული იქნება. "გატეხვა არ არის აშენება", - ამბობს პოპულარული სიბრძნე. და კიდევ ერთი რამ: ჩვენ შეგვიძლია გავიგოთ რისგან შედგება მოწყობილობა, მაგრამ ნაკლებად სავარაუდოა, რომ გავიგოთ, როგორ მუშაობს იგი. ზოგჯერ თქვენ უბრალოდ უნდა გაშალოთ ერთი ხრახნი და ეს არის ის - მოწყობილობა წყვეტს მუშაობას. საჭიროა არა იმდენად დაშლა, რამდენადაც გასაგებად.

ვინაიდან ჩვენ ვსაუბრობთ არა ჩვენს ირგვლივ არსებული ყველა საგნის, ნივთის, ორგანიზმის რეალურ დაშლაზე, არამედ წარმოსახვით, ანუ გონებრივ და არა რეალურ გამოცდილებაზე, მაშინ არ უნდა ინერვიულოთ: უნდა შეაგროვოს. უფრო მეტიც, ნუ ვიკლებთ ჩვენს ძალისხმევას. არ ვიფიქროთ იმაზე, რთულია თუ ადვილია მოწყობილობის დაშლა მის შემადგენელ ნაწილებად. სულ რაღაც წამი. როგორ გავიგოთ, რომ ზღვარს მივაღწიეთ? იქნებ მეტი ძალისხმევით უფრო შორს წავიდეთ? ვაღიაროთ საკუთარ თავს: არ ვიცით, მივაღწიეთ თუ არა ზღვარს. ჩვენ უნდა გამოვიყენოთ ზოგადად მიღებული მოსაზრება, იმის გაცნობიერებით, რომ ეს არ არის ძალიან სანდო არგუმენტი. მაგრამ თუ გახსოვთ, რომ ეს მხოლოდ ზოგადად მიღებული აზრია და არა საბოლოო სიმართლე, მაშინ საფრთხე მცირეა.

ახლა ზოგადად მიღებულია, რომ ნაწილები, საიდანაც ყველაფერი აგებულია, არის ელემენტარული ნაწილაკები. და მაინც ეს ყველაფერი არ არის. შესაბამის საცნობარო წიგნს რომ გადავხედოთ, დავრწმუნდებით: სამასზე მეტი ელემენტარული ნაწილაკია. ელემენტარული ნაწილაკების სიუხვემ გვაფიქრებინა ქვეელემენტარული ნაწილაკების არსებობის შესაძლებლობაზე – ნაწილაკები, რომლებიც თავად ქმნიან ელემენტარულ ნაწილაკებს. ასე გაჩნდა კვარკების იდეა. მათ აქვთ საოცარი ქონება, რომ აშკარად არ არსებობენ თავისუფალ სახელმწიფოში. კვარკები საკმაოდ ბევრია - ექვსი და თითოეულს აქვს თავისი ანტინაწილაკი. შესაძლოა მოგზაურობა მატერიის სიღრმეში არ დასრულებულა.

ჩვენი ისტორიისთვის ელემენტარული ნაწილაკების სიმრავლე და ქვეელემენტარული ნაწილაკების არსებობა უმნიშვნელოა. ნივთიერებების აგებაში უშუალოდ მონაწილეობენ ელექტრონები, პროტონები და ნეიტრონები – ყველაფერი მხოლოდ მათგან არის აგებული.

სანამ რეალური ნაწილაკების თვისებებს განვიხილავთ, მოდით ვიფიქროთ იმაზე, თუ რა გვინდა ვიხილოთ ის ნაწილები, საიდანაც ყველაფერი აგებულია. რაც შეეხება იმას, რისი ნახვაც გვინდა, რა თქმა უნდა, უნდა გავითვალისწინოთ შეხედულებების მრავალფეროვნება. მოდით ავირჩიოთ რამდენიმე ფუნქცია, რომელიც სავალდებულოა.

პირველ რიგში, ელემენტარულ ნაწილაკებს უნდა ჰქონდეთ უნარი გაერთიანდეს სხვადასხვა სტრუქტურაში.

მეორეც, მინდა ვიფიქრო, რომ ელემენტარული ნაწილაკები ურღვევია. იმის ცოდნა, თუ რა გრძელი ისტორია აქვს სამყაროს, ძნელი წარმოსადგენია, რომ ნაწილაკები, რომელთაგანაც იგი შედგება, მოკვდავია.

მესამე, ვისურვებდი, რომ ბევრი დეტალი არ იყოს. სამშენებლო ბლოკებს რომ ვუყურებთ, ჩვენ ვხედავთ რამდენი განსხვავებული სტრუქტურის შექმნა შეიძლება ერთი და იგივე ელემენტებისგან.

ელექტრონების, პროტონებისა და ნეიტრონების გაცნობით, დავინახავთ, რომ მათი თვისებები არ ეწინააღმდეგება ჩვენს სურვილებს და სიმარტივის სურვილი უდავოდ შეესაბამება იმ ფაქტს, რომ მხოლოდ სამი სახის ელემენტარული ნაწილაკები მონაწილეობენ ყველა ნივთიერების სტრუქტურაში.

ელექტრონები, პროტონები, ნეიტრონები

წარმოგიდგენთ ელექტრონების, პროტონების და ნეიტრონების ყველაზე მნიშვნელოვან მახასიათებლებს. ისინი შეგროვებულია ცხრილში 1.

მუხტის სიდიდე მოცემულია კულონებში, მასა კილოგრამებში (SI ერთეული); სიტყვები „სპინი“ და „სტატისტიკა“ ქვემოთ იქნება ახსნილი.

ყურადღება მივაქციოთ ნაწილაკების მასის განსხვავებას: პროტონები და ნეიტრონები ელექტრონებს თითქმის 2000-ჯერ მძიმეა. შესაბამისად, ნებისმიერი სხეულის მასა თითქმის მთლიანად განისაზღვრება პროტონებისა და ნეიტრონების მასით.

ნეიტრონი, როგორც მისი სახელიდან ჩანს, ნეიტრალურია - მისი მუხტი ნულის ტოლია. ხოლო პროტონსა და ელექტრონს აქვთ იგივე სიდიდის მუხტები, მაგრამ ნიშნით საპირისპირო. ელექტრონი უარყოფითად არის დამუხტული, პროტონი კი დადებითად.

ნაწილაკების მახასიათებლებს შორის არ არის ერთი შეხედვით მნიშვნელოვანი მახასიათებელი - მათი ზომა. ატომებისა და მოლეკულების სტრუქტურის აღწერისას ელექტრონები, პროტონები და ნეიტრონები შეიძლება ჩაითვალოს მატერიალურ წერტილებად. პროტონისა და ნეიტრონის ზომები უნდა გვახსოვდეს მხოლოდ ატომის ბირთვების აღწერისას. ატომების ზომასთან შედარებითაც კი, პროტონები და ნეიტრონები საოცრად მცირეა (10-16 მეტრის ფარგლებში).

არსებითად, ეს მოკლე განყოფილება ეხება ელექტრონების, პროტონების და ნეიტრონების შემოღებას, როგორც ბუნებაში არსებული ყველა სხეულის სამშენებლო ბლოკს. ჩვენ შეგვიძლია უბრალოდ შემოვიფარგლოთ ცხრილით 1, მაგრამ უნდა გვესმოდეს, თუ როგორ ხდება ელექტრონები, პროტონები და ნეიტრონები მიმდინარეობს მშენებლობა, რა იწვევს ნაწილაკების გაერთიანებას უფრო რთულ სტრუქტურებში და რა არის ეს სტრუქტურები.

ატომი არის უმარტივესი კომპლექსური სტრუქტურებიდან

ბევრი ატომია. მათი განსაკუთრებული წესით მოწყობა აუცილებელი და შესაძლებელი აღმოჩნდა. შეკვეთა შესაძლებელს ხდის ხაზგასმით აღვნიშნო ატომების განსხვავებები და მსგავსებები. ატომების გონივრული განლაგება არის დ.ი. მენდელეევის (1834-1907) დამსახურება, რომელმაც ჩამოაყალიბა პერიოდული კანონი, რომელიც მის სახელს ატარებს. თუ დროებით უგულებელვყოფთ პერიოდების არსებობას, ელემენტების განლაგების პრინციპი უკიდურესად მარტივია: ისინი განლაგებულია თანმიმდევრობით ატომების წონის მიხედვით. ყველაზე მსუბუქი წყალბადის ატომია. ბოლო ბუნებრივი (არა ხელოვნურად შექმნილი) ატომი არის ურანის ატომი, რომელიც 200-ჯერ უფრო მძიმეა.

ატომების სტრუქტურის გაგებამ ახსნა ელემენტების თვისებებში პერიოდულობის არსებობა.

მე-20 საუკუნის დასაწყისში ე. რეზერფორდმა (1871-1937) დამაჯერებლად აჩვენა, რომ ატომის თითქმის მთელი მასა კონცენტრირებულია მის ბირთვში - სივრცის მცირე (ატომთან შედარებით) რეგიონში: რადიუსი ბირთვი დაახლოებით 100 ათასი ჯერ პატარაა ატომის ზომაზე. როდესაც რეზერფორდმა ჩაატარა ექსპერიმენტები, ნეიტრონი ჯერ კიდევ არ იყო აღმოჩენილი. ნეიტრონის აღმოჩენით გაირკვა, რომ ბირთვები შედგება პროტონებისა და ნეიტრონებისგან და ბუნებრივია ატომზე წარმოდგენა ელექტრონებით გარშემორტყმულ ბირთვად, რომლის რაოდენობაც უდრის ბირთვში პროტონების რაოდენობას - შემდეგ. მთლიანობაში, ატომი ნეიტრალურია. პროტონებმა და ნეიტრონებმა, როგორც ბირთვის სამშენებლო მასალამ, მიიღეს საერთო სახელი - ნუკლეონები (ლათინურიდან ბირთვი -ბირთვი). ეს არის სახელი, რომელსაც ჩვენ გამოვიყენებთ.

ნუკლეონების რაოდენობა ბირთვში ჩვეულებრივ აღინიშნება ასოებით ა. გასაგებია რომ A = N + Z, სად ნარის ნეიტრონების რაოდენობა ბირთვში და ზ- პროტონების რაოდენობა ტოლია ატომის ელექტრონების რაოდენობაზე. ნომერი აეწოდება ატომური მასა და Z-ატომური ნომერი. იგივე ატომური რიცხვების მქონე ატომებს იზოტოპებს უწოდებენ: პერიოდულ სისტემაში ისინი განლაგებულია იმავე უჯრედში (ბერძნულად isos -თანაბარი , ტოპოსი -ადგილი). ფაქტია, რომ იზოტოპების ქიმიური თვისებები თითქმის იდენტურია. თუ პერიოდულ სისტემას ყურადღებით შეისწავლით, შეგიძლიათ დარწმუნდეთ, რომ მკაცრად რომ ვთქვათ, ელემენტების განლაგება არ შეესაბამება ატომურ მასას, არამედ ატომურ რიცხვს. თუ დაახლოებით 100 ელემენტია, მაშინ 2000-ზე მეტი იზოტოპია, ბევრი მათგანი არასტაბილურია, ანუ რადიოაქტიურია (ლათინურიდან რადიო- ვასხივებ, აქტიური- აქტიური), ისინი ხრწნიან, ასხივებენ სხვადასხვა გამოსხივებას.

რეზერფორდის ექსპერიმენტებმა არა მხოლოდ გამოიწვია ატომის ბირთვების აღმოჩენა, არამედ აჩვენა, რომ ატომში მოქმედებს ერთი და იგივე ელექტროსტატიკური ძალები, რომლებიც იგერიებენ ერთმანეთისგან ანალოგიურად დამუხტულ სხეულებს და იზიდავს განსხვავებულად დამუხტულ სხეულებს (მაგალითად, ელექტროსკოპის ბურთები).

ატომი სტაბილურია. შესაბამისად, ატომში ელექტრონები მოძრაობენ ბირთვის გარშემო: ცენტრიდანული ძალა ანაზღაურებს მიზიდულობის ძალას. ამის გაგებამ გამოიწვია ატომის პლანეტარული მოდელის შექმნა, რომელშიც ბირთვი არის მზე, ხოლო ელექტრონები პლანეტები (კლასიკური ფიზიკის თვალსაზრისით, პლანეტარული მოდელი არათანმიმდევრულია, მაგრამ უფრო მეტი ქვემოთ).

ატომის ზომის შესაფასებლად მრავალი გზა არსებობს. სხვადასხვა შეფასებები იწვევს მსგავს შედეგებს: ატომების ზომები, რა თქმა უნდა, განსხვავებულია, მაგრამ დაახლოებით ტოლია ნანომეტრის რამდენიმე მეათედი (1 ნმ = 10 -9 მ).

ჯერ განვიხილოთ ატომის ელექტრონების სისტემა.

მზის სისტემაში პლანეტები მზეს იზიდავს გრავიტაციით. ატომში მოქმედებს ელექტროსტატიკური ძალა. მას ხშირად უწოდებენ კულონს ჩარლზ ავგუსტინ კულონის (1736-1806) პატივსაცემად, რომელმაც დაადგინა, რომ ორ მუხტს შორის ურთიერთქმედების ძალა უკუპროპორციულია მათ შორის მანძილის კვადრატთან. ის ფაქტი, რომ ორი ბრალდება ქ 1 და ქ 2 მიზიდვა ან მოგერიება ტოლი ძალით ფ C = ქ 1 ქ 2 /რ 2 , სად რ- მუხტებს შორის მანძილს "კულონის კანონი" ეწოდება. ინდექსი " თან"მინიჭებული ძალით ფკულონის გვარის პირველი ასოებით (ფრანგულად კულონი). ყველაზე მრავალფეროვან განცხადებებს შორის რამდენიმეა ისეთივე სამართლიანად უწოდებენ კანონს, როგორც კულონის კანონი: ბოლოს და ბოლოს, მისი გამოყენების ფარგლები პრაქტიკულად შეუზღუდავია. დამუხტული სხეულები, როგორიც არ უნდა იყოს მათი ზომა, ისევე როგორც ატომური და თუნდაც სუბატომური დამუხტული ნაწილაკები - ისინი ყველა იზიდავს ან იგერიებენ კულონის კანონის შესაბამისად.

აღმოჩენა გრავიტაციის შესახებ

ადამიანი ადრეულ ბავშვობაში ეცნობა გრავიტაციას. დაცემით ის სწავლობს დედამიწაზე მიზიდულობის ძალის პატივისცემას. აჩქარებული მოძრაობის გაცნობა ჩვეულებრივ იწყება სხეულების თავისუფალი ვარდნის შესწავლით - სხეულის მოძრაობა გრავიტაციის გავლენის ქვეშ.

მასის ორ სხეულს შორის მ 1 და მ 2 ძალის მოქმედება ფ N=- GM 1 მ 2 /რ 2 . Აქ რ- სხეულებს შორის მანძილი, G-გრავიტაციული მუდმივი ტოლია 6.67259.10 -11 მ 3 კგ -1 ს -2 , ინდექსი "N" მოცემულია ნიუტონის პატივსაცემად (1643 - 1727 წწ.). ამ გამოთქმას უწოდებენ უნივერსალური მიზიდულობის კანონს, რომელიც ხაზს უსვამს მის უნივერსალურ ბუნებას. ძალის ფნ განსაზღვრავს გალაქტიკების, ციური სხეულების მოძრაობას და ობიექტების დედამიწაზე დაცემას. უნივერსალური მიზიდულობის კანონი მოქმედებს სხეულებს შორის ნებისმიერ მანძილზე. ჩვენ არ ვახსენებთ ცვლილებებს გრავიტაციის სურათში, რომელიც შემოიღო აინშტაინის ფარდობითობის ზოგად თეორიამ (1879-1955).

კულონის ელექტროსტატიკური ძალაც და უნივერსალური მიზიდულობის ნიუტონის ძალაც იგივეა (როგორც 1/ რ 2) მცირდება სხეულებს შორის მანძილის მატებასთან ერთად. ეს საშუალებას გაძლევთ შეადაროთ ორივე ძალის მოქმედება სხეულებს შორის ნებისმიერ მანძილზე. თუ ორი პროტონის კულონის მოგერიების ძალა შევადარებთ მათ გრავიტაციულ მიზიდულობის ძალას, გამოდის, რომ ფ N/ ფ C= 10 -36 (ქ 1 =ქ 2 = ეგვ ; მ 1 = =მ 2 =მგვ). აქედან გამომდინარე, გრავიტაცია არ თამაშობს რაიმე მნიშვნელოვან როლს ატომის სტრუქტურაში: ის ძალიან მცირეა ელექტროსტატიკურ ძალასთან შედარებით.

ელექტრული მუხტების გამოვლენა და მათ შორის ურთიერთქმედების გაზომვა რთული არ არის. თუ ელექტრული ძალა იმდენად დიდია, მაშინ რატომ არ არის მნიშვნელოვანი, ვთქვათ, დაცემა, ხტომა, ბურთის სროლა? იმიტომ, რომ უმეტეს შემთხვევაში საქმე გვაქვს ნეიტრალურ (დამუხტავ) სხეულებთან. სივრცეში ყოველთვის არის უამრავი დამუხტული ნაწილაკი (ელექტრონები, სხვადასხვა ნიშნის იონები). დამუხტული სხეულის მიერ შექმნილი უზარმაზარი (ატომური მასშტაბით) მიმზიდველი ელექტრული ძალის გავლენით, დამუხტული ნაწილაკები მიემართებიან მის წყაროსკენ, ეწებება სხეულს და ანეიტრალებს მის მუხტს.

ტალღა თუ ნაწილაკი? ტალღაც და ნაწილაკიც!

ატომურ და კიდევ უფრო პატარა, სუბატომურ ნაწილაკებზე საუბარი ძალიან რთულია, ძირითადად იმიტომ, რომ მათ თვისებებს ანალოგი არ გააჩნია ჩვენს ყოველდღიურ ცხოვრებაში. შეიძლება ვიფიქროთ, რომ მოსახერხებელი იქნება ნაწილაკები, რომლებიც ქმნიან ასეთ პატარა ატომებს, როგორც მატერიალურ წერტილებს. მაგრამ ყველაფერი ბევრად უფრო რთული აღმოჩნდა.

ნაწილაკი და ტალღა... როგორც ჩანს, შედარებაც კი აზრი არ აქვს, ისინი იმდენად განსხვავდებიან.

ალბათ, როდესაც ტალღაზე ფიქრობთ, პირველ რიგში წარმოიდგინეთ ტალღოვანი ზღვის ზედაპირი. ტალღები ნაპირზე მოდის ღია ზღვიდან. ადვილია რამდენიმე მეტრის სიგრძის ტალღების დაკვირვება. ტალღების დროს წყლის მასა აშკარად ვიბრირებს. ტალღა მოიცავს მნიშვნელოვან ტერიტორიას.

ტალღა პერიოდულია დროში და სივრცეში. ტალღის სიგრძე ( λ ) არის სივრცითი პერიოდულობის საზომი. დროში ტალღის მოძრაობის პერიოდულობა ჩანს ნაპირზე ტალღის მწვერვალების ჩამოსვლის სიხშირეში და მისი დადგენა შესაძლებელია, მაგალითად, ცურვის რხევით ზემოთ და ქვემოთ. ტალღის მოძრაობის პერიოდი - დრო, რომლის განმავლობაშიც ერთი ტალღა გადის - ასოთი ავღნიშნოთ თ. პერიოდის რეციპროკულს ეწოდება ν სიხშირე = 1/თ. უმარტივეს ტალღებს (ჰარმონიულს) აქვს გარკვეული სიხშირე, რომელიც დროთა განმავლობაში არ იცვლება. ნებისმიერი რთული ტალღური მოძრაობა შეიძლება წარმოდგენილი იყოს მარტივი ტალღების ერთობლიობით (იხ. „მეცნიერება და ცხოვრება“ No11, 2001 წ.). მკაცრად რომ ვთქვათ, მარტივი ტალღა იკავებს უსასრულო სივრცეს და არსებობს უსასრულოდ დიდი ხნის განმავლობაში. ნაწილაკი, როგორც ჩვენ წარმოგვიდგენია, და ტალღა სრულიად განსხვავებულია.

ნიუტონის დროიდან მოყოლებული, მიმდინარეობს კამათი სინათლის ბუნების შესახებ. რა არის სინათლე არის ნაწილაკების ერთობლიობა (კორპუსკულები, ლათინურიდან კორპუსკულუმი- პატარა სხეული) თუ ტალღები? თეორიები დიდი ხნის განმავლობაში ეჯიბრებოდნენ ერთმანეთს. ტალღის თეორიამ გაიმარჯვა: კორპუსკულურმა თეორიამ ვერ ახსნა ექსპერიმენტული ფაქტები (შუქის ჩარევა და დიფრაქცია). ტალღის თეორია ადვილად უმკლავდებოდა სინათლის სხივის სწორხაზოვან გავრცელებას. მნიშვნელოვანი როლი ითამაშა იმან, რომ ყოველდღიური კონცეფციების მიხედვით სინათლის ტალღების სიგრძე ძალიან მცირეა: ხილული სინათლის ტალღის სიგრძის დიაპაზონი 380-დან 760 ნანომეტრამდეა. მოკლე ელექტრომაგნიტური ტალღები არის ულტრაიისფერი, რენტგენის და გამა სხივები, ხოლო უფრო გრძელი არის ინფრაწითელი, მილიმეტრი, სანტიმეტრი და ყველა სხვა რადიოტალღები.

მე-19 საუკუნის ბოლოს, სინათლის ტალღის თეორიის გამარჯვება კორპუსკულურ თეორიაზე საბოლოო და შეუქცევადი ჩანდა. თუმცა, მეოცე საუკუნემ სერიოზული ცვლილებები შეიტანა. როგორც ჩანს, სინათლე ან ტალღები ან ნაწილაკები. აღმოჩნდა - ტალღებიც და ნაწილაკებიც. სინათლის ნაწილაკებისთვის, მისი კვანტისთვის, როგორც ამბობენ, გამოიგონეს სპეციალური სიტყვა - "ფოტონი". სიტყვა "კვანტური" მომდინარეობს ლათინური სიტყვიდან კვანტური- რამდენი და "ფოტონი" - ბერძნული სიტყვიდან ფოტოები -მსუბუქი. ნაწილაკების სახელების აღმნიშვნელ სიტყვებს უმეტეს შემთხვევაში აქვს დასასრული ის. გასაკვირია, რომ ზოგიერთ ექსპერიმენტში სინათლე ტალღების მსგავსად იქცევა, ზოგიერთში კი ნაწილაკების ნაკადად. თანდათანობით შესაძლებელი გახდა თეორიის აგება, რომელიც იწინასწარმეტყველებდა, თუ როგორ მოიქცეოდა სინათლე რომელ ექსპერიმენტში. დღესდღეობით ეს თეორია ყველასთვის მისაღებია, სინათლის განსხვავებული ქცევა აღარ არის გასაკვირი.

პირველი ნაბიჯები ყოველთვის განსაკუთრებით რთულია. მე უნდა წავსულიყავი მეცნიერებაში დამკვიდრებული აზრის წინააღმდეგ და ისეთი განცხადებების გაკეთება, რომლებიც ერესად მეჩვენებოდა. რეალურ მეცნიერებს ნამდვილად სჯერათ თეორიის, რომელსაც იყენებენ იმ ფენომენების აღსაწერად, რომლებსაც აკვირდებიან. ძალიან რთულია მიღებულ თეორიაზე უარის თქმა. პირველი ნაბიჯები გადადგა მაქს პლანკმა (1858-1947) და ალბერტ აინშტაინმა (1879-1955).

პლანკის - აინშტაინის მიხედვით, სინათლე გამოიყოფა და შეიწოვება მატერიისგან ცალკეულ ნაწილებში, კვანტებში. ფოტონის მიერ გადატანილი ენერგია მისი სიხშირის პროპორციულია: ე = თნ. პროპორციულობის ფაქტორი თპლანკის მუდმივი უწოდა გერმანელი ფიზიკოსის პატივსაცემად, რომელმაც იგი 1900 წელს შემოიტანა რადიაციის თეორიაში. და უკვე მე-20 საუკუნის პირველ მესამედში გაირკვა, რომ პლანკის მუდმივი ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი მსოფლიო მუდმივია. ბუნებრივია, ყურადღებით გაზომეს: თ= 6.6260755.10 -34 ჯ.ს.

სინათლის კვანტური ბევრია თუ ცოტა? ხილული სინათლის სიხშირე დაახლოებით 10 14 s -1 . შეგახსენებთ: სინათლის სიხშირე და ტალღის სიგრძე დაკავშირებულია ν = მიმართებით გ/λ, სადაც თან= 299792458.10 10 მ/წმ (ზუსტად) - სინათლის სიჩქარე ვაკუუმში. კვანტური ენერგია თν, როგორც ადვილი შესამჩნევია, არის დაახლოებით 10 -18 ჯ. ამ ენერგიის გამო 10 -13 გრამიანი მასა შეიძლება 1 სანტიმეტრის სიმაღლეზე აიწიოს. ადამიანური მასშტაბით, ის საოცრად პატარაა. მაგრამ ეს არის 10 14 ელექტრონის მასა. მიკროსამყაროში მასშტაბები სულ სხვაა! რა თქმა უნდა, ადამიანი ვერ გრძნობს 10-13 გრამიან მასას, მაგრამ ადამიანის თვალი იმდენად მგრძნობიარეა, რომ მას შეუძლია სინათლის ცალკეული კვანტების დანახვა - ეს დაადასტურა მთელი რიგი დახვეწილი ექსპერიმენტებით. ნორმალურ პირობებში ადამიანი არ განასხვავებს სინათლის „მარცვალს“, აღიქვამს მას, როგორც უწყვეტ ნაკადს.

იმის ცოდნა, რომ სინათლეს აქვს როგორც კორპუსკულური, ასევე ტალღური ბუნება, უფრო ადვილია წარმოვიდგინოთ, რომ "ნამდვილ" ნაწილაკებსაც აქვთ ტალღური თვისებები. ეს ერეტიკული აზრი პირველად ლუი დე ბროლიმ (1892-1987) გამოთქვა. ის არ ცდილობდა გაერკვია, რა იყო ტალღის ბუნება, რომლის მახასიათებლებიც მან იწინასწარმეტყველა. მისი თეორიის მიხედვით, მასის მქონე ნაწილაკი მ, სიჩქარით ფრენა ვ, შეესაბამება ტალღას ტალღის სიგრძით l = ჰმვდა სიხშირე ν = ე/თ, სად ე = მვ 2/2 - ნაწილაკების ენერგია.

ატომური ფიზიკის შემდგომმა განვითარებამ გამოიწვია ტალღების ბუნების გაგება, რომლებიც აღწერენ ატომური და სუბატომური ნაწილაკების მოძრაობას. გაჩნდა მეცნიერება სახელწოდებით "კვანტური მექანიკა" (ადრეულ წლებში მას უფრო ხშირად ტალღურ მექანიკას ეძახდნენ).

კვანტური მექანიკა გამოიყენება მიკროსკოპული ნაწილაკების მოძრაობაზე. ჩვეულებრივი სხეულების მოძრაობის განხილვისას (მაგალითად, მექანიზმების ნებისმიერი ნაწილი), აზრი არ აქვს კვანტური შესწორებების გათვალისწინებას (მატერიის ტალღური თვისებების გამო შესწორებები).

ნაწილაკების ტალღური მოძრაობის ერთ-ერთი გამოვლინებაა მათი ტრაექტორიის ნაკლებობა. ტრაექტორიის არსებობისთვის აუცილებელია, რომ დროის ყოველ მომენტში ნაწილაკს ჰქონდეს გარკვეული კოორდინატი და გარკვეული სიჩქარე. მაგრამ ეს არის ზუსტად ის, რაც აკრძალულია კვანტური მექანიკით: ნაწილაკს არ შეუძლია ერთდროულად ჰქონდეს გარკვეული კოორდინატული მნიშვნელობა. Xდა გარკვეული სიჩქარის მნიშვნელობა ვ. მათი გაურკვევლობა Dxდა დვდაკავშირებულია ვერნერ ჰაიზენბერგის (1901-1974) მიერ აღმოჩენილი გაურკვევლობის მიმართებით: D Xდ v ~ სთ/მ, სად მარის ნაწილაკების მასა და თ-პლანკის მუდმივი. პლანკის მუდმივას ხშირად უწოდებენ "მოქმედების" უნივერსალურ კვანტს. ვადის დაზუსტების გარეშე მოქმედება, ყურადღება მიაქციეთ ეპითეტს უნივერსალური. ის ხაზს უსვამს, რომ გაურკვევლობის მიმართება ყოველთვის მოქმედებს. მოძრაობის პირობებისა და ნაწილაკების მასის ცოდნით, შეიძლება შეფასდეს, თუ როდის არის საჭირო მოძრაობის კვანტური კანონების გათვალისწინება (სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, როდესაც ნაწილაკების ტალღური თვისებები და მათი შედეგი - გაურკვევლობის მიმართებები) არ შეიძლება იყოს უგულებელყოფილი. და როცა სავსებით შესაძლებელია მოძრაობის კლასიკური კანონების გამოყენება. ხაზგასმით აღვნიშნოთ: თუ ეს შესაძლებელია, მაშინ აუცილებელია, რადგან კლასიკური მექანიკა მნიშვნელოვნად უფრო მარტივია, ვიდრე კვანტური მექანიკა.

გთხოვთ გაითვალისწინოთ, რომ პლანკის მუდმივი იყოფა მასაზე (ისინი შედის კომბინაციებში სთ/მ). რაც უფრო დიდია მასა, მით ნაკლებია კვანტური კანონების როლი.

იმის გასაგებად, თუ როდის არის შესაძლებელი კვანტური თვისებების უგულებელყოფა, შევეცდებით შეაფასოთ გაურკვევლობები D Xდა დ ვ. თუ დ Xდა დ ვუმნიშვნელოა მათ საშუალო (კლასიკურ) მნიშვნელობებთან შედარებით, კლასიკური მექანიკის ფორმულები შესანიშნავად აღწერს მოძრაობას, თუ ისინი მცირეა, აუცილებელია კვანტური მექანიკის გამოყენება; აზრი არ აქვს კვანტური გაურკვევლობის გათვალისწინებას მაშინაც კი, როდესაც სხვა მიზეზები (კლასიკური მექანიკის ფარგლებში) იწვევს უფრო დიდ გაურკვევლობას, ვიდრე ჰაიზენბერგის მიმართება.

მოდით შევხედოთ ერთ მაგალითს. იმის გათვალისწინებით, რომ ჩვენ გვინდა ვაჩვენოთ კლასიკური მექანიკის გამოყენების შესაძლებლობა, განვიხილოთ „ნაწილაკი“, რომლის მასა 1 გრამია და ზომა 0,1 მილიმეტრი. ადამიანის მასშტაბით, ეს არის მარცვალი, მსუბუქი, პატარა ნაწილაკი. მაგრამ ის პროტონზე 10 24-ჯერ მძიმეა და ატომზე მილიონჯერ დიდი!

მოდით "ჩვენი" მარცვალი გადავიდეს წყალბადით სავსე ჭურჭელში. თუ მარცვალი საკმარისად სწრაფად დაფრინავს, გვეჩვენება, რომ ის მოძრაობს სწორი ხაზით გარკვეული სიჩქარით. ეს შთაბეჭდილება მცდარია: წყალბადის მოლეკულების მარცვლებზე ზემოქმედების გამო, მისი სიჩქარე ოდნავ იცვლება ყოველი ზემოქმედების დროს. მოდით შევაფასოთ ზუსტად რამდენი.

მოდით, წყალბადის ტემპერატურა იყოს 300 K (ტემპერატურას ყოველთვის ვზომავთ აბსოლუტურ შკალაზე, კელვინის სკალაზე; 300 K = 27 o C). ტემპერატურის გამრავლება კელვინში ბოლცმანის მუდმივზე კ B = 1.381.10 -16 J/K, გამოვხატავთ ენერგეტიკულ ერთეულებში. მარცვლის სიჩქარის ცვლილება შეიძლება გამოითვალოს იმპულსის შენარჩუნების კანონის გამოყენებით. მარცვლის ყოველი შეჯახებისას წყალბადის მოლეკულასთან მისი სიჩქარე იცვლება დაახლოებით 10-18 სმ/წმ-ით. ცვლილება ხდება სრულიად შემთხვევით და შემთხვევითი მიმართულებით. მაშასადამე, ბუნებრივია 10-18 სმ/წმ სიდიდის გათვალისწინება, როგორც მარცვლის სიჩქარის კლასიკური გაურკვევლობის საზომი (D ვ) cl ამ შემთხვევისთვის. ასე რომ, (დ ვ) კლასი = 10 -18 სმ/წმ. როგორც ჩანს, ძალიან რთულია მარცვლის ადგილმდებარეობის დადგენა მისი ზომის 0,1-ზე მეტი სიზუსტით. მოდით მივიღოთ (დ X) cl = 10 -3 სმ და ბოლოს, (დ X) კლასი (დ ვ) cl = 10 -3 .10 -18 = 10 -21 . როგორც ჩანს, ძალიან მცირე ღირებულებაა. ნებისმიერ შემთხვევაში, სიჩქარისა და პოზიციის გაურკვევლობა იმდენად მცირეა, რომ მარცვლის საშუალო მოძრაობა შეიძლება ჩაითვალოს. მაგრამ ჰაიზენბერგის მიმართებით ნაკარნახევი კვანტური გაურკვევლობასთან შედარებით (დ Xდ ვ= 10 -27), კლასიკური ჰეტეროგენულობა უზარმაზარია - ამ შემთხვევაში იგი მილიონჯერ აღემატება მას.

დასკვნა: მარცვლის მოძრაობის განხილვისას არ არის საჭირო მისი ტალღური თვისებების გათვალისწინება, ანუ კოორდინატებისა და სიჩქარის კვანტური გაურკვევლობის არსებობა. როდესაც საქმე ეხება ატომური და სუბატომური ნაწილაკების მოძრაობას, სიტუაცია მკვეთრად იცვლება.

ატომის ბირთვში ნაწილაკები კიდევ უფრო ფუნდამენტური ნაწილაკებისგან - კვარკებისგან შედგება.

ბოლო ორი საუკუნის განმავლობაში, სამყაროს სტრუქტურით დაინტერესებული მეცნიერები ეძებდნენ ძირითად სამშენებლო ბლოკებს, რომლებიც ქმნიან მატერიას - მატერიალური სამყაროს უმარტივეს და განუყოფელ კომპონენტებს. ატომური თეორიაახსნა ქიმიური ნივთიერებების მთელი მრავალფეროვნება, ეგრეთ წოდებული ქიმიური ელემენტების ატომების შეზღუდული ნაკრების არსებობა, ახსნა ყველა სხვა ნივთიერების ბუნება მათი სხვადასხვა კომბინაციით. ამრიგად, გარე დონეზე არსებული სირთულისა და მრავალფეროვნებიდან, მეცნიერებმა შეძლეს გადასულიყვნენ საწყის დონეზე სიმარტივესა და მოწესრიგებაზე.

მაგრამ მატერიის ატომური სტრუქტურის მარტივი სურათი მალე სერიოზულ პრობლემებს წააწყდა. უპირველეს ყოვლისა, რაც უფრო და უფრო მეტი ახალი ქიმიური ელემენტები აღმოაჩინეს, დაიწყო მათი ქცევის უცნაური ნიმუშების აღმოჩენა, რომლებიც, თუმცა, დაზუსტდა მათი სამეცნიერო გამოყენებაში დანერგვის წყალობით. მენდელეევის პერიოდული ცხრილი. თუმცა, იდეები მატერიის სტრუქტურის შესახებ ჯერ კიდევ უფრო გართულდა.

მე-20 საუკუნის დასაწყისში გაირკვა, რომ ატომები არავითარ შემთხვევაში არ არიან მატერიის ელემენტარული "სამშენებლო ბლოკები", არამედ რომ მათ თავად აქვთ რთული სტრუქტურა და შედგებიან კიდევ უფრო ელემენტარული ნაწილაკებისგან - ნეიტრონები და პროტონები, რომლებიც ქმნიან ატომის ბირთვებს. და ელექტრონები, რომლებიც აკრავს ამ ბირთვებს. და ისევ, სირთულე ერთ დონეზე, როგორც ჩანს, შეცვალა სიმარტივე მატერიის სტრუქტურის დეტალების მომდევნო დონეზე. თუმცა, ეს აშკარა სიმარტივე დიდხანს არ გაგრძელებულა, რადგან მეცნიერებმა დაიწყეს უფრო და უფრო ახლის აღმოჩენა ელემენტარული ნაწილაკები. ყველაზე რთული იყო მრავალრიცხოვანთან ურთიერთობა ჰადრონები- ნეიტრონსა და პროტონთან დაკავშირებული მძიმე ნაწილაკები, რომლებიც, როგორც ირკვევა, დიდი რაოდენობით იბადებიან და სხვადასხვა ბირთვული პროცესის დროს მაშინვე იშლება.

უფრო მეტიც, აუხსნელი ნიმუშები აღმოაჩინეს სხვადასხვა ჰადრონების ქცევაში - და მათგან ფიზიკოსებმა დაიწყეს ერთგვარი პერიოდული ცხრილის შექმნა. მათემატიკური აპარატის გამოყენებით ე.წ ჯგუფის თეორიაფიზიკოსებმა მოახერხეს ჰადრონების გაერთიანება რვა ჯგუფად - ორი ტიპის ნაწილაკი ცენტრში და ექვსი რეგულარული ექვსკუთხედის წვეროებზე. უფრო მეტიც, თითოეული რვა ჯგუფის ნაწილაკებს, რომლებიც განლაგებულია ერთსა და იმავე ადგილას ასეთ გრაფიკულ გამოსახულებაში, აქვთ რამდენიმე საერთო თვისება, ისევე როგორც მსგავს თვისებებს აჩვენებენ პერიოდული ცხრილის ერთი სვეტის ქიმიური ელემენტები და ჰორიზონტალური ხაზების გასწვრივ მდებარე ნაწილაკები. თითოეულ ექვსკუთხედს აქვს დაახლოებით თანაბარი მასა, მაგრამ განსხვავდება ელექტრული მუხტებით (იხ. სურათი). ამ კლასიფიკაციას ე.წ რვაგზის გზა(ბუდისტურ თეოლოგიაში ამავე სახელწოდების დოქტრინის პატივსაცემად). 1960-იანი წლების დასაწყისში თეორეტიკოსებმა გააცნობიერეს, რომ ეს ნიმუში შეიძლება აიხსნას მხოლოდ იმით, რომ ელემენტარული ნაწილაკები სინამდვილეში არ არიან ელემენტარული ნაწილაკები, არამედ თავად შედგებიან კიდევ უფრო ფუნდამენტური სტრუქტურული ერთეულებისგან.

ამ სტრუქტურულ ერთეულებს ე.წ კვარკები(სიტყვა ნასესხებია ჯეიმს ჯოისის რთული რომანიდან Finnegans Wake). მიკროსამყაროს ეს ახალი მკვიდრნი ძალიან უცნაური არსებები აღმოჩნდნენ. დასაწყისისთვის, მათ აქვთ წილადი ელექტრული მუხტი: ელექტრონის ან პროტონის მუხტის 1/3 ან 2/3 (იხ. ცხრილი). და შემდეგ, როგორც განვითარდა თეორია, ცხადი გახდა, რომ თქვენ ვერ იხილავთ მათ ცალ-ცალკე, რადგან ისინი, როგორც წესი, ვერ არსებობენ თავისუფალ მდგომარეობაში, არ არიან ერთმანეთთან დაკავშირებული ელემენტარული ნაწილაკების შიგნით და მათი არსებობის ფაქტის შეფასება მხოლოდ ჰადრონების მიერ გამოვლენილი თვისებები, რომელთაგან ისინიც შედიან. ამ ფენომენის უკეთ გასაგებად ე.წ ტყვეობაან კვარკული პატიმრობა, წარმოიდგინეთ, რომ თქვენს ხელში გაქვთ გრძელი ელასტიური კაბელი, რომლის თითოეული ბოლო წარმოადგენს კვარკს. თუ საკმარის ენერგიას გამოიყენებთ ასეთ სისტემაზე - გაჭიმეთ და გატეხეთ კაბელი, მაშინ ის სადღაც შუაში გაწყდება და არ მიიღებთ თავისუფალ დასასრულს, მაგრამ მიიღებთ ორ უფრო მოკლე რეზინის კაბელს და თითოეულ მათგანს კვლავ ექნება ორი ბოლო. იგივეა კვარკებთან დაკავშირებითაც: რა ენერგიებითაც არ უნდა ვიმოქმედოთ ელემენტარულ ნაწილაკებზე, ვცდილობთ მათგან კვარკების „გამოგდებას“, წარმატებას ვერ მივაღწევთ - ნაწილაკები სხვა ნაწილაკებად დაიშლება, შერწყმა, გადაწყობა, მაგრამ თავისუფალ კვარკებს ვერ მივიღებთ.

დღეს, თეორიის თანახმად, კვარკების ექვსი სახეობის არსებობას იწინასწარმეტყველებენ და ლაბორატორიებში უკვე აღმოჩენილია ექვსივე ტიპის ელემენტარული ნაწილაკები. ყველაზე გავრცელებული კვარკებია ზედა, ან პროტონი(აღნიშნა u- ინგლისურიდან ზევით, ან გვ — პროტონი) და ქვედა, ან ნეიტრონი(აღნიშნა დ-დან ქვემოთ, ან ნ-დან ნეიტრონი), რადგან ისინი ქმნიან ერთადერთ ჭეშმარიტად ხანგრძლივ ჰადრონებს - პროტონს ( უუდ) და ნეიტრონი ( უდი). შემდეგი დუბლი მოიცავს უცნაურიკვარკები ს (უცნაური) და მოჯადოებულიკვარკები თან (მოხიბლული). და ბოლოს, ბოლო დუბლი შედგება ლამაზიდა მართალიაკვარკები - ბ(დან სილამაზე, ან ქვედა) და ტ(დან სიმართლე, ან ზედა). ექვსი კვარკიდან თითოეული, გარდა ელექტრული მუხტისა, ხასიათდება იზოტოპური(პირობითად მიმართული) დატრიალება. და ბოლოს, თითოეულ კვარკს შეუძლია მიიღოს კვანტური რიცხვის სამი მნიშვნელობა, რომელსაც მისი ეწოდება ფერი (ფერი) და აქვს არომატი (არომატი). რა თქმა უნდა, კვარკებს არ აქვთ სუნი და არ აქვთ ფერი ტრადიციული გაგებით, ეს სახელი უბრალოდ ისტორიულად განვითარდა მათი გარკვეული თვისებების აღსანიშნავად (; სმ. კვანტური ქრომოდინამიკა).

სტანდარტული მოდელიჩერდება კვარკების დონეზე მატერიის სტრუქტურის დეტალურ აღწერაში, რომელიც ქმნის ჩვენს სამყაროს; კვარკები ყველაზე ფუნდამენტური და ელემენტარულია მის სტრუქტურაში. თუმცა, ზოგიერთი თეორიული ფიზიკოსი თვლის, რომ „ხახვი შეიძლება შემდგომ გაიწმინდოს“, მაგრამ ეს წმინდა სპეკულაციურია. ჩემი პირადი აზრით, სტანდარტული მოდელი სწორად აღწერს მატერიის სტრუქტურას და ყოველ შემთხვევაში ამ მიმართულებით მეცნიერებამ მიაღწია შემეცნების პროცესის ლოგიკურ დასკვნას.

მე-20 საუკუნის სამოციანი წლების შუა ხანებისთვის, როდესაც პროტონთან და ნეიტრონთან ერთად აღმოაჩინეს რამდენიმე ათეული "ელემენტარული" ნაწილაკი, ცხადი გახდა, რომ ეს "ელემენტარული" ნაწილაკები უფრო ფუნდამენტური ნაწილაკებისგან შედგება. 1964 წელს, ერთმანეთისგან დამოუკიდებლად, მ.გელ-მანმა და დ.ცვაიგმა შემოგვთავაზეს ჰადრონების კომპოზიტური კვარკული მოდელი.
კვარკები გაერთიანდებიან და წარმოქმნიან ნაწილაკებს ე.წ ჰადრონები. ტერმინი "ადრონ" მომდინარეობს ბერძნულიდან "hadros" - ძლიერი და ასახავს ჰადრონების თვისებას, მონაწილეობა მიიღონ ძლიერ ურთიერთქმედებებში. ჰადრონები კვარკებისა და ანტიკვარკების შეკრული სისტემებია. არსებობს ჰადრონების ორი ტიპი: ბარიონები და მეზონები.

ბრინჯი. 11.1. ჰადრონების ტიპები და მათი კვარკული შემადგენლობა.

ჰადრონის შემქმნელი კვარკების კვანტური რიცხვები განსაზღვრავს ჰადრონების კვანტურ რიცხვებს. ჰადრონებს აქვთ ელექტრული მუხტის გარკვეული მნიშვნელობები Q, სპინი J, პარიტეტი P, იზოსპინი I. კვანტური რიცხვები s (უცნაურობა), c (ხიბლი ან ხიბლი), b (ქვედა) და t (ზედა) ჰადრონებს ყოფს ჩვეულებრივ არაუცნაურებად. ნაწილაკები (p, n , π, ...), უცნაური ნაწილაკები (K, Λ, Σ, ...), მომხიბვლელი ნაწილაკები (D, Λ c, Σ c, ...) და ქვედა ნაწილაკები (B, Λ b, Ξ b). ტ-კვარკს აქვს სიცოცხლის ხანგრძლივობა ≈ 10 -25 წმ, ამიტომ ასეთ მოკლე დროში მას არ აქვს დრო ჰადრონის ჩამოყალიბებისთვის.
ჰადრონების მთელი მრავალფეროვნება წარმოიქმნება u-, d-, s-, c-, b-კვარკების სხვადასხვა კომბინაციების შედეგად, რომლებიც ქმნიან შეკრულ მდგომარეობას.
კვარკების კვანტური მახასიათებლები მოცემულია ცხრილში. 11.1. თითოეულ კვარკს აქვს კიდევ სამი ფერადი თავისუფლების ხარისხი (წითელი, ლურჯი, მწვანე). თავისუფლების ფერის ხარისხი არ არის მითითებული ცხრილში. კვარკების ანტინაწილაკები ანტიკვარკებია.

ცხრილი 11.1

კვარკების მახასიათებლები

დამახასიათებელი	კვარკის ტიპი (არომატი)
	დ	u	ს	გ	ბ	ტ
ელექტრო დამუხტვა Q, ერთეულებში ე	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3
ბარონი ნომერი B	+1/3
სპინ ჯ	1/2
პარიტეტი პ	+1
ისოსპინი I	1/2		0
იზოსპინის პროექცია I 3	-1/2	+1/2	0
უცნაურობა ს	0	0	-1	0	0	0
ხიბლი გ	0	0	0	+1	0	0
ქვედა ბ	0	0	0	0	-1	0
ტოპ ტ	0	0	0	0	0	+1
	0.33	0.33	0.51	1.8	5	180
ამჟამინდელი კვარკული მასა	4-8 მევ	1,5-4 მევ	80-130 მევ	1,1-1,4 გევ	4,1-4,9 გევ	174±5 გევ

ანტიკვარკების კვანტური მახასიათებლები მოცემულია ცხრილში. 11.2.

ცხრილი 11.2

ანტიკვარკების მახასიათებლები

დამახასიათებელი	კვარკის ტიპი (არომატი)
	დ	u	ს	გ	ბ	ტ
ელექტრო დამუხტვა Q, ერთეულებში ე	+1/3	-2/3	+1/3	-2/3	+1/3	-2/3
ბარონი ნომერი B	-1/3
სპინ ჯ	1/2
პარიტეტი პ	-1
ისოსპინი I	1/2		0
იზოსპინის პროექცია I 3	+1/2	-1/2	0
უცნაურობა ს	0	0	+1	0	0	0
ხიბლი გ	0	0	0	-1	0	0
ქვედა ბ	0	0	0	0	+1	0
ტოპ ტ	0	0	0	0	0	-1
შემადგენელი კვარკის მასა mс 2, GeV	0.33	0.33	0.51	1.8	5	180
ამჟამინდელი კვარკული მასა	4-8 მევ	1,5-4 მევ	80-130 მევ	1,1-1,4 გევ	4,1-4,9 გევ	174±5 გევ

კვარკები არ არსებობენ თავისუფალ მდგომარეობაში, მაგრამ შეიცავს კვარკ სისტემებში - ჰადრონებს. მაშასადამე, მათ არ შეუძლიათ გათავისუფლდნენ სხვა კვარკებთან ურთიერთქმედებისგან, რომლებიც მდებარეობენ იმავე მოცულობაში და აკავშირებენ მათ ჰადრონში გლუონებით.
ბარიონის ნომერი B არის ნაწილაკების კვანტური მახასიათებელი, რომელიც ასახავს კვარკების აღმოჩენამდე ექსპერიმენტულად დადგენილ ბარიონების რაოდენობის კონსერვაციის კანონს. მაგალითად, პროტონს, ენერგიის, იმპულსის, კუთხური იმპულსის და ელექტრული მუხტის შენარჩუნების კანონების დარღვევის გარეშე, შეიძლება დაიშალოს პოზიტრონი e + და γ-კვანტური.

ან დადებითად დამუხტულ პიონს π + და γ-კვანტს

თუმცა, ასეთი დაშლა არ შეინიშნება. ამის გაგება შესაძლებელია პროტონისთვის ბარიონის B = +1 რიცხვის მინიჭებით და იმის გათვალისწინებით, რომ სამი კვარკისგან შემდგარ ყველა ნაწილაკს აქვს ბარიონის რიცხვი, რომელიც ტოლია პლუს ერთი. მეზონებს აქვთ ბარიონის რიცხვი B = 0. ანტიბარიონებს აქვთ ბარიონის რიცხვი B = -1. ლეპტონებს აქვთ ბარიონის რიცხვი B = 0.
ყველა არსებული ექსპერიმენტული მონაცემი მიუთითებს ბარიონის რიცხვის (მუხტის) შენარჩუნების კანონის ან ბარიონის რაოდენობის შენარჩუნების კანონის არსებობაზე:

ბარიონის რიცხვი არის დანამატი კვანტური რიცხვი. ჰადრონების ბარიონის რიცხვი მათი კვარკული სტრუქტურის შედეგია. კვარკებს ენიჭებათ ბარიონის რიცხვი B = +1/3, ხოლო ანტიკვარკებს B = -1/3. მაშინ ყველა ნაწილაკს, რომელიც შედგება სამი კვარკისგან (ბარიონებისგან) ექნება ბარიონის რიცხვი B = +1, სამი ანტიკვარკისგან (ანტიბარიონებისგან) შემდგარ ნაწილაკებს ექნებათ B = -1, ხოლო ნაწილაკებს, რომლებიც შედგება კვარკისა და ანტიკვარკისგან (მეზონები) - B. = 0.
წერტილოვანი კვარკებისგან განსხვავებით, ჰადრონები გაფართოებული ობიექტებია, ანუ მათ აქვთ ზომა (≈ 1 fm). პროტონის p, პიონის π და კაონ K-ის ფესვის საშუალო კვადრატული მუხტის რადიუსი

მიეცით წარმოდგენა ამ ჰადრონების ზომაზე.

ფ. ვილჩეკი:„კვარკები იბადებიან თავისუფლად, მაგრამ მხოლოდ შეკრულნი არიან... მეოცე საუკუნის დასაწყისში, რეზერფორდის, გეიგერის და მარსდენის პიონერული ექსპერიმენტების შემდეგ, ფიზიკოსებმა აღმოაჩინეს, რომ ატომის შიგნით მასის უმეტესი ნაწილი და მთელი დადებითი მუხტი კონცენტრირებულია პატარაში. ბირთვები. 1932 წელს ჩადვიკმა აღმოაჩინა ნეიტრონები, რომლებიც პროტონებთან ერთად შეიძლება ჩაითვალოს ატომის ბირთვის კომპონენტებად. თუმცა, გრავიტაციისა და ელექტრომაგნიტიზმის მაშინ ცნობილი ძალები არ იყო საკმარისი პროტონებისა და ნეიტრონების დასაკავშირებლად ისეთ პატარა ობიექტებში, როგორიცაა დაკვირვებადი ბირთვები. ფიზიკოსები შეხვდნენ ურთიერთქმედების ახალ ტიპს, ყველაზე ძლიერი ბუნებაში. ამ ახალი ძალის ახსნა თეორიული ფიზიკის მთავარ ამოცანად იქცა.
ამ პრობლემის გადასაჭრელად ფიზიკოსები მრავალი წლის განმავლობაში აგროვებდნენ მონაცემებს, ძირითადად პროტონებისა და ნეიტრონების შეჯახების შედეგების შესწავლიდან. თუმცა, ამ კვლევების შედეგები რთული და რთული აღმოჩნდა.
თუ ამ ექსპერიმენტებში ნაწილაკები ფუნდამენტური (განუყოფელი) იყო, მაშინ მათი შეჯახების შემდეგ იგივე ნაწილაკები მოელოდა, რომლებიც მხოლოდ შეცვლილი ტრაექტორიების გასწვრივ აღმოცენდებიან. ამის ნაცვლად, შეჯახების შემდეგ გამომავალი ხშირად ბევრი ნაწილაკი იყო. საბოლოო მდგომარეობა შეიძლება შეიცავდეს ორიგინალური ნაწილაკების რამდენიმე ასლს და სხვა ნაწილაკებს. ამ გზით ბევრი ახალი ნაწილაკი აღმოაჩინეს. მიუხედავად იმისა, რომ ეს ნაწილაკები, რომელსაც ჰადრონს უწოდებენ, არასტაბილური იყო, მათი თვისებები ძალიან ჰგავდა ნეიტრონებისა და პროტონების თვისებებს. შემდეგ შეიცვალა კვლევის ბუნება. ბუნებრივად აღარ ჩანდა იმის დაჯერება, რომ ჩვენ უბრალოდ ვსაუბრობდით ახალი ძალის შესწავლაზე, რომელიც აკავშირებს პროტონებსა და ნეიტრონებს ატომის ბირთვებში. პირიქით, ფენომენების ახალი სამყარო გაიხსნა. ეს სამყარო შედგებოდა მრავალი ახალი და მოულოდნელი ნაწილაკებისგან, რომლებიც საოცრად დიდი რაოდენობით გარდაიქმნებოდნენ ერთმანეთში. ტერმინოლოგიის ცვლილებამ ასევე აისახა შეხედულებების ცვლილება.
ბირთვული ძალების ნაცვლად, ფიზიკოსებმა დაიწყეს საუბარი ძლიერი ურთიერთქმედების შესახებ.
1960-იანი წლების დასაწყისში მიურეი გელ-მანმა და ჯორჯ ცვაიგმა კვარკების კონცეფციით ძლიერი ძალის თეორიაში უზარმაზარი გარღვევა გააკეთეს. თუ წარმოიდგენთ, რომ ჰადრონები არ არის ფუნდამენტური ნაწილაკები, არამედ შედგება გარკვეული რაოდენობის განუყოფელი კვარკებისგან, მაშინ ყველაფერი თავის ადგილზე დგება. ათობით დაკვირვებული ჰადრონები, ყოველ შემთხვევაში, უხეში მიახლოებით, შეიძლება აიხსნას კვარკების მხოლოდ სამი ტიპის („არომატი“) სხვადასხვა შესაძლო კომბინაციით. კვარკების ერთსა და იმავე კომპლექტს შეიძლება ჰქონდეს განსხვავებული სივრცითი ორბიტა და განსხვავებული სპინის კონფიგურაცია. ასეთი სისტემის ენერგია დამოკიდებული იქნება ყველა ამ ფაქტორზე და, ამრიგად, მიიღება სხვადასხვა ენერგიების მქონე მდგომარეობები, რომლებიც შეესაბამება სხვადასხვა მასის ნაწილაკებს, m = E/c 2 ფორმულის მიხედვით. ეს ანალოგიურია იმისა, თუ როგორ გვესმის ატომში აღგზნებული მდგომარეობების სპექტრი, როგორც სხვადასხვა ორბიტების და ელექტრონების სპინის კონფიგურაციის გამოვლინება. (მართალია, ატომებში ელექტრონების ურთიერთქმედების ენერგიები შედარებით მცირეა და ამ ენერგიების გავლენა ატომის მთლიან მასაზე უმნიშვნელოა.)
თუმცა, რეალისტური მოდელების აღწერისთვის კვარკების გამოყენების წესები საკმაოდ უცნაური და გაუგებარი ჩანდა.
ვარაუდობდნენ, რომ კვარკები ძნელად გრძნობენ ერთმანეთის არსებობას, როდესაც ისინი ახლოს არიან, მაგრამ თუ შეეცდებით მათ იზოლირებას ერთმანეთისგან, აღმოაჩენთ, რომ ეს შეუძლებელია. იზოლირებული კვარკის პოვნის ფართო მცდელობები არასოდეს ყოფილა წარმატებული. კვარკის მხოლოდ შეკრული მდგომარეობები ანტიკვარკით (მეზონებით) და სამი კვარკით (ბარიონებით) აღმოჩნდა დაკვირვებადი. ამ პრინციპს, რომელიც გამომდინარეობს ექსპერიმენტული დაკვირვებებიდან, ეწოდა ჩაკეტვა. თუმცა, ამაღლებულმა სახელმა არ გახადა თავად ფენომენი ნაკლებად იდუმალი.
კვარკებს ასევე ჰქონდათ კიდევ ერთი შესანიშნავი თვისება. ითვლებოდა, რომ მათი ელექტრული მუხტები წილადია (1/3 ან 2/3) ძირითადი ერთეულის მუხტის მიმართ, მაგალითად, ელექტრონი ან პროტონი. ყველა სხვა დაკვირვებული მუხტი ცნობილია დიდი სიზუსტით და არის ძირითადის მრავალჯერადი. გარდა ამისა, იდენტობის კვარკები არ ემორჩილებიან კვანტური სტატისტიკის ჩვეულ წესებს. ეს წესები მოითხოვს, რომ კვარკები, როგორც სპინი-1/2 ნაწილაკები, იყვნენ ფერმიონები ანტისიმეტრიული ტალღური ფუნქციებით (ფერების სიმეტრიის იგნორირება). თუმცა, ბარიონებზე დაკვირვებული მონაცემები ვერ აიხსნება ანტისიმეტრიული ტალღის ფუნქციების გამოყენებით, ისინი უნდა იყოს სიმეტრიული.
კვარკების თვისებების ირგვლივ საიდუმლოებით მოცული ატმოსფერო კიდევ უფრო გასქელდა, როდესაც ჯ.ფრიდმანი. გ. კენდალმა, რ. ტეილორმა და მათმა კოლეგებმა სტენფორდის ხაზოვან ამაჩქარებელში (SLAC) გამოუშვეს მაღალი ენერგიის ფოტონები და შიგნით კვარკების მსგავსი რამ აღმოაჩინეს. ეს მოულოდნელი იყო. რომ ძლიერი შეჯახების დროს კვარკები მოძრაობენ (უფრო ზუსტად, გადასცემენ ენერგიას და იმპულსს), თითქოს ისინი თავისუფალი ნაწილაკები იყვნენ. ამ ექსპერიმენტამდე ფიზიკოსთა უმეტესობა ვარაუდობდა, რომ როგორიც არ უნდა იყოს ძლიერი კვარკის ურთიერთქმედება, მან უნდა გამოიწვიოს კვარკების ენერგიის უხვად გამოსხივება და ამიტომ, მკვეთრი აჩქარების შემდეგ, მოძრაობის ენერგია სწრაფად უნდა გაიფანტოს. .

ზოგიერთი ბარიონი

ნაწილაკი	კვარკი სტრუქტურა	წონა mc 2, მევ	Სიცოცხლის განმავლობაში t (წმ) ან სიგანე D	სპინის პარიტეტი იზოსპინი J P (I)	ძირითადი დაშლის რეჟიმები
გვ	უუდ	938.27	>10 32 წლის	1/2 + (1/2)
ნ	უდი	939.57	885,7±0,8	1/2 + (1/2)	პე-ე
Λ	უდს	1116	2.6×10 -10	1/2 + (0)	pπ -, nπ 0
Σ +	uus	1189	0.80×10 -10	1/2 + (1)	pπ 0, nπ +
Σ 0	უდს	1193	7.4×10 -20	1/2 + (1)	Λγ
Σ -	dds	1197	1.5×10 -10	1/2 + (1)	nπ -
Ξ 0	აშშ	1315	2.9×10 -10	1/2 + (1/2)	Λπ 0
Ξ -	dss	1321	1.6×10 -10	1/2 + (1/2)	Λπ -
Δ ++	უუუ	1230-1234	115-125 მევ	3/2 + (3/2)	(n ან p) + გვ
Δ +	უუდ
Δ 0	უდი
Δ +	დდდ
Σ(1385) +	uus	1383	36 მევ	3/2 + (1)	Λπ, Σπ
Σ(1385) 0	უდს	1384	36 მევ
Σ(1385) -	dds	1387	39 მევ
Ξ(1530) 0	აშშ	1532	9.1 მევ	3/2 + (1/2)	Ξπ
Ξ(1530) -	dss	1535	9.9 მევ
Ω -	სსს	1672	0.82×10 -10	3/2 + (0)	ΛK - , Ξ 0 π -
N(1440) +	უუდ	1430-1470	250-450 მევ	1/2 + (1/2)	n(π)+p(2π), Δπ
N(1440) 0	უდი
N(1520) +	უუდ	1515-1530	110-135 მევ	3/2 - (1/2)	n(π)+p(2π), Δπ
N(1520) 0	უდი
	udc	2285	2.0×10 -13	1/2 + (0)	(n ან p)+სხვა
Σc(2455)++	uuc	2453	2.2 მევ	1/2 + (1)	π
Σ c (2455) +	udc	2451	< 4.6 МэВ
Σ c (2455) 0	დდკ	2452	2.2 მევ
	udb	5620	1.4×10 -13	1/2 + (0)	ელ.
	USB	5792	1.4×10 -12	1/2 + (1/2)	Ξ - e - X

ზოგიერთი მეზონი

ნაწილაკი	კვარკი სტრუქტურა	წონა mc 2, მევ	Სიცოცხლის განმავლობაში t (წმ) ან სიგანე D	სპინის პარიტეტი იზოსპინი J P (I)	ძირითადი დაშლის რეჟიმები
π +	u	139.57	2.6×10 -8	0 - (1)	ν μ μ +
π -	დ				μ μ -
π 0	უ-დ	134.98	8.4×10 -17		2γ
K+	u	494	1.2×10 -8	0 - (1/2)	ν μ μ + , π 0 π +
K-	ს				μ μ - , π 0 π -
K 0	დ	498	8.9×10 -11	0 - (1/2)	π + π - , π 0 π 0
K 0	ს		5.2×10 -8		πeν, πμν, 3π
η	u + d - 2s	548	1,29 კევ	0 - (0)	2γ, 3π
η"	u+d+s	958	0.20 მევ	0 - (0)	η2π, ρ 0 γ
ρ +	u	776	150 მევ	1 - (1)	ππ
ρ -	დ				ππ
ρ 0	უ-დ	776	150 მევ		ππ
ω	u+d	783	8.5 მევ	1 - (0)	3π
¢	ს	1019	4.3 მევ	1 - (0)	K + K -,
D+	გ	1869	1.0×10 -12	0 - (1/2)	K+სხვა, ე+სხვა, μ+სხვა
D-	დ				K+სხვა, ე+სხვა, μ+სხვა
D0	გ		4.1×10 -13	0 - (1/2)	K+სხვა, ე+სხვა, μ+სხვა
D0	u				K+სხვა, ე+სხვა, μ+სხვა
	გ	1968	4.9×10 -13	0 - (0)	K+სხვა
	ს				K+სხვა
B+	u	5279	1.7×10 -12	0 - (1/2)	D+სხვა, D * +სხვა, ν+სხვა
B-	ბ				D+სხვა, D * +სხვა, ν+სხვა
B 0	დ	5279	1.5×10 -12	0 - (1/2)	D+სხვა, D * +სხვა, ν+სხვა
B 0	ბ				D+სხვა, D * +სხვა, ν+სხვა
ჯ/ψ	გ	3097	91 კევ	1 - (0)	ჰადრონები, 2e, 2μ
ი	ბ	9460	53 კევ	1 - (0)	τ + τ-, μ + μ-, e + e-

კვარკები, რომლებიც ქმნიან ჰადრონებს, შეიძლება იყვნენ მდგომარეობებში სხვადასხვა ორბიტალური კუთხური მომენტით ლ q და რადიალური კვანტური რიცხვის n განსხვავებული მნიშვნელობების მქონე მდგომარეობებში. ვინაიდან კვარკს აქვს დადებითი პარიტეტი, ხოლო ანტიკვარკს აქვს უარყოფითი პარიტეტი, ბარიონების, ანტიბარიონებისა და მეზონების პარიტეტები განისაზღვრება ურთიერთობებით.

სადაც L არის კვარკების ორბიტალური იმპულსი ჰადრონში.
ანალოგიურად, ჩვენ შეგვიძლია მივიღოთ მეზონის/ანტიმეზონის პარიტეტის ფორმულა:

კვარკის სპინები შეიძლება სხვადასხვა გზით იყოს ორიენტირებული. ამიტომ, ერთი და იგივე კვარკული კომბინაციისთვის, დაშვებულია ჯამური იმპულსისა და პარიტეტის განსხვავებული მნიშვნელობა J P. ფიქსირებული კვარკების კომბინაციის ენერგია (მასა) დამოკიდებულია J P-ზე და სხვა კვანტურ რიცხვებზე, როგორიცაა იზოსპინი, ანუ თითოეული კვარკული კომბინაციისთვის მიიღება ენერგიების (მასა) ნაკრები. ეს არის ჰადრონის სპექტროსკოპიის არსი, რომელიც არსებითად არაფრით განსხვავდება ატომური ან ბირთვული სპექტროსკოპიისგან. ატომში განსხვავება ისაა, რომ თუ ატომში (ან ბირთვში) ნაწილაკების გარკვეული შინაგანი შემადგენლობით იცვლება ენერგია და კვანტური რიცხვები, მაშინ ეს ნიშნავს გადასვლას სხვა მდგომარეობაში. იგივეატომი (ბირთვი). ჰადრონის ფიზიკაში ფიქსირებული კვარკული კომბინაციის ენერგიის (მასის) და კვანტური რიცხვების ცვლილება ნიშნავს გადასვლას სხვანაწილაკი.

ჰადრონები ფერადი კვარკების უფერო წარმონაქმნებია.

რატომ არის დაწყვილებული კვარკის სტრუქტურების ასეთი შეზღუდული ნაკრები - სამ კვარკისა და კვარკ-ანტიკვარკის მდგომარეობები? ამ კითხვაზე პასუხის გასაცემად საჭიროა განვმარტოთ კონცეფცია უფერო მდგომარეობა. კვარკის მოდელი თავის თავდაპირველ ვერსიაში არ შეიცავდა "ფერის" კონცეფციას. თავდაპირველმა მოდელმა შეძლო ჰადრონების მთელი დიდი ოჯახის წარმოდგენა მხოლოდ სამ კვარკის კომბინაციით - qqq (ბარიონები), (ანტიბარიონები) და q. (მეზონები). თუმცა, გაურკვეველი დარჩა, რატომ არის კვარკების სხვა კომბინაციები, მაგალითად, qq, qq, q, qqqq, qq, q და ა.შ. ბუნებაში არა და თავად ცალკეული კვარკები არ შეინიშნება. გარდა ამისა, ბარიონები ცნობილი იყო სამი იდენტური კვარკისგან - uuu (Δ ++ -რეზონანსი), ddd (Δ - - რეზონანსი), sss (Ω - -ჰიპერონი), რომლებშიც კვარკები იდენტურ კვანტურ მდგომარეობებში იყვნენ, რაც ეწინააღმდეგებოდა პაულის. პრინციპი. კვარკების მოდელის საწყის ვერსიაში ყველა ეს სირთულე მოიხსნა კვარკებისთვის სხვა კვანტური რიცხვის შემოღებით, ე.წ. ფერი. ამ კვანტურ რიცხვს უნდა ჰქონოდა სამი შესაძლო მნიშვნელობა, რათა პაულის გამორიცხვის პრინციპი რეკონსტრუირებული ყოფილიყო იმავე გემოს სამი კვარკისგან აგებული ბარიონებისთვის. ეს სამი შესაძლო ფერის მნიშვნელობა - წითელი (k), მწვანე (z) და ლურჯი (s) - შეიძლება ჩაითვალოს ერთგვარი ფერის ტრიალის სამ პროექციად სამგანზომილებიან ფერთა სივრცეში (ღერძებით K, Z. S) .
ფერის შემოღებით, Δ++ რეზონანსი, მაგალითად, შეიძლება წარმოდგენილი იყოს სამი U-კვარკის კომბინაციაში სხვადასხვა ფერის მდგომარეობებში: Δ++ = u к u з u с. ეს ნიშნავს, რომ პაულის პრინციპი მოქმედებდა ჰადრონის ფიზიკაშიც. თუმცა შეუძლებელი იყო სამ ღირებულებით შეზღუდვა. კიდევ ერთი პრობლემა იყო. თუ u to u z u s - ეს არის ერთადერთი ვარიანტი Δ ++ - რეზონანსისთვის, მაშინ პროტონისთვის შეიძლება რამდენიმე კანდიდატის შეთავაზება პაულის პრინციპის დარღვევის გარეშე: u к u з d с, u к u з d з, u с u к d к და ა.შ. მაგრამ არსებობს მხოლოდ ერთი პროტონული მდგომარეობა და ახალი კვანტური რიცხვის „ფერის“ შემოღებამ არ უნდა გაზარდოს დაკვირვებული მდგომარეობების რაოდენობა.
ამ სიტუაციიდან გამოსავალი იყო პოსტულატის მიღება უფერულობადაფიქსირდა ჰადრონების კვანტური მდგომარეობები. ჰადრონების უფერულობა ნიშნავს, რომ სხვადასხვა ფერის კვარკები მათში თანაბარი წონითაა წარმოდგენილი. ასეთ უფერო მდგომარეობებს მოიხსენიებენ, როგორც ფერთა სინგლებს. ისინი უცვლელია ტრანსფორმაციების დროს სამგანზომილებიან ფერთა სივრცეში. თუ კვარკის ფერის ინდექსი იღებს სამ მნიშვნელობას α = 1, 2, 3, მაშინ ასეთ გარდაქმნებს აქვთ ფორმა

იმ პირობით, რომ ფერის მდგომარეობები ორთონორმალურია

სადაც (*) ნიშნავს რთულ უღლებას და δ βγ არის კრონეკერის სიმბოლო.
ფერადი კვარკებისგან განსხვავებით, მათი დაკვირვებული კომბინაციები - ადრონები - ყოველთვის უფეროა. მათში ყველა კვარკის ფერი წარმოდგენილია თანაბარი წონით. ეს არის ანალოგია ფერს შორის ოპტიკაში და კაბელის ნომრის ფერს შორის. ორივე შემთხვევაში, სამი ძირითადი ფერის თანაბარი ნაზავი წარმოქმნის უფერო (თეთრ) კომბინაციას.
მოდით განვიხილოთ კითხვა, თუ როგორ უნდა იქნას გათვალისწინებული კვარკების თავისუფლების ფერის ხარისხები Y ჰადრონების ტალღურ ფუნქციებში. ვინაიდან თავისუფლების ეს ხარისხი არ არის დამოკიდებული თავისუფლების სხვა კვარკებზე - სივრცულ კოორდინატებზე, სპინი და არომატი, მთლიანი ჰადრონის ტალღის ფუნქციის ფერადი ნაწილი შეიძლება გამოიყოს მულტიპლიკატორი ψ ფერით:

Ψ = ψ ფერი Ф,

სადაც Ф არის ჰადრონის ტალღის ფუნქციის ნაწილი, რომელიც მოიცავს სივრცულ ( სივრცე), დატრიალება ( დატრიალება) და არომატული ( არომატი) კვარკების თავისუფლების ხარისხი. დავაყენოთ ტიპი ψ ფერი. განსხვავებულია მეზონებისა და ბარიონებისთვის.
q მეზონების კვარკული სტრუქტურა. იმისათვის, რომ მეზონი იყოს უფერო, მასში არსებული კვარკის (ანტიკვარკის) ყველა შესაძლო ფერი უნდა იყოს წარმოდგენილი იმავე წონით, რაც იძლევა მეზონის ფერთა სტრუქტურას ~ (k + з + с). ამიტომ, მიუხედავად მეზონის ტიპისა (კვარკის შემადგენლობისა), მისი ტალღური ფუნქციის ფერთა ნაწილს, ნორმალიზების გათვალისწინებით, აქვს ფორმა

ბარიონის ფერის ტალღის ფუნქციის ტიპის დადგენისას აუცილებელია პაულის პრინციპის გათვალისწინება. ბარიონი შეიძლება შეიცავდეს იდენტურ კვარკებს და ვინაიდან კვარკები ფერმიონებია, ასეთ ბარიონებში ეს კვარკები არ უნდა იყოს იდენტურ კვანტურ მდგომარეობებში. მეზონების შემთხვევაში ასეთი შეზღუდვა არ არსებობს, ვინაიდან ისინი შეიცავს მხოლოდ სხვადასხვა ნაწილაკებს - კვარკს და ანტიკვარკს. ეს ნიშნავს, რომ ბარიონის ტალღური ფუნქცია, რომელიც შეიცავს იმავე არომატის კვარკებს, უნდა იყოს ანტისიმეტრიული, როდესაც ეს კვარკები ერთმანეთს ცვლის.

განვიხილოთ სიტუაცია Δ ++ რეზონანსის მაგალითის გამოყენებით, რომელიც შედგება სამი U-კვარკისგან. მისი სპინის პარიტეტი არის J P = 3/2 +. ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ მისი ტალღური ფუნქცია სიმეტრიულია კვარკების სივრცულ კოორდინატებში და არ აქვს კვანძები. შესაბამისად, კვარკების ორბიტალური იმპულსი L = 0 და ჯამური იმპულსი J P = 3/2 მთლიანად განპირობებულია ერთი მიმართულებით მიმართული კვარკის სპინებით (). ეს ტრიალი მდგომარეობა სიმეტრიულია. აქედან გამომდინარე, სივრცულ-სპინი-არომატულიΔ ++ რეზონანსის F ტალღური ფუნქცია ამ სამ ცვლადში სიმეტრიულია. როგორც გამოცდილება აჩვენებს, ეს განცხადება მართალია ყველა ბარიონისთვის, ე.ი. ყველა ბარიონს აქვს ტალღური ფუნქციები, რომლებიც სრულიად სიმეტრიულია ნებისმიერი ორი კვარკის სივრცითი კოორდინატების, სპინებისა და არომატების ერთდროული გადანაცვლების მიმართ.მთლიანობაში ანტისიმეტრიული რომ იყოს, ნებისმიერი ბარიონის ჯამური Y ტალღის ფუნქცია უნდა შეიცავდეს ანტისიმეტრიულ ფერის ფუნქცია ψ ფერს. ბარიონის ნორმალიზებული ანტისიმეტრიული ფერის ტალღის ფუნქციას აქვს ფორმა

ასეთი ფერის ფუნქცია ავტომატურად უზრუნველყოფს პაულის პრინციპის შესრულებას, რომელიც კრძალავს იმავე არომატის კვარკების შემცველი ბარიონის არსებობას სრულიად იდენტურ კვანტურ მდგომარეობებში. სურნელოვანი და ფერადიΔ++ რეზონანსის ტალღურ ფუნქციას აქვს ფორმა

მიღებულია Δ ++ რეზონანსული ტალღის ფუნქციის საჭირო ანტისიმეტრიზაცია. ის არის ანტისიმეტრიული ფერის, სიმეტრიული სივრცითი კოორდინატებით (კვარკის ორბიტალური მომენტები ნულოვანია) და სპინები (). ამრიგად, Δ ++ რეზონანსის Y-ის ტალღური ფუნქცია მთლიანობაში ანტისიმეტრიულია, როგორც ეს უნდა იყოს იდენტური ფერმიონების შემცველი სისტემებისთვის. ადვილია იმის შემოწმება, რომ პაულის პრინციპი მოქმედებს ამ სახელმწიფოსთვის. მწვანე u-კვარკი გახდეს წითელი: u з → u к მაშინ Δ ++ რეზონანსში გვაქვს ორი წითელი u-კვარკი იმავე მდგომარეობაში. ამ შემთხვევაში Δ ++ რეზონანსის ტალღური ფუნქცია ნულოვანი ხდება.