Квант или кварк что меньше
Как выглядит самая маленькая частица во Вселенной?
Многие из вас могут наивно полагать, что самой маленькой частицей во Вселенной является атом. Что же, атом действительно считался мельчайшей и неделимой частицей вплоть до открытия в 1897 году Джозефом Томпсоном электрона; протона, который был открыт в 1920 году Эрнестом Резерфордом, а в 1932 году и нейтрона, который впервые был обнаружен английским физиком Джеймсом Чедвиком. Спустя почти 100 лет, мы знаем, что все во Вселенной состоит из кварков — загадочных частиц, которые принимают активное участие в гравитационных и электромагнитных взаимодействиях. Так что же такое кварк и как он выглядит?
Кварки — самая маленькая частица во Вселенной
Что такое кварк?
Кварк — наименьшая частица мироздания. Именно из кварков состоят все электроны, нейтроны и протоны атомов, каждый из которых был образован 13,7 миллиардов лет назад сразу после Большого Взрыва. Спустя несколько минут после рождения Вселенной, наше мироздание смогло остынуть настолько, что смогли образоваться первые элементарные частицы — кварки и электроны. Кварки соединились друг с другом, образовав ядро атомов. Спустя примерно 400 000 лет Вселенная смогла остынуть настолько, что произошло замедление в движении электронов, позволив атомным ядрам их захватить. Именно таким образом все видимое и невидимое нам пространство смогло обзавестись первыми атомами гелия и водорода, которые, между прочим, все еще остаются самыми распространенными веществами во Вселенной.
Как выглядят атомные частицы?
Наиболее крупными атомными частицами считаются протоны и нейтроны, которые несколько тяжелее электронов и располагаются прямо в самом центре атома. Электроны же образуют легковесное облако, которое вращается вокруг атомного ядра. Известно, что вес 1800 электронов соответствует одному тяжеловесу-протону. Помимо этого, добавление хотя бы одного протона к атому приводит к образованию нового вещества с отличными от оригинала свойствами, причем добавление лишнего нейтрона создает всего лишь изотоп вещества или же просто более тяжелую его версию.
Ядро атома состоит из протонов, нейтронов и электронов, которые, в свою очередь, состоят из кварков
Как уже говорилось выше, абсолютно все элементарные частицы состоят из кварков. которые представляют из себя основу мироздания. Интересный факт: Название “кварк” было взято в одном из романов известного в XX веке писателя-модерниста Джеймса Джойса, который необычным словом решил обозначить звук, воспроизводимый утками.
Джеймс Джойс — писатель, благодаря которому появился термин «кварки»
Сами же кварки подразделяются на 6 так называемых “ароматов”, каждый из которых обладает своими собственными характеристиками или “цветом”. Кроме того, каждый из 6 типов кварков обладает и собственным весьма оригинальным именем. Так, помимо нижнего и верхнего видов кварков, существуют также странный, очарованный, прелестный и истинный кварки.
Конечно же, “странность” или “прелестность” кварков сильно отличаются от привычных нам понятий. Точно так же, как и понятие цвета кварков на самом деле имеет в виду далеко не их оттенок, но способ взаимодействия кварков и других микрочастиц — глюонов. Что ж, фантазия ученых иногда умеет удивлять.
Если вам нравится данная статья, предлагаю вам посетить наш канал на Яндекс.Дзен, где вы сможете найти еще больше полезной информации из мира науки и техники.
В любом случае, кварки представляют из себя по-настоящему уникальные частицы, от которых во всех смыслах зависит существование нашей Вселенной в том виде, в котором мы ее знаем. Быть может, тайна возникновения Большого взрыва и наше постижение основных законов Вселенной действительно зависят от одной крошечной песчинки, которая в тысячи и тысячи раз меньше атома.
Что такое квант, кварк, нуклон, атом, молекула?
Квант (от нем. Quant—«квант», от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо элементарной частицы или величины вфизике (например, количество (порция) электромагнитного излучения, которое в единичном акте способен излучить или поглотить или др. квантовая система; элементарная частица, то же, что фотон). В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения (говорят, что физическая величина квантуется). [1]
В некоторых важных частных случаях эта величина или шаг её изменения могут быть только целыми кратными некоторого фундаментального значения — и последнее называют квантом. Например, энергия монохроматического электромагнитного излученияугловой частоты ω может принимать значения (N+1/2)ℏω, где ℏ — редуцированная постоянная Планка, а N — целое число. В этом случае ℏω имеет смысл энергии кванта излучения (иными словами, фотона), а N — смысл числа́ этих квантов (фотонов). Именно в этом смысле термин квант был впервые введен Максом Планком в его классической работе 1900 года — первой работе по квантовой теории, заложившей ее основу.
Вокруг идеи квантования с начала 1900-х годов развилась полностью новая физическая концепция, обычно называемая квантовой физикой (например, количество (порция) электромагнитного излучения, которое в единичном акте способен излучить или поглотить или др. квантовая система; элементарная частица, то же, что фотон).
Ныне прилагательное «квантовый» используется в названии ряда областей физики (квантовая механика, квантовая теория поля,квантовая оптика и т. д.). Широко применяется термин квантование, означающий построение квантовой теории некоторой системы или переход от её классического описания к квантовому. Тот же термин употребляется для обозначения ситуации, в которой физическая величина может принимать только дискретные значения — например, говорят, что энергия электрона в атоме «квантуется». Сам же термин «квант» в настоящее время имеет в физике довольно ограниченное применение. Иногда его употребляют для обозначения частиц или квазичастиц, соотвествующих бозонным полям взаимодействия (фотон — квант электромагнитного поля, фонон — квант поля звуковых волн в кристалле, гравитон — гипотетический квант гравитационного поля и т. д.), также о таких частицах говорят как о «квантах возбуждения» или просто «возбуждениях» соответствующих полей.
Кроме того, по традиции «квантом действия» иногда называют постоянную Планка. В современном понимании это название может иметь тот смысл, что постоянная Планка является естественной квантовой единицей измерения действия и других физических величин такой же размерности (например, момента импульса).
Кварк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии, но входящая в составадронов (сильновзаимодействующих частиц, таких как протоны и нейтроны). Кварки являются бесструктурными, точечными частицами; это проверено вплоть до масштаба примерно 5·10 −18 м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона.
В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, для калибровочного описания сильного взаимодействия постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.
Гипотеза о том, что адроны построены из специфических субъединиц, была впервые выдвинута М. Гелл-Манном и, независимо от него, Дж. Цвейгом в 1964 году.
Нукло́ны (от лат. nucleus — ядро) — частицы, из которых построены атомные ядра. Нуклоны представлены протонами и нейтронами.
С точки зрения электромагнитного взаимодействия протон и нейтрон разные частицы, так как протон электрически заряжен, а нейтрон — нет. Однако с точки зрения сильного взаимодействия, которое является определяющим в масштабе атомных ядер, эти частицы неразличимы, поэтому и был введен термин «нуклон», а протон и нейтрон стали рассматриваться как два различных состояния нуклона, различающихся проекцией изотопического спина. Близость свойств изоспиновых состояний нуклона является одним из проявлений изотопической инвариантности.
Молекула (франц. molecule, от лат. moles — масса) — наименьшая способная к самостоятельному существованию частица вещества, обладающая его химическими свойствами.
Учение о строении и свойствах молекул приобрело исключительный интерес для познания субмикроскопической структуры клеток и тканей, а также механизма биологических процессов на молекулярном уровне. Большие успехи в изучении структуры М. и, в частности, М. таких биополимеров, как белки и нуклеиновые кислоты, показали, что важнейшие функции этих веществ в организмах осуществляются на уровне отдельных молекул и поэтому должны исследоваться как молекулярные явления. Установлено, например, что такие функции белков, как ферментативная, структурная, сократительная, иммунная, транспортная (обратимое связывание и перенос жизненно необходимых веществ) разыгрываются на молекулярном уровне и непосредственно определяются структурой и свойствами М. этих веществ. Наследственность и изменчивость организмов связаны с особой структурой и свойствами М. нуклеиновых кислот, в которых зафиксирована вся генетическая информация, необходимая для синтеза белков организма. Небольшие отклонения в структуре или составе молекул ряда биологически важных веществ или изменения в молекулярном механизме некоторых обменных процессов являются причиной возникновения ряда заболеваний (например, серповидноклеточная анемия, наследственная галактоземия, сахарный диабет и др.), называемых молекулярными болезнями.
Молекула каждого вещества состоит из определенного числа атомов (см.) одного химического элемента (простое вещество) или различных элементов (сложное вещество), объединенных посредством химических (валентных) связей. Состав М. выражают химической формулой, в которой знаки элементов указывают вид атомов, образующих М., а числа, стоящие справа внизу, показывают, сколько атомов каждого элемента входит в состав М. Так, из химической формулы глюкозы СвН12Ое следует, что М. глюкозы состоит из 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода. Молекулы инертных газов и паров некоторых металлов одноатомны. Это самые простые М. Наиболее сложными являются М. белков (см.), нуклеиновых кислот (см.) и других биополимеров, состоящие из многих тысяч атомов.
Самые маленькие частицы во Вселенной
Ответ на постоянный вопрос о самой маленькой вещи во Вселенной развился вместе с человечеством. Люди когда-то думали, что песчинки были строительными блоками того, что мы видим вокруг.
Затем был открыт атом. Концепция атомов была впервые предложена греками, которые полагали, что объекты могут быть бесконечно разделены на две части, пока не останется одна неделимая частичка материи. Эта невообразимо малая единица не могла быть разделена дальше и поэтому называлась «атомом», образованным от греческого слова A-tomos. Где «А» означает «нет» и «томос» – делить.
Он считался неделимым, пока он не раскололся, чтобы обнаружить протоны, нейтроны и электроны внутри. Они тоже казались фундаментальными частицами, прежде чем ученые обнаружили, что протоны и нейтроны состоят из трех кварков каждый.
Так какие же из частиц являются самыми маленькими во Вселенной?
Электрон – отрицательно заряженная субатомная частица. Он может быть свободным (не привязанным к какому-либо атому) или связанным с ядром атома. Электроны в атомах существуют в сферических оболочках различного радиуса, представляющих энергетические уровни. Чем больше сферическая оболочка, тем выше энергия, содержащаяся в электроне электрических проводниках поток тока возникает в результате движения электронов от атома к атому в отдельности и от отрицательных к положительным электрическим полюсам в целом. В полупроводниковых материалах ток также возникает как движение электронов.
Позитроны – это античастицы электронов. Основным отличием от электронов является их положительный заряд. Позитроны образуются при распаде нуклидов, в ядре которых имеется избыток протонов по сравнению с числом нейронов, когда происходит распад, эти радионуклиды испускают позитрон и нейтрино.
В то время как нейтрино выходит без взаимодействия с окружающим веществом, позитрон взаимодействует с электроном. Во время этого процесса аннигиляции массы позитрона и электрона превращаются в два фотона, которые расходятся в почти противоположных направлениях.
Около десяти лет назад казалось, что и спектроскопия, и эксперименты по рассеянию сходились на протонном радиусе 0,8768 фемтометров (миллионные доли миллионной доли миллиметра).
Но в 2010 году новый поворот в спектроскопии поставил под сомнение этот идиллический консенсус. Команда измерила протонный радиус 0,84184 фемтометров.
Вы знаете, что нейтроны находятся в ядре атома. В нормальных условиях протоны и нейтроны слипаются в ядре. Во время радиоактивного распада они могут быть выбиты оттуда. Нейтронные числа способны изменять массу атомов, потому что они весят примерно столько же, сколько протон и электрон вместе.
Количество нейтронов в атоме не влияет на его химические свойства. Однако это влияет на его период полураспада, меру его стабильности. Нестабильный изотоп имеет короткий период полураспада, при котором половина его распадается на более легкие элементы.
Представьте себе луч желтого солнечного света, сияющего через окно. Согласно квантовой физике, этот луч состоит из миллиардов крошечных пакетов света, называемых фотонами, которые текут по воздуху. Но что такое фотон?
Фотон – это наименьшее дискретное количество или квант электромагнитного излучения. Это основная единица всего света.
Фотоны всегда находятся в движении и в вакууме движутся с постоянной скоростью всем наблюдателям 2,998 × 10 8 м/с. Обычно это называют скоростью света, обозначаемой буквой с.
Согласно квантовой теории света Эйнштейна, фотоны имеют энергию, равную частоте их колебаний, умноженной на постоянную Планка. Эйнштейн доказал, что свет – это поток фотонов, энергия этих фотонов – это высота частоты их колебаний, а интенсивность света соответствует количеству фотонов.
Кварк – одна из фундаментальных частиц в физике. Они соединяются, чтобы сформировать адроны, такие как протоны и нейтроны, которые являются компонентами ядер атомов.
Кварк имеет ограничение, что означает, что кварки не наблюдаются независимо, но всегда в сочетании с другими кварками. Это делает невозможным непосредственное измерение свойств (массы, спина и четности); эти черты должны быть выведены из частиц, состоящих из них.
Спустя миллионную долю секунды после Большого взрыва Вселенная была невероятно плотной плазмой, настолько горячей, что не могло существовать ни ядер, ни даже ядерных частиц.
Плазма состояла из кварков, частиц, которые составляют нуклоны и некоторые другие элементарные частицы, и глюонов, безмассовых частиц, которые «переносят» силу между кварками.
Глюоны – это обменные частицы для цветовой силы между кварками, аналогичные обмену фотонов в электромагнитной силе между двумя заряженными частицами. Глюон можно считать фундаментальной обменной частицей, лежащей в основе сильного взаимодействия между протонами и нейтронами в ядре.
Мюоны имеют такой же отрицательный заряд, как и электроны, но в 200 раз больше массы. Они возникают, когда частицы высокой энергии, называемые космическими лучами, врезаются в атомы в атмосфере Земли.
Путешествуя со скоростью, близкой к скорости света, мюоны осыпают Землю со всех сторон. Каждая область планеты размером с руку поражена примерно одним мюоном в секунду, и частицы могут пройти через сотни метров твердого материала, прежде чем они будут поглощены.
По словам Кристины Карлогану, физика из Физической лаборатории Клермон-Феррана во Франции, их вездесущность и проникающая способность делают мюоны идеальными для визуализации больших плотных объектов без их повреждения.
Нейтрино – это субатомная частица, которая очень похожа на электрон, но не имеет электрического заряда и очень маленькой массы, которая может даже быть нулевой.
Нейтрино являются одной из самых распространенных частиц во Вселенной. Однако, поскольку они очень мало взаимодействуют с материей, их невероятно сложно обнаружить.
Для обнаружения нейтрино требуются очень большие и очень чувствительные детекторы. Как правило, нейтрино с низкой энергией проходит через многие световые годы нормальной материи, прежде чем взаимодействовать с чем-либо.
Следовательно, все наземные нейтринные эксперименты основаны на измерении крошечной доли нейтрино, которые взаимодействуют в детекторах разумного размера.
1. Бозон Хиггса («Частица Бога»)
Физике частиц обычно тяжело конкурировать с политикой и сплетнями знаменитостей за заголовки, но бозон Хиггса привлек серьезное внимание. Возможно, знаменитое и неоднозначное прозвище знаменитого бозона, «Частица Бога», заставляло гудеть средства массовой информации.
С другой стороны, интригующая возможность того, что бозон Хиггса отвечает за всю массу во Вселенной, захватывает воображение.
Бозон Хиггса является, если не сказать, самой дорогой частицей всех времен. Это немного несправедливое сравнение; например, для открытия электрона потребовалось немного больше, чем для вакуумной трубки и настоящего гения, а для поиска бозона Хиггса потребовалось создание экспериментальных энергий, которые раньше редко встречались на планете Земля.
Электроны в атомах существуют в сферических оболочках различного радиуса, представляющих энергетические уровни.
Позитроны образуются при распаде нуклидов, в ядре которых имеется избыток протонов по сравнению с числом нейронов
Нейтронные числа способны изменять массу атомов, потому что они весят примерно столько же, сколько протон и электрон вместе.
Числа весят? Числа способны изменить массу? А могут и не изменить?
Согласно квантовой физике, луч состоит из миллиардов крошечных пакетов света, называемых фотонами, которые текут по воздуху.
Текут по воздуху согласно квантовой физике? Вы сербезно?
Кварк имеет ограничение, что означает, что кварки не наблюдаются независимо
Ограничение чего? Насчет кварка не уверен, но автор точно имеет ограничение.
Глюоны – это обменные частицы для цветовой силы между кварками
Нейтрино – это субатомная частица, которая очень похожа на электрон, но не имеет электрического заряда и очень маленькой массы
Так а чем он «очень похож»?
«Электроны в атомах существуют в сферических оболочках различного радиуса, представляющих энергетические уровни. »
Мне казалось как-то так:
Я ждал шутку про зарплату
Нейтрино – это субатомная частица, которая очень похожа на электрон.
На нейтрон, поэтому и обозвали «нейтрончик»
На Большом адронном коллайдере открыли новую частицу материи
Российские ученые, участвующие в коллаборации LHCb на Большом адронном коллайдере, объявили об открытии новой частицы — экзотического тетракварка Tcс+, представляющего собой новую форму материи. Об этом сообщается в пресс-релизе на сайте CERN.
Тетракварк Tcс+ представляет собой единственную известную науке частицу, состоящую из четырех кварков, сразу два из которых являются очарованными (с-кварки), но при этом отсутствуют очарованные антикварки. Очарованием называется аромат — квантовое число, характеризующее тип кварка (всего известно шесть разных «сортов» кварков). При этом время жизни нового тетракварка примерно в 10-500 раз больше, чем у частиц с похожей массой, что делает тетракварк Tcс+ рекордсменом-долгожителем.
Изначально считалось, что адроны (составные частицы) могут состоять только либо из трех кварков, как протоны и нейтроны, либо из кварка и антикварка. Однако более полувека назад физики предположили, что существуют адроны, состоящие из четырех (тетракварки) или пяти кварков (пентакварки). Уже экспериментально доказано существование четырех пентакварков и 20 тетракварков. Тетракварк Tcс+ состоит из двух тяжелых очарованных кварков, что обозначается как сс, и двух антикварков с ароматами u (верхний) и d (нижний). Ранее известные тетракварки обладали скрытым очарованием, то есть в их составе имеется очарованный кварк и очарованный антикварк.
По словам ученых, именно наличие двух тяжелых кварков делает частицу относительно стабильной и долгоживущей. Если вместо с-кварков в ней находились b-кварки (прелестные кварки), то время жизни частицы станет еще дольше и может составить 10 в минус 13-й степени секунды.
Субатомные частицы: квантовое царство
Насколько велики кварки?
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.
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
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).