"Интеллектуальный дом-сервис" Автор: Лукинский Евгений Валерьевич.
СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА.
Вещество раскладывается на молекулы, молекула на атомы. Атом состоит из ядра и электронного облака. Ядро состоит из протонов, нейтронов, а так же, из элементарных частиц вещества: электронов, мюонов, тау-лептонов, разновидностей нейтрино, так же их антиверсий, и из элементарных частиц силы: разновидностей базонов и их антиверсий.
Протон составная частица ядра атома. Состоит из одного u-кварка (верхнего) и двух d-кварков (нижних), связанных глюонными силами.
Нейтрон составная частица ядра атома. Состоит из одного d-кварка и двух u-кварков, связанных глюонами.
Кварк– элементарная фундаментальная неделимая частица вещества.
Протоны, нейтроны и электронное облако «населяют», такие элементарные частицы вещества, как электроны.
Элементарные частицы вещества – это фундаментальные нерасщепляемые бесструктурные частицы вещества (кроме тау-лептона): кварки/антикварки», электроны/позитроны, а так же, мюоны, τ-лептоны (тау-лептоны), электронные нейтрино, мюонные нейтрино, тау-нейтрино их антиверсии и др.
Интересный факт: τ-лептон (тау-лептон или тритон) - тяжёлый лептон 3-го поколения, примерно в 2 раза тяжелее и протона и нейтрона. Это единственный нестабильный (с коротким временем жизни (2,9±0,005)х 10¯¹³с.) лептон, который может распадаться на электрон и пару нейтрино (обозначается τe), на мюон и пару нейтрино (τμ), а может распадаться и на такие адроны, как нейтроны и протоны (τh).
Элементарные частицы силы – переносчики сил слабого взаимодействия, сил сильного взаимодействия, сил электромагнитного взаимодействия и сил гравитационного взаимодействия. Это фундаментальные нерасщепляемые бесструктурные частицы силы с целым числом спина: W-/W+ бозоны, Z0-бозоны, Бозоны Хиггса, глюоны, фотоны, гравитоны.
Силы взаимодействия обуславливаютт: 1. внешние молекулярные силы, которые хоть и опосредованно, но обеспечивают взаимодействие между молекулами, включая силы притяжения или отталкивания, действующие между атомами и другими типами соседних частиц, например ионами, и 2. внутримолекулярные силы, сохраняющие молекулу. Межмолекулярные силы слабы по сравнению с внутримолекулярными силами. (В химии различают четыре основных вида химической связи: 1. ковалентную, 2. ионную, 3. металлическую и 4. водородную. См. текущую терминологию химии).
1.Сильное взаимодействие – внутриядерные силы, связывающие протоны и нейтроны обеспечивают глюоны, пионы. Самое сильное взаимодействие. Под их действием протоны в ядре атома не распадаются на кварки. Кварки «склеиваются» и удерживаются глюонами.
2.Электромагнитное взаимодействие – силы межмолекулярного взаимодействия обеспечивают фотоны (имеют 0 заряд), а участвуют электроны/позитроны и т.д. Электромагнитное взаимодействие сильнее слабого взаимодействия. С помощью фотонов (этих безмассовых частиц) передаётся свет и электромагнитная энергия.
3.Слабое взаимодействие (самое короткое взаимодействие), которое отвечает за процессы бета-распада атомных ядер и слабые распады составных частиц, которые обеспечивают калибровочные бозоны W +W-, Z− бозоны (W + W- бозон имеет заряд +/-, Z− бозон 0). С их помощью фермионы перекидываются массой, энергией, и могут превращаться друг в друга. Бозон Хиггса имеет 0 спин. Он отвечает за инертную массу элементарных частиц — именно массу, ответственную за эффекты инерции, а не притяжения, в отличие от гравитона.
4.Гравитационное взаимодействие (самое слабое взаимодействие) – гравитационное поле - наличие масс обеспечивают гравитоны (с нулевым зарядом). Чрезвычайно слабая в масштабах микромира сила. Становится ощутимой только на сверхмассивных телах. Его описывает Квантовая модель.
Спин – собственный (периодически повторяющийся) момент импульса элементарной частицы, задающий направление движения (вращения) вихревых силовых потоков внутри её (как по часовой стрелке, так и против часовой). Спин является фундаментальным свойством частицы наравне с массой и электрическим зарядом. Спин обуславливает величину и знак электрического заряда частицы. Например, направляет электроны с разнонаправленными спинами (а значит с разными знаками) в разные стороны.
Момент импульса (момент импульса относительно точки, также: кинетический момент, угловой момент, орбитальный момент, момент количества движения) — показатель, характеризующий величину (амплитуду) короткого усилия обеспечивающего угловую скорость вращательного движения (зависящую от массы частицы, её угловой скорости вращения, а так же от того, как она распределена в пространстве).
Для одной материальной точки момент импульса равен векторному произведению (саляру) радиуса-вектора точки на её импульс-вектор точки.
Электрический заряд – условно минимальная порция (квант) электрического заряда. Знак электрического заряда электрона может принимать как целые, так и дробные значения от -1 до +1 заряда (в т.ч. 0), но в классической физике он принят -1.
Согласно системе измерения (основных международных единиц) СИ условно равен 1,602 176 634 ⋅10¯¹⁹ Кл (кулон). При увеличении электрического заряда напряженность не изменится. Объяснение следующее: при увеличении заряда, во столько же раз увеличивается кулоновская сила (E=F/q). Электрический заряд тесно связан с тонкой структурой, описывающей электромагнитное взаимодействие. Природа электрического заряда к 2022г. полностью не познана.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА.
Молекула — это частица сложного вещества химически делимая до атомов. Молекула способна существовать самостоятельно, сохраняя состав и химические свойства этого вещества, характеризующаяся качественным и количественным составами.
а). качественный состав показывает, из каких атомов состоит молекула.
Например: молекула углекислого газа состоит из атомов углерода и кислорода; молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, а молекула пероксида водорода — из двух атомов водорода и двух атомов кислорода.
б). количественный состав определяет число атомов в молекуле вещества.
Например: молекулы чистых металлов, инертных газов (гелия, неона, аргона, криптона, ксенона, радона) являются одноатомными.
Молекулы кислорода, водорода, азота, хлора, брома, йода двухатомные. Молекула озона состоит из 3 атомов.
Молекула серы — из 8 атомов. Молекула сахара — 12 атомов углерода, 22 атома водорода и 11 атомов кислорода.
Молекула этилового спирта содержит 2 атома углерода, 6 атомов водорода и 1 атом кислорода.
Химические свойства молекулы вещества определяются тем, сколько и каких атомов в ней содержится, а также в каком порядке они соединены друг с другом.
Пример: молекулы кислорода и озона, также как этиловый спирт и сахар, отличаются только количественным составом.
Кислород — газ без запаха необходим живым организмам для дыхания. Озон имеет запах, может вызывать отравление.
Модели строения молекул.
1 — молекула водорода (состоит из 2 атомов водорода), 2 — азота (из 2 атомов азота), 3 — неона (из 1 атома неона), 4 — углекислого газа (из 1 атома углерода, 2 атомов кислорода), 5 — воды (из 1 атома кислорода, 2 атомов водорода),6 — озона (из 3 атомов кислорода), 7 — кислорода (из 2 атомов кислорода), 8 — пропана (из 3 атомов углерода, 8 атомов водорода).
АТОМНАЯ ФИЗИКА.
Упрощённое строение атома.
Атом – это электронейтральная химически неделимая частица, состоящая из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов (ē).
Ядро лёгкого химического элемента состоит из положительно заряженных протонов, такого же числа нейтрально заряженных нейтронов и элементарных частиц: электронов, мюонов, тау-лептонов, разновидностей нейтрино, разновидностей бозонов (и их антиверсий).
Радиус атомного ядра в 100 000 (сто тысяч) раз меньше самого атома, а масса ядра близка к массе атома.
Электрон - элементарная стабильная частица вещества с временем жизни не менее 6,6⋅1028 лет, с отрицательным электрическим зарядом -1e,
Электрон участвует в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Имеет античастицу – позитрон.
Электрон гипотетически может иметь условный радиус в 1000 раз меньший радиуса ядра атома и массу приблизительно 1/1836 массы протона. Число электронов в электронной оболочке атома равно числу протонов в его ядре.
С каждым порядковым номером число электронов увеличивается на один электрон и соответствует числу протонов внутри ядра атома (которое тоже увеличивается на один протон).
Например: порядковый номер эйнштейния (Es) 88, количество протонов 88, количество электронов внутри ядра атома радия 88, количество электронов в электронной оболочке 88.
Электронная оболочка.
Количество электронов в облаке атома меняется в зависимости от энергетического уровня. Чем дальше энергетический уровень от ядра, тем больше электронов он может вместить. Известное максимальное число электронов118 (на всех уровнях электронного облака) у оганесона (Uuo) (инертный газ), соответствует количеству 118 протонов в ядре атома оганесона.
Электронная оболочка атома состоит из электронов, находящихся на электронных уровнях и подуровнях (электронных слоёв разноудалённых от ядра атома). Каждый уровень и подуровень имеет свою конфигурацию - форму траектории орбит (орбиталь) движения электронов. Электроны в первом уровне имеют меньший запас энергии и меньшую способность к преодолению силы притяжения ядра. Электроны внешнего уровня имеют большую энергию и эффективнее преодолевают силу притяжения ядра. В химических реакциях участвуют электроны внешнего уровня (валентная оболочка).
Орбитали имеют сферическую или гантелеобразную конфигурацию траектории в зависимости от типа: S, P, D, F (sharp-резкая, principial-главная, diffuse-дифузная, fundamental-базовая). Первый (ближайший к ядру) электронный уровень (слой) имеет одну S-орбиталь сферической формы и несёт максимально два электрона со слабым отрицательным зарядом, а внешний электронный уровень имеет на 16 орбиталях (4-S, 4-P, 4D, 4-F) максимум 32 электрона. Каждый уровень может вместить в себя определённое максимальное количество электронов, которое определяется по формуле: N=2n², где n — номер уровня. Максимальное число электронов на первом уровне — два, на втором — 8, на третьем — 18, на четвёртом – 32. Электроны занимают уровни в порядке увеличения их энергии (принцип наименьшей энергии).
Каждый энергетический уровень в атоме начинается с S-орбитали. На каждом энергетическом уровне содержится всего по одной S-орбитали. На втором и последующем уровнях после S-орбитали появляются три P-орбитали. Так как на каждой орбитали может размещаться не более двух электронов, то на P-орбитали максимально может находиться два электрона, на трёх P-орбиталях — максимально шесть электронов.
У элементов 1-го периода (таблицы Менделеева) происходит заполнение первого энергетического уровня, который максимально содержит 2 электрона, поэтому в 1-м периоде всего два элемента. У элементов во 2-м периоде заполняется второй уровень, который максимально вмещает 8 электронов, поэтому во втором периоде 8 элементов. У элементов в 3-м периоде заполняется третий уровень, который может максимально содержать 18 электронов, но в третьем периоде содержится только 8 элементов, так как третий уровень к концу 3-го периода не завершен, потому что D-подуровень остался незаполненным. В 4-м периоде на 4-ом уровне максимально вмещается 32 электрона.
Вывод: по количеству электронов внутри ядра атома принято определять уровень заряда ядра атома, а по количеству электронов в электронном облаке, принято определять номер периода, и соответственно количество электронных уровней в электронном облаке (хотя количество электронов в ядре и в облаке одинаковое).
1. Число электронных (энергетических) уровней в атоме равно номеру периода, в котором находится элемент. В этом и есть смысл номера периода в таблице Д.И. Менделеева.
Число электронов на внешнем электронном уровне, у элементов главных подгрупп, равно номеру группы.
2. Химические свойства определяются не всеми электронами, а только теми, которые обладают наибольшей энергией — так называемыми валентными электронами (не путать с электронами высоких энергий ядра атома). Валентными электронами в атоме называются те электроны, которые имеют достаточную энергию, для достижения верхних уровней электронной оболочки и участия в образовании химических связей.
Число валентных электронов равно номеру группы. Число валентных электронов определяет принадлежность элемента к металлам или неметаллам, свойства образованных этим элементом соединений и его валентность в этих соединениях. Атомы элементов со сходными свойствами имеют сходное строение внешних электронных уровней.
Например: щелочные металлы содержат на внешнем уровне один электрон, углерод и кремний — четыре, галогены — семь.
3. С увеличением порядкового номера элемента число валентных электронов изменяется не постепенно (плавно), а периодически (ступенчато) — от 1-го у атомов щелочных металлов до 8-ми для благородных газов, что обуславливает периодическое изменение свойств элементов и их соединений.
Это связано с периодическими изменениями в строении электронных оболочек и является одним из проявлений периодического закона Д. И. Менделеева.
То есть, периодичность изменения свойств элементов возникает вследствие периодического повторения электронной конфигурации внешнего электронного слоя.
Молекула имеющая атом(ы) содержащий(е) на внешней (валентной) оболочке один или несколько не спаренных электронов, называется - свободный радикал. Радикалы могут быть не только нейтральными, но и ионными (ион-радикалы), а также иметь более одного неспаренного электрона (как, например, у бирадикалов). Свободные радикалы обладают парамагнитными свойствами и являются очень реакционноспособными частицами, разрушающими коллаген — основу соединительной ткани живого организма.
Ядро атома.
Ядро состоит из нуклонов и других малых слабо стабильных частиц. Нуклонами называются: протоны (p) с положительным зарядом и нейтроны (n)с нейтральным зарядом. Протон, нейтрон и электрон – химически нерасщепляемые частицы не способные к самостоятельному существованию.
От количества протонов в ядре атома зависит, сколько электронов находится на орбиталях ядра атома, сколько электронов находится в ядре атома (уровень заряда ядра атома), а так же название химического элемента и его физико-химические свойства.
Порядковый номер (атомный номер) химического элемента таблицы Менделеева отражает 1). уровень положительного заряда ядра атома, равного количеству протонов в ядре атома, так же 2). уровень отрицательного заряда электронного облака атома, равного количеству электронов на всех его уровнях.
Если вычесть из среднеарифметического значения атомной массы элемента (числа перед запятой) значение порядкового номера элемента, то получим количество электронов или протонов.
Пример: атом углерода (С) в стабильном состоянии имеет 6 электронов в оболочке, 6 протонов, и 6 нейтронов, т.к. 12-6=6.
Атомные размеры.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА.
Химические элементы - общее название атомов разных веществ. Химические элементы, прежде всего, различают по количеству протонов. Химические элементы делятся на лёгкие и тяжёлые, в зависимости от количества нейтронов в ядре атома. Тяжёлые элементы имеют большее количество нейтронов в ядре атома, чем протонов. Тяжёлые элементы называют изотопами. Лёгкие стабильные элементы представлены в периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева. Лёгкие элементы имеют равное число протонов и нейтронов в ядре атома и поэтому всегда стабильны.
Изотопы – тяжёлые химические элементы, в ядрах которых количество нейтронов превышает количество протонов. Изотопы делятся на устойчивые (стабильные) и неустойчивые (нестабильные). Изотоп (значит в одной ячейке) — это разновидность ядер атомов элементов, которые имеют такой же атомный (порядковый) номер, как и элементы в таблице Менделеева, но разные фактические значения масс, обусловленные большим количеством нейтронов в ядрах атомов (превышающих количество протонов). Нейтроны, имеют нейтральный заряд, поэтому они не подвержены воздействию электромагнитного поля, а значит способны проникать в ядра атомов, при этом количество протонов в ядрах атомов изотопов всегда соответствует порядковому атомному номеру элемента. Различают изотопы устойчивые (стабильные) и радиоактивные (нестабильные).
Радионуклиды – это неустойчивые (нестабильные) изотопы, ядра атомов которых самопроизвольно распадаются, с выделением в окружающую среду энергии, в виде радиоактивного излучения, образуя при этом изотопы уже других химических элементов.
Распад нейтронов (бета-распад) считается опасным процессом, так как свободные нейтроны — один из самых опасных продуктов радиоактивного распада. Это связано с тем, что нейтроны нестабильны и быстро распадаются, что может привести к опасным последствиям для здоровья.
Объяснение: нейтрон состоит из трёх кварков — одного верхнего и двух нижних, и распад происходит под действием слабого взаимодействия. Один из нижних кварков испускает W⁻-бозон и превращается в верхний кварк, при этом нейтрон становится протоном. Сам W⁻-бозон при этом не живёт долго — он тут же распадается на электрон и антинейтрино.
Гамма-излучение (гамма-лучи, γ-лучи) — самый опасный для здоровья вид электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны (менее 2⋅10⁻¹⁰ м). Представляет собой поток фотонов высокой энергии (гамма-квантов). Относится к ионизирующим излучениям, то есть к излучениям, взаимодействие которых с веществом способно приводить к образованию ионов разных знаков.
Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Вилларом в 1900 году при исследовании излучения радия.
На 2017г. известно 3437 изотопа (всех химических элементов), из которых только 252, являются стабильными изотопами.
Хронология ядерной физики.
- В 1896г. эффект радиоактивности (посредством воздействия на радионуклид постоянного электромагнитного поля) открыл французский физик Антуан Анри Беккерель (55 лет, 1852-1908) доказав, что это не рентгеновское излучение.
- В 1899г. британский физик Эрнест Резерфорд (66 лет, 1871-1937) дифференцировал три компонента радиоактивного излучения α, β, Y и установил, что: α-частицами (альфа-частицами) являются «разогнанные» положительно заряженные тяжёлые частицы (протоны), которые после замедления притягивают электроны и образуют ядра гелия с двумя протонами и с двумя нейтронами, создавая ионизирующий эффект.
Исследователи - французские физики, супруги Пьер Кюри (46 лет, 1859-1906) и Мария Складовская-Кюри (66 лет. 1867-1934).
Альфа-излучение опасно для биологических тканей при попадании источника на кожу, слизистые оболочки глаз и дыхательных путей, при попадании внутрь организма в виде пыли или газа.
От облучающего воздействия α-частиц защищает 10 см воздуха, лист бумаги, одежда.
β-частицами (бетта-частицами) являются отрицательно заряженные электроны больших энергий с большой проникающей способностью, но небольшой ионизирующей способностью (т.к. электрон, пролетая через атом на очень большой скорости не успевает его ионизировать). Исследователи – Антуан Анри Беккерель и немецкий физик-ядерщик Вальтер Кауфман (75 лет, 1871-1947).
От облучающего воздействия β-частиц защищает прорезиненная одежда.
Y-частицами (гамма-частицами) является фотонный (светолучевой) поток электромагнитной природы с нулевым зарядом (объясняющий эффект свечения). Гамма излучение представляет собой кванты электромагнитного излучения высокой частоты с ультракороткой длинной волны. Длина волны гамма-излучения (γ –излучение) 0,1 нм. Электрон не излучает Гамма-фотон. Этот вывод вытекает из того, что радиус электрона равен радиусу гамма фотона. При ядерном распаде протоны излучают высокоскоростные электроны в виде Y-фотонов (Y-излучение).
От облучающего воздействия Y-частиц защищает свинцовая преграда толщиной более 10 см.
По своей электромагнитной природе, при одинаковой энергии фотонов, Y-излучение идентично рентгеновскому. При рентгеновском излучении «быстрые» электроны «возбуждаются» и излучаются в виде рентгеновских фотонов, с внешних орбит атома, без ядерного распада.
Торовая модель протона/электрона.
Тор вращения - это поверхность вращения кольцевой формы, образующаяся при вращении окружности в трехмерном пространстве вокруг внешней оси не касающейся самой окружности и перпендикулярной оси самой окружности.
В 1930-х годах выдающийся русский учёный Николай Петрович Кастерин (77 лет, 1869 – 1947) сформулировал, что поле электрона имеет вид вихря, а протона вид смерча. То есть электромагнитное поле электрона представляется как сплюснутое кольцо, а протона округлое как яблоко кольцо (см. рис.) и оба они «дырявые» вдоль своей центральной оси. Спиновые моменты реализуются как в вихре или в смерче, то есть втягиваются вовнутрь и выходят наружу для повторного втягивания. Если спиновое вращение имеет траекторию от положительного полюса к отрицательному полюсу по наружной стороне тора, то условно это вращение называют "по часовой стрелке", а если по внутренней стороне тора, то это вращение "против часовой стрелки". При наличии одновременно существующих двух разнонаправленных спинов возникают два встречных спиновых потока. Эти два потока перекручены между собой как две встречно направленных спирали. Если они равны по значению, то тор электрона, тор протона, тор нейтрона имеет 0 заряд.
Тор электрона нейтрален до тех пор, пока оба спиновых потока уравновешенны по моментам импульсов. Если одно из направлений вращения исчезает, и весь поток внутри электрона вращается только в одном направлении, по часовой стрелке или против её, электрон приобретает электрический заряд. Условно, если направление вращения полного спинового потока совпадает с направлением вращения часовой стрелки, электрон приобретает положительный заряд +1. Если направление вращения полного спинового потока противоположно вращению часовой стрелки, то электрон приобретает отрицательный заряд -1. Но существуют ситуации, когда только часть спинового потока меняет направление своего вращения, тогда в зависимости от соотношения совокупных моментов импульса оставшихся спиновых потоков устанавливается и соответствующий дробный заряд электрона.
Тор протона определяется из условия размещения внутри него 1836 электронов, сконфигурированных в виде двух встречно направленных спиралей по плоскостям сечения тора протона. Заряд протона является результатом комбинации отрицательных, положительных и нейтральных электронов, находящихся в его составе. Заряд протона составляет +2,793. Это означает, что в его составе два электрона с
Орбиты электронов тора протона
зарядами +1 не скомпенсированы, т.е. положительно заряженных электронов в составе протона на 2 больше чем отрицательных, и один нейтральный электрон приобрёл заряд +0,793. Для того чтобы получился заряд равный +0,793, спиновый поток, который создаёт отрицательный заряд должен уменьшиться. Причём отрицательный поток является компенсатором для такого же объёма положительного потока. Поэтому, что бы получился итоговый положительный поток в 79,3 % от общего потока в электроне, оставшиеся 20,7 % потока должны быть суммой двух равных разновращающихся потоков. Иными словами отрицательный поток должен составлять 10,35%, а положительный соответственно 89,65 %. Итак перераспределение массы потоков с разными направлениями вращения с 50% до 89,65% в положительном направлении, и с 50% до 10,35% в отрицательном направлении приводит к тому, что электрон приобретает положительный заряд равный +0,793.
В составе стабильного протона находятся:
613 положительных электронов с зарядами +1;
611 отрицательных электронов с зарядами -1;
611 нейтральных электронов c зарядами 0;
Один электрон с зарядом +0,793.
Таким образом, протон является не единым цельным телом (как это описывает классическая модель вещества), а батареей из 1836 электронов, упакованных в виде условных дисков встречных (в проекции на фактор «время» схожих со спиралью Архимеда), вращающихся навстречу друг другу вокруг центра протона. Электроны в протоне располагаются на своих уровнях спирали симметрично; по схеме: +1, - 1, 0 , +1, -1, 0 и так далее. Оси вращения торов электронов не параллельны оси вращения тора данного протона, и не пересекают её.
Примечание: состав нейтрона моделируется подобным образом, где количество положительных и отрицательных электронов равное, как и величина их зарядов.
Торовая модель в состоянии объяснить существование дробных зарядов и смену знаков этих зарядов под воздействием внешних факторов.
Также следует отметить, что торовая модель допускает наличие у протона (в составе ядра изотопа) отрицательного заряда, что подтверждено экспериментально. Вероятно, в будущем будет обнаружен и нейтральный заряд протона.
Положительный электрон имеет импульс вращения (спин) обратный импульсу вращения отрицательного электрона. Античастицей положительно заряженного электрона является отрицательно заряженный позитрон и наоборот, античастицей отрицательно заряженному электрону является положительно заряженный позитрон.
Это знание раздвигает границы возможностей в исследовании «механизмов» организации вещества, создавая бесчисленное количество вариантов комбинаций и их вариаций, но усложняет подход к научному материалу на начальном уровне его усвоения.
СУБЯДЕРНАЯ ФИЗИКА.
Хронология физики элементарных частиц (ФЭЧ).
Физика элементарных частиц (ФЭЧ), часто называют субъядерной физикой — раздел физики, изучающий структуру и свойства элементарных частиц вещества, а так же, элементарных частиц силы, определяющих четыре вида сил взаимодействия (см. строение вещества).
История физики элементарных частиц берет свое начало в 90-х годах прошлого столетии.
В 1897 г.английский физик Джордж Паджет Томсоном (83 года, 1856-1940) открыл электрон.
В 1905 г. немецкий физик Альберт Энштей (76 лет, 1879-1955) открыл элементарную частицу – фотон.
В 1919 г. английский физик Эрнест Резерфорд (66 лет, 1871-1937) доказал, что в состав любого ядра атома входит протон.
В 1928 г. английский физик Поль Дирак (82 года, 1902-1984) предположил, что у каждой элементарной частицы должна быть соответствующая античастица. То есть элементарные частицы рождаются только парами: частица – античастица.
В 1930 г. австро-швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули (58 лет, 1900-1958) опубликовал предположение о существовании нейтрино («нейтрончик»), подтвердившееся в 1956 г.
В 1932 г. это предположение было подтверждено, когда в космических лучах зарегистрировали позитрон – античастицу по отношению к электрону. В дальнейшем были открыты античастицы всем известным элементарным частицам.
В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик (82 года, 1891-1974) сообщил об открытии нейтрона.
С 1947 по 1950 год выявлены элементарные частицы, опосредующие обменное взаимодействие между протоном, нейтроном и электроном, которые получили название - мезоны.
В 1977 г. – открытие b-кварка.
В середине 80-х годов Экспериментальное подтверждение существования промежуточных векторных бозонов, завершило построение Стандартной модели и её принятие как основной.
В 1995 г. - открытие t-кварка.
В 2000-е годы завершена современная формулировка СМ, после экспериментального подтверждения существования кварков.
В 2000 г. – открытие тау-нейтрино подтвердило состоятельность СМ.
В 2002 г. возникла необходимость незначительного расширения модели, после обнаружения нейтринных осцилляций, а
В 2012 г. сотрудничеством ATLAS и CMS завершило экспериментальное обнаружение бозона Хиггса, предсказанного Стандартной моделью в результате взаимодействия с которым все частицы Стандартной модели приобретают свои массы. Существование бозона Хиггса было подтверждено на основе протон-протонных столкновений в большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе. В 2013 году британский физик-теоретик Питер Хиггс (93 года, 1929) и бельгийский физик-теоретик Франсуа Энглерт (89 лет, 1932) были удостоены Нобелевской премии по физике за свои теоретические предсказания.
К 2022 г. имеется около 700 названий, гипотетически предлагаемых и уже подтвержденных экспериментально элементарных частиц/античастиц (350 частиц/350 античастиц), тогда как «стандартная модель» описывает только 61 элементарную частицу.
СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ (СМ).
Стандартная модель (СМ) — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц (см. стр. 6). СМ в физике элементарных частиц (субъядерной физике), так же важна, как периодическая таблица Менделеева в атомной физике. СМ не является теорией всего, т.к. не описывает тёмную энергию и не включает в себя гравитацию.
ФЕРМИОНЫ.
Кварки.
Самыми стабильными из всех составных частиц, состоящих из кварков, являются протоны и нейтроны.
Кварк u (верхний от «up») самый лёгкий из всех кварков - элементарная частица вещества не наблюдаемая в свободном состоянии с электрическим зарядом +2/3e имеющая массу, участвует в слабом, сильном, электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Протон состоит из двух u-кварков (верхних) и одного d-кварка (нижнего).
Кварк d (нижний от «down») второй по массе из всех кварков - элементарная частица вещества не наблюдаемая в свободном состоянии с электрическим зарядом –1/3e имеющая массу, участвует в слабом, сильном, электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Нейтрон состоит из двух d-кварков (нижних) и одного u-кварка (верхнего).
Кварк s (странный от «strange») третий по массе - элементарная частица вещества не наблюдаемая в свободном состоянии с электрическим зарядом –1/3e имеющая массу, участвует в слабом, сильном, электромагнитном и гравитационном взаимодействии. В протонах и нейтронах существует как примесь виртуальных (морских) пар, состоящих из s-кварка (странного) и антикварка.
Кварк c (очарованный от «charm») четвёртый по массе - элементарная частица вещества не наблюдаемая в свободном состоянии с электрическим зарядом +2/3e имеющая массу, участвует в слабом, сильном, электромагнитном и гравитационном взаимодействии. с-кварк, в результате слабого взаимодействия, распадается превращаясь преимущественно в s-кварк и W-бозон.
Кварк b (прелестный от «beauty») пятый по массе – элементарная частица вещества с временем жизни ~10−12 с, с электрическим зарядом –1/3e имеющая массу, участвует в слабом, сильном, электромагнитном и гравитационном взаимодействии.
Кварк t (истинный от «true») шестой по массе - элементарная частица вещества с временем жизни ~5⋅10−25 с, с электрическим зарядом +2/3e имеющая массу, участвует в слабом, сильном, электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Распадается почти всегда на b-кварк и W-бозон.
Лептоны.
Электрон – самая изученная из лептонов элементарная стабильная частица вещества с временем жизни не менее 6,6⋅1028 лет, с отрицательным электрическим зарядом -1e, имеющая массу, которая составляет приблизительно 1/1836 массы протона; участвует в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Имеет античастицу – позитрон.
Мюон - элементарная нестабильная частица вещества с временем жизни 2,19703(4)⋅10−6 c, с отрицательным электрическим зарядом -1e, имеющая массу, участвующая в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях. Масса мюона в 206,7682830(46) раз больше массы электрона; по этой причине мюон можно рассматривать как чрезвычайно тяжёлый электрон. Мюоны обозначаются как μ−, а антимюоны как μ+.
Тау-лептон (таон) - элементарная нестабильная частица вещества с отрицательным электрическим зарядом -1e, имеющая массу, участвующая в слабом, электромагнитном и гравитационном взаимодействиях.
Электрононное нейтрино – элементарная стабильная частица вещества с нулевым электрическим зарядом, имеющая массу, участвующая в слабом и гравитационном взаимодействиях. Нейтрино обладает самой высокой проницаемостью, но при этом, самой незначительной силой воздействия.
Мюонное нейтрино – элементарная стабильная частица вещества с нулевым электрическим зарядом, имеющая массу, участвующая в слабом и гравитационном взаимодействиях. Нейтрино обладает самой высокой проницаемостью, но при этом, самой незначительной силой воздействия.
Тау-нейтрино – элементарная частица силы с нейтральным зарядом, участвующая в слабом и гравитационном взаимодействии.
БОЗОНЫ.
Калибровочные бозоны имеют спин = 1. Бозоны названы так в честь индийского физика-математика Сатьендра Нат Бозе (80 лет, 1894-1974).
Глюон – элементарная векторная частица силы обмена без массы, обеспечивает сильное взаимодействие кварков, образуя протоны и нейтроны.
Фотон – квант света – необязательно элементарная векторная частица силы обмена, не имеющая массы и собственного заряда (массой её условно наделяет поле бозона Хиггса), т.е. является квантом энергии, который опосредует электромагнитное взаимодействие. Например, столкновение электрона и позитрона сопровождается эффектом, называемым аннигиляция, при котором образуются два фотона.
Возможен и обратный процесс - реакция Брейта-Уилера (впервые описаный в 1934 году). Столкновение двух фотонов может породить электрон-позитронную пару.
W- и Z-бозоны - это элементарные векторные частицы силы обмена, имеющие массу и являющиеся переносчиками слабого взаимодействия. W-бозон имеет положительный электрический заряд +1e, Z-бозон имеет электрический заряд -1e. W- и Z-бозоны являются античастицамидруг для друга и играют важную роль в ядерном бета-распаде.
Бозон Хиггса – элементарная скалярная частица силы. Единственная из всех бозонов имеет спин = 0. Отвечает за наличие инертной массы у частиц переносчиков слабого взаимодействия, таких как W- и Z-бозоны, а посредством поля Хиггса объясняется отсутствие массы и у глюона, и у фотона.
ПРЕОНЫ (субъэлементарные частицы).
Несмотря на то, что до сих пор никаких экспериментальных указаний на неточечную (не элементарную) структуру кварков и лептонов не обнаружено, делаются попытки построить теории, в которых кварки и лептоны были бы составными объектами.
Преоны - рабочее название гипотетических частиц, из которых теоретически могут состоять кварки и лептоны (в физике субъэлементарных частиц).
Виды фундаментальных взаимодействий.
Слабое взаимодействие – явление, определяющее способность элементарных частиц инициировать распад ядра атома.
Сильное взаимодействие – явление, определяющее способность элементарных частиц инициировать формирование ядра атома.
Электромагнитное взаимодействие – явление, определяющее взаимоотношения между элементарными частицами, имеющими электрический заряд.
Гравитационное взаимодействие – явление, наделяющее элементарные частицы массой.
Интересное.
в 2006 году было обнаружено, что и электрон в определенных условиях может быть "расколот" на группу квазичастиц. С учетом того, что речь идёт про совершенно специфические условия, звание лептона у электрона сохранилось. Такая природа этой частицы обсуждалась ещё в 1960 годах, но как-то увязать с реальностью получилось это недавно.
По этим представлениям электрон хоть и является в общем смысле неделимой частицей, но состоит из спинона, орбитона и холона. Всё это квазичастицы. Квази-частицами называются частицы, реальность существования которых ставится под большое сомнение. Но у каждой такой составляющей есть своя роль, и они являются уже гипотетическими частицами силы, а не вещества.
Холон формирует заряд электрона.
Спинон формирует спин электрона, а значит, определяет ориентацию электрона в пространстве.
Орбитон определяет орбитальное положение электрона (положение на орбите атома) в данный момент времени.
Разделение заряда можно наблюдать при разнесении обкладок конденсаторов
Разделение спина и заряда (англ. Spin-charge separation) — явление, наблюдаемое в квазиодномерных системах, в частности в углеродных нанотрубках. Суть этого явления в том, что из-за большого (по сравнению с их кинетической энергией) взаимодействия между электронами в подобных системах, удобными квазичастицами оказываются не электроны (имеющие спин ½ и подчиняющиеся статистике Ферми — Дирака), как в металлах, а своеобразные квазичастицы со спином 0 и 1 холоны и спиноны, подчиняющиеся статистике Бозе — Эйнштейна. Холон переносит только заряд и не переносит спин, в то время как спинон переносит только спин, и не переносит заряд.
Достаточно наглядно можно пояснить ситуацию в одном из предельных случаев. Допустим, взаимодействие между электронами настолько сильно, что они сконденсировались в вигнеровский кристалл. В таком случае, в вигнеровском кристалле, как и в любом другом кристалле, могут существовать фононы, коллективные колебания электронов в узлах решётки. Эти колебания будут сопровождаться переносом заряда. Это и есть холоны. С другой стороны, электроны в цепочке обладают спином, между ними существует некоторое спин-спиновое взаимодействие. Если мы перевернём один из спинов, по цепочке побежит спиновое возмущение, совершенно не сопровождающееся переносом заряда. Это и есть спинон. Также возникновение спинонов обнаружено в других диэлектриках при поглощении электромагнитных волн.
Кроме спинонов и холонов, обнаружены орбитоны — квазичастицы, определяющие орбитальное положение электрона.
Вигнеровский кристалл — упорядоченное состояние электронов, находящихся в поле положительного, равномерно распределённого заряда.
Термином кристалл в физике принято называть систему, у которой потенциальная энергия намного больше кинетической.
Вигнеровский кристалл образуется при низких температурax, если среднее расстояние между электронами значительно больше боровского радиуса. Вигнер показал, что минимальной энергией обладает состояние, в котором электроны локализованы и совершают малые колебания вблизи положений равновесия — узлов вигнеровской решётки. Минимум энергии обеспечивается уменьшением энергии кулоновского отталкивания электронов при образовании ими решётки.
Фонон — квазичастица, квант энергии согласованного колебательного движения атомов твёрдого тела, образующих идеальную кристаллическую решётку.
Хронология физики элементарных частиц (ФЭЧ).
Физика элементарных частиц (ФЭЧ), часто называют субъядерной физикой. Это раздел физики, изучающий структуру и свойства элементарных частиц вещества, а так же, элементарных частиц силы, определяющих четыре вида сил взаимодействия (см. строение вещества).
История физики элементарных частиц берет свое начало в 90-х годах прошлого столетия, когда в 1897 г. Дж. Томсоном был открыт электрон.
В 1905 г. немецкий физик Альберт Энштей (76 лет, 1879-1955) открыл элементарную частицу - фотон, который в единственном числе образовал группу фотонов.
В 1919 г. англиский физик Эрнест Резерфорд (66 лет, 1871-1937) доказал, что в состав любого ядра атома входит протон.
В 1928 г. английский физик Поль Дирак (82 года, 1902-1984) предположил, что у каждой элементарной частицы должна быть соответствующая античастица. То есть элементарные частицы рождаются только парами: частица – античастица.
В 1932 г. это предположение было подтверждено, когда в космических лучах зарегистрировали позитрон – античастицу по отношению к электрону. В дальнейшем были открыты античастицы всем известным элементарным частицам.
В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик (82 года, 1891-1974) сообщил об открытии нейтрона.
С 1947 по 1950 год открыты элементарные частицы силы, которые осуществляют обменное взаимодействие между открытыми ранее протоном, нейтроном и электроном, они получили название - мезонов.
В 1977 г. – открытие b-кварка.
В середине 80-х годов Экспериментальное подтверждение существования промежуточных векторных бозонов, завершило построение Стандартной модели и её принятие как основной.
В 1995 г. - открытие t-кварка.
В 2000-е годы завершена современная формулировка СМ, после экспериментального подтверждения существования кварков.
В 2000 г. – открытие тау-нейтриноподтвердило состоятельность СМ.
В 2002 г. возникла необходимость незначительного расширения модели, после обнаружения нейтринных осцилляций, а
В 2012 г. сотрудничеством ATLAS и CMS завершило экспериментальное обнаружение бозона Хиггса, предсказанного Стандартной моделью в результате взаимодействия с которым все частицы Стандартной модели приобретают свои массы. Существование бозона Хиггса было подтверждено на основе протон-протонных столкновений в большом адронном коллайдере (БАК) в ЦЕРНе. В 2013 году британский физик-теоретик Питер Хиггс (93 года, 1929) и бельгийский физик-теоретик Франсуа Энглерт (89 лет, 1932) были удостоены Нобелевской премии по физике за свои теоретические предсказания.
К 2022 г. имеется около 700 названий, гипотетически предлагаемых и уже подтвержденных экспериментально элементарных частиц/античастиц (350 частиц/350 античастиц), тогда как «стандартная модель» описывает только 61 элементарную частицу.
КВАНТОВАЯ ФИЗИКА.
Квантовая физика (она же квантовая механика) не рассматривает структуру и состав вещества, а изучает и описывает свойства микро уровневых систем (в масштабах атомов и субатомных частиц), в виде свойства частиц и свойства волны, постулируя их двойственную природу (карпускулярно-волновой дуализм), представляя уровни их зарядов и их спиновые характеристики в виде дискретных величин.
Квантовая электродинамика (КЭД) постулирует прерывистую природу (дискретные свойства) электромагнитного поля, носителями которой являются кванты поля (фотоны).
Аннигиляция (лат. «отмена») – превращение (при столкновении) частицы и античастицы в частицы отличные от исходных.
Наиболее изучена аннигиляция электрон-позитронной пары. Реакция аннигиляции даёт в конечном состоянии два или три фотона, в зависимости от ориентации спинов электрона и позитрона (при низких энергиях электрона и позитрона). При энергиях порядка нескольких МэВ (мегаэлектронвольт) становится возможной и многофотонная аннигиляция электрон-позитронной пары. При энергиях порядка сотен МэВ в процессе аннигиляции электрон-позитронной пары рождаются в основном адроны.
Именно при аннигиляции происходит перерождение электромагнитных сигналов в энергию фотонного излучения. Когда электрон и позитрон сталкиваются, образуются два фотона (два кванта света). При наличии знания о том, что электроны образуют в пространстве кластерные системы. определённой конфигурации (несущие информационную нагрузку, в соответствии с влиянием факторов, изменяющих конфигурацию электромагнитных полей в пространстве) мы можем представить, что видимым результатом аннигиляции этих электромагнитных кластеров этих электромагнитных полей будут их световые образы, соответствующие конфигурациям исходного электромагнитного поля (иначе говоря – приведения). Фантомами, в отличие от приведений и световых шаров, являются, вызывающие формирование зрительных образов реакции мозга на электромагнитные сигналы, передаваемые соматической системой организма, индуцированные им из глобального информационного пространства в оригинальной (исходной) электромагнитной форме.
Эффект Брейта-Уилера (впервые описанный в 1934 году) – процесс рождения пары частица-античастица - реакция обратная аннигиляции. Так, рождение электрон-позитронной пары фотоном в электромагнитном поле атомного ядра является одним из основных процессов взаимодействия гамма-кванта с веществом при энергиях более 1 МэВ (мегаэлектронвольта); например, в диапазоне Y-излучения (гамма-излучения).
Столкновение двух фотонов порождает электрон-позитронную пару. Полная энергия и импульс начальной пары в этом процессе сохраняются и распределяются среди множества других частиц в конечном состоянии. У античастиц аддитивные квантовые числа в точности противоположны частицам, поэтому суммы всех квантовых чисел такой исходной пары равны нулю. Следовательно, может быть создан любой набор частиц, общее квантовое число которых также равно нулю, при условии соблюдения закона сохранения энергии и сохранения импульса.
Брейт Грегори – американский физик российского происхождения (82 года, 1899-1981).
Уилер Джон Арчибальд – американский физик-теоретик (96 лет, 1911-2008).
Фотон - это возбуждённый «образ» электрона (но, не электрон) без массы и заряда, имеющий собственный световой спектр излучения. Фотоны определяют, как возбуждения электромагнитного поля, которое является одним из фундаментальных полей Стандартной модели физики элементарных частиц.
Фотоны не поглощаются электронами. Фотоны могут поглощаться атомами или молекулами, выбрасывая (вытесняя) из них электрон или переводя электрон из состояния «с низкой энергией» в состояние «с высокой энергией». Так же он может быть поглощен металлом, вытесняя “электрон проводимости”, это и есть “фотоэлектрический эффект”.
Обратим внимание на то, что радиусы световых и инфракрасных фотонов на много порядков больше радиуса электрона. Это значит, что в момент излучения, удаляющиеся кольцевые магнитные поля формируют структуру фотона на значительном расстоянии от электрона, определяемом длительностью переходного процесса.
Гамма-излучение - коротковолновое электромагнитное излучение, возникающее: 1). в результате разрядки состояний ядер, возбуждающихся при радиоактивном распаде ядер и в ядерных реакциях, 2). в процессах распада элементарных частиц, 3). в результате аннигиляции пар частица-античастица (при прохождении заряженных частиц через вещество) и 4). в ряде других процессов.
Рентгеновские лучи возникают при сильном ускорении заряженных частиц (тормозное излучение), либо при высокоэнергетических переходах в электронных оболочках атомов или молекул.
Оба типа излучения являются электромагнитным излучением, а при одинаковой энергии фотонов являются абсолютным эквивалентом друг другу. Отличаются способом возникновения. Гамма-излучение испускается из возбуждённых атомных ядер (в процессе их девозбуждения), а рентгеновские лучи испускаются посредством свободных, либо связанных в атомах электронов, с электронных орбит ядра атома.
Девозбуждение - переход атома или молекулы из возбуждённого состояния в основное.
Формирование и метаморфозы электронных кластеров.
Модель электрона невольно формирует представление о возможности образования кластеров (ассоциативных групп) электронов. Разноименные магнитные полюса могут сближать их, а одноименные электрические заряды ограничивать это сближение. В результате, электроны, притягиваясь друг к другу, могут формировать кластерные группы по плотности. При столкновении электрон-позитронных пар с высокой энергией, происходит процесс их перерождения (аннигиляции). Электроны, сталкиваясь с позитронами, излучают световые фотоны, которые и формируют световой поток в электрической искре. Треск - это механические колебания атомов воздуха, возникшие в следствие резкого повышения давления (в зоне искры) из-за большего объёма занимаемого излучёнными световыми фотонами, размеры которых на 5 порядков (100 000 раз) больше размеров электронов, что объясняет наличие распространяющейся прямой «ударной волны» а не обратной (при эффекте «схлапывания», в случае с резким разряжением воздушного пространства). В планетарном масштабе, электрические искры превращаются в молнии, а треск электрической искры - в мощные громовые раскаты. При этом надо иметь в виду, что природные молнии формируют фотоны, излучаемые электронами при формировании кластеров гидроксила OH – (в которых атомы водорода и кислорода связаны ковалентной связью).
Таким образом, давление в патронах, снарядах и ракетных двигателях формируют фотоны (излучаемые электронами с внешних орбит атомов молекул веществ, участвующих в этот момент в химических реакциях). Скорость пушечного снаряда варьируется от 400-600 иногда до 1000 м/с, а скорость звука равна 331 м/с.
Чем больше длина волны, которая равна радиусу фотона излучённого электроном, тем больше давление и больше скорость ракеты. Шлейф дыма, выходящий из сопла ракеты «Искандер» убедительно доказывает, что в камере сгорания двигателя этой ракеты формируются инфракрасные фотоны, размеры которых могут быть больше размеров световых фотонов на 2 и даже - 3 порядка. В результате скорость указанной ракеты, достигает примерно 2100 м/с. Это больше скорости пули и в 1,75 раза больше скорости звука. Так что старое мнение о том, что давление, создаваемое преимущественно газами, обуславливает сверхзвуковую скорость ракеты, глубоко ошибочно.
Звуковая волна обогнёт землю (Ø ~40 000 км) 1 раз, примерно за 1,4 дня. Световой сигнал за 1 секунду обогнёт землю около 7,5 раз.
Квантование электромагнитных полей.
Как электрон имеет античастицу – позитрон, а кварки имеют антикварки, так и все остальные элементарные частицы имеют свои античастицы. Например, при столкновении (встрече) электрона с позитроном возникает эффект аннигиляции, при котором взамен пары частица-античастица (электрон-позитрон) возникают два фотона (два кванта света).
Аннигиляция - процесс столкновения субатомной (элементарной) частицы со своей античастицей, сопровождающийся образованием других частиц.
Возможен и обратный эффект, называемый процессом Брейта — Уилера (впервые описаный в 1934 году).
Американские физики Грегори Брейт (82 года, 1899-1981) и Джон А. Уилер (96 лет, 1911-2008), которые в 1934 году теоретически обосновали возможность превращения света в вещество, руководствуясь формулой Эйнштейна E = mc² и исходя из эквивалентности массы и энергии, в рамках общей теории относительности.
В 2021 году команда физиков из Брукхейвенской национальной лаборатории засвидетельствовала, что впервые в мире наблюдала процесс Брейта-Уилера в действии.
Процесс Брейта-Уилера - это столкновение двух фотонов с достаточной энергией в диапазоне Y-излучения (гамма-излучения), порождающее электрон-позитронную пару.
Полная энергия и импульс начальной пары в этом процессе сохраняются и распределяются среди множества других частиц в конечном состоянии. У античастиц аддитивные квантовые числа в точности противоположны частицам, поэтому суммы всех квантовых чисел такой исходной пары равны нулю. Следовательно, возможен любой набор частиц, общее квантовое число которых также равно нулю, при условии соблюдения закона сохранения энергии и сохранения импульса.
Аддитивность — свойство математических или физических величин, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям.
Элементарная частица занимает определённое пространство, соответственно элементарная античастица занимает определённое антипространство. Глобальное пространство, уравновешивается глобальным антипространством.
Фотоны не “сделаны электронами”. Фотоны - это возбуждения электромагнитного поля, которое является одним из фундаментальных полей Стандартной модели физики элементарных частиц.
Еще одним из этих фундаментальных полей является электронное поле. И эти два поля взаимодействуют. Это означает, что электронное поле может испускать или поглощать возбуждения электромагнитного поля (т.е. электроны могут испускать или поглощать фотоны). Это также означает, что возбуждения электромагнитного поля могут вызывать возбуждения электронного поля (т.е. фотоны могут диссоциировать на электрон-позитронные пары посредством процесса, известного как поляризация вакуума.)
Но только потому, что эти два поля взаимодействуют, не означает, что одно из них уступает другому. Они оба являются фундаментальными полями в теории физики, а значит, не состоят из других полей.
Примером возбуждения (частицы), которое не является фундаментальным, является протон. В отличие от фотона или электрона, протон не является возбуждением фундаментального поля; скорее, это комбинация трех возбуждений, то есть трех кварков. В стандартной модели нет “протонного поля”, только различные кварковые поля.
Фотоны не поглощаются электронами. Фотоны могут поглощаться атомами или молекулами, выбрасывая электрон или переводя электрон из состояния с низкой энергией в состояние с более высокой энергией. Или он может быть поглощен металлом, вытесняя “электрон проводимости”, это и есть “фотоэлектрический эффект”. Но ни в коем случае фотон не поглощается самим электроном.
Почему электроны испускают фотоны?
Электроны несут электрический заряд. Электрический заряд является источником электромагнитного поля. Таким образом, электроны взаимодействуют с электромагнитным полем. В квантовой теории поля это взаимодействие между электронным полем и электромагнитным полем происходит в виде заданных блоков, заданных единиц при любой заданной частоте / энергии. Следовательно, всякий раз, когда электрон взаимодействует с электромагнитным полем, это взаимодействие происходит в форме испускания или поглощения такой единицы энергии, другими словами кванта энергии электромагнитного поля. Этот квант известен как фотон.
Напротив, электронные нейтрино вообще не взаимодействуют (не испускают или не поглощают фотоны), несмотря на то, что, кроме отсутствия у них электрического заряда и наличия меньшей массы, они похожи на электроны. С другой стороны, W-бозоны, которые, грубо говоря, похожи на электроны с удаленной электронной принадлежностью (то есть электрон может испускать электронное нейтрино и превращаться в W-бозон), взаимодействуют с фотонами (испускают и поглощают фотоны).
Так что это действительно электрический заряд. Если бы не было электрического заряда, электромагнитное поле существовало бы само по себе, не взаимодействуя ни с чем другим, при этом никакие фотоны не могли бы испускаться или поглощаться.
Квантовая электродинамика.
Квантовая электродинамика (КЭД) рассматривает виды взаимодействий элементарных частиц силы (обеспечивающих возникновение как внутриатомных, так и межмолекулярных сил, которые в свою очередь, действуют на частицы вещества); квантовополевая теория электромагнитных взамодействий (наиболее разработанная часть квантовой теории поля). Классическая электродинамика учитывает, только непрерывные свойства электромагнитного поля. В основе квантовой электродинамики лежит представление о том, что электромагнитное поле обладает ещё и прерывными (дискретными) свойствами, носителями которых являютс я кванты поля — фотоны. Взаимодействие электромагнитного излучения с заряженными частицами силы, рассматривается в квантовой электродинамике, как поглощение и испускание частицами фотонов.
Хронология квантовой механики XI века
В 2002 г. Леонид Вайнерман организует в Страсбурге встречу физиков-теоретиков и математиков, посвященную приложениям квантовых групп и квантовых группоидов в квантовых теориях; материалы встречи опубликованы в 2003 году в книге под редакцией организатора встречи.
С 2007 по 2010 год – Ален Аспект (75 лет, 1947), Антон Цайлингер (77 лет, 1945) и Джон Клаузер (79 лет, 1942) представляют прогресс в решении нелокального аспекта квантовой теории и награждены премией Вольфа по физике в 2010 году.
В 2009 г. Аарон Д. О'Коннелл (36 лет, 1986) изобретает первую квантовую машину, применяя квантовую механику к макроскопическому объекту, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом, способный вибрировать одновременно в небольшом и большом количестве.
В 2011 г. Закари Даттон демонстрирует, как фотоны могут сосуществовать в сверхпроводниках. "Прямое наблюдение когерентного захвата населённости в сверхпроводящем искусственном атоме".
В 2012 г. подтверждено существование бозона Хиггса было сотрудничеством ATLAS и CMS на основе протон-протонных столкновений в большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Питер Хиггс (93 года, 1929) и Франсуа Энглерт (89 лет, 1932) были удостоены Нобелевской премии по физике 2013 года за свои теоретические предсказания.
В 2014 г. ученые передают данные с помощью квантовой телепортации на расстояние 10 футов с нулевым процентом ошибок, что является жизненно важным шагом на пути к квантовому Интернету.
В 2022г. Нобелевскую премию по физике 2022 года получили физики Ален Аспект из Университета Париж-Сакле, Джон Клаузер из исследовательской компании J. F. Clauser & Associates и Антон Цайлингер из Венского университета. Они значительно продвинулись в понимании «квантовой запутанности» Аспе, Клаузера и Цайлингера и того, как можно использовать ее в прикладных целях. Квантовая запутанность возникает в тот момент, когда две (или более) частицы становятся связанными между собой, при этом то, что происходит с одной частицей, сразу же влияет на другую, несмотря на расстояние между ними.
Теория струн и суперструн.
"Теория струн и суперструн", то есть силовых полей, пронизывающих глобальное пространство, так же как и "теория всего", представляют начальную природу зарождения вещества из гипотетических энергетических потоков («нитей»), запутывающихся, образующих петли, рвущихся и переподсоединяющихся друг к другу. Эти «нити» образуются на границе "разниц потенциалов плотностей пространства", обусловленных разницей плотностей пространства, искривлённых, деформированных и криво деформированных на его разных дискретных уровнях и отрезках.
"Теория струн" основана на разнице потенциалов плотностей пространства, и так, как векторов (направлений) развития этого пространства, при этих условиях, появляется условное бесконечное множество, то и само пространство приобретает бесконечное количество измерений (мерных шкал).
Кстати, в местах большей плотности, в переломах и в местах скручивания пространства и т.д., фотоны видимого спектра отражаются иначе, чем от ровного участка. Поэтому мы можем зрительно воспринимать и анализировать окружающее пространство.
"Разница потенциалов плотностей" пространства – количествнно-качественные динамические отношения силовых наполненностей, между разноуровневыми участками пространства, стремящиеся к средним значениям, для уравновешивания пространственной системы в целом (по аналогии с «разницей электрических потенциалов»).
Квантовая запутанность.
Смысл принципа запутанности в квантовой механике заключается в том, что квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми (связанными).
Квантовая запутанность - это информационная взаимозависимая связь между двумя (и более) квантовыми объектами, сохранившаяся после их близкого взаимодействия и последующего удаления друг от друга, позволяющая на основании установленного физического расположения и состояния одного квантового объекта сделать вывод о вероятном расположении и состоянии второго квантового объекта.
Такая взаимозависимость сохраняется, даже если эти объекты разнесены в пространстве за пределы любых известных систем и видов взаимодействий. Изменение состояния одной из связанных частиц вызывает изменение состояния и другой частицы, а информация между связанными частицами передаётся на огромные расстояния с скоростью превышающей скорость света, не имеющей временной характеристики.
Объяснение квантовой запутанности даёт возможность взглянуть на фундаментальные свойства пространства и времени с другой стороны.
То есть, в квантовом мире расстояние может быть иллюзией, а связь между объектами — мгновенной, и не поддающейся измерению во времени.
Интересное.
Виды электромагнитного излучения.
1 миллиметр равен 1 000 000 нанометров (нм).
- Микроволновое излучение (длина волны составляет от 1м до 1мм (с частотой 300 МГЦ – 300 ГГц).
- Видеть сквозь стены позволяет излучение в терагерцевом диапазоне. Он находится между микроволновым и инфракрасным излучением.
Примечание: также через стены относительно неплохо проникает излучение в диапазоне от 1 до 10 ГГц радиоволн. Чем выше частота, тем хуже излучение проходит через стены.
- Инфракрасное излучение (длина волны составляет от 1 миллиметра до 750 нанометров). Имеет частоту, примерно 300 гигагерц (ГГц) до примерно 400 терагерц (ТГц).
- Видимое излучение (длина волны составляет от 750 нм до 400 нм) Граница конца видимого красного спектра имеет частоту 430 ТГц.
- Ультрафиолетовое излучение составляет от 400 нм до 10 нм. Имеет частоту от 7,5⋅10¹⁴ до 3⋅10¹⁶ Гц.
- Коротковолновое мягкое рентгеновское излучение от 10 нм до 0,1 нанометра. Имеет частоту от 3⋅10¹⁶ до 3⋅10¹⁹ Гц.
- Коротковолновое жёсткое рентгеновское излучение от 0,1 до 0,01 нанометра.
- Коротковолновое гамма-излучение (γ–излучение, оно же радиоактивное излучение) меньше 0,01 нм. Короче, чем у рентгеновского излучения.
С какой скоростью движется электрон?
При сопротивлении 1 Ом и напряжении 1 Вольт, электроны движутся в медном проводнике со скоростью порядка 1 мм/сек.
Движение электронов вызванное приложенным электрическим полем.
Скорость распространения электрического поля (электрической волны) близка к скорости света в вакууме. Кстати, скорость распространения электрической волны, как таковой, может быть сколько угодно великой. Даже больше скорости света.
Скорость света.
Скорость света (фотонов) в воде равна 225 341 км/с.
Так для воздуха n=1,003, а для воды n=1,33. То есть в водной среде фотоны будут на 33% медлительнее и станут двигаться со скоростью «всего лишь» 225341 км/с. Движение света в воде.
Скорость света (фотонов) в вакууме равна 299 792 км/с. Такой показатель является предельным.
Скорость света (фотонов) в воздухе равна 298 895 км/с.
Скорость света вокруг земли за 1 сек. составляет примерно 7,5 оборотов по экватору (длина окружности по экватору ~ 40 075,017 км., Ø земли ~12 742 км).
Скорость звука.
Скорость звука (при 0°С) в воздухе равна 0,331 км/с. или 1 193 км/ч.
Скорость звука вокруг земли составляет 1 оборот ~ за 1,4 дня (120 960 сек) 28 598,4 км/сут.
Взрыв на расстоянии 100 км. будет слышен примерно через 5 мин.
Нейтрино.
Нейтрино малой энергии имеют колоссальную длину пробега в самых разных веществах. Поэтому нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо (по сравнению с электроном) взаимодействуют с веществом.
Например, нейтрино с энергией порядка 3—10 МэВ имеют в воде длину свободного пробега порядка 10¹⁸ м (около 100 св. лет). Практически все типы звёзд для нейтрино прозрачны. Каждую секунду через площадку на Земле площадью в 1 см² проходит около 6⋅10¹⁰ нейтрино, испущенных солнцем, однако их влияние на вещество практически никак не ощущается. Для регистрации нейтрино используются крайне высокочувствительные детекторы большой массы, расположенные под землёй для подавления фона от космических лучей.