Существуют ли кварки или из чего состоят элементарные частицы? Атомы. Ионы. Химические элементы — Гипермаркет знаний Пользуясь названиями элементарных частиц из которых

В котором есть информация о том, что все элементарные частицы, входящие в состав любого химического элемента, состоят из различного числа неделимых фантомных частичек По, мне стало интересно, почему же в докладе не говорится о кварках, ведь традиционно считается, что именно они являются структурными элементами элементарных частиц.

Теория кварков уже давно стала общепризнанной среди учёных, которые занимаются исследованиями микромира элементарных частиц. И хотя в самом начале введение понятия «кварк» было чисто теоретическим допущением, существование которого лишь предположительно подтвердилось экспериментально, на сегодняшний день этим понятием оперируют как непреклонной истинной. Учёный мир условился называть кварки фундаментальными частицами, и за несколько десятилетий это понятие стало центральной темой теоретических и экспериментальных изысканий в области физики высоких энергий. «Кварк» вошёл в программу обучения всех естественнонаучных ВУЗов мира. На исследования в данной области выделяются огромные средства - чего только стоит строительство Большого адронного коллайдера. Новые поколения учёных, изучая теорию кварков, воспринимают её в том виде, в каком она подана в учебниках, практически не интересуясь историей данного вопроса. Но давайте попробуем непредвзято и честно посмотреть в корень «кваркового вопроса».

Ко второй половине XX века, благодаря развитию технических возможностей ускорителей элементарных частиц - линейных и круговых циклотронов, а затем и синхротронов, учёным удалось открыть множество новых частиц. Однако что делать с этими открытиями они не понимали. Тогда была выдвинута идея, исходя из теоретических соображений, попытаться сгруппировать частицы в поисках некоего порядка (подобно периодической системе химических элементов - таблице Менделеева). Учёные условились тяжелые и средние по массе частицы назвать адронами , а в дальнейшем их разбить на барионы и мезоны . Все адроны участвовали в сильном взаимодействии. Менее тяжелые частицы, назвали лептонами , они участвовали в электромагнитном и слабом взаимодействии . С тех пор физики пытались объяснить природу всех этих частиц, стараясь найти общую для всех модель, описывающую их поведение.

В 1964 году американские физики Мюррей Гелл-Ман (Лауреат Нобелевской премии по физике 1969 г.) и Джордж Цвейг независимо друг от друга предложили новый подход. Было выдвинуто чисто гипотетическое предположение, что все адроны состоят из трёх более мелких частиц и соответствующих им античастиц. И Гелл-Ман назвал эти новые частицы кварками. Занимательно, что само название он позаимствовал из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где герою во снах часто слышались слова о таинственных трёх кварках. То ли Гелл-Ман слишком эмоционально воспринял этот роман, то ли ему просто нравилось число три, но в своих научных трудах он предлагает ввести в физику элементарных частиц первые три кварка, получившие названия верхний (и — от англ. up), нижний (d — down) и странный (s — strange), обладающие дробным электрическим зарядом + 2 / 3 , — 1 / 3 и — 1 / 3 соответственно, а для антикварков принять, что их заряды противоположны по знаку.

Согласно данной модели протоны и нейтроны, из которых, как предполагают учёные, состоят все ядра химических элементов, составлены из трёх кварков: uud и udd соответственно (снова эти вездесущие три кварка). Почему именно из трёх и именно в таком порядке не пояснялось. Просто так придумали авторитетные научные мужи и всё тут. Попытки сделать теорию красивой не приближают к Истине, а лишь искривляют и без того кривое зеркало, в котором отражена Её частичка. Усложняя простое, мы отдаляемся от Истины. А всё так просто!

Вот так строится «высокоточная» общепризнанная официальная физика. И хотя изначально введение кварков предлагалось в качестве рабочей гипотезы, но спустя короткое время эта абстракция плотно вошла в теоретическую физику. С одной стороны, она позволила с математической точки зрения решить вопрос с упорядочиванием обширного ряда открытых частиц, с другой же, оставалась лишь теорией на бумаге. Как обычно это делается в нашем потребительском обществе, на экспериментальную проверку гипотезы существования кварков было направленно очень много человеческих сил и ресурсов. Средства налогоплательщиков расходуются, людям надо о чём-то рассказывать, отчёты показывать, говорить о своих «великих» открытиях, чтобы получить очередной грант. «Ну раз надо, значит сделаем», - говорят в таких случаях. И вот это случилось.

Коллектив исследователей Стэнфордского отделения Массачусетского технологического института (США) на линейном ускорителе занимался изучением ядра, обстреливая электронами водород и дейтерий (тяжёлый изотоп водорода, ядро которого содержит один протон и один нейтрон). При этом измерялись угол и энергия рассеяния электронов после столкновения. В случае малых энергий электронов рассеянные протоны с нейтронами вели себя как «однородные» частицы, слегка отклоняя электроны. Но в случае с электронными пучками большой энергии отдельные электроны теряли значительную часть своей начальной энергии, рассеиваясь на большие углы. Американские физики Ричард Фейнман (Лауреат Нобелевской премии по физике 1965 г. и, кстати, один из создателей атомной бомбы в 1943-1945 годах в Лос-Аламосе) и Джеймс Бьёркен истолковали данные по рассеянию электронов как свидетельство составного устройства протонов и нейтронов, а именно: в виде предсказанных ранее кварков .

Обратите, пожалуйста, внимание на этот ключевой момент. Экспериментаторы в ускорителях сталкивая пучки частиц (не единичные частицы, а пучки!!!), набирая статистику(!!!) увидели, что протон и нейтрон из чего-то там состоят. Но из чего? Они ведь не увидели кварки, да ещё и в числе трёх штук, это невозможно, они просто увидели распределение энергий и углы рассеяния пучка частиц. А поскольку единственной на то время теорией строения элементарных частиц, хоть и весьма фантастической, была теория кварков, то и посчитали этот эксперимент первой успешной проверкой существования кварков.

Позже, конечно же, последовали и другие эксперименты и новые теоретические обоснования, но суть их одна и та же. Любой школьник, прочитав историю данных открытий, поймёт, насколько всё в этой области физики притянуто за уши, насколько все банально нечестно.

Вот так и ведутся экспериментальные исследования в области науки с красивым названием - физика высоких энергий. Давайте будем честными сами перед собой, на сегодняшний день не существует чётких научных обоснований существования кварков. Этих частиц просто нет в природе. Понимает ли хоть один специалист, что на самом деле происходит при столкновении двух пучков заряженных частиц в ускорителях? То, что на этой кварковой теории строилась так называемая Стандартная модель, которая якобы является самой точной и правильной, ещё ни о чём не говорит. Специалистам хорошо известны все изъяны этой очередной теории. Вот только почему-то об этом принято умалчивать. Но почему? «И самая большая критика Стандартной модели касается тяготения и происхождения массы. Стандартная модель не учитывает тяготения и требует, чтобы масса, заряд и некоторые другие свойства частиц измерялись опытным путем для последующей постановки в уравнения» .

Несмотря на это огромные средства выделяются на эту область исследований, вдумайтесь только, на подтверждение Стандартной модели, а не поиски Истины. Построен Большой адронный коллайдер (CERN, Швейцария), сотни других ускорителей по всему миру, выдаются премии, гранты, содержится огромный штат технических специалистов, но суть всего этого - банальный обман, Голливуд и не более. Спросите любого человека - какую реальную пользу обществу приносят эти исследования - никто вам не ответит, поскольку это тупиковая ветвь науки. С 2012 года заговорили об открытии бозона Хиггса на ускорителе в CERN . История этих исследований - это целый детектив, в основе которого всё тот же обман мировой общественности. Занимательно, что этот бозон якобы открыли именно после того, как зашла речь о прекращении финансирования этого дорогостоящего проекта. И дабы показать обществу важность этих исследований, оправдать свою деятельность, дабы получить новые транши на строительство ещё более мощных комплексов, сотрудникам CERN, работающим в этих исследования, и пришлось пойти на сделку со своей совестью, выдавая желаемое за действительное.

В докладе «ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА» на этот счёт есть такая интересная информация: «Учёные обнаружили ча-стицу, предположительно похожую на бозон Хиггса (бозон был пред-сказан английским физиком Пите-ром Хиггсом (Peter Higgs; 1929), со-гласно теории, он должен обладать конечной массой и не иметь спина). На самом деле то, что обнаружили учёные, не является искомым бо-зоном Хиггса. Но эти люди, сами того ещё не осознавая, сделали действительно важное открытие и обнаружили гораздо большее. Они экспериментально обнаружили яв-ление, о котором подробно описа-но в книге «АллатРа» (примечание: книга «АллатРа», стр. 36 послед-ний абзац). .

Как же на самом деле устроен микромир материи? В докладе «ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА» есть достоверная информация об истинном строении элементарных частиц, знания, которые были известны и древним цивилизациям, чему есть неопровержимые доказательства в виде артефактов. Элементарные частицы состоят из различного числа фантомных частичек По . «Фантомная частичка По ‒ это сгусток, состоящий из септонов, вокруг которого находится небольшое разреженное собственное септонное поле. Фантомная частичка По имеет внутренний потенциал (является его носителем), обновляющийся в процессе эзоосмоса. Согласно внутреннему потенциалу, фантомная частичка По имеет свою соразмерность. Самой наименьшей фантомной частичкой По является уникальная силовая фантомная частичка По ‒ Аллат (примечание: подробнее см. далее по докладу) . Фантомная частичка По ‒ это упорядоченная структура, находящаяся в постоянном спиралевидном движении. Она может существовать только в связанном состоянии с другими фантомными частичками По, которые в конгломерате образуют первичные проявления материи. Вследствие своих уникальных функций, является своеобразным фантомом (призраком) для материального мира. Учитывая, что из фантомных частичек По состоит вся материя, это задаёт ей характеристику иллюзорной конструкции и формы бытия, зависимой от процесса эзоосмоса (наполнения внутреннего потенциала).

Фантомные частички По являются нематериальным образованием. Однако в сцепке (последовательном соединении) между собой, выстроенные согласно информационной программе в определённом количестве и порядке, на определённом расстоянии друг от друга, они составляют основу строения любой материи, задают её разнообразие и свойства, благодаря своему внутреннему потенциалу (энергии и информации). Фантомная частичка По ‒ это то, из чего состоят в своей основе элементарные частицы (фотон, электрон, нейтрино и так далее), а также частицы-переносчики взаимодействий. Это первичное проявление материи в этом мире» .

Проведя после прочтения данного доклада такое небольшое исследование истории развития теории кварков и в целом физики высоких энергий, стало понятно, как всё-таки мало знает человек, если ограничивает своё познание лишь рамками материалистического мировоззрения. Одни допущения от ума, теория вероятности, условная статистика, договорённости и отсутствие достоверных знаний. А ведь люди порой на эти исследования тратят свои жизни. Уверен, что среди учёных и этой области физики есть множество людей, которые действительно пришли в науку не ради славы, власти и денег, а ради одной цели - познания Истины. Когда им станут доступны знания «ИСКОННОЙ ФИЗИКИ АЛЛАТРА», они сами наведут порядок и сделают действительно эпохальные научные открытия, которые принесут реальную пользу обществу. С выходом в свет этого уникального доклада сегодня открыта новая страница мировой науки. Теперь уже стоит вопрос не в знаниях как таковых, а в том, готовы ли сами люди к созидательному использованию этих Знаний. В силах каждого человека сделать всё возможное, чтобы все мы преодолели навязанный нам потребительский формат мышления и пришли к пониманию необходимости создания основ построения духовно-созидательного общества будущего в грядущую эпоху глобальных катаклизмов на планете Земля.

Валерий Вершигора

Ключевые слова: кварки, теория кварков, элементарные частицы, бозон Хиггса, ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА, Большой адронный коллайдер, наука будущего, фантомная частичка По, септонное поле, аллат, познание истины.

Литература:

Коккедэ Я., Теория кварков, М., Издательство «Мир», 340 с., 1969, http://nuclphys.sinp.msu.ru/books/b/Kokkedee.htm ;

Arthur W. Wiggins, Charles M. Wynn, The Five Biggest Unsolved Problems in Science, John Wiley & Sons, Inc., 2003 // Уиггинс А., Уинн Ч. «Пять нерешённых проблем науки» в пер. на русский;

Observation of an Excess of Events in the Search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC, 09 Jul 2012, CERN LHC, ATLAS, http://cds.cern.ch/record/1460439 ;

Observation of a new boson with a mass near 125 GeV, 9 Jul 2012, CERN LHC, CMS, http://cds.cern.ch/record/1460438?ln=en ;

Доклад «ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА» интернациональной группы учёных Международного общественного движения «АЛЛАТРА» под ред. Анастасии Новых, 2015 г. ;

К середине шестидесятых годов XX столетия, когда наряду с протоном и нейтроном было открыто несколько десятков «элементарных» частиц, стало ясно, что эти «элементарные» частицы состоят из более фундаментальных частиц. В 1964 г. Независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили составную кварковую модель адронов.
Кварки объединяются в частицы, называемые адронами . Термин «адрон» происходит от греческого «хадрос» – сильный и отражает свойство адронов участвовать в сильных взаимодействиях. Адроны – связанные системы кварков и антикварков. Адроны существуют двух типов – барионы и мезоны.

Рис. 11.1. Типы адронов и их кварковый состав.

Квантовые числа кварков, образующих адрон, определяют квантовые числа адронов. Адроны имеют определенные значения электрического заряда Q, спина J, чётности P, изоспина I. Квантовые числа s (странность), c (очарование или шарм), b (bottom) и t (top) разделяют адроны на обычные нестранные частицы (р, n, π, …), странные частицы (K, Λ, Σ, …), очарованные (D, Λ c , Σ c , …) и боттом-частицы (B, Λ b , Ξ b). t‑кварк имеет время жизни ≈ 10 -25 с, поэтому за такое короткое время он не успевает образовать адрон.
Всё многообразие адронов возникает в результате различных сочетаний u-, d-, s-, c-, b-кварков, образующих связанные состояния.
Квантовые характеристики кварков приведены в табл. 11.1. Каждый кварк имеет еще три цветные степени свободы (красный, синий, зеленый). Цветные степени свободы в таблице не указаны. Античастицы кварков – антикварки.

Таблица 11.1

Характеристики кварков

Квантовые характеристики антикварков приведены в табл. 11.2.

Таблица 11.2

Характеристики антикварков

Кварки не существуют в свободном состоянии, а заключены в кварковых системах – адронах. Поэтому им нельзя освободиться от взаимодействия с другими кварками, находящимися в том же объеме и связывающими их в адрон глюонами.
Барионное число B − квантовая характеристика частиц, отражающая установленный на опыте ещё до открытия кварков закон сохранения числа барионов. Так например, протон без нарушения законов сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда мог бы распасться на позитрон e + и γ-квант

или на положительно заряженный пион π + и γ-квант

Однако такие распады не наблюдаются. Это можно понять, приписав протону барионное число В = +1 и считать, что все частицы, состоящие из трёх кварков, имеют барионное число, равное плюс единице. Мезоны имеют барионное число В = 0. Антибарионы имеют барионное число В = -1. Лептоны имеют барионное число В = 0.
Все имеющиеся опытные данные свидетельствуют о существовании закона сохранения барионного числа (заряда) или закона сохранения числа барионов:

Барионное число является аддитивным квантовым числом. Барионные числа адронов – следствие их кварковой структуры. Кваркам приписывают барионное число В = +1/3, а антикваркам В = -1/3. Тогда все частицы, состоящие из трех кварков (барионы), будут иметь барионное число В = +1, частицы из трех антикварков (антибарионы) − B = -1, а частицы из кварка и антикварка (мезоны) − B = 0.
В отличие от точечных кварков, адроны протяжённые объекты, т. е. имеют размер (≈ 1 Фм). Среднеквадратичные зарядовые радиусы протона p, пиона π и каона K

дают представление о размерах этих адронов.

Ф. Вилчек: «Кварки рождаются свободными, но встречаются только связанными… В начале двадцатого века, после пионерских экспериментов Резерфорда, Гейгера и Марсдена, физики открыли, что большая часть массы и весь положительный заряд внутри атома сконцентрированы в крошечных ядрах. В 1932 г. Чедвик открыл нейтроны, которые вместе с протонами могли бы рассматриваться как составляющие атомного ядра. Однако известных тогда сил гравитации и электромагнетизма было недостаточно, для того чтобы связать протоны и нейтроны в такие малые объекты, как наблюдаемые ядра. Физики столкнулись с новым видом взаимодействия, самым сильным в природе. Объяснение этой новой силы стало основной задачей теоретической физики.
Для решения указанной проблемы физики в течение многих лет собирали данные, полученные, в основном, из изучения результатов столкновений протонов и нейтронов. Однако результаты этих исследований оказывались громоздкими и сложными.
Если бы частицы в указанных экспериментах были фундаментальными (неделимыми), то после их столкновения следовало бы ожидать те же частицы, только выходящие по измененным траекториям. Вместо этого на выходе, после столкновения, часто оказывалось множество частиц. Конечное состояние могло содержать как несколько копий исходных частиц, так и другие частицы. Многие новые частицы были открыты именно таким образом. Несмотря на то, что эти частицы, называемые адронами, были нестабильны, их свойства были очень схожи со свойствами нейтронов и протонов. Тогда характер исследования изменился. Уже не казалось естественным полагать, что речь идет просто об изучении новой силы, связывающей протоны и нейтроны в атомные ядра. Скорее, открылся новый мир явлений. Этот мир состоял из множества новых неожиданных частиц, преобразующихся друг в друга удивительно большим количеством способов. Отражением изменения во взглядах стало и изменение в терминологии.
Вместо ядерных сил физики стали говорить о сильном взаимодействии.
В начале 1960-х годов Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг совершили огромный прорыв в теории сильного взаимодействия, предложив концепцию кварков. Если вы представите, что адроны не являются фундаментальными частицами, а состоят из некоторого числа неделимых кварков, то все становится на свои места. Десятки наблюдаемых адронов, по крайней мере в грубом приближении, можно объяснить различными возможными способами соединений всего трех типов («ароматов») кварков. Один и тот же набор кварков может иметь различные пространственные орбиты и разнообразные спиновые конфигурации. Энергия такой системы будет зависеть от всех этих факторов, и таким образом получатся состояния с разными энергиями, соответствующие частицам с разными массами, согласно формуле m = E/c 2 . Это аналогично тому, как спектр возбужденных состояний в атоме мы понимаем как проявление различных орбит и спиновых конфигураций электронов. (Правда, энергии взаимодействия электронов в атомах относительно малы, и влияние этих энергий на полную массу атома незначительно.)
Тем не менее, правила использования кварков для описания реалистических моделей казались довольно странными и непонятными.
Предполагалось, что кварки едва ли чувствуют присутствие друг друга, когда находятся рядом, но если вы попытаетесь их изолировать друг от друга, то обнаружите, что это невозможно. Усиленные попытки найти изолированный кварк успехом так и не увенчались. Наблюдаемыми оказались только связанные состояния кварка с антикварком (мезоны) и трех кварков (барионы). Этот принцип, выведенный из экспериментальных наблюдений, назвали конфайнментом. Однако возвышенное название не сделало само явление менее таинственным.
Была у кварков и еще одна примечательная особенность. Предполагалось, что их электрические заряды являются дробными (1/3 или 2/3) по отношению к основному единичному заряду, например, электрона или протона. Все остальные наблюдаемые заряды известны с большой точностью и кратны основному. Кроме того, тождественные кварки не подчиняются обычным правилам квантовой статистики. Эти правила требуют, чтобы кварки, как частицы со спином 1/2, были фермионами с антисимметричными волновыми функциями (если не учитывать цветовую симметрию). Однако наблюдаемые данные о барионах не могут быть объяснены с помощью антисимметричных волновых функций они должны быть симметричными.
Атмосфера таинственности вокруг свойств кварков еще более сгущалась, когда Дж. Фридман. Г.Кендалл, Р. Тейлор и их коллеги на линейном ускорителе в Стэнфорде (SLAC) направили фотоны с высокой энергией на прогоны и обнаружили внутри нечто вроде кварков. Неожиданным было то. что при сильных столкновениях кварки двигаются (точнее, переносят энергию и импульс) так, как если бы они были свободными частицами. До этого эксперимента большинство физиков предполагало, что каким бы ни было сильное взаимодействие кварков, оно должно заставить кварки обильно излучать энергию, и, следовательно, после резкого ускорения энергия движения должна быстро рассеиваться» .

Некоторые барионы

Некоторые мезоны

Кварки, образующие адроны, могут находиться в состояниях с различными орбитальными моментами l q и в состояниях с различными значениями радиального квантового числа n. Так как кварк имеет положительную чётность, а антикварк - отрицательную, чётности барионов, антибарионов и мезонов определяются соотношениями

где L - результирующий орбитальный момент кварков в адроне.
Аналогичным образом можно получить формулу для чётности мезона/антимезона:

Спины кварков могут быть ориентированы различным образом. Поэтому для одной и той же кварковой комбинации допустимы различные значения полного момента и чётности J P . Энергия (масса) фиксированной кварковой комбинации зависит от J P и других квантовых чисел, таких как изоспин, т. е. для каждой кварковой комбинации получается набор энергий (масс). Такова суть спектроскопии адронов, которая по существу не отличается от атомной или ядерной спектроскопии. Отличие в атоме состоит в том, что если в атоме (или в ядре) с определённым внутренним составом частиц изменяется энергия и квантовые числа, то это означает переход в другое состояние этого же атома (ядра). В физике адронов изменение энергии (массы) и квантовых чисел фиксированной кварковой комбинации означает переход к другой частице.

Адроны - бесцветные образования цветных кварков

Почему существует столь ограниченный набор связанных кварковых структур - трёхкварковые и кварк-антикварковые состояния? Для ответа на этот вопрос нужно пояснить понятие бесцветного состояния . Кварковая модель в своем первоначаль­ном варианте не содержала понятия «цвет». Исходная модель смогла представить все многочисленное семейство адронов всего лишь в виде трех кварковых комбинаций − qqq (барионы), (антибарионы) и q (мезоны). Однако оставалось неясным, почему других комбинаций кварков, например, qq, qq, q, qqqq, qq, q и т.д. в природе нет, да и сами отдельные кварки не наблюдаются. Кроме того, были известны барионы из трех тождественных кварков – uuu (Δ ++ -резонанс), ddd (Δ - ‑резонанс), sss (Ω - -гиперон), в которых кварки находились в одинаковых квантовых состояниях, что противоречило принципу Паули. Все эти трудности начального варианта кварковой модели снимались введением для кварков еще одного квантового числа, названного цветом . Это квантовое число должно было иметь три возможных значения с тем, чтобы можно было восстановить принцип Паули для барионов, построенных из трех кварков одинакового аромата. Эти три возможных значения цвета – красный (к), зеленый (з) и синий (с) – можно рассматривать как три проекции своеобразного цветового спина в трехмерном цветовом пространстве (с осями К, З. С).
С введением цвета Δ ++ -резонанс, например, можно представить как комбинацию трех u-кварков в разных цветовых состояниях: Δ ++ = u к u з u с. Это означало, что принцип Паули справедлив и в физике адронов. Однако, ограничиться только трехзначностью цвета было невозможно. Оставалась ещё одна проблема. Если u к u з u с - это единственный вариант Δ ++ ‑резонанса, то для протона можно предложить несколько кандидатов, не нарушая принципа Паули: u к u з d с, u к u з d з, u с u к d к и т. д. Но существует только одно протонное состояние и введение нового квантового числа «цвет» не должно увеличивать число наблюдаемых состояний.
Выходом из этой ситуации явилось принятие постулата о бесцветности наблюдаемых квантовых состояний адронов. Бесцветность адронов означает, что в них кварки разного цвета представлены с равными весами. О таких бесцветных состояниях говорят как о цветовых синглетах. Они инвариантны относительно преобразований в трехмерном цветовом пространстве. Если цветовой индекс кварка принимает три значения α = 1, 2, 3, то такие преобразования имеют вид

при условии ортонормированности цветовых состояний

где (*) означает комплексное сопряжение, а δ βγ − символ Кронекера.
В отличие от цветных кварков, их наблюдаемые комбинации − адроны − всегда бесцветны. В них все кварковые цвета представлены с одинаковыми весами. В этом состоит аналогия между цветом в оптике ик вантовым числом цвет. В обоих случаях равномерная смесь трёх базовых цветов дает бесцветную (белую) комбинацию.
Рассмотрим вопрос о том, как цветовые степени свободы кварков должны быть учтены в волновых функциях адронов Y. Поскольку эти степени свободы не зависят от других кварковых степеней свободы – пространственных координат, спина и аромата, то цветовая часть полной волновой функции адрона может быть выделена в виде множителя ψ color:

Ψ = ψ color Ф,

где Ф − часть волновой функции адрона, куда входят пространственные (space ), спиновые (spin ) и ароматовые (flavor ) степени свободы кварков. Установим вид ψ color . Он различен для мезонов и барионов.
Кварковая структура мезонов q. Для того, чтобы мезон был бесцветным, все возможные цвета кварка (антикварка) в нём должны быть представлены с одинаковым весом, что дает цветовую структуру мезона ~ (k+з +с ). Поэтому, независимо от типа (кваркового состава) мезона цветовая часть его волновой функции с учетом нормировки имеет вид

При установлении вида цветовой волновой функции бариона необходимо учесть принцип Паули. В состав бариона могут входить тождественные кварки, а, поскольку кварки являются фермионами, то в таких барионах эти кварки не должны находиться в одинаковых квантовых состояниях. В случае мезонов такого ограничения нет, так как они содержат только различные частицы - кварк и антикварк. Это означает, что волновая функция бариона, содержащего кварки одинакового аромата, должна быть антисимметричной при перестановке этих кварков.

Рассмотрим ситуацию на примере Δ ++ -резонанса, состоящего из трёх u-кварков. Его спин-чётность J P = 3/2 + . Эксперименты показали, что его волновая функция симметрична по пространственным координатам кварков и не имеет узлов. Следовательно, орбитальный момент кварков L = 0 и полный момент J P = 3/2 целиком обусловлен спинами кварков, направленными в одну сторону (). Такое спиновое состояние симметрично. Следовательно, пространственно-спиново-ароматовая волновая функция Δ ++ -резонанса F симметрична по этим трём переменным. Как показывает опыт это утверждение справедливо для всех барионов, т. е. все барионы имеют волновые функции, полностью симметричные к одновременной перестановке пространственных координат, спинов и ароматов любых двух кварков. Для того чтобы быть антисимметричной в целом, полная волновая функция Y любого бариона должна содержать антисимметричную цветовую функцию ψ color . Нормированная антисимметричная цветовая волновая функция бариона имеет вид

Такая цветовая функция автоматически обеспечивает выполнение принципа Паули, запрещающего существование бариона, содержащего кварки одного и того же аромата в полностью одинаковых квантовых состояних. Ароматово-цветовая волновая функция Δ ++ -резонанса имеет вид

Требуемая антисимметризация волновой функции Δ ++ -резонанса получена. Она антисимметрична по цвету, симметрична по пространственным координатам (орбитальные моменты кварков нулевые) и спинам (). Таким образом, волновая функция Δ ++ -резонанса Y антисимметрична в целом, как и должно быть для систем, содержащих тождественные фермионы. Легко проверить выполнение принципа Паули для этого состояния. Пусть зелёный u-кварк стал красным: u з → u к. Тогда в Δ ++ ‑резонансе имеем два красных u-кварка в одном и том же состоянии. При этом волновая функция Δ ++ -резонанса обращается в нуль.

Нас очаровывают поэтические названии элементарных частиц, но в то же время их разнообразие вызывает у нас тихую грусть: как жаль, что мир не так прост и понятен, как представлял его себе Демокрит Абдерский. Главным достижением этого древнегреческого философа (около 460 г. до н. э. — ок. 370 г. до н. э.) было развитие учения Левкиппа об «атоме» — неделимой частице вещества, обладающей истинным бытием, не разрушающейся и не возникающей (атомистический материализм). Демокрит описал мир как систему атомов в пустоте, отвергая бесконечную делимость материи. Атомы, согласно этой теории, движутся в пустом пространстве (Великой Пустоте, как говорил Демокрит) хаотично, сталкиваются и, вследствие соответствия форм, размеров, положений и порядков, либо сцепляются, либо разлетаются. Образовавшиеся соединения держатся вместе и, таким образом, возникают сложные тела. Само же движение — свойство, естественно присущее атомам. Тела — это комбинации атомов. Разнообразие тел обусловлено как различием слагающих их атомов, так и различием порядка сборки, как из одних и тех же букв слагаются разные слова.

Свою частицу Демокрит называл «атомом», т. е. «неделимым». Придумывать названия элементарным частицам умеют и современные ученые.

Бозон

Класс частиц, часто ассоциирующихся с силами, т. е. они выступают носителями силы. Подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и названы в честь индийского физика Шатьендраната Бозе (1894-1974 г.г.). Суффикс «-он» — греческий; еще сто лет назад его начали постоянно использовать для образования названий вновь обнаруженных частиц.

Фермион

Это тоже целый класс частиц, но они, в отличие от бозонов, подчиняются другой статистике, а именно статистике Ферми-Дирака, и обычно связаны не с силой, а с материей. Названы в честь американского физика итальянского происхождения Энрико Ферми (1901-1954 г.г.), которого наряду с Робертом Оппенгеймером считают одним из отцов атомной бомбы.

Глюон

Вид бозона, ответственный за сильное взаимодействие между кварками. При «обзывании» этих частиц в 1962 году Маррей Гелл-Манн обошелся без греческого языка, а воспользовался обычным английским словом «glue» («клей»), поскольку они как бы склеивают пары кварков в мезоны, а тройки кварков — в протоны и нейтроны атомного ядра. Гелл-Манн также создал термин «глюбол» («шарик глюонов»), коим обозначил гипотетические частицы, составленные из нескольких глюонов.

Нейтрино

Это не имеющие заряда частицы, которые образуются при определенных видах радиоактивного разложения. У них мизерная масса даже по меркам субатомных частиц. Само слово «нейтрино» означает по-итальянски «нейтральная частичка». Впервые о ее возможном существовании заявил в 1930 году Вольфганг Паули и назвал ее «нейтроном». Однако через три года Энрико Ферми переименовал частицу на итальянский манер, в «нейтрино», потому что к тому времени термином «нейтрон» (от латинского «нейтральный», т. е. без заряда) уже начали называть незаряженную крупную частицу, присутствующую в любом атомном ядре.

Электрон

Частица, имеющая неделимое количество отрицательного электрического заряда. Это название предложил в 1894 году ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни (1826-1911 г.г.); ученый использовал древнегреческое слово, означающее «янтарь», поскольку естествоиспытатели еще в античной Греции заметили, что если потереть кусок янтаря шерстью, то он начинает притягивать мелкие предметы (поскольку, как мы говорим сегодня, «становится наэлектризованным»).

Мезон

Это частица, составленная из одного кварка и одного антикварка. Ее название происходит от греческого слова «meso», означающего «средний», поскольку мезоны, когда физики впервые их наблюдали и измерили их характеристики, имели массу, среднюю между массами электрона и нуклона (обобщенный термин для частиц, образующих атомное ядро, т. е. для протонов и нейтронов).

Мюон

Когда физикам, все же не имеющим такой же фантазии, как у лириков, не хватало поэтических образов, они называли вновь открытые частицы по буквам алфавита, правда, греческого. В данном случае за основу взята буква «мю» и добавлен уже традиционный в физике элементарных частиц греческий суффикс «-он». Сначала ученые думали, что эта частица является разновидностью мезона (мю-мезон, в отличие от, скажем, пи-мезона), но потом поняли свою ошибку и соответственно переименовали мю-мезон в мюон. Мезоны, как стало ясно со временем, не являются элементарными частицами, поскольку образованы из кварков, тогда как мюон — полноценная элементарная частица. Мюон был одной из частиц, с помощью которых ученые ЦЕРНа обнаружили бозон Хиггса. Исследователи использовали детектор, известный как «компактный мюонный соленоид», чтобы измерять энергию и импульс мюонов, фотонов, электронов и других частиц, возникающих при столкновении адронов на Большом адронном коллайдере.

(продолжение - в следующем номере)

Александр Заякин

>> Атомы. Ионы. Химические элементы. Для любознательных. Химические элементы в живой природе

Атомы. Ионы. Химические элементы

Материал параграфа поможет вам:

> выяснить, какое строение имеет атом ;
> понять, в чем различие между атомом и ионом;
> усвоить названия и обозначения химических элементов - определенных видов атомов;
> использовать периодическую систему Д. И. Менделеева как источник сведений о химических элементах.

Атомы.

О веществах, их строении размышляли еще древнегреческие философы. Они утверждали, что вещества состоят из атомов - невидимых и неделимых частиц, а в результате их соединения образовался и существует окружающий мир.

1 Фильтром в домашних условиях может служить вата или бинт, сложенный в несколько раз. Фильтр необходимо поместить в хозяйственную лейку.

В переводе с греческого слово «атом» означает «неделимый».

Доказать существование атомов удалось лишь в XIX в. с помощью сложных физических экспериментов. Одновременно было установлено, что атом не является сплошной, монолитной частицей. Он состоит из ядра и электронов. В 1911 г. была предложена одна из первых моделей атома - планетарная. Согласно этой модели, ядро находится в центре атома и занимает незначительную часть его объема, а электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам, как планеты - вокруг Солнца (рис. 32).

Электрон в тысячи раз меньше атомного ядра. Это отрицательно заряженная частица. Ее заряд - наименьший из существующих в природе. Поэтому величину заряда электрона физики приняли за единицу измерения зарядов мельчайших частиц (кроме электронов, существуют и другие частицы). Таким образом, заряд электрона равен - 1 . Эту частицу обозначают так: .

Ядро атома заряжено положительно. Заряд ядра и суммарный заряд всех электронов атома одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Поэтому атом электронейтралъный. Если заряд ядра атома составляет +1, то в таком атоме находится один электрон, если +2 - два электрона и т. д.

Рис. 32. Строение простейшего атома (планетарная модель)

Атом - мельчайшая электронейтральная частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые движутся вокруг него.

Ионы.

Атом в определенных условиях может потерять либо присоединить один или несколько электронов. При этом он становится положительно или отрицательно заряженной частицей - ионом 1 .

Ион - заряженная частица, образовавшаяся в результате потери атомом или присоединения к нему одного или нескольких электронов.

1 Слово «ион» в переводе с греческого означает «идущий». В отличие от электронейтрального атома ион способен перемещаться в эл ектри ч еском поле.

Если атом теряет один электрон, то образуется ион с зарядом +1, а если присоединяет электрон, то заряд иона будет равен - I (схема 5). В случае потери атомом или присоединения к нему двух
электронов образуются ионы с зарядами соответственно +2 или -2 .

Схема 5. Образование ионов из атомов

Существуют также ионы, образовавшиеся из нескольких атомов.

Химические элементы.

Атомов во Вселенной - бесконечное множество. Их различают по зарядам ядер.

Вид атомов с определенным зарядом ядра называют химическим элементом.

Атомы с зарядом ядра +1 принадлежат одному химическому элементу, с зарядом +2 - другому элементу и т. д.

Сейчас известны 115 химических элементов. Заряды ядер их атомов составляют от +1 до +112, а также +114, +116 и +118.

Почти 90 элементов существуют в природе, а остальные (как правило, с наибольшими зарядами атомных ядер) - искусственные элементы. Их получают ученые на уникальном исследовательском оборудовании. Ядра атомов искусственных элементов неустойчивы и быстро распадаются.

Названия химических элементов, атомов и ионов.

У каждого химического элемента есть название. Современные названия элементов происходят от латинских названий (табл. I). Их всегда пишут с большой буквы.

Таблица I

До недавнего времени 18 элементов имели другие (традиционные) названия, которые можно найти в выпущенных ранее учебниках по химии, а также в таблице I. Например, традиционное название одного из таких элементов - водород, а современное - Гидроген.

Названия элементов используют и для соответствующих частиц: атом Гидрогена (водорода ), ион Гидрогена (водорода).

С названиями ионов, образовавшихся из нескольких атомов, вы ознакомитесь позже.

Названия химических элементов имеют разное происхождение. Одни связаны с названиями или свойствами (цветом, запахом) веществ, другие - с названиями планет, стран и т. п. Есть элементы, названные в честь выдающихся ученых. Происхождение некоторых названий неизвестно, поскольку они возникли очень давно.

Это интересно

Современное название одного из элементов - Меркурий. Оно отличается от латинского названия (Hydrargyrum), но близкое к английскому (Mercury) и французкому (Mercure).

Что вы думаете о происхождении названий таких элементов: Европий, Франций, Нептуний, Прометий, Менделевий?

Это интересно

Символы элементов во всех странах одни и те же.

Символы химических элементов.

Каждый элемент, кроме названия, имеет еще и сокращенное обозначение - символ, или знак. В наше время используют символы элементов, предложенные почти 200 лет назад известным шведским химиком Й. Я. Берцелиусом (1779-1848). Они состоят из одной латинской буквы (первой в латинских названиях элементов) или двух1. В таблице I такие буквы выделены в названиях элементов курсивом.

Рис. 33. Клетка периодической системы

Произношение символов почти всех элементов совпадает с их названиями. Например, символ элемента Иода I читается «йод», а не «и», а элемента Феррума Fe - «фэрум», а не «фэ». Все исключения собраны в таблице I.

В некоторых случаях используют общее обозначение химического элемента - E.

Символы и названия химических элементов содержатся в периодической системе Д. И. Менделеева.

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева .

В 1869 г. русский химик Дмитрий Иванович Менделеев предложил таблицу, в которой разместил известные к тому времени 63 элемента. Эту таблицу назвали периодической системой химических элементов.
В нашем учебнике приведены два ее варианта: короткий (форзац I) и длинный (форзац II).

В периодической системе есть горизонтальные строки, которые называют периодами, и вертикальные столбцы - группы. Пересекаясь, они образуют клетки, в которых содержится важнейшая информация о химических элементах.

Каждая клетка пронумерована. В ней записан символ элемента, а под ним - название (рис. 33).

1 Символы четырех элементов, открытых в последнее время, состоят из трex букв.

Дмитрий Иванович Менделеев (1834- 1907)

Выдающийся ученый-химик, член и почетный член академий наук многих стран. В 1869 г., в возрасте 35 лет, создал периодическую таблицу (систему) химических элементов и открыл периодический закон - фундаментальный закон химии. Опираясь на периодический закон, изложил химию в своем учебнике «Основы химии», который многократно переиздавался в России и других странах. Провел основательные исследования растворов и разработал теорию их строения (1865- 1887). Вывел общее уравнение газового состояния (1874). Предложил теорию происхождения нефти, разработал технологию производства бездымного пороха, внес существенный вклад в развитие науки об измерениях - метрологии.

Номер клетки называют порядковым номером размещенного в ней элемента. Его общее обозначение - Z. Выражение «порядковый номер элемента Неона - 10» сокращенно записывают так: Z(Ne) = 10. Порядковый номер элемента совпадает с зарядом ядра его атома и количеством электронов в нем.

В периодической системе все элементы размещены в порядке возрастания заряда ядер атомов.

Итак, из периодической системы Д. И. Менделеева можно получить такие сведения о химическом элементе:

Символ;
название;
порядковый номер;
заряд ядра атома;
количество электронов в атоме;
номер периода, в котором элемент находится;
номер группы, в которой он размещен.

Найдите в периодической системе элемент с порядковым номером 5 и выпишите в тетрадь сведения о нем.

Распространенность химических элементов.

Одни элементы встречаются в природе «на каждой шагу», другие - чрезвычайно редко. Распростриненность элемента в воздухе, воде, почве и т. п. оценивают, сравнивая количество его атомов с количеством атомов других элементов.

Владимир Иванович Вернадский (1863- 1945)

Российский и украинский ученый-естествоиспытатель, академик АН СССР и АН УССР, первый президент АН Украины (1919). Один из основоположников геохимии. Выдвинул теорию происхождения минералов. Изучал роль живых организмов в геохимических процессах. Разработал учение о биосфере и ноосфере. Исследовал химический состав литосферы, гидросферы, атмосферы. Организатор нескольких научно-исследовательских центров. Основатель школы ученых-геохимиков.

Распределение элементов в разных частях нашей планеты изучает наука геохимия. Значительный вклад в ее развитие внес выдающийся отечественный ученый В. И. Вернадский.

Атмосфера почти полностью состоит из двух газов - азота и кислорода. Молекул азота в воздухе вчетверо больше, чем молекул кислорода . Поэтому первое место по распространенности в атмосфере занимает элемент Нитроген, а второе - Оксиген.

Гидросфера - это реки, озера, моря, океаны, в которых растворены небольшие количества твердых веществ и газов . Приняв во внимание состав молекулы воды , легко приити к заключению, что в гидросфере больше всего атомов Гидрогена.

Литосфера, или земная кора, - это твердый поверхностный слой Земли. В нем содержится много элементов. Наиболее распространенными являются Оксиген (58 % всех атомов), Силиций (19,6 %) и Алюминий (6,4 %).

Во Вселенной существуют те же элементы, что и на нашей планете. Первое и второе места по распространенности в ней занимают Гидроген (92 % всех атомов) и Гелий (7 %) - элементы, атомы которых имеют простейшее строение.

Выводы

Атом - мельчайшая электронейтральная частица вещества, которая состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Ион - положительно или отрицательно заряженная частица, образовавшаяся вследствие потери атомом или присоединения к нему одного или нескольких электронов.

Вид атомов с определенным зарядом ядра называют химическим элементом. Каждый элемент имеет название и символ.

Важнейшие сведения о химических элементах содержатся в периодической системе, созданной русским ученым Д. И. Менделеевым.

Почти 90 химических элементов существуют в природе; они различаются по распространенности.

?
37. Охарактеризуйте строение атома.
38. Дайте определение иона. Как эта частица образуется из атома?
39. Что такое химический элемент? Почему его нельзя отождествлять с ато­мом или веществом?
40. Превращается ли один элемент в другой, если атом теряет (присоеди­няет) электрон? Ответ объясните.
41. Найдите в периодической системе и прочитайте такие символы химиче­ских элементов: Li, Н, Al, 0, С, Na, S, Cu, Ag, N, Au. Назовите эти элементы.
42. Какой из символов соответствует Ферруму (F, Fr, Fe), Силицию (С, Cl, S, Si, Sc), Карбону (К, С, Co, Ca, Cr, Kr)?
43. Выпишите из периодической системы символы всех элементов, кото­рые начинаются на букву А. Сколько существует таких элементов?
44. Подготовьте краткое сообщение о происхождении названий Гидрогена, Гелия или любого другого элемента.
45. Заполните пропуски: a) Z(...) = 8, Z(...) = 12; б) Z(C) = ..., Z(Na) = ...
46. Заполните таблицу:

47. Воспользовавшись данными, приведенными в тексте параграфа, определите, сколько приблизительно атомов Оксигена приходится в земной коре на I атом Силиция и на I атом Алюминия.

Для любознательных

Химические элементы в живой природе Подсчитано, что в среднем 80 % массы растений приходится на воду. В организмах животных и человека это вещество также преобладает. Следовательно, наиболее распространенным элементом в живой природе, как и в гидросфере, является Гидроген.

Рис. 34. Химические элементы в организме взрослого человека (в процентах от общего количества атомов)

Организму человека необходимы более 20 химических элементов. Их называют биоэлементами (рис. 34). Они содержатся в воздухе, воде, а также многих веществах, попадающих в организм вместе с пищей. Карбон, Оксиген, Гидроген, Нитроген, Сульфур находятся в белках, других веществах, из которых состоит организм. Калий и Натрий содержатся в крови, клеточных жидкостях и т. п. Оксиген, Фосфор и Кальций необходимы для формирования костей. Очень важны для человека Феррум, Флуор, Иод. Недостаток Феррума в организме приводит к малокровию, Флуора - служит причиной кариеса, а Иода - замедляет умственное развитие ребенка.

§ 8. Изотопы (продолжение)

Изотопы хлора записывают так:

Большинство химических свойств изотопов хлора, а также, например, калия (К и K) или аргона (Ar и Ar), как и изотопов многих других химических элементов, практически не отличаются. Только изотопы водорода из-за резкого кратного увеличения их относительной атомной массы имеют различия в химическихсвойствах. Им даже присвоены индивидуальные названия и химические знаки: протий - Н; дейтерий - H, или D; тритий - H, или T (рис. 37). Теперь мы можем дать современное, более строгое и научное определение химического элемента.

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.

2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока - сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

1. Как вы думаете, почему изотопы калия K и аргона Ar, имеющие одинаковые массы, проявляют разные свойства?

2. Почему в таблице Д. И. Менделеева относительная атомная масса аргона близка к 40, а калия - к 39?

3. Пользуясь названиями элементарных частиц, из которых состоят атомные ядра, дайте другое определение изотопов.

4. Почему изотопы хлора одинаковы между собой по свойствам, тогда как свойства изотопов водорода различны?

5. Почему дейтериевую воду D 2 О называют тяжёлой водой? Подготовьте сообщение «Сравнение свойств лёгкой и тяжёлой воды», пользуясь дополнительными источниками информации.

6. Найдите в таблице Д. И. Менделеева три пары элементов, у которых, подобно паре Аг - К, вначале расположен элемент с большим значением относительной атомной массы.