Масштабы микромира

 

Микромир – это мир на уровне элементарных частиц. Элементарных частиц очень много: около четырехсот. Большинство из этих частиц – физическая экзотика. Мы не знаем, зачем их так много. Весь наш привычный мир построен всего из трех элементарных частиц, которые были открыты первыми – это электрон, протон и нейтрон. К элементарным частицам относят также фотон – частицу электромагнитного поля. По современным представлениям вопрос о размерах частиц ставить некорректно. У них нет четкой границы, они как бы размазаны по пространству, и мы можем знать только вероятность нахождения частицы в той или иной области. Тем не менее не вызывает возражений утверждение, что элементарные частицы очень малы. Только про фотон мы не можем так сказать. Мы можем сказать, что фотон обладает незначительной энергией и малым импульсом, но понятия размера для фотона не существует. У фотона нет такого свойства, поэтому нельзя сказать "маленький фотон" или "большой фотон".

Так как все вещество построено из протонов, нейтронов и электронов, а электромагнитное поле – из фотонов, можно утверждать, что основное население микромира состоит из этих четырех частиц. Это не означает, что остальные частицы не имеют никакого значения. Каждая из элементарных частиц важна на своем месте. Например, мезоны обеспечивают взаимодействие между протонами и нейтронами и удерживают их вместе в ядре. Всепроникающие и почти неуловимые нейтрино образуются при некоторых реакциях, унося часть энергии. Без них эти реакции были бы невозможны.

Простейший атом вещества – атом водорода – состоит из одного протона и одного электрона. Его диаметр примерно равен 10^-10м = 1 (ангстрем). Ангстрем наиболее удобная единица длины для микромира. Он примерно во столько же раз меньше одного метра, во сколько раз длина нашего класса меньше расстояния от Земли до Солнца. Можно сказать, что атом так же далек от нас, как и Солнце. Только Солнце далеко вдаль, а атом далек в глубину.

Один моль вещества содержит 6.02 ∙ 10²³ молекул. Один моль газа при нормальных условиях занимает объем примерно равный 22.4 литра. В одном кубометре воздуха содержится, следовательно .

Один кубометр воздуха содержит

 молекул.

Вот мы и пришли к астрономическим числам в микромире.

Конечно, это произошло из-за того, что объекты микромира очень малы и наши привычные единицы измерения, для них не удобны. Мы сказали уже раньше, что более удобной является единицы длины равная одному ангстрему 1. Если выделить в пространстве куб с ребром в один ангстрем, то внутри него может находиться только одна молекула. Поскольку молекулы движутся, то большую часть времени этот куб будет пустой и в отдельные моменты в него будет залетать одна молекула: больше молекул в таком кубе не поместятся. Куб размером в один ангстрем очень мал и на этом уровне размеров газ уже не кажется однородным и непрерывным. Отдельные области очень сильно отличаются по содержанию вещества: в большинстве его нет, а в отдельных областях, которым посчастливилось приютить на данное короткое время молекулу, плотность вещества очень высокая. Среднее по времени количество молекул, содержащееся в таком кубе, всегда будет намного меньше единицы.

Если мы выделим куб с длиной ребра в 100 ангстрем, то объем такого куба в метрах будет . Внутрь такого куба попадет в среднем (учитывая, что молекулы быстро и хаотически движутся) молекул. Примерно по пять молекул вдоль каждого ребра куба. Такие цифры нам уже понятны. Однако куб размером  ангстрем остается ускользающе мал для воображения. 100 ангстрем составляют сотую часть одного микрона, который в свою очередь в тысячу раз меньше одного миллиметра.

В одном кубометре  (миллиард) кубических миллиметров. В одном кубическом миллиметре помещаются  молекул газа при нормальных условиях.

В году  секунд.

Если поставить перед собой задачу пересчитать молекулы в одном кубическом миллиметре и отсчитывать по одной молекуле в секунду, то понадобится лет. Что примерно равно одному миллиарду лет. Примерно один миллиард лет может понадобиться только для того, чтобы пересчитать молекулы в одном кубическом миллиметре газа. Отсюда, между прочим, следует, что никто их никогда не считал. Все, что мы знаем о микромире – это результат косвенных усредненных оценок и теоретических выводов.

Планетарная модель атома Резерфорда

В соответствии с моделью Резерфорда атом водорода состоит из массивного ядра в центре и вращающегося вокруг него электрона. Классический радиус электрона составляет м. Радиус орбиты электрона примерно равен . Радиус орбиты электрона больше его собственного радиуса в  раз (восемнадцать тысяч раз).

Орбита Земли имеет радиус примерно равный 150 млрд. метров. Радиус Земли 6 млн. метров. Соответствующее отношение равно  раз. Порядки совпадают. Картины действительно похожи, и модель атома Резерфорда оправдывает свое название. И в том и в другом случае основной частью модели является пустота. В центре совсем небольшое ядро и очень маленький (в 18 тысяч раз меньше радиуса собственной орбиты) электрон. Это классическая картина. По современным представлениям, электрон размазан по орбите.

Если мы нашу Землю равномерно размажем сначала по ее орбите, а затем и по всей сфере, проходящей через эту орбиту, то получится тонкий слой земного вещества толщиной примерно в три миллиметра. Если теперь этот тонкий слой равномерно распылим до толщины в несколько километров, то получим грубое представление о современной модели атома. Современная модель атома больше похожа на Солнечную систему в тот далекий период истории, когда планеты только начинали образовываться из газопылевого облака.

Единицей массы в макромире является килограмм.

Масса электрона в килограммах кг.

Масса протона в килограммах кг.

Килограмм слишком большая единица для измерения массы элементарных частиц.

Каждая элементарная частица обладает энергией покоя, которую можно вычислить по формуле: .

Энергия покоя электрона

дж.

Масса покоя протона

дж.

Джоуль тоже не очень удобен в микромире. Для выражения энергии чаще используют электрон-вольт: он равен энергии, которую приобретает электрон, преодолевая расстояние с разностью потенциалов в один вольт.

дж. Если выразить энергию покоя в электрон-вольтах, то получим более разумные числа:

 (мега электрон-вольт)

Поскольку между энергией покоя элементарных частиц и их массой существует однозначная связь, то массу часто выражают через энергию покоя и говорят, к примеру, что электрон имеет массу 0.512Мэв.

 

Масштабы времени в микромире

 

Основные элементарные частицы – протон, электрон и фотон – являются стабильными частицами и могут существовать вечно, не изменяясь и не старея. Протоны и электроны образовались в начальный момент существования Вселенной и с тех пор не изменились. Фотоны легко поглощаются атомами, но сами они не умирают. Они тоже вечны. В это трудно поверить, поскольку в "большой" природе, которую мы в состоянии наблюдать, ничего подобного не бывает. Нет ничего вечного под луной, говорят. Оказывается есть – это протоны и электроны.

Нейтрон оказался нестабильным. В свободном состоянии он живет примерно 15 минут. Затем распадается на протон, электрон и нейтрино. В составе ядра нейтрон приобретает устойчивость и, также как и протон и электрон, может существовать вечно.

Все остальные частицы являются нестабильными. Время жизни большинства элементарных частиц колеблется от 10^-19 до 10^-6 секунд. Можно было бы сказать, что они и не живут вовсе, но не будем торопиться с выводами.

Элементарные частицы очень быстро двигаются, порой даже со скоростями не очень сильно отличающимися от скорости света. А если частица очень быстро движется, то за время своей, даже очень короткой, жизни она может пройти порой даже очень приличное расстояние.

 

Время жизни частицы	Пройденный ею путь
10-6	м.
10-10	см.
10-19

 

Следовательно, даже очень короткоживущая элементарная частица, может родиться в одном месте, а наделать переполох в каком-нибудь другом месте микромира. Именно так и обнаруживают короткоживущие частицы.

Но 10^-19 это не рекорд. Существуют частицы со средним временем жизни до 10^-23 с. Это уже точно не жизнь, а частицы – не частицы, и называют их поэтому резонансами.