Аристотель утверждал: «Элементом называется первооснова вещи, из которой она слагается и которая по виду не делима на другие виды…» Атом слагается из трёх элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. А элементарны ли элементарные частицы?
Аристотель в своём утверждении говорил об элементах как о фундаментальных составляющих вещей, которые невозможно разделить на более мелкие части. Современная физика продолжила эти поиски и привела к открытию атомов, а затем и элементарных частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны, которые долгое время считались неделимыми. Однако с развитием науки выяснилось, что эти частицы также имеют сложное строение.
Электрон, согласно современным данным, действительно является элементарной частицей — его нельзя разделить на более мелкие компоненты. Это одна из фундаментальных частиц, которая относится к семейству лептонов. В то же время протоны и нейтроны, несмотря на то что их долго считали элементарными, состоят из ещё более мелких частиц — кварков. Кварки, вместе с глюонами, которые обеспечивают взаимодействие между ними, составляют протоны и нейтроны.
Таким образом, не все элементарные частицы на самом деле "элементарны". Протоны и нейтроны состоят из кварков, а вот электрон и некоторые другие частицы (например, нейтрино) по современным представлениям действительно являются неделимыми на более мелкие составляющие.
1. Заполните таблицу «Характеристика элементарных частиц».
Частица Заряд Масса Место в атоме Протон Положительный (+1) Приблизительно 1 а.е.м. (1.67×10^-27 кг) В ядре Нейтрон Нейтральный (0) Приблизительно 1 а.е.м. (1.67×10^-27 кг) В ядре Электрон Отрицательный (-1) 9.11×10^-31 кг (значительно легче протона) Вокруг ядра на орбиталях
2. Что такое коллайдер? В чём состоит принцип его работы?
Коллайдер — это ускоритель элементарных частиц, в котором заряженные частицы (например, протоны или электроны) разгоняются до высоких скоростей и сталкиваются друг с другом. Принцип его работы заключается в том, что частицы двигаются по кольцевым траекториям, достигая высоких энергий, и при столкновениях выделяются новые элементарные частицы или происходит разрушение частиц на более мелкие составляющие. Это позволяет учёным изучать фундаментальные силы и структуры материи.
3. Из каких 12 фундаментальных частиц построены все вещества Вселенной?
12 фундаментальных частиц делятся на два основных класса — кварки и лептоны. Каждая группа включает по 6 частиц:
Кварки: верхний (u), нижний (d), странный (s), чарм-кварк (c), топ-кварк (t), боттом-кварк (b) Лептоны: электрон (e⁻), электронное нейтрино (νₑ), мюон (μ), мюонное нейтрино (νμ), тау-лептон (τ), тау-нейтрино (ντ)
4. Запишите обозначение изотопов хлора. Объясните, почему относительная атомная масса хлора имеет дробное значение и какие его изотопы наиболее распространены в природе.
Основные изотопы хлора — это:
Хлор-35 35/17Cl Хлор-37 37/17Cl Относительная атомная масса хлора имеет дробное значение (35.45), потому что она рассчитывается как среднее взвешенная масса изотопов в природе. Наиболее распространённые изотопы — это хлор-35 (около 75%) и хлор-37 (около 25%).
5. Назовите уровни строения вещества. Вспомните из курса биологии уровни организации живой природы. Какой уровень является общим для химии и биологии? Почему?
Уровни строения вещества:
Элементарные частицы Атомы Молекулы Вещества В биологии уровни организации живой природы включают:
Молекулярный Клеточный Тканевый Органный Организменный Популяционно-видовой Биогеоценотический Биосферный Общий уровень для химии и биологии — молекулярный, потому что на этом уровне рассматриваются молекулы, которые составляют основу химических соединений и являются структурными единицами живых организмов.
6. Как вы думаете, почему важно иметь представление о сложном строении атома?
Понимание сложного строения атома важно для объяснения химических реакций, физических явлений и взаимодействий материи на уровне элементарных частиц. Это знание помогает в создании новых материалов, в разработке технологий в области ядерной энергии, медицины и квантовой физики.
7. Дайте комментарий следующим строчкам из стихотворения Валерия Брюсова «Мир электрона»:
Быть может, эти электроны —
Миры, где пять материков,
Искусства, званья, войны, троны
И память сорока веков.
Ещё, быть может, каждый атом —
Вселенная, где сто планет;
Там всё, что здесь, в объёме сжатом,
Но также то, чего здесь нет
В этих строках поэт размышляет о возможности существования огромных, неизведанных миров в микроскопических частицах, таких как атомы и электроны. Он сравнивает электроны с целыми мирами, где могут быть континенты, цивилизации, войны и искусство, как и на Земле. Брюсов предполагает, что каждый атом может быть вселенной со своими планетами и явлениями, которые схожи с нашими, но могут и отличаться. Это поэтическое размышление на тему бесконечности и сложности мироздания, где даже самые маленькие частицы могут скрывать целые миры. Строки Брюсова вдохновляют на мысль о многообразии реальностей и о том, что наше знание об окружающем мире ограничено только тем, что мы способны наблюдать.
8. Рассмотрите рисунок 1 «Уровни строения вещества». Подготовьте небольшие сообщения о каждом из уровней, используя возможности Интернета.
Элементарные частицы: Это самые фундаментальные частицы, такие как кварки, лептоны и бозоны, которые не могут быть разделены на более мелкие части. Они составляют основу всех видов материи и взаимодействуют между собой через фундаментальные силы природы.
Атомы: Атомы — это основа химических элементов, состоящая из ядра, содержащего протоны и нейтроны, и электронов, которые находятся в облаке вокруг ядра. Это самый маленький структурный элемент химического вещества, обладающий его свойствами.
Молекулы: Молекулы образуются из атомов, связанных химическими связями. Они являются структурными единицами веществ и могут быть простыми (состоящими из одного типа атомов) или сложными (включающими разные элементы).
Макроскопическое вещество: Это вещество, которое можно наблюдать невооружённым глазом. Макроскопические объекты состоят из большого числа молекул и атомов и включают всё, что мы видим в повседневной жизни — от воды до металлов.
Материалы и тела: Этот уровень охватывает сложные структуры, созданные из множества молекул и атомов, такие как кристаллы, биологические ткани, горные породы. Они формируют всё, что мы можем ощутить и использовать.
9. Подготовьте сообщение об истории создания Большого адронного коллайдера, воспользовавшись возможностями Интернета.
Большой адронный коллайдер (БАК) был создан в 2008 году в Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN). Он расположен на границе Франции и Швейцарии и представляет собой крупнейший в мире ускоритель частиц. Идея создания такого устройства возникла для изучения фундаментальных сил природы и структуры материи на субатомном уровне. Работы над проектом начались в 1980-х годах, но потребовалось несколько десятилетий на его разработку и строительство. Основная цель БАК — изучение взаимодействий элементарных частиц при их столкновениях на высоких энергиях, что даёт возможность раскрыть тайны Вселенной, включая поиск бозона Хиггса, который был подтверждён экспериментально в 2012 году.
10. Подготовьте сообщение по теме «БАК: история создания и перспективы открытий», используя возможности Интернета
Большой адронный коллайдер — это выдающийся научный проект, который был запущен в сентябре 2008 года. Его история началась с планирования в 1984 году, когда учёные предложили построить ускоритель частиц для изучения фундаментальных законов физики. Коллайдер имеет кольцо длиной 27 км и ускоряет протоны до скоростей, близких к скорости света, а затем сталкивает их, что позволяет изучать продукты этих столкновений.
Перспективы открытий на БАК огромны. Уже было сделано много важных открытий, таких как подтверждение существования бозона Хиггса, частицы, которая отвечает за механизм возникновения массы у других элементарных частиц. В будущем коллайдер может помочь учёным понять природу тёмной материи и энергии, выяснить больше о кварках и глюонах, а также проверить гипотезы о существовании новых частиц, которые могут объяснить некоторые необъяснённые явления в физике.