Элементарные частицы. Атомы. Химические элементы

В.И. Вернадский, поделил всю материю окружающего мира на живое и косное вещество и их производное (биокосное), и составляющее (биогенное). Если взять по гипотетическому «представителю» из этой классификации, например, цветок, графитовый стержень карандаша, комочек почвы, воду и мысленно разделить поэтапно каждое из них до первоосновы, до неделимого, то мы последовательно получим вначале составные части характерные для каждого, затем следуют такие общие для всех предметов субстанции «молекула», потом «атомы». Атомы, в свою очередь, состоят из сложных частиц, опрометчиво названных учеными элементарными, но именно эти частицы и составляют фундамент материального существования мира. «Для описания, казалось бы, наиболее элементарных первичных сущностей материи приходится применять всё более сложный математический аппарат» (В. Санюк, Физика, Энц. Т.16, с.272). А чем сложнее аппарат, тем больше допущений и абстракций, тем менее вероятна истина. Все более сложные приборы требуются для её установления. По этой причине, мы не можем воспроизвести точную, признанную всеми, структуру субатомного строения вещества, а можем только упомянуть то главное, что сегодня известно об элементарных (фундаментальных) частицах:

- стабильных, долгоживущих элементарных частиц всего 4 – это фотон, электрон, протон и нейтрино;

- каждая частица имеет свой радиус и конечную массу;

- все остальные частицы через определенные промежутки времени испытывают самопроизвольные превращения в другие частицы;

- известных открытых элементарных частиц более 400;

- элементарные частицы не конечны в своем строении (все адроны (барионы и мезоны) состоят из кварков;

- предположительно, в основе всего сущего лежит суперсимметрия, т.е. когда мезон представляет собой «струну» (нити энергии) с кварком на одном конце и антикварком на другом (см. Приложение и рис. Физика, с. 351.)

Ограничимся здесь этими свойствами. Понятно, что так называемые «струны» могут быть разной конфигурации в зависимости от силы взаимодействия и различного числа зацеплений.

Человек научился искусственно получать и «ловить» фундаментальные частицы. Существуют «фабрики» по производству интенсивных пучков частиц (электронов и протонов). Это так называемые ускорители. Для интенсивных пучков подбираются мишени и при соударении получаются новые частицы. Чем выше энергия, которую приобрела частица в ускорителе, тем сильнее она воздействует на мишень, тем мельче «осколки». Таким образом, удалось «поймать» кварки, на сегодняшний день – это самые мелкие частицы, из которых состоит материя.

Мир высоких энергий и невообразимо малых расстояний настолько специфичен, что для описания взаимодействий в нем пришлось разрабатывать новую область физики, получившую название квантовой механики. (Техника и наука, Аванта+, т.14)

С ней соприкасается новая отрасль высоких технологий – нанотехника или нанотехнология. Слово произошло от обозначения миллиардной доли метра (10^-9м) нанометра – нм., именно такие размеры характеризуют микромир молекул и кристаллических решеток. Оказалось, что на этих уровнях возможно принципиально менять свойства вещества, и не за горами то время, когда «иглой атомно-силового микроскопа будут созданы первые самовоспроизводящиеся наномашины ((Техника и наука, Аванта+, т.14, с.157-158). Это значит, что нанотехнологии можно рассматривать как мостик из неживого мира в живой. Живую клетку пока еще искусственно не создали, но построить белковую молекулу, идентичную натуральной не составляет для нанотехнологии большого труда.

Таким образом, становится понятным, что для живого и косного вещества в равной степени фундаментом наращивания массы являются элементарные частицы. Первой ступенью такого наращивания являются атомы.

Напомню, что атом построен из расположенного в его центре положительного заряженного ядра (протон = нейтрон+позитрон = нуклон) и окружающей ядро одной или нескольких размытых оболочек – орбит отрицательно заряженных электронов, компенсирующих заряд ядра.

Атом – это мельчайшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Химический элемент – это, строго говоря, огромное количество одинаковых атомов одного заряда. Но в природе чистые химические элементы встречаются крайне редко, поэтому когда мы говорим о различных веществах, мы говорим о химических соединениях – сочетаниях химических элементов. Мельчайшими частицами, несущими свойства химического соединения, являются молекулы. Живая и неживая природа, конечно, имеет в основном молекулярную структуру. Давайте попробуем разобраться, чем различаются молекулы косного и живого вещества, откуда это различие берется и к каким свойствам приводит.

Оставляя за рамками этой книги историю, а вернее, множество гипотез о том, как Вселенная заполняла таблицу Менделеева, остановимся на том факте, что из этого получилось. А получилось следующее:

- в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева 116 заполненных ячеек. Что это значит?

Во-первых, в природе стабильно существуют не более 90 химических элементов, остальные получены искусственным путем.

Во-вторых, каждый из них обладает разными свойствами и встречается в земной коре и биосфере (в пересчете на % содержание от общей массы) в разных количествах.

В-третьих, существующих и возможных вариантов химических соединений великое множество, но все они безукоснительно подчинены фундаментальному закону, открытому Д.И. Менделеевым: