Структурные уровни организации материи и фундаментальные взаимодействия

Структурные уровни организации материи: микромир

В природе все объекты являются упорядоченными, иерархически организованные системы.

В строении материи выделяется три уровня:

• микромир
• макромир
• мегамир.

На таком структурном уровне организации материи, как микромир, рассматриваются предельно малые микрообъекты в пространственных масштабах не более 10 в -8 степени м, и временных масштабах - от бесконечности до 10 в -24 степени сек. Изучение микромира стало возможным благодаря квантовой теории.

Самой первой элементарной частицей, открытой учеными, является электрон, а затем были открыты фотон, протон, нейтрон, позитрон. В настоящее время число открытых элементарных частиц достигает 400.

Всем элементарным частицам присущи следующие характеристики:

• электрический заряд (+,-, 0). Каждой элементарной частице, за исключением фотона и мезонов, соответствует античастица, несущая противоположный заряд. И частица, и античастица имеют одинаковую массу покоя, время жизни и спин. В процессе взаимодействия частицы и античастицы происходит уничтожение каждой из них, при этом происходит выделение энергии.
• масса покоя. Масса покоя частицы рассчитывается по отношению к массе покоя электрона. Фотоны не имеют такую массу.
• время жизни. в зависимости от этой характеристики частицы бывают стабильными и нестабильными.
• спин – собственный момент количества движения микрочастицы.

Фундаментальные взаимодействия

Существует четыре следующих типа фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами:

• Сильное
• Слабое
• Гравитационное
• Электромагнитное

Эти четыре вида взаимодействий являются фундаментальными в природе в целом. Установлено, что любому полю характерны частицы, которые осуществляют взаимодействия. Фундаментальные взаимодействия переносятся четырьмя видами бозонов.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и происходит на уровне атомных ядер. Сильное взаимодействие действует на расстоянии около 10 в -15 степени м. А время протекания взаимодействия составляет 10 в -23 степени с. Ядерные взаимодействия переносятся глюонами.

Электромагнитное взаимодействие происходит между заряженными частицами. Квантом электромагнитного поля является фотон, который переносит электромагнитное взаимодействие. В процессе этого взаимодействия атомные ядра и электроны соединяются в атомы, затем атомы соединяются в молекулы. Расстояние взаимодействия не ограничено. Время протекания составляет 10 в -20 степени с.

С процессом распада элементарных частиц и процессом взаимодействия нейтрино с веществом связано слабое взаимодействие. Радиус взаимодействия составляет 10 в -18 степени м, время протекания 10 в -10 степени с. Переносчиками слабого взаимодействия являются векторные бозоны.

Гравитационное взаимодействие в микромире часто не учитывается. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет ключевое значение. Радиус такого взаимодействия не ограничен. Переносчиком взаимодействия является гравитон, который переносит силу гравитации между телами.

Взаимодействия осуществляются при помощи соответствующих физических полей, квантами которых они являются. То состояние, в котором кванты поля отсутствуют, называется вакуумом.

Макромир

Макромир отставляют тела, состоящие из микрочастиц. Поведение и свойства этих тел изучает классическая физика. В классической механике Ньютона в роли вещественных образований выступает корпускула – материальная частица и единая система корпускул - физическое тело. То есть, идеальными физическими образами реально существующих частиц и тел являются материальная точка и твердое дело. В макромире взаимодействие тел происходит под действием электромагнитных сил и силы тяготения.

Одной из главных характеристик материальных объектов является масса как мера инерции тел. Масса пропорциональна энергии, поэтому масса может быть определена как мера энергии.

Понятие силы является еще одной фундаментальной характеристикой классической физики. Силой называется физическая сила взаимодействия тел и причина их передвижения относительно друг друга.

Энергия является еще одним основным понятием макромира. Энергией называется общая мера различных видов движения. Физические формы движения, качественно различающиеся, могут преобразовываться друг в друга. В процессе превращения выделяется энергия, которая бывает тепловой, механической, ядерной, электромагнитной, гравитационной и т.д.

Важнейшими законами природы, которые проявляются в макромире, являются такие законы, как: закон сохранения и превращения энергии, закон сохранения импульса, три закона Ньютона, закон всемирного тяготения и т.д.

Мегамир

Мегамир начинается с расстояний в 10 в 7 степени м и с масс 10 в 20 степени кг. Так как единицы, принятые в физике макромира, не подходят для измерения таких огромных величин, были приняты специальные:

• световой год. Определяет расстояние, которое преодолевает свет в течение года
• астрономическая единица означает среднее расстояние от Земли до Солнца
• парсек.

Данный структурный уровень материи изучает астрономия. Предметом исследования астрономии является природа и движение небесных тел, их возникновение и развитие.

Мегамир – это система небесных тел. Система небесных тел, в свою очередь, состоит из планет и планетных систем, галактик и Метагалактики. Во Вселенной материя представляет собой сконденсировавшиеся космические тела и диффузную материю. Диффузная материя существует в форме разрозненных молекул и атомов, а также в виде газово-пылевых туманностей. Кроме этого, материя способна существовать в виде излучения.

В Галактике 97% вещества находится в звездах, которые представляют собой огромные плазменные образования, имеющие разную величину и температуру. Звезды образуют звездные скопления, являющиеся частями галактики. Насчитывается приблизительно 10 миллиардов галактик.

Гравитационное взаимодействие имеет решающее значение в мегамире.

Кроме звезд, на уровне мегамира существуют еще планеты. Планеты и Солнце, вокруг которого они движутся, образуют Солнечную систему.