Формальное привлечение виртуальных частиц означает, что внутреннюю структуру элементарных частиц невозможно описать через другие частицы.
Удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц пока нет. Многие ученые считают, что такую теорию можно создать только при учете космологических обстоятельств. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и электромагнитных полях, поскольку здесь устанавливается связь микро- и мегамиров. Фундаментальные взаимодействия во Вселенной, в мегамире определяют структуру элементарных частиц и их превращения. Очевидно, потребуется выработка новых понятий для адекватного описания структуры материального мира.
Атомом (от греч. atomos - неделимый) называют часть вещества микроскопических размеров и массы, мельчайшую частицу химического элемента, сохраняющую его свойства. Атомы состоят из элементарных частиц и имеют сложную внутреннюю структуру, представляя собой целостную ядерно-электронную систему. В центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома; вокруг движутся электроны, образующие электронные оболочки, размеры которых (~10-8 см) определяют размеры атома. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре (заряд всех электронов атома равен заряду ядра), число протонов равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь отрицательно или положительно заряженными ионами. Химические свойства атомов определяются в основном числом электронов во внешней оболочке; соединяясь химически, атомы образуют молекулы.
Важная характеристика атома — его внутренняя энергия, которая может принимать лишь определенные (дискретные) значения, соответствующие устойчивым состояниям атома, и изменяется только скачкообразно путем квантового перехода. Поглощая определенную порцию энергии, атом переходит в возбужденное состояние (на более высокий уровень энергии). Из возбужденного состояния атом, испуская фотон, может перейти в состояние с меньшей энергией (на более низкий уровень энергии). Уровень, соответствующий минимальной энергии атома, называется основным, остальные — возбужденными. Квантовые переходы обусловливают атомные спектры поглощения и испускания, индивидуальные для атомов всех химических элементов.
Подядром атома понимается его центральная часть, в которой сосредоточена практически вся масса атома и весь его положительный заряд. Ядро состоит из нуклонов – протонов и нейтронов (обозначение p и n). Масса протона mP = 1,673×10-27 =1,836me , mn= 1,675×10-27 = 1835,5me. Масса ядра не равна сумме масс протонов и нейтронов, входящих в него (т.н. «дефект масс»). Протон несет элементарный положительный заряд, нейтрон – частица незаряженная. Число электронов в атоме равно порядковому номеру Z элемента в таблице Менделеева, а число протонов, поскольку в целом атом нейтрален, равно числу электронов. Тогда число нейтронов в ядре определяется следующим образом: NP = A – Z, где А – массовое число, т.е. целое число, ближайшее к атомной массе элемента в таблице Менделеева, Z – зарядовое число (число протонов).
Для обозначения ядер применяется запись ZXA, где Х – символ химического элемента в таблице Менделеева. Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами. Сейчас известно более 300 устойчивых и более 1000 неустойчивых изотопов. С неустойчивыми изотопами связано явление радиоактивности – ядерного распада.
Ядро в целом – устойчивая система, для его разрушения необходимо затратить энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи. Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами, представляющими сильное взаимодействие и имеют обменный характер. Ядерные силы обладают рядом свойств:
1. Ядерные силы являются короткодействующими (радиус действия порядка 10-15 м) На этих расстояниях они значительно превышают кулоновские силы отталкивания протонов. При значительном уменьшении расстояния притяжение нуклонов сменяется отталкиванием.
2. Ядерные силы обладают зарядовой независимостью, т.е. действуют как между заряженными, так и между нейтральными частицами.
3. Ядерные силы обладают свойствами насыщения. Это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов.
4. Ядерные силы не являются центральными. Их величина зависит от ориентации спинов частиц.
Молекулы — это очередной после атомов качественный уровень строения и эволюции вещества. Молекула – микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию, обладающая его главными химическими свойствами. Имеет постоянный состав входящих в нее атомных ядер и фиксированное число электронов и обладает совокупностью свойств, позволяющих отличать молекулы одного вида от молекул другого. Число атомов в молекуле может быть различным: от двух до сотен тысяч.
Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, сложных – из разных атомов. Существует большое количество соединений, молекулы которых состоят из многих тысяч атомов - макромолекулы.
Подчеркивая целостность молекул, органическое единство их составных частей, современное естествознание характеризует движение молекул как движение самостоятельных и целостных систем, а не как простую сумму разрозненных движений отдельных образующих их частиц (атомов, ядер и электронов). Те взаимодействия молекул, которые не сопровождаются изменением их структуры, изучаются физикой и называются физическими. Взаимодействия же молекул, приводящие к их качественным взаимопревращениям, перестройке их внутренних связей, называются химическими и изучаются химией.
3. Макромир
В истории изучения природы выделяют два этапа - донаучный и научный.
Донаучный, илинатурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в XVI—XVII вв. В этот период учения о природе носили чисто натурфилософский характер: наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов.
Наиболее значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов — мельчайших в мире частиц. Поскольку современные научные представления о структурных уровнях организации материи были выработаны в ходе критического переосмысления представлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня, то начинать исследование нужно с концепций классической физики.
Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когдаГалилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира — механической. Он разработал методологию нового способа описания природы — научно-теоретического. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, которые становились предметом научного исследования. Выделение отдельных характеристик объекта позволяло строить теоретические модели и проверять их в условиях научного эксперимента. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.
В рамках механической картины мира, разработанной Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц — атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.
Итогом ньютоновской картины мира явился образ Вселенной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий. Отсюда и вера в то, что теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во Вселенной или предсказать будущее с абсолютной определенностью.
Механистический подход к описанию природы оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области — оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механистической картины мира.
Разрабатывая оптику, Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет потоком материальных частиц - корпускул. В корпускулярной теории света утверждалось, что светящиеся тела излучают мельчайшие частицы, которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света, попадая в глаз. На базе этой теории Ньютоном было дано объяснение законам отражения и преломления света.
Наряду с механической корпускулярной теорией, осуществлялись попытки объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно - на основе волновой теории, сформулированнойX.Гюйгенсом. Волновая теория устанавливала аналогию между распространением света и движением волн на поверхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предполагалось наличие упругой среды, заполняющей все пространство, - светоносного эфира. Распространение света рассматривалось как распространение колебаний эфира: каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картину волны, которая перемещается в пространстве от одного момента времени к другому. Главным аргументом в пользу своей теории X. Гюйгенс считал тот факт, что два луча света, пересекаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех в точности, как два ряда волн на воде. Согласно же корпускулярной теории, между пучками излученных частиц, каковыми является свет, возникали бы столкновения или, по крайней мере, какие-либо возмущения. Исходя из волновой теории X. Гюйгенс успешно объяснил отражение и преломление света.