Концепция микромира и его структурные уровни

Общая характеристика микромира

Микромир, наряду с макро- и мегамиром, является основным уровнем организации материи. Данные уровни взаимосвязаны, и границы между ними не являются чёткими и постоянными.

В данную область включены элементарные частицы, ядра, атомы, молекулы, а также поля.

Эволюция представлений о структуре микромира с периода античности до современности

О существовании микромира высказывали предположения ещё во времна античности. Так, древнегреческий философ Демокрит полагал, что материя состоит из атомов; именно он стал основоположником теории атомистического материализма.

Рисунок 1. Представления Демокрита о микромире

Эта теория была возрождена Дж. Дальтоном в XVIII ст. Именно благодаря работам этого исследователя стали изучаться физические и химические свойства атома. В XIX веке Д. И. Менделеев, принимая за основу атомные веса, создал периодическую систему химических элементов.

Структура микромира была определена благодаря существенным техническим преобразованиям на рубеже XIX – XX столетий. В этот период вследствие открытия электрона были опровергнуты представления физики о неделимой структуре атома. Таким образом, учение об атомной структуре вещества оказалось несостоятельным. При этом менялись представления об объективной реальности в целом. В результате новых открытий стало возможным следующее:

1. Выявление существования не только видимых объектов, но и микроструктур.
2. Доказательство того что материя содержит в себе не «неделимые атомы», а состоит из бесконечного многообразия видов, форм и явлений, которые находятся в постоянных взаимосвязях.

Развитие основных естественнонаучных разделов и переход естествознания от атомного уровня к уровню элементарных частиц позволил исследователям сделать заключение о том, что важнейшие принципы и понятия классической физики не могут быть применены к исследованию мельчайших частиц (электронов, протонов, нейтронов, атомов), которые являются структурными компонентами микромира. Вследствие особенностей строения и функционирования свойства микрообъектов отличаются от свойств компонентов видимого макромира и далёкого мегамира. В связи с этим возникла необходимость появления новой концепции микромира. Этой концепцией стала концепция элементарных частиц.

Появление концепции элементарных частиц произошло в период развития квантовой физики, которая включает в себя квантовую механику и квантовую теорию поля. Согласно концепции элементарных частиц, основными структурными компонентами микромира являются частицы материи, которые не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Эти мельчайшие частицы получили название элементарных, т. е. наиболее простых, не имеющих в своём составе никаких структур.

История открытия всех элементарных частиц, известных учёным на сегодняшний день, происходила в два этапа. Первый этап пришёлся на 1930 – 1950 гг. Уже в начале 1930-х гг. произошло открытие фотона и протона. В 1932 году был открыт нейтрон. Через четыре года после этого учёными была обнаружена первая античастица – позитрон, которая имеет с электроном равную массу, однако несёт в себе положительный заряд. Уже к концу этого периода было известно о существовании 32 элементарных частиц.

Второй этап начался в 1960 –х гг. К этому времени число элементарных частиц, известных учёным, было уже более двухсот. На данном этапе важнейшим средством изучения элементарных частиц явились ускорители заряженных частиц.

В 1970-1980-х гг. открытие новых элементарных частиц продолжалось. В этот период учёные стали структурировать и классифицировать эти частицы. Исследователи стали говорить о семействах элементарных частиц.

На сегодняшний день в естествознании имеются сведения более чем о 350 элементарных частицах. Все они отличаются друг от друга различными физическими характеристиками:

• зарядом,
• массой,
• спином,
• продолжительностью существования.

Однако для всех элементарных частиц характерен один общий признак: проявление корпускулярно-волнового дуализма, т. е. наличие у микроскопических объектов свойств как вещества, так и волны.

Ещё одним общим для всех микрочастиц (кроме фотона и двух мезонов) свойством является наличие соответствующих античастиц. Античастицы сходны с частицами по всем основным признакам, однако они имеют противоположные знаки электрического заряда и магнитного момента.

После того как были открыты античастицы, учёные стали говорить о возможности существования антивещества и даже антимира. При соприкосновении вещества с антивеществом возникает феномен аннигиляции – превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (т. е. осуществляется переход вещества в излучение).

Также важным свойством элементарных частиц является их взаимопревращаемость. Этим свойством не обладает ни одна другая категория. Таким образом, в настоящее время исследование микромира продолжается и находит для себя новые возможности на современном уровне развития научно-технического прогресса.