Частица

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Дуговые сварщики защищают себя от сварочных искр, которые представляют собой нагретые металлические частицы, которые вылетают с поверхности металла.

В физических науках частица (или корпускула в старых текстах) представляет собой небольшой локализованный объект, которому можно приписать несколько физических или химических свойств, таких как объём, плотность или масса.[1] Они сильно различаются по размеру или значению, от субатомных частиц, таких как электрон, до микроскопических частиц, таких как атомы и молекулы, до макроскопических частиц, таких как порошки и другие гранулированные материалы. Частицы можно также использовать для создания научных моделей даже более крупных объектов в зависимости от их плотности, таких как люди, движущиеся в толпе или небесные тела в движении .

Термин «частица» имеет довольно общий смысл и уточняется по мере необходимости в различных научных областях. Все, что состоит из частиц, может называться частицей. Тем не менее, существительное «частицы» чаще всего используется для обозначения загрязнителей в атмосфере Земли, которые представляют собой суспензию не связанных частиц, а не агрегацию связанных частиц.

Концептуальные свойства

Частицы часто представлены в виде точек. Этот рисунок показывает движение атомов в газе, людей в толпе или звёзд на ночном небе.

Концепция частиц особенно полезна при моделировании природы, так как полная обработка многих явлений может быть сложной из-за сложности вычислений.[2] Её используют для упрощения предположений, касающихся вовлечённых процессов. Фрэнсис Сирс и Марк Земанский из Университета физики приводят пример расчёта места падения и скорости брошенного в воздух бейсбольного мяча. Они постепенно лишают бейсбольный мяч большинства его свойств, сначала идеализируя его как жёсткую гладкую сферу, затем пренебрегая вращением, плавучестью и трением, что в конечном итоге сводит проблему к баллистике классической точечной частицы.[3] Обработка большого количества частиц является областью статистической физики.[4]

Размер

Галактики настолько велики, что звезды можно считать частицами относительно них

Термин «частица» обычно применяется по-разному к трём классам размеров. Термин макроскопическая частица, как правило, относится к частицам, намного большим, чем атомы и молекулы. Они обычно абстрагируются как точечные частицы, даже если они имеют объём, форму, структуры и т. д. Примерами макроскопических частиц могут быть порошок, пыль, песок, осколки во время автомобильной аварии или даже такие большие объекты, как звезды галактики .[5][6]

Другой тип микроскопических частиц обычно относится к частицам размером от атомов до молекул, таким как диоксид углерода, наночастицы и коллоидные частицы. Эти частицы изучаются в химии, а также в атомной и молекулярной физике. Самые маленькие частицы - это субатомные частицы, которые относятся к частицам, меньшим, чем атомы.[7] К ним относятся такие частицы, как составные части атомов - протоны, нейтроны и электроны, а также другие типы частиц, которые могут быть получены только в ускорителях частиц или космических лучах. Эти частицы изучаются в физике элементарных частиц.

Из-за их чрезвычайно малого размера исследования микроскопических и субатомных частиц попадают в сферу квантовой механики. Они будут демонстрировать явления, которые показывают модельные частицы в ящике,[8][9] включая дуальность волны-частицы,[10][11] и можно ли считать частицы отличными или идентичными [12][13] является важным вопросом во многих ситуациях.

Состав

Протон состоит из трёх кварков.

Частицы также могут быть классифицированы по составу. Составные частицы относятся к частицам, которые имеют состав - то есть частицы, которые сделаны из других частиц.[14] Например, атом углерода-14 состоит из шести протонов, восьми нейтронов и шести электронов. Напротив, элементарные частицы (также называемые фундаментальными частицами) относятся к частицам, которые не состоят из других частиц.[15] Согласно нашему современному пониманию мира, существует очень небольшое их количество, такие как лептоны, кварки и глюоны. Однако возможно, что некоторые из них все-таки окажутся составными частицами и на данный момент просто кажутся элементарными. Хотя составные частицы очень часто можно считать точечными, элементарные частицы действительно имеют нулевой размер.

Стабильность

Как элементарные (такие как мюоны), так и составные частицы (такие как ядра урана), как известно, подвергаются распаду частиц . Это те частицы, которые не называются стабильными частицами, такими как электрон или ядро гелия-4. Время жизни стабильных частиц может быть бесконечным или достаточно большим, чтобы препятствовать попыткам наблюдать такие распады. В последнем случае эти частицы называются «наблюдательно устойчивыми». В общем, частица распадается из состояния с высокой энергией в состояние с более низкой энергией, испуская какую-либо форму излучения, например, в виде фотонов.

N-частичное моделирование

В вычислительной физике, N-частичным моделированием называется моделирование динамических систем частиц под действием определённых условий, таких как сила тяжести[16]. Это моделирование очень распространено в космологии и вычислительной гидродинамике.

N - это число рассматриваемых частиц. Поскольку моделирование с более высоким N требует больших вычислительных затрат, системы с большим количеством реальных частиц часто сводятся к системам с меньшим числом частиц, и алгоритмы моделирования необходимо оптимизировать с помощью различных методов[16].

Распределение частиц

Коллоидные частицы - компоненты коллоида. Коллоид - это вещество, распределённое равномерно по всему объёму другого вещества.[17] Такая коллоидная система может быть твёрдой, жидкой или газообразной; а также непрерывной или рассеянной. Частицы дисперсной фазы имеют диаметр приблизительно от 5 до 200 нанометров.[18] Растворимые частицы меньше этого размера будут образовывать раствор, а не коллоид. Коллоидные системы (также называемые коллоидными растворами или коллоидными суспензиями) являются предметом коллоидных наук. Взвешенные твёрдые вещества могут удерживаться в жидкости, тогда как твёрдые или жидкие частицы, взвешенные в газе, вместе образуют аэрозоль. Частицы также могут быть взвешены в форме твёрдых частиц в атмосфере, которые могут представлять собой загрязнение воздуха. Более крупные частицы могут аналогичным образом образовывать морской мусор или космический мусор. Конгломерацию дискретных твёрдых макроскопических частиц можно описать как сыпучий материал.

Рекомендации

  1. ↑ Particle. AMS Glossary. American Meteorological Society. Дата обращения: 12 апреля 2015. Архивировано 10 мая 2020 года.
  2. ↑ Equilibrium of a Particle // University Physics (неопр.). — 3rd. — Addison-Wesley, 1964. — С. 26—27.
  3. ↑ Equilibrium of a Particle // University Physics (неопр.). — 3rd. — Addison-Wesley, 1964.
  4. ↑ Statistical Description of Systems of Particles // Fundamentals of Statistical and Thermal Physics (англ.). — McGraw-Hill Education, 1965. — P. 47ff.
  5. ↑ J. Dubinski. Galaxy Dynamics and Cosmology on Mckenzie. Canadian Institute for Theoretical Astrophysics. Дата обращения: 24 февраля 2011. Архивировано из оригинала 2 ноября 2021 года.
  6. ↑ G. Coppola. Sérsic galaxy with Sérsic halo models of early-type galaxies: A tool for N-body simulations (англ.) // Publications of the Astronomical Society of the Pacific : journal. — 2009. — Vol. 121, no. 879. — doi:10.1086/599288. — Bibcode: 2009PASP..121..437C. — arXiv:0903.4758.
  7. ↑ Subatomic particle. YourDictionary.com. Дата обращения: 8 февраля 2010. Архивировано 5 марта 2011 года.
  8. ↑ Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, Ions, Compounds and Particles (англ.).
  9. ↑ Fundamentals of Statistical and Thermal Physics (англ.).
  10. ↑ Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles (англ.).
  11. ↑ Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei, and Particles (англ.).
  12. ↑ Fundamentals of Statistical and Thermal Dynamics (англ.).
  13. ↑ Fundamentals of Statistical and Thermal Dynamics (англ.).
  14. ↑ Composite particle. YourDictionary.com. Дата обращения: 8 февраля 2010. Архивировано 15 ноября 2010 года.
  15. ↑ Elementary particle. YourDictionary.com. Дата обращения: 8 февраля 2010. Архивировано 14 октября 2010 года.
  16. ↑ 1 2 A. Graps. N-Body / Particle Simulation Methods (англ.) (20 марта 2000). Дата обращения: 13 ноября 2020. Архивировано из оригинала 5 апреля 2001 года.
  17. ↑ Colloid. Encyclopædia Britannica (1 июля 2014). Дата обращения: 12 апреля 2015. Архивировано 30 апреля 2015 года.
  18. ↑ Physical Chemistry (неопр.). — 5th. — McGraw-Hill Education, 2001.

Дальнейшее чтение

  • What is a particle? University of Florida, Particle Engineering Research Center (23 июля 2010).
  • D. J. Griffiths (2008). Introduction to Particle Physics (2nd ed.). Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-40601-2.
  • M. Alonso; E. J. Finn (1967). "Dynamics of a particle". Fundamental University Physics, Volume 1. Addison-Wesley. LCCN 66010828.
  • M. Alonso; E. J. Finn (1967). "Dynamics of a system of particles". Fundamental University Physics, Volume 1. Addison-Wesley. LCCN 66010828.
  • S. Segal. What is a Particle? - Definition & Theory. High School Chemistry: Help and Review. Study.com.
  • A basic guide to particle characterization. Malvern Instruments.