Силы взаимодействия между частицами вещества. Взаимодействие частиц с веществом

частица атом элементарный кварк

Важнейший вопрос физики - вопрос о взаимодействиях. Если бы не взаимодействия, то частицы материи двигались бы независимо, не подозревая о существовании других частиц. Благодаря взаимодействиям частицы обретают, как бы способность распознавать другие частицы и реагировать на них, благодаря чему рождается коллективное поведение. Поскольку вся материя состоит из частиц , для объяснения природы сил необходимо, в конечном счете, обратиться к физике элементарных частиц. Сделав это, физики обнаружили, что все взаимодействия, независимо от того, как они проявляются в больших масштабах, можно свести к четырем фундаментальным типам: гравитационному, электромагнитному и двум типам ядерных.

На уровне кварков доминируют ядерные взаимодействия . Сильное взаимодействие связывает кварки в протоны и нейтроны и не дает ядрам разваливаться. На уровне атомов преобладает электромагнитное взаимодействие , связывающее атомы и молекулы. В астрономических масштабах господствующим становится гравитационное взаимодействие .

В последние годы физики заинтересовались соотношением между четырьмя фундаментальными взаимодействиями, которые в совокупности управляют Вселенной. Существует ли между ними какая-либо связь? Не являются ли они всего лишь различными ипостасями единственной основополагающей суперсилы ? Если такая суперсила существует, то именно она представляет собой действующее начало всякой активности во Вселенной - от рождения субатомных частиц до коллапса звезд. Разгадка тайны суперсилы невообразимо увеличила бы нашу власть над природой и даже позволила бы объяснить само «сотворение» мира.

Мы уже знаем, что элементарные частицы взаимодействуют друг с другом посредством других частиц, которые они непрерывно испускает и поглощает. Слои этих частиц экранируют заряды, поэтому частица с различных высот до нее выглядит заряженной по-разному. Именно так, всегда различно заряженными, видят друг друга сталкивающиеся частицы. Чем больше их энергия, тем глубже они проникают друг в друга и тем отчетливее ощущают «дыхание» их центральных неэкранированных зарядов. Поэтому можно ожидать, что с ростом энергии различные типы взаимодействий будут становиться все более похожими и при высоких энергиях сольются в одно-единое взаимодействие - суперсилу. Произойдет «великое объединение» всех сил природы.

Реальное положение дел несколько сложнее. Экранирующие облака образуются не только вокруг заряда, но и вокруг каждой частички-переносчика, которыми прощупывают друг друга сталкивающиеся частицы. Если переносчики взаимодействия очень тяжелые, то взаимодействие переносится на ультрамалые расстояния. Вдали от центра такие частицы почти не встречаются и связанное с ними взаимодействие проявляется очень слабо. В других случаях переносчики легкие (например, фотоны), они способны далеко уйти от испустившего их заряда, и с их помощью происходит взаимодействие на больших расстояниях.

Таким образом, не только частицы, но и силы, связывающие их, оказываются необычайно сложными. Простейшими точками их уже никак не назовешь! И трудно поверить, что сила тяготения двух электронов и в миллиарды большая сила их электромагнитного отталкивания - ветви одного дерева.

К идее «великого объединения» физики пришли совсем недавно - каких-нибудь двадцать-тридцать лет назад, хотя первый шаг сделали еще Фарадей и Максвелл, объединившие электричество и магнетизм, которые как тогда считалось, совсем разные взаимодействия. Они же ввели и понятие «поля». Фарадей доказал, что электричество и магнетизм - два компонента одного и того же электромагнитного поля.

Следующий шаг на пути к «великому объединению» был значительно более трудным. Он был сделан лишь в середине 60-х годов ХХ века. Внимание физиков привлекло тогда слабое взаимодействие. Оно обладало странной особенностью: для всех других сил можно указать промежуточное поле, кванты которого служат переносчиком взаимодействия, а в распадных процессах частицы «разговаривают» так сказать, напрямую, без всяких посредников, толкая друг друга как бильярдные шары.

Естественно предположить, что в этом случае тоже происходит обмен между частицами, но только такими тяжелыми, что весь процесс происходит на очень малых расстояниях, и со стороны это выглядит как будто частицы просто толкают друг друга.

Расчеты показали: если бы не большая масса промежуточных частиц, то такое взаимодействие по своим свойствам было бы очень похожим на электромагнитное. И вот трое физиков: Абдус Салам, Стив Вайнберг и Шелдон Глешоу допустили, что фотон и тяжелые промежуточные частицы слабого взаимодействия - это одна и та же частица, только в разных «шубах». Разработанную ими теорию стали называть «электрослабой», поскольку она, как частный случай, содержит электродинамику и старую теорию слабых взаимодействий. Вскоре на ускорителях были выловлены тяжелые кванты электрослабого поля - три брата-мезона с массой, почти в сто раз больше протонной. Создание теории электрослабого поля и экспериментальное открытие его переносчиков было отмечено сразу двумя Нобелевскими премиями.

Вдохновленные открытием электрослабого поля, физики увлеклись новой идеей дальнейшего объединения - слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Суть этой идеи в следующем. Каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, названный цветом. В отличие от заряда, видов цветов у кварка - три. Поэтому глюонное поле более сложное. Оно состоит из восьми составляющих силовых полей. В типичном адроне - протоне или нейтроне - комбинация трех кварков - красного, зеленого и синего - всегда имеет «белый» цвет. Испускаемые мезоны содержат пары кварк-антикварк, поэтому они тоже «бесцветны». Так как мы знаем, что при взаимодействиях частиц происходит экранировка их зарядов, то это и приводит к тем эффектам различия в дальности взаимодействий различных видов частиц. Оценка расстояния, при котором все взаимодействия становятся сравнимы по величине, составляет около 10 в -29 степени сантиметров. Переносчик взаимодействия - Х-частица - обладает массой, равной примерно 10 в 14 степени масс протона. На протяжении того ничтожного отрезка времени, какой существует Х-частица, энергия и масса имеют громадную неопределенность. И в этом отношении мы похожи на Фалеса и других греческих философов, которые размышляли о свойствах атомов, не имея ни малейшей надежды хоть когда-нибудь увидеть их.

Элементарные частицы нельзя разделить на более простые части (именно поэтому их и назвали «элементарными»). В любых известных сегодня реакциях эти частицы лишь переходят друг в друга - взаимопревращаются. Причем из легких могут родиться более тяжелые частицы - если они движутся с достаточной скоростью (кинематическая энергия переходит в массу)

Элементарные частицы различаются по заряду, спину, массе, времени жизни и так далее. Например, время жизни протона больше времени жизни Вселенной, а ро-мезон живет 10 в -23 степени секунды. Масса фотонов и нейтрино равна нулю, а масса еще не открытого, но предсказанного теоретиками максимона (самой тяжелой элементарной частицы, которая только может существовать) - что-то около микрограмма - как у крупной, видимой глазом пылинки. Их можно разбить на семейства, и членов каждого рассматривать как различные состояния одной и той же частицы. Семейства объединяются в более сложные группы - кланы, или мультиплеты. Но главное - мультиплеты связаны определенными правилами симметрии. В целом получается что-то вроде периодической таблицы элементарных частиц, наподобие Менделеевской. Можно предполагать, физики нащупали следующий ярус строения материи.

Большую роль в развитии знаний сыграли ускорители элементарных частиц. Электронное просвечивание показало, что протон на самом деле не точка, а довольно крупный объект радиусом около 10 в -13 степени сантиметров. Анализируя результаты новых опытов по рассеянию электронов, ученые сделали вывод, что нуклоны являются роем каких-то очень мелких частичек, которые при меньшем увеличении выглядят как сгусток накладывающихся и проникающих друг в друга мезонов и других элементарных частиц. Теоретики, занимавшиеся классификацией частиц, обрадовались, так как уже давно догадывались о существовании таких частиц, только называли их по-своему: кварки.

Когда кварки замелькали на страницах теоретических статей, многие ученые считали их всего лишь неким курьезом, временными строительными лесами на пути к более совершенной теории. Однако не успели физики оглянуться, как оказалось, что с помощью кварков очень просто и наглядно объясняются самые различные экспериментальные факты, а теоретические вычисления сильно упрощаются. Без кварков стало просто невозможно обойтись, также как без молекул и атомов.

Опыты по зондированию нуклона доказали, что в центре элементарной частицы кварки почти не связаны взаимодействием и ведут себя как плавающие в воздухе воздушные шарики. Если же они попытаются разойтись, то сразу же возникают стягивающие их силы. На периферии кварки могут находиться лишь в форме связанных сгустков - например, в виде пи-мезонов, что согласуется с теорией ядерного взаимодействия на основе мезонов. Но как взаимодействуют друг с другом кварки? Так как другого способа организовать взаимодействие, чем посредством передачи частицы-носителя взаимодействия, наука не знает, то были предложены глюоны - склеивающие кварки частицы. Глюоны похожи на фотоны, только с зарядом. Фотон никакого поля вокруг себя не создает, поэтому наибольшую интенсивность поле имеет возле своего источника - заряда, дальше оно постепенно рассеивается и ослабевает. Глюон же своим зарядом рождает новые глюоны, те в свою очередь - следующие и так далее, поэтому глюонное поле не ослабевает, а наоборот, возрастает при удалении от породившего его кварка. Удаляющийся кварк, как пеной обрастает новыми глюонами и их связь становится более сильной.

Физика элементарных частиц представляет собой удивительный сплав эксперимента и теории. Свойства мельчайших частиц вещества установлены и продолжают устанавливаться в экспериментах, по сложности не имеющих себе равных в других областях науки. Эти уникальные эксперименты сочетают поистине индустриальный размах с ювелирной точностью. В большинстве случаев сами объекты исследования - частицы - создаются тут же в лаборатории с помощью ускорителей и живут столь ничтожные промежутки времени, что по сравнению с ними мгновение кажется вечностью. Случай какого-нибудь редкого распада частицы приходится находить среди миллиардов похожих на него «неинтересных» распадов. Все сведения об элементарных частицах добываются в результате тщательных измерений.

§ 07-г. Взаимодействие частиц веществ

В двух предыдущих параграфах мы обсудили опыты, иллюстрирующие первое и второе положения МКТ. Рассмотрим теперь эксперименты, иллюстрирующие третье основное положение МКТ и его следствия.

Для опыта возьмём два свинцовых цилиндрика с крючками. Чтобы убрать частицы пыли, ножом или лезвием зачистим до блеска торцы обоих цилиндриков (рис. а). Плотно прижав торцы друг к другу, мы обнаружим, что цилиндрики прочно «сцепились». Сила их сцепления настолько велика, что при удачном проведении опыта цилиндрики выдерживают тяжесть гири массой до 5 кг (рис. б). Из этого опыта следует вывод: частицы веществ притягиваются друг к другу. Однако это притяжение заметно лишь тогда, когда поверхности тел очень гладкие и, кроме того, плотно прилегают друг к другу.

Проделаем второй опыт (рис. в, г). Чтобы сдавить резиновый ластик пальцем, требуется очень большая сила; ластик проще изогнуть, чем сдавить. Другие тела (кроме газообразных) также очень сложно сдавить. Это говорит о том, что частицы веществ отталкиваются друг от друга.

Притяжение и отталкивание частиц веществ возникают лишь в случае, если частицы находятся в непосредственной близости друг от друга. Как правило, на расстояниях, больших размеров самих частиц, они притягиваются; на расстояниях, меньших размеров частиц, они отталкиваются. Если частицы удалены на расстояние, во много раз большее, чем их размеры, взаимодействие почти не проявляется.

Рассмотрим теперь энергетический аспект взаимодействия частиц.

Если какие-либо тела взаимодействуют, они обладают потенциальной энергией , зависящей от взаимного положения этих тел (см. § 5-д). На рисунке справа стрелками на частицах показаны силы отталкивания «соседок». Так же можно было бы изобразить и силы притяжения. Если бы все частицы находились на равных расстояниях друг от друга, то все силы взаимно уравновешивались бы («зелёная» частица). Однако, согласно второму положению МКТ, частицы движутся. Поэтому расстояния от каждой частицы до её соседок всё время меняются («красная» частица). Следовательно, силы их взаимодействия постоянно меняются и не уравновешиваются. При этих изменениях расстояний и сил меняется потенциальная энергия каждой частицы, принимая минимальное значение в положении её равновесия.

Потенциальную энергию частицы считают нулевой, когда она находится на большом удалении от других частиц, как, например, в газах, где взаимодействия между частицами практически нет (см. рис. § 7-б). В твёрдых и жидких веществах взаимодействие частиц есть, значит, есть и потенциальная энергия частиц (в скобках заметим: она отрицательна, но сейчас нам важно её значение по модулю). И, чтобы преодолеть взаимодействие частиц и развести их на расстояние, нужно совершить работу. И, чем больше работа по преодолению взаимодействия частиц для разведения их на расстояние, тем больше (по модулю) потенциальная энергия взаимодействия частиц изучаемого вещества.

Возникновение силы упругости. Сжимая или растягивая, изгибая или скручивая тело, мы сближаем или удаляем его частицы (см. рисунок). Поэтому меняются силы притяжения и отталкивания частиц, совместное действие которых проявляется как сила упругости.

Вернёмся к изгибу ластика (рис. г). Частицы резины мы условно изобразили шариками. При надавливании пальцем верхние частицы сближаются друг с другом («зелёное» расстояние меньше «красного»). Это приводит к возникновению между ними сил отталкивания (чёрные стрелки направлены от частиц). Нижние частицы удаляются друг от друга, что приводит к возникновению между ними сил притяжения (чёрные стрелки направлены к частицам). В результате ластик стремится выпрямиться, а значит, в нём существует сила упругости, направленная вверх – противоположно силе давления пальца.

Взаимодействие частиц с веществом зависит от их типа, заряда, массы и энергии. Заряженные частицы ионизуют атомы вещества, взаимодействуя с атомными электронами. Нейтроны и гамма-кванты, сталкиваясь с частицами в веществе, передают им свою энергию, вызывая ионизацию в результате образования вторичных заряженных частиц. В случае γ-квантов основными процессами, приводящими к образованию заряженных частиц являются фотоэффект, эффект Комптона и рождение электрон-позитронных пар. Взаимодействие частиц с веществом зависит от таких характеристик вещества как его плотность, атомный номер и средний ионизационный потенциал вещества.

Ионизационные потери энергии тяжелой заряженной частицей

Тяжёлая нерелятивистская заряженная частица с зарядом Ze и скоростью v пролетает вдоль оси x на расстоянии ρ от электрона (рис. 2.2). Сила взаимодействия в момент наибольшего сближения частиц F = Ze 2 / ρ 2 . Время взаимодействия Δt ≈ 2 ρ /v . Переданный электрону импульс Δp ≈ FΔt = 2Ze 2 / (ρ v) . Переданная энергия
ΔE ≈ (Δp) 2 /2m e = 2Z 2 e 4 /(m e v 2 ρ 2). Если n – число электронов в единице объёма, то число электронов в элементе объёма
ΔN = 2πρndρdx. Суммарная энергия, переданная электронам,

где m e − масса электрона (m e с 2 = 511 кэВ − энергия покоя электрона); с - скорость света; β = v/c; v − скорость частицы; Z − заряд частицы в единицах заряда позитрона; n e - плотность электронов вещества; − средний ионизационный потенциал атомов вещества среды, через которую проходит частица:
= 13.5Z" эВ, где Z" − заряд ядер вещества среды в единицах заряда позитрона;
r 0 = e 2 /(m e c 2) = 2.818·10 -13 см − классический радиус электрона.

Рис. п4.2. Удельные потери энергии заряженной частицы в воздухе.

Взаимодействие электронов с веществом

Прохождение электронов через вещество отличается от прохождения тяжёлых заряженных частиц. Главная причина – малая масса электрона, что приводит к относительно большому изменению импульса электрона при каждом его столкновении с частицами вещества, вызывая заметное изменение направления движения электрона и как результат – электро­магнитное радиационное излучение.
Удельные потери энергии электронов с кинетической энергией Te складываются из суммы ионизационных и радиационных потерь энергии.

Ионизационные потери энергии электронов

В области низких энергий электронов (T e < 1 МэВ) определяющий вклад в потери энергии дают неупругие ионизационные процессы взаимодействия с атомными электронами, включающие ионизацию атомов. Передаваемая в одном столкновении энергия в среднем мала и при движении в веществе потери складываются из очень большого числа таких малых потерь энергии.

Радиационные потери энергии электронов

Ионизационные потери энергии электронов преобладают в области относительно небольших энергий. С ростом энергии электрона T e растут радиационные потери энергии. Согласно классической электродинамике, заряд, испытывающий ускорение a, излучает энергию. Мощность излучения W определяется соотношением W = (2/3)e 2 a 2 /c 3 . Ускорение частицы с зарядом z в поле атомного ядра с зарядом Z: a ≈ Zze 2 /(mr 2).
Ускорение обратно пропорционально массе частицы m. Поэтому энергия, излучаемая при торможении протона, меньше энергии, излученной электроном в том же поле, в ~3.5·10 6 раз. Радиационные потери, играющие важную роль в торможении электронов высокой энергии, практически не существенны при прохождении через вещество тяжёлых заряженных частиц.

	Е << m e с 2 = 511 кэВ,

Соотношение между радиационными и ионизационными удельными потерями энергии электронов для жидкости и твердого тела определяются соотношением:

(п4.4)

Энергия, при которой потери энергии на излучение и ионизацию становятся одинаковыми, называется критической.

Пробег заряженной частицы в веществе

Тяжёлые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего перво­начального движения и движутся практически прямолинейно. Средняя длина пути, проходимого частицей до полного замедления, совпадает с расстоянием от точки входа частиц в вещество до точки их остановки и называется пробегом частицы. Обычно пробег измеряется в единицах длины (м, см, мкм) или длины, умноженной на плотность вещества, (г/см 2).

Пробег α-частиц в различных веществах в зависимости от энергии T α

Пробег протонов в алюминии в зависимости от энергии T p

Взаимодействие γ-квантов с веществом

В области энергий γ-квантов от 10 КэВ до 10 МэВ наиболее существенны три механизма взаимодействия γ-квантов с веществом:

• фотоэффект,
• комптоновское (некогерентное) рассеяние
• образование электрон–позитронных пар.

Фотоэффект – процесс взаимодействия g-квантов с электроном атомной оболочки. Электрон вылетает из атома с кинетической энергией T e = E γ – I i , где E γ – энергия γ-кванта, I i – потенциал ионизации i-той электронной оболочки атома. Комптон-эффект – процесс рассеяния фотона на свободном электроне, при котором происходит изменение длины волны рассеянного фотона. Образование электрон-позитронных пар происходит в поле атомного ядра при энергии γ-кванта E γ ≥ 2m e c 2 или на электроне при E γ ≥ 4m e c 2 .
В результате взаимодействий в веществе ослабляется интенсивность пучка γ‑квантов. Ослабление интенсивности моноэнергетического пучка γ‑квантов описывается соотношением

Здесь N – число ядер среды в 1 см 3 .

Рис. п4.3. Зависимость линейного коэффициента поглощения в алюминии и свинце от энергии γ‑квантов

Коэффициент поглощения μ зависит от энергии γ-квантов и свойств вещества. Точные соотношения для величин сечений фотоэффекта, Комптон-эффекта и эффекта образования пар могут быть получены методами квантовой электродинамики. Для оценок величин сечений используются следующие соотношения:

• Сечение фотоэффекта на ближайшей к ядру электронной K-оболочке:

где r e = e 2 /(m e c 2), ε = E γ /(m e c 2).

При ε << 1:		(п4.10)
При ε >> 1:		(п4.11)

• Сечение образования e + e − пар

При m e c 2 << E γ << 137m e c 2 Z -1/3

(п4.12)

При E γ >> 137m e c 2 Z -1/3

(п4.13)

Черенковское излучение

Черенковское излучение является когерентным излучением диполей, образующихся в результате поляризации среды пролетающей заряженной частицей, и возникает при возвращении этих диполей (поляризованных атомов) в исходное неполяризованное состояние. Если частица двигается медленно, то диполи успевают поворачиваться в её направлении. Поляризация среды при этом симметрична относительно координаты частицы. Излучения отдельных диполей при возвращении в исходное состояние гасят друг друга. При движении частицы со «сверхсветовой» для данной среды скоростью за счёт запаздывающей реакции диполей они преимущественно ориентируются в направлении движения частицы. Итоговая поляризация оказывается несимметричной относительно местоположения частицы и излучение диполей некомпенсированным.
Фронт волны черенковского излучения (рис. 2.5) является огибающей сферических волн, испущенных частицей. Фотоны испускаются под углом θ к направлению движения частицы:

cosθ = (βn) -1 ,

где β = v/c, n – показатель преломления среды. Огибающая световых волн А для частицы, двигающейся со скоростью v > c/n, представляет собой конус с углом раствора 2φ, вершина которого совпадает с положением частицы в данный момент (точка P" на рисунке), а нормали к образующим конуса показывают направление распространения черенковского излучения.

Задачи

П 4.1. Во сколько раз отличаются энергетические потери протонов и K + -мезонов с кинетической энергией T = 100 МэВ в алюминиевой фольге толщиной 1 мм?

П 4.2. Пучок протонов с кинетической энергией T = 500 МэВ и током I = 1 мА проходит через медную пластину толщиной D = 1 см. Рассчитайте мощность W, рассеиваемую пучком в пластине.

П 4.3. Определите критические энергии электронов для углерода, алюминия и железа.

П 4.4. Необходимо поглотить электрон с энергией 2 МэВ в алюминиевом поглотителе. Определите его толщину.
Ответ: D = 0.35 см

П 4.5. Какую энергию теряет электрон с энергией 500 МэВ при прохождении алюминиевого поглотителя толщиной 1 см?

П 4.6. Радиоактивный источник испускает γ-квант с энергией 1 МэВ. Какой должна быть толщина стенки свинцового контейнера, чтобы ослабить интенсивность излучения 1) в 10 3 раз, 2) в 10 5 раз?

П 4.7. Как происходят передачи энергии тяжелой и легкой заряженной частицы веществу?

П 4.8. Как зависят удельные ионизационные потери частиц от характеристик среды, в которой они движутся?

П 4.9. Рассчитайте отношение удельных ионизационных потерь энергии α‑частиц с энергией 10 МэВ в воздухе, углероде и свинце.

П 4.10. Рассчитайте удельные ионизационные потери энергии протонов с энергиями 1 МэВ, 10 МэВ, 100 МэВ и 1 ГэВ в свинце.

П 4.11. Протон с кинетической энергией 10 МэВ сталкивается с покоящимся электроном. Рассчитайте, какую максимальную энергию получит электрон.

П 4.12. Рассчитайте какую кинетическую энергию T приобретет первоначально покоящийся электрон при прохождении мимо него с прицельным параметром ρ частицы с массой M и зарядом Z . Скорость частицы до столкновения v << c.
Ответ:

П 4.13. Электроны и протоны с энергией 50 МэВ падают на алюминиевую пластину толщиной 2 мм. Определите энергии электронов и протонов на выходе пластины.
Ответ: T p =40.7 МэВ, T e =46.4 МэВ

П 4.14. Рассчитайте критические энергии электронов для воздуха, воды и свинца.

П 4.15. Рассчитайте удельные радиационные и ионизационные потери энергии электрона с энергией 100 МэВ при прохождении через алюминиевую и свинцовую фольгу.
Ответ: Al:(dT e /dx) ион = 6.2 МэВ/ см, (dT e /dx) рад = 10.1 МэВ/ см;
Pb:(dT e /dx) ион = 4.3 МэВ/ см, (dT e /dx) рад = 44 МэВ/ см

П 4.16. Рассчитайте сечения фотоэффекта, комптоновского рассеяния и рождения e + e – пар при облучении Al γ-квантами с энергиями 1) 1 МэВ, 2) 5 МэВ, 3) 50 МэВ.

П 4.17. Рассчитайте сечения фотоэффекта, комптоновского рассеяния и рождения e + e – пар при облучении γ-квантами с энергией 5 МэВ мишеней из углерода, железа и свинца

П 4.18. Как влияет заряд вещества Z на относительный вклад сечений фотоэффекта, комптоновского рассеяния и рождения e + e – пар в полное сечение взаимодействия γ-квантов с веществом для фотонов с энергиями 1) 1 МэВ, 2) 5 МэВ, 3) 10 МэВ и 4) 100 МэВ?

Вы знаете, что в телах частицы находятся в непрерывном беспорядочном движении. Почему же твердое тело не распадается на отдельные частицы? Это объясняется тем, что частицы (молекулы или атомы) большинства твердых тел расположены в определенном порядке и очень близко друг к другу.

Каждая частица притягивает к себе соседние частицы и сама притягивается к ним. Эти силы удерживают, например, атомы железа в куске металла, молекулы воды в куске льда или в капле воды. Иначе говоря, сила притяжения – это такая сила, которая удерживает частицы вместе.

Если разломать вязальную спицу на две части и составить их вместе, то они не будут удерживаться друг около друга. Оказывается, притяжение между частицами вещества становится возможным лишь тогда, когда они находятся на определенном расстоянии, достаточно близко одна от другой.

Опыт позволяет обнаружить притяжение частиц.

Берут небольшой свинцовый цилиндр, разрезают его на две половины и быстро сдвигают их свежими срезами. Если место среза не успело окислиться, то обе части свинцового цилиндра соединятся в одно целое. Это можно проверить, закрепив один из цилиндров в держатель, а к другому подвесив груз. Половинка цилиндра с грузом не падает. Следовательно, молекулы половинок цилиндра взаимодействуют друг с другом.

Рис. 34. Притяжение частиц. Две половины свинцового цилиндра соединяются благодаря взаимодействию молекул

Описанный опыт удается благодаря мягкости свинца. С более твердыми, чем свинец, телами (например, половинками разбитого стекла) подобный опыт осуществить невозможно.

Чтобы произошло соединение, молекулы должны находиться на расстоянии друг от друга несколько меньше размеров самих молекул. Куски мягкого материала, например пластилина, слипаются легко. Это происходит потому, что их можно сблизить на такое расстояние, на котором действуют силы притяжения.

Строение жидкостей отличается от строения твердых тел. В жидкостях взаимодействие между молекулами слабее, чем в твердых телах, но все-таки оно имеется. Представьте, что в стакан налили воду, а затем перелили ее в колбу. Первоначально жидкость занимала форму стакана, а затем колбы, в которую ее перелили. Если бы в воде между молекулами действовало притяжение такой же силы, как и в твердых телах, то ее форма не могла бы меняться так легко.

Молекулы в жидкостях расположены почти вплотную друг к другу, поэтому все жидкости обладают очень малой сжимаемостью. Но взаимодействие между молекулами не так велико, чтобы жидкости сохраняли свою форму. Этим объясняется главное свойство жидкостей – текучесть.

Мы уже говорили, что газ можно сжать так, что его объем уменьшится в несколько раз. Значит, в газах расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул. В таких случаях молекулы слабо притягиваются друг к другу. Вот почему газы не сохраняют форму и объем.

Между частицами в твердых телах, жидкостях и газах существует взаимное притяжение.

Возникает вопрос: «Почему существуют промежутки между частицами?» Казалось бы, частицы, притягиваясь друг к другу, должны «слипнуться». Сжатию тел, однако, препятствует отталкивание частиц. Что это именно так, можно убедиться на примере. Резиновый ластик, сжатый и согнутый пополам, распрямится, если края отпустить. Сжатые тела распрямляются потому, что при сжатии частицы настолько сближаются, что начинают отталкиваться друг от друга. Следовательно, притяжение, действующее между частицами – атомами и молекулами, удерживает их друг около друга, а отталкивание препятствует их полному сближению.