2. Иерархия структур в микро-, макро- и мегамире

Слово «иерархия» отображает в данном случае лестницу объектов, качественно отличающихся или характеризующихся степенью сложности. На сегодняшний день принята следующая иерархия объектов: микрочастицы, ядра, атомы, молекулы, макротела (твердые тела, жидкости, газы, плазма), планеты, звезды, галактики, Вселенная. Человек чаще всего имеет дело с макротелами (макромир) и сам таковым является.

Микрочастицы (элементарные частицы) – мельчайшие частицы материи при условии, что они не являются ядрами и атомами (исключение – протоны). Микрочастицы делятся на две группы адроны и лептоны.

Адроны

Барионы (протон, нейтрон, гипероны)

Мезоны (- мезоны, К - мезоны, - мезоны)

Лептоны – электрон, мюон,  - лептон; электронное, мюонное и  -нейтрино.

Кроме перечисленных частиц, существуют так называемые резонансы (барионные и мезонные). Особняком от этих микрочастиц стоит фотон – квант электромагнитного поля. Адроны - наиболее тяжелые частицы - не являются неделимыми. Они состоят из кварков - пока истинно элементарных частиц. Гипотезу о кварках выдвинули в 1964 г. Гелл-Ман и Цвейг.

Объединение релятивистских и квантовых представлений привело к одному из наиболее выдающихся предсказаний - открытию античастиц, которые отличается от частиц электрическим зарядом, магнитным моментом или другими характеристиками. Античастицы могут собираться в антивещество (например, антигелий-3). Однако во Вселенной до сих пор не обнаружены области со сколь-нибудь заметным содержанием антивещества.

Ядра - центральные, массивные части атома, состоящие из нуклонов. Масса ядра более, чем в тысячу раз больше массы электронов, входящих в атом. Размеры ядра – 10^-14 - 10^-15 м. Число нуклонов в 1м³ достигает 10⁴⁴ , а плотность – 10¹⁷ кг/ м³. Ядра могут быть стабильными и нестабильными.

Атомы и молекулы. Ядра имеют положительный электрический заряд и окружены отрицательно заряженными электронами. Такое электрически нейтральное образование называют атомом. Электроны, находящиеся на верхних орбитах определяют их способность вступать в соединения с другими атомами. Здесь мы вступаем в область химии, и условность границ раздела между физикой и химией в данном случае очевидна.

Наименьшей структурной единицей сложного химического соединения является молекула ( в том числе и одноатомная).Число возможных комбинаций атомов, определяющих число химических соединений, составляет около 10⁶. Некоторые атомы (углерод, водород и др.) способны образовывать сложные молекулярные цепи, являющиеся основой образования макромолекул, проявляющие также и биологические свойства.

Макротела. При достаточно низких температурах практически все тела являются твердыми. В них атомы не могут значительно удаляться от своих равновесных положений. Твердые тела имеют различные механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические и другие свойства, которые определяются не только характером атомов, но и их взаимным расположением (алмаз и углерод).

При нагревании твёрдых тел происходит плавление и переход в жидкое состояние. В жидкостях атомы уже не являются строго локализованными, тепловое движение атомов и молекул носит довольно сложный характер.

При дальнейшем повышении температуры - жидкости превращаются в газообразное состояние. Газы с хорошей точностью подчиняются статистическим и термодинамическим закономерностям (см. п. 7).

При вecьмa значительном повышении температуры среды (до 10⁴ - 10⁵К) происходит ионизация атомов, т.е. распад их на ионы и свободные электроны. Такое состояние вещества называют плазмой. Плазма в противовес газам может проявлять коллективные свойства, что сближает их с конденсированным состоянием, т.е. с твердыми телами и жидкостями.

Планеты. Следующей ступенью в иерархии объектов природы являются макротела астрономического масштаба - планеты, изучение которых по существу только начинается. Однако, уже ceйчас ясно, что условия в которых находится вещество многих планет, отличаются от земных (так Юпитер, превосходящий по размерам Землю почти в 10 раз, вероятно, находится в жидком состоянии, исключая центральные области планеты, которые, по-видимому, состоят из металлического водорода). Однако в составе вещества планет не обнаружено никаких новых химических элементов по сравнению с земными.