Строение вещества

Строение вещества, структура вещества — конфигурации и взаимодействия меньшего масштаба, совокупностью которых материя и энергия образуют вещество на более крупном масштабе, — в частных случаях или на уровне универсальных законов физики. Строение вещества поддаётся научному познанию, как предмет фундаментальной науки, но также и как теоретический фундамент разнообразного множества технологий. Современный уровень научных представлений о веществе позволяет предсказывать не изученные на практике свойства химических соединений и элементов, разрабатывать сложнейшие полупроводниковые цепи и наноустройства, запускать ядерные реакции, познавать полноту строения живой материи. Такие представления задают наиобщие «правила игры» в естественных науках, на принципах редукционизма и законов сохранения: любое явление реальности это смена формы вещества, — либо видоизменение конфигурации (внешних свойств), либо перемена структуры (внутренних, составляющих форм); типично же — сложная «игра» поперёк расстояний и масштабов.

Научно установленные знания о веществе различны по степени их доступности человеческому разуму. Одни (такие, как формулы соединений) не требуют глубоких познаний для восприятия, другие же (такие, как причины высокой электропроводности у металлов) привлекают понятийный аппарат физики, далёкий от обыденной жизни.

Структурные уровни организации

Целостное понимание строения вещества основано на концепции структурных уровней организации материи. Эта иерархия масштабов не просто описывает вложенность меньшего в большее. Каждый уровень характеризуется своими пространственными и энергетическими масштабами, доминирующими на них видами взаимодействий, характерными для них явлениями, физическими представлениями и связанными с ними научными и техническими дисциплинами. Вещество на бо́льших масштабах проявляет свойства, эмерджентные относительно меньших.

Строение на микроуровне

В области малых размеров вещество понимается как состоящее из частиц, поэтапно формирующих всё более сложные квантовые системы. При этом системы нижнего (мелкого) уровня могут выступать в качестве частиц на верхнем (крупном) уровне.

В частности, вещество, обычное для нашей планеты и её окрестностей, можно с высокой достоверностью описать как состоящее из протонов, нейтронов и электронов, причём протоны и нейтроны образуют атомные ядра. Предполагается существование во Вселенной и иных, экзотических видов вещества.

Субатомный уровень

Хотя взгляд на субатомные частицы как на составные части вещества является продуктивным и общепринятым, теоретическое описание такой структуры требует понятий квантовой теории поля, то есть, объединения явлений, традиционно описываемых как частицы и поля (взаимодействия), в единую, более фундаментальную картину. Некоторые квантовые свойства отдельных видов частиц имеют критическое значение для объяснения свойств вещества, проявляемых независимо от масштаба. Например, доминирующая среди элементов материи фермионная статистика обуславливает жёсткость (сопротивление сжатию) вещества посредством принципа исключения Паули.

Атомные ядра изучает ядерная физика. Одной из её важных задач является объяснение таких наблюдаемых свойств ядер, как масса, спин и магнитный момент, через их внутреннее устройство. В большинстве вопросов ядерной физики можно считать ядра системами, составленными из протонов и нейтронов (коллективно именуемых нуклонами), «склеенных» ядерной силой; вдаваться в устройство самих нуклонов не требуется, ограничиваясь всё теми же массой, спином, электрическим зарядом и магнитным моментом. Тем не менее, квантовая хромодинамика предлагает описание каждого нуклона как составленного из трёх кварков первого поколения Стандартной Модели, удерживаемых сильным взаимодействием. Оно полезно для явлений с ещё более высокими энергиями взаимодействия, чем типичные для ядерной физики.

Наиболее обыденным ядерным процессом является радиоактивный распад, высвобождающий в ходе каждого события энергию порядка сотен тысяч или миллионов электронвольт.

Атом, даже изолированный и находящийся в основном состоянии, не является просто суммой составляющих его нуклонов и электронов; «вклад» в его наблюдаемые свойства вносят и взаимодействия: ядерное — внутри ядра и электромагнитное — между разными электронами, а также ними и ядром. Понимание субатомных объектов как составных систем, строго говоря, является вопросом выбора научной модели, а не объективной истины. В принципе, это замечание также верно для атомов и молекул, однако энергии процессов, характерных для атомного масштаба, на много порядков ниже энергии, эквивалентной массе электрона, не говоря уж о массе нуклонов.

Атомно-молекулярный уровень

Атом определяется как положительно заряженное ядро, окружённое электронными оболочками (объединение которых описывается также как облако). Примером эмерджентного свойства атома является следование электронами атомным орбиталям, из-за которых совокупность электронов атома, как правило, не образуют сферически симметричную систему. Для появления собственных волновых функций, параметризованных тремя квантовыми числами, не важно ни то, обращается ли вокруг ядра электрон или какой-либо иной заряженный лептон, ни то, откуда атомное ядро взялось. Атомные орбитали возникают из кулоновского закона взаимодействия между двумя частицами, а также законов квантовой механики.

Свойства отдельно взятых атомов изучает атомная физика.

Согласно современной химии, существуют четыре вида химической связи. Её суть заключается в перераспределении электронной плотности между атомами, приводящему к снижению полной энергии. Химическая связь позволяет образование молекул из нескольких атомов, хотя не только их. Помимо собственно химической связи, бывает также межмолекулярное взаимодействие — один из предметов молекулярной физики.

Различия в химических свойствах элементов, видах и параметрах химической связи, молекулярной геометрии, а также изменчивость физических условий делают возможным множество вариантов атомно-молекулярной формы вещества, трудно поддающихся классификации из-за плохого согласования терминов.

Для элементов группы 18, называемых инертными, или благородными газами, образование химических связей вообще нехарактерно. В качестве простого вещества они всегда образуют одноатомные молекулы и в состоянии газа (как при нормальных условиях), и в жидком, и в твёрдом. Для неокисленных металлов характерны твёрдое (кристаллическое) или жидкое состояние с образованием металлических связей — то есть, общего для множества атомов облака делокализованных электронов. Лишь немногие (например, Ga₂ в жидком галлии) металлы способны собираться в молекулы. Соли также обычно не формируют молекул; они имеют ионное строение, могут как формировать ионные кристаллы, так и быть аморфными. Однако при этом внутри анионов и (реже) катионов, образующих соль может присутствовать ковалентная связь; так что нередки вещества, в строении которых играют важную роль более одного вида связей.

Для веществ, не являющихся солями, в которые входят неметаллы, характерны ковалентные связи, но результат может получаться очень разным. Возможны устойчивые молекулы из нескольких атомов, сохраняющиеся и в твёрдом, и в жидком, и в газообразном состояниях; этот вариант преобладает в бинарных соединениях неметаллов. В твёрдом (молекулярные кристаллы) и жидком виде молекулы удерживаются друг с другом межмолекулярными силами Ван-дер-Ваальса, а также, у соединений с участием водорода, водородными связями. Другие варианты включают кристаллы на ковалентных связях (такие, как алмаз и кварц), цепочки из атомов и полностью аморфные структуры; в названных случаях понятие отдельной молекулы теряет смысл. Существуют полимеры, структура которых основана на ковалентных связях: как полностью ковалентные типа органических, так и неограниченные ковалентно-ионные каркасы.

При высоких (несколько кило‍кельвинов и выше) температурах химические связи разрушаются, атомы теряют электроны и вещество становится плазмой.

Описание на макроуровне

Устройство вещества выше уровня молекул не описывается какой-то определённой физической моделью, поскольку наша Вселенная показывает разнообразие состава, агрегатного состояния, пространственных форм тел. Однако, общей особенностью макроскопических тел является наличие астрономического, не поддающегося прямому описанию числа степеней свободы атомов и иных компонентов вещества, имеющих подобный масштаб. Изменение состояния даже миллиарда атомов может быть неразличимо для макроскопического прибора. В этих обстоятельствах статистическая физика и термодинамика могут давать бо́льшую объяснительную силу, чем детализованные модели. Тем не менее, для свойств вещества важно качественное отличие кристаллического строения, обладающего дальним порядком, от жидкого или аморфного, где порядок является лишь ближним.

Для многих тел эффективной теорией протекающих внутри процессов может служить механика сплошных сред, игнорирующая микроскопическое устройство. Свойствами вещества более плотного, чем газ, занимается физика конденсированного состояния.

Прикладной наукой, касающейся свойств вещества (особенно, проявляемых на макроскопическом уровне), является материаловедение. Одним из его вопросов является отличие фактического строения кристаллического вещества от идеализированной модели кристаллической решётки; а именно, дефекты решётки. Это отличие оказывает огромное влияние на механические свойства материалов.

История изучения

Серьёзное проникновение в вопрос строения вещества не было возможно до распространения количественных методов химии в конце XVIII века; в особенности, стехиометрии. Учение о химических атомах разрабатывал Джон Дальтон с 1803 года. Но в те времена ещё отсутствовало понимание химической связи и механизмов упругости. Сопротивление сжатию приписывали «несжимаемости» самой материи или же гипотетическому мировому эфиру (что было научной спекуляцией и преждевременными догадками).

Законы химической связи были прояснены в работах Августа Кекуле и А. М. Бутлерова в 1860-х годах, но её природа оставалось загадкой. Хотя явление электролиза давало основания заподозрить связь электричества с химией, но электрический характер межатомных сил не просматривался в том числе потому, что электрон, открытый первым носитель заряда, не был идентифицирован до конца XIX века. Даже после его открытия последовала череда неудач с моделями внутреннего устройства атома, хотя было установлено, что все электроны имеют одинаковый заряд.

Открытие Периодического закона Д. И. Менделеевым имело большое значение не только в химии, но и вообще в естествознании, поскольку явило признаки более глубокой структуры вещества, нежели беспорядочный (и постоянно расширяющийся) набор химических элементов. Важный вклад в нарождающуюся атомную физику внесла оптическая спектроскопия посредством как накопления опытных данных, так и систематизации спектральных линий.

На рубеже XIX и XX веков представления о неизменности атомов были разрушены открытием радиоактивности. В 1911 году Эрнест Резерфорд на основании опытов по рассеянию альфа-частиц предложил планетарную модель, в которой положительный заряд сосредоточен в малом, но массивном ядре. Однако эта модель, в сочетании с классической электродинамикой, вела к серьёзным противоречиям с наблюдательными данными (в том числе, с атомными спектрами). В 1913 году Нильс Бор сформулировал свои постулаты, введя понятие стационарных орбит. В 1920-х годах, благодаря работам де Бройля (корпускулярно-волновой дуализм, Шрёдингера и Гейзенберга, сформировалось современное понимание механики в микромире. Это объяснило устойчивость вещества и открыло дорогу к фундаментальному описанию химических связей.

Открытие нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году позволило понять устройство ядра и объяснило существование изотопов. Для объяснения устойчивости ядер было постулировано притяжение нуклонов, преодолевающее кулоновское отталкивание протонов. Во второй половине XX века, с ростом энергий ускорителей, был открыт обширный «зоопарк» так называемых элементарных частиц. Представления о протонах и нейтронах как о фундаментальных неделимых частицах пришлось пересмотреть, и основной интерес теоретической физики сместился на изучение фундаментальных взаимодействий.