Deben los estudiantes de química de preocuparse de quarks y tal?

Question

Incluso los libros de texto de química de menos de cinco años de edad comienza por describir la estructura atómica basada sólo en protones, neutrones y electrones. Es una comprensión de la química fundamentos de probabilidades de quedar fuera de la fecha cuando los libros de texto de inicio para incluir los quarks, leptones y las docenas de otras partículas subatómicas?

Answer 1

La verdadera pregunta no es '¿por Qué no cuentan los libros de X?', pero '¿Qué cambiaría si los libros que se incluyen X?'.

Al mejor de mi conocimiento y entendimiento, lo que los protones, los electrones y los neutrones son es fundamental para la comprensión de una amplia gama de cosas que ocurren en la química. (Sí, neutrones jugar un papel de deuterio efectos del cambio etc.)

Sin embargo, casi no hay nada que cambiaría si las descripciones incluidas menor nivel de partículas como los quarks. Yo no puedo pensar en ninguna reacción química o de otro proceso químico que no puede ser suficientemente explicada sólo volviendo a los protones, neutrones y electrones - por lo general, incluso los neutrones son irrelevantes. Así que, básicamente, usted está sugiriendo el aumento de la complejidad con ningún beneficio adicional para el alumno. ¿Por qué habría de hacerlo? Sólo por el bien de la corrección? Si acaso, una nota que los protones y los neutrones están compuestos de partículas más pequeñas es suficiente para cualquier principiante de nivel de libro de texto.

De hecho, hay un buen montón de la química, que puede ser explicado con los conceptos de los átomos y de los bonos. La única razón por la que las partículas subatómicas se incluyen, en primer lugar, es debido a que las sales se presentó temprano y puede ser explicado mucho mejor, si los electrones y los núcleos se sabe. (Y facilita la explicación de '¿qué es exactamente una fianza?')

Answer 2

La química se rige por lo que los electrones hacer, y en general... lo de valencia los electrones hacer. Realmente no hay necesidad de bucear en las partículas subatómicas. Esto puede ayudar a explicar lo que mantiene un núcleo a cabo juntos, pero por lo general nos brillante sobre ese aspecto y simplemente tienen estudiantes a aceptar esto como un hecho. Las partículas subatómicas, de los cuales hay muchos, generalmente son cubiertos en la física. Solemos tocar en química nuclear cuando los procesos de deterioro son introducidos.

El punto principal aquí es que la Química es esencialmente todo acerca de lo que los electrones están haciendo.

Answer 3

Es una comprensión de la química fundamentos de probabilidades de quedar fuera de la fecha cuando los libros de texto de inicio para incluir los quarks, leptones y las docenas de otras partículas subatómicas?

Así, el general chemisty libros ya incluyen los leptones, al menos electrones y generalmente de positrones.

Otro de los protones, neutrones, electrones y positrones (y fotones), creo que cuando se habla de la desintegración beta y de captura de electrones, neutrinos y antineutrinos deben ser incluidos, de lo contrario las reacciones nucleares no son realmente equilibrado (número leptónico debe ser conservada). Alternativamente, el de química general de los libros podría omitir toda la discusión de las reacciones nucleares, como la física.

Aparte de eso, creo que el resto de las partículas puede esperar para la clase de física, en lugar de la química en general de la clase.

Más allá de la química en general, las partículas se discutió a veces en los más avanzados de la química de los libros, tales como la química cuántica textos, donde los ejemplos que involucran los muones son comunes.

Para algunos temas de química, tales como isótopos diferencias en la rotación de espectros de vibración de las moléculas pequeñas distinción entre fermiones y bosones es fundamental. Tratando de explicar la diferencia entre fermiones y bosones (y de Fermi-Dirac statisitics vs Bose-Einstein estadísticas vs Boltzmann estadísticas) que conduce, naturalmente, a la discusión del modelo estándar de las partículas del modelo estándar. Por lo tanto, cuando un estudiante llega a la química física, alrededor del tercer año de la universidad, deben tener un cierto conocimiento del modelo estándar.

Answer 4

Me refiero a ser honesto con usted, cuando yo estaba en Chem 1, nunca entró en los detalles de los quarks y otras partículas subatómicas, excepto una vez, en la química nuclear. Incluso entonces, usted no tiene que tener una idea de estas partículas subatómicas a entender lo que estaba pasando.

Así que, si lo piensas, no lo que ellos (los maestros) han cambiado el plan de estudios para incluir, otros, decenas de partículas subatómicas si era necesario?

Aunque, todavía tiene un buen punto. Pero, en general, desde mi definición de un estudiante de química, yo no creo que la preocupación acerca de los quarks y otras partículas subatómicas.

Answer 5

Me voy a tomar una foto en esta cuestión desde un ángulo diferente, con el objetivo de un análisis más objetivo. Por ello, quiero traer a colación varios conceptos. Bear with me!

Primero de todo, ¿qué queremos decir cuando le preguntan si algo es relevante o no a la Química? Una definición precisa y exacta no es trivial, pero vamos a considerar un simple argumento: reacciones químicas son bastante importantes en la Química! En otras palabras, nos gusta ver los átomos de intercambio en torno a las posiciones. Resulta que tenemos una idea clara de cómo rápidamente a estos eventos ocurren. Sabemos que los enlaces en las moléculas vibran a cierta frecuencia, que es como la espectroscopia de infrarrojo funciona. El más rápido de los bonos a vibrar hacerlo en torno a $\rm{3500\ cm^{-1}}$, lo que implica una frecuencia de alrededor de $\rm{10^{14}\ Hz}$. Esto establece un útil calendario - el más rápido de desplazamientos atómicos pertinentes a la unión de una molécula de suceder en el orden de $\rm{10^{-14}\ s = 10\ fs}$. Esto significa que, incluso en el más rápido de reacciones químicas necesitan al menos esta cantidad de tiempo para pasar. Cualquier evento que comienza y cesa dentro de una escala de tiempo mucho más corto de $\rm{1\ fs}$ significa que las moléculas que no tienen ni tiempo para reaccionar ante el evento. Incluso una molécula en una reacción del estado de transición, como de corta duración, como es, sería esencialmente congelado durante intervalos de tiempo mucho menor que este. Hay procesos importantes que ocurren más rápido que $\rm{1\ fs}$, tales como transiciones electrónicas y de la desintegración nuclear, pero que son importantes en la Química porque lo que importa aquí no es por cuánto tiempo la transición, pero que el estado resultante es sostenida por alrededor de $\rm{1\ fs}$ o más antes de que se desintegre. Como una interesante aparte, virtual estados electrónicos utilizados en la espectroscopia Raman existen para veces tan largo como $\rm{0.1\ fs}$, lo que muestra, además, cómo esta escala es demasiado rápido para que las moléculas de responder.

Ahora para las partículas subatómicas. Sin contar las antipartículas, hay al menos 17 tipos de partículas fundamentales (aunque 4 de ellos son portadores de la fuerza, y el bosón de Higgs es algo completamente distinto, así que vamos a poner a las personas, aparte), y más de un centenar de compuestos de partículas subatómicas. Sin embargo, por alguna razón, casi todos los de la Química que se ocupa únicamente de tres fundamentales de partículas (electrones, hasta el quark y el quark abajo), y dos compuestos de partículas (protones y neutrones, es decir, el de arriba-arriba-abajo y de arriba-abajo-abajo triquarks, respectivamente). ¿Por qué es eso así?

Sin entrar en los detalles esenciales de la física de partículas, resulta que las partículas tienden a decaer en sus más ligero posible familiares, mientras que obedecer ciertas reglas, tales como la conservación de la carga. Los electrones son los más ligeros de carga negativa de las partículas, por lo que son indefinidamente estable (lo mismo es cierto para los positrones, el más ligero de carga positiva de la partícula). Los protones podría decaer en algo más ligero gracias a la tomografía, pero en este caso hay otro tipo de ley de conservación de la fuerza les prohíbe hacerlo (número de bariones de conservación), por lo que si no indefinidamente estable, por lo menos son de muy larga duración ($\rm{10^{35}}$ $\rm{a}$ o más).

Los neutrones son un caso interesante. Son ligeramente más pesados que los protones, por alrededor de 1%. Esto es suficiente para permitir la descomposición, y de hecho, libre de neutrones tiene una vida media de alrededor de $\rm{15\ min}$ antes de que sufre $\beta^-$ caries en un protón. Si esto le pasó a cada neutrón, el Universo se llena únicamente con el hidrógeno, y la vida no podría existir. Cabe destacar que la diferencia de masa entre los protones y los neutrones es lo suficientemente pequeño que puede ser compensada por la estabilización de las fuerzas nucleares en el interior del núcleo, y por lo tanto los neutrones en el interior de los núcleos son estables con respecto a la caries para una cantidad de tiempo comparable a la del protón.

Así que hasta ahora, sabemos que los electrones, los protones y los neutrones son tres ejemplos de las partículas subatómicas que son tan longevos que nos puede esperar a ser relevantes en química escalas de tiempo. ¿Hay alguna más? Aquí es donde las cosas se tuercen. El siguiente más estable partícula subatómica otras de las que me acabo de citar es el muon, una partícula idéntica a la de los electrones, excepto por su mayor masa, con una vida media de sólo $\rm{2.2\ \mu s}$. Esto es todavía muchos de los órdenes de magnitud más de femtosegundo de referencia establecidas anteriormente, y en el hecho de muones pueden mostrar sentido de la química, incluso tomando parte en las reacciones [1], [2]. Sin embargo, se puede imaginar que los procesos que involucran a los muones se espera que sea mucho, mucho más raro, y no tienen tanta importancia en la química. Esto no quiere decir que los muones son irrelevantes para la Química, sólo que son de interés sólo en una mucho más estrecha gama de circunstancias relativas a los electrones, neutrones y protones. El problema es aún peor para otras partículas subatómicas, que a menudo tienen mucho más cortas vidas. Mirando algunas de las listas de las partículas, como los bariones, mesones y leptones, uno ve cuán corta duración, que son aproximadamente la mitad de ellos caries mucho más deprisa de lo $\rm{1\ fs}$ y no podía ni siquiera en principio participar en la química. Todavía hay un par de docenas de partículas de caries entre $\rm{100\ ns}$$\rm{1\ fs}$, por lo que la química podría existir en un ámbito más limitado, pero estos rara vez son pertinentes.

Después de toda la información expuesta anteriormente, si el promedio del estudiante de Química que preocuparse acerca de estas subatómicas detalles? No, no lo creo. De hecho, si estos problemas se mencionan como más que un paso comentar en cuando por primera vez la enseñanza de la estructura de la materia, creo que sería contraproducente. Dicho esto, yo creo que es una vergüenza que una enorme mayoría de los químicos nunca parecen mirar un poco más profundo en la estructura de la materia, incluso años después de graduarse. Sería bueno si al menos el conocimiento de las partículas fundamentales fueron los más difundidos. El Modelo Estándar de la física de partículas es un logro increíble, y hay más que suficiente belleza para apreciar aún sin romper la enorme integrales!