Поняття «Мікросвіт» охоплює фундаментальні і елементарні частинки, ядра, атоми і молекули.
Елементарні частинки - це частинки, що входять до складу перш «неподільного» атома. До них відносять також і ті частинки, які отримують за допомогою потужних прискорювачів частинок. Є елементарні частинки, які виникають при проходженні через атмосферу космічних променів, вони існують мільйонні частки секунди, потім розпадаються, перетворюються в інші елементарні частинки або випускають енергію в формі випромінювання. До найбільш відомих елементарних частинок відносяться електрон, фотон, пі-мезон, мюон, нейтрино. У строгому сенсі слова елементарні частинки не повинні містити в собі будь-які інші частинки. Однак далеко не всі з найбільш відомих елементарних частинок задовольняють цій вимозі. Було виявлено, що елементарні частинки можуть взаємно перетворюватися, тобто не є «останніми цеглинками» світобудови. В даний час вже відомі сотні елементарних частинок, хоча відповідно до теорії їх число не повинно бути особливо великим. Новітні дослідження, зокрема, підтверджують висунуту раніше гіпотезу про існування ще «більш елементарних» частинок - кварків.
Першою елементарною частинкою, відкритої в фізиці, став електрон, який в 1897 році, вивчаючи газові розряди відкрив англійський фізик Джозеф Томсон і виміряв відношення його заряду до маси. Електрон - один з основних структурних елементів речовини; електронні оболонки атомів визначають оптичні, електричні, магнітні та хімічні властивості атомів і молекул, а також більшість властивостей твердих тіл.
У звичайному вживанні фізики називають елементарними такі частинки, які не є атомами і атомними ядрами, за винятком протона і нейтрона. Після встановлення складної структури багатьох елементарних частинок потрібно ввести нове поняття - фундаментальні частинки, під якими розуміються мікрочастинки, внутрішню структуру якої не можна уявити у вигляді об'єднання інших вільної частинок.
У всіх взаємодіях елементарні частинки поводяться як єдине ціле. Характеристиками елементарних частинок є, крім маси спокою, електричного заряду, спина, також такі специфічні характеристики (квантові числа), як баріонів заряд, лептонний заряд, гіперзаряд, дивина і т.п.
В даний час досить багато відомо про атомарний будову речовини і елементарних частинках. Оскільки елементарні частинки здатні до взаємних перетворень, це не дозволяє розглядати їх, так само як і атом, як найпростіших, незмінних «цеглинок світобудови». Число елементарних частинок дуже велика. Всього відкрито більше 350 елементарних частинок, з яких стабільні лише фотон, електронне і мюонне нейтрино, електрон, протон і їх античастинки (кожна елементарна частинка, за винятком абсолютно нейтральних, має свою античастицу). Решта елементарні частинки мимовільно розпадаються за час від 10 3 с (вільне володіння нейтрон) до 10 -22 - 10 -24 с (резонанси).
Існує кілька груп елементарних частинок, що розрізняються за своїми властивостями і характером взаємодії, які прийнято ділити на дві великі групи: ферміони і бозони (див. Малюнок).
Ферміони складають речовина, бозони переносять взаємодію.
Лептони (від грец. Легкий) - частинки зі спіном 1/2, не беруть участі в сильній взаємодії і володіють зберігається внутрішньої характеристикою - лептонним зарядом, можуть бути нейтральними. Заряджені лептони можуть, як і електрони (що відносяться до їх числа) обертатися навколо ядер, утворюючи атоми. Лептони, що не мають заряду можуть проходити безперешкодно через речовину (хоч через всю Землю) не взаємодіючи з тією ним. У кожної частинки є античастинка, що відрізняється тільки зарядом.
Адрони - елементарні частинки, які беруть участь у всіх фундаментальних взаємодіях, включаючи сильне; характерним для адронів сильних взаємодій властиво максимальне число зберігаються величин (законів збереження). Адрони діляться на баріони і мезони. За сучасними уявленнями, адрони мають складну внутрішню структуру: баріони складаються з трьох кварків; мезони - з кварка і антікварка.
Окрему «групу» становить фотон.
При зіткненнях елементарних частинок відбуваються всілякі перетворення їх один в одного (включаючи народження багатьох додаткових часток), що не забороняються законами збереження.
Атомом (від грец. Atomos - неподільний) називають частина речовини мікроскопічних розмірів і маси, найменшу частку хімічного елемента, що зберігає його властивості. Атоми складаються з елементарних частинок і мають складну внутрішню структуру, представляючи собою цілісну ядерно-електронну систему. У центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома; навколо рухаються електрони, що утворюють електронні оболонки, розміри яких (
10-8 см) визначають розміри атома. Ядро атома складається з протонів і нейтронів. Число електронів в атомі дорівнює числу протонів в ядрі (заряд всіх електронів атома дорівнює заряду ядра), число протонів дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі. Атоми можуть приєднувати або віддавати електрони, стаючи негативно або позитивно зарядженими іонами. Хімічні властивості атомів визначаються в основному числом електронів в зовнішній оболонці; з'єднуючись хімічно, атоми утворюють молекули.
Важлива характеристика атома - його внутрішня енергія, яка може приймати лише певні (дискретні) значення, відповідні стійким станам атома, і змінюється тільки стрибкоподібно шляхом квантового переходу. Поглинаючи певну порцію енергії, атом переходить у збуджений стан (на більш високий рівень енергії). З збудженого стану атом, випускаючи фотон, може перейти в стан з меншою енергією (на більш низький рівень енергії). Рівень, відповідний мінімальної енергії атома, називається основним, інші - збудженими. Квантові переходи обумовлюють атомні спектри поглинання і випускання, індивідуальні для атомів всіх хімічних елементів.
Під ядром атома розуміється його центральна частина, в якій зосереджена практично вся маса атома і весь його позитивний заряд. Ядро складається з нуклонів - протонів і нейтронів (позначення p і n). Маса протона mP = 1,673Ч10 -27 = 1,836me. mn = 1,675Ч10 -27 = 1835,5me. Маса ядра не дорівнює сумі мас протонів і нейтронів, що входять в нього (т.зв. «дефект мас»). Протон несе елементарний позитивний заряд, нейтрон - частинка незаряджена. Число електронів в атомі дорівнює порядковому номеру Z елемента в таблиці Менделєєва, а число протонів, оскільки в цілому атом нейтральний, дорівнює числу електронів. Тоді число нейтронів в ядрі визначається наступним чином: NP = A - Z, де А - масове число, тобто ціле число, найближче до атомної масі елемента в таблиці Менделєєва, Z - Зарядове число (число протонів). Для позначення ядер застосовується запис Z X A. де Х - символ хімічного елемента в таблиці Менделєєва. Ядра з однаковими Z, але різними А називаються ізотопами. Зараз відомо більше 300 стійких і більше 1000 нестійких ізотопів. З нестійкими ізотопами пов'язано явище радіоактивності - ядерного розпаду.
Ядро в цілому - стійка система, для його руйнування необхідно затратити енергію. Ця енергія називається енергією зв'язку ядра. Енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон, називається питомою енергією зв'язку. Нуклони в ядрі утримуються ядерними силами, що представляють сильну взаємодію і мають обмінний характер. Ядерні сили мають ряд властивостей:
1. Ядерні сили є короткодіючими (радіус дії близько 10 -15 м) На цих відстанях вони значно перевищують кулонівських сили відштовхування протонів. При значному зменшенні відстані тяжіння нуклонів змінюється відштовхуванням.
2. Ядерні сили мають зарядовим незалежністю, тобто діють як між зарядженими, так і між нейтральними частинками.
3. Ядерні сили мають властивості насичення. Це означає, що кожен нуклон в ядрі взаємодіє лише з обмеженим числом найближчих до нього нуклонів.
4. Ядерні сили не є центральними. Їх величина залежить від орієнтації спінів частинок.
Молекули - це черговий після атомів якісний рівень будови і еволюції речовини. Молекула - мікрочастинка, утворена з атомів і здатна до самостійного існування, що володіє його головними хімічними властивостями. Має постійний склад входять до неї атомних ядер і фіксоване число електронів і має сукупність властивостей, що дозволяють відрізняти молекули одного виду від молекул іншого. Число атомів в молекулі може бути різним: від двох до сотень тисяч.
Молекули простих речовин складаються з однакових атомів, складних - з різних атомів. Існує велика кількість з'єднань, молекули яких складаються з багатьох тисяч атомів - макромолекули.
Підкреслюючи цілісність молекул, органічну єдність їх складових частин, сучасне природознавство характеризує рух молекул як рух самостійних і цілісних систем, а не як просту суму розрізнених рухів окремих утворюють їх часток (атомів, ядер і електронів). Ті взаємодії молекул, які не супроводжуються зміною їх структури, вивчаються фізикою і називаються фізичними. Взаємодії же молекул, що призводять до їх якісним взаимопревращениям, перебудові їх внутрішніх зв'язків, називаються хімічними і вивчаються хімією.