Velika enciklopedija nafte i plina. Elementarne čestice

Cijeli materijalni svijet, prema modernoj fizici, izgrađen je od tri elementarne čestice: protona, neutrona i elektrona. Osim toga, prema znanosti, postoje i druge "elementarne" čestice materije u svemiru, čija su imena očito više od norme. Istodobno, funkcija ovih drugih "elementarnih čestica" u postojanju i evoluciji svemira nije jasna.

Razmotrimo drugu interpretaciju elementarnih čestica:

Postoji samo jedan elementarna čestica materija je proton. Sve ostale "elementarne čestice", uključujući neutron i elektron, samo su derivati ​​protona i igraju vrlo skromnu ulogu u evoluciji svemira. Razmotrimo kako nastaju takve "elementarne čestice".

Detaljno smo ispitali strukturu elementarne čestice materije u članku "". Ukratko o elementarnoj čestici:

• Elementarna čestica materije ima oblik izdužene niti u prostoru.
• Elementarna čestica je sposobna rastezati. U procesu rastezanja, gustoća materije unutar elementarne čestice opada.
• Presjek elementarne čestice, gdje gustoća materije pada za polovicu, nazvali smo kvant materije .
• U procesu gibanja, elementarna čestica kontinuirano apsorbira (preklapa, ) energiju.
• Točka apsorpcije energije ( točka uništenja ) je na vrhu vektora gibanja elementarne čestice.
• Točnije: na vrhu aktivnog kvanta materije.
• Apsorbirajući energiju, elementarna čestica kontinuirano povećava brzinu svog kretanja naprijed.
• Elementarna čestica materije je dipol. Kod kojih su privlačne sile koncentrirane u prednjem dijelu (u smjeru gibanja) čestice, a sile odbijanja koncentrirane u stražnjem dijelu.

Svojstvo elementarnosti u prostoru teoretski znači mogućnost smanjenja gustoće materije na nulu. A to, pak, znači mogućnost njezina mehaničkog puknuća: mjesto puknuća elementarne čestice materije može se predstaviti kao njezin presjek s nultom gustoćom materije.

U procesu anihilacije (apsorpcije energije), elementarna čestica, savijajući energiju, kontinuirano povećava brzinu svog translacijskog kretanja u prostoru.

Evolucija galaksije, na kraju, dovodi elementarne čestice materije do trenutka kada postaju sposobne vršiti razderavajući učinak jedna na drugu. Elementarne čestice se možda neće susresti na paralelnim kursevima, kada se jedna čestica približava drugoj polako i glatko, poput broda do mola. Mogu se susresti u svemiru i na suprotnim putanjama. Tada je jak sudar i, kao rezultat, slom elementarne čestice gotovo neizbježan. Mogu se naći pod vrlo snažnim valom poremećaja energije, što također dovodi do puknuća.

Što može biti "krhotina" nastala kao rezultat puknuća elementarne čestice materije?

Razmotrimo slučaj kada se, kao rezultat vanjskog utjecaja, iz elementarnih čestica materije - atoma deuterija - raspada na proton i neutron.

Puknuće parne strukture se ne događa na mjestu njihovog spajanja -. Jedna od dvije elementarne čestice strukture para se lomi.

Proton i neutron se međusobno razlikuju po svojoj strukturi.

• Proton je malo skraćena (nakon loma) elementarna čestica,
• neutron - struktura koja se sastoji od jedne punopravne elementarne čestice i "panja" - prednjeg, svjetlosnog vrha prve čestice.

Punopravna elementarna čestica u svom sastavu ima kompletan skup - kvante materije "N". Proton ima "N-n" kvante materije. Neutron ima "N + n" kvante.

Ponašanje protona je jasno. Čak i nakon što je izgubio završne kvante materije, on aktivno nastavlja energiju: gustoća materije njegovog novog konačnog kvanta uvijek odgovara uvjetima anihilacije. Ovaj novi konačni kvant materije postaje nova točka uništenja. Općenito, proton se ponaša prema očekivanjima. Svojstva protona dobro su opisana u bilo kojem udžbeniku fizike. Samo će postati malo lakši od svog "punopravnog" kolege - punopravne elementarne čestice materije.

Neutron se ponaša drugačije. Razmotrimo prvo strukturu neutrona. Njegova je struktura ono što objašnjava njegovu "čudnost".

U osnovi, neutron se sastoji od dva dijela. Prvi dio je potpuna elementarna čestica materije s točkom anihilacije na prednjem kraju. Drugi dio je jako skraćeni, lagani "panj" prve elementarne čestice, koji je ostao nakon puknuća dvostruke strukture, a također ima točku anihilacije. Ova dva dijela međusobno su povezana točkama anihilacije. Dakle, neutron ima točku dvostruke anihilacije.

Logika razmišljanja sugerira da će se ova dva ponderirana dijela neurona ponašati drugačije. Ako će prvi dio, koji je elementarna čestica pune težine, prema očekivanjima poništiti slobodnu energiju i postupno ubrzati u svemirskom prostoru, onda će drugi, lagani dio početi uništavati slobodnu energiju većom brzinom.

Kretanje elementarne čestice materije u prostoru vrši se zbog: difuzna energija vuče česticu koja je pala u njezine tokove. Jasno je da što je čestica materije manje masivna, to je tokovima energije lakše da vuku tu česticu zajedno sa sobom, to je veća brzina ove čestice. Jasno je da što velika količina energija se istovremeno savija aktivnim kvantom, što su snažniji tokovi difuzne energije, tim je tokovima lakše povući česticu zajedno sa sobom. Dobivamo ovisnost: Brzina translacijskog gibanja čestice tvari u prostoru proporcionalna je masi tvari njenog aktivnog kvanta i obrnuto je proporcionalna ukupnoj masi čestice tvari :

Drugi, lagani dio neutrona ima masu koja je mnogo puta manja od mase elementarne čestice materije pune težine. Ali mase njihovih aktivnih kvanta su jednake. To jest: oni uništavaju energiju istom brzinom. Dobivamo: brzina translacijskog gibanja drugog dijela neutrona će težiti brzom porastu i počet će brže uništavati energiju. (Da ne bismo unosili zabunu, drugi, lagani, dio neutrona nazvat ćemo elektronom).

crtež neutrona

Naglo rastuća količina energije koju istovremeno poništava elektron, dok je u sastavu neutrona, dovodi do inertnosti neutrona. Elektron počinje uništavati više energije od svog "susjeda" - punopravne elementarne čestice. Još se ne može odvojiti od zajedničke točke uništenja neutrona: snažne sile privlačenja ometaju. Kao rezultat toga, elektron počinje "jesti" iza zajedničke točke anihilacije.

Istodobno, elektron se počinje pomicati u odnosu na svog partnera i njegovu kondenzaciju slobodna energija spada u raspon točke anihilacije svog susjeda. Koja odmah počinje "jesti" ovo zadebljanje. Takvo prebacivanje elektrona i punopravne čestice na "unutarnje" resurse - kondenzaciju slobodne energije iza točke anihilacije - dovodi do brzog pada sila privlačenja i odbijanja neutrona.

Odvajanje elektrona od opće strukture neutrona događa se u trenutku kada pomak elektrona u odnosu na elementarnu česticu pune težine postane dovoljno velik, sila koja nastoji prekinuti veze privlačenja dviju točaka anihilacije počinje premašivati sila privlačenja ovih točaka anihilacije, a drugi, lagani dio neutrona (elektrona) brzo odleti.

Kao rezultat toga, neutron se raspada na dvije jedinice: punopravnu elementarnu česticu - proton i lagani, skraćeni dio elementarne čestice materije - elektron.

Prema suvremenim podacima, struktura jednog neutrona postoji oko petnaest minuta. Zatim se spontano raspada na proton i elektron. Ovih petnaest minuta je vrijeme pomaka elektrona u odnosu na zajedničku točku anihilacije neutrona i njegove borbe za njegovu "slobodu".

Sumiramo neke rezultate:

• PROTON je punopravna elementarna čestica materije, s jednom točkom anihilacije, ili teški dio elementarne čestice materije, koji ostaje nakon što se od nje odvoje svjetlosni kvanti.
• NEUTRON je dvostruka struktura, koja ima dvije točke anihilacije, a sastoji se od elementarne čestice materije i svjetlosnog, prednjeg dijela druge elementarne čestice materije.
• ELEKTRON - prednji dio elementarne čestice materije, koji ima jednu točku anihilacije, koju čine svjetlosni kvanti, nastali kao rezultat rupture elementarne čestice materije.
• Struktura "proton-neutron" koju priznaje znanost je DEUTERIJ ATOM, struktura od dvije elementarne čestice koja ima točku dvostruke anihilacije.

Elektron nije nezavisna elementarna čestica koja se okreće oko jezgre atoma.

Elektron, kako to znanost smatra, nije u sastavu atoma.

A jezgra atoma, kao takva, ne postoji u prirodi, kao što ne postoji ni neutron u obliku samostalne elementarne čestice materije.

I elektron i neutron su derivati ​​parne strukture dviju elementarnih čestica, nakon što se razbije na dva nejednaka dijela kao rezultat vanjskog utjecaja. U sastavu atoma bilo kojeg kemijskog elementa, proton i neutron su standardna struktura para - dvije osnovne čestice materije pune težine - dva protona ujedinjena točkama anihilacije.

U modernoj fizici postoji nepokolebljiv stav da proton i elektron imaju jednake, ali suprotne električne naboje. Navodno, kao rezultat interakcije ovih suprotnih naboja, oni se međusobno privlače. Prilično logično objašnjenje. Točno odražava mehanizam pojave, ali je potpuno krivo – njegovu bit.

Elementarne čestice nemaju ni pozitivne ni negativne "električne" naboje, kao što ne postoji poseban oblik materije u obliku "električnog polja". Takva "struja" je izum čovjeka, uzrokovan njegovom nesposobnošću da objasni postojeće stanje stvari.

"Elektrika" i elektron jedan prema drugom zapravo su stvoreni energetskim tokovima usmjerenim na njihove točke anihilacije, kao rezultat njihovog kretanja naprijed u prostoru svemira. Kada padnu u zonu djelovanja sila privlačenja jedne druge. Stvarno izgleda kao interakcija jednake veličine, ali suprotnih električnih naboja.

"slični električni naboji", na primjer: dva protona ili dva elektrona također imaju drugačije objašnjenje. Odbijanje nastaje kada jedna od čestica uđe u zonu djelovanja odbojnih sila druge čestice – odnosno u zonu kondenzacije energije iza njezine točke anihilacije. O tome smo govorili u prethodnom članku.

Interakcija "proton - antiproton", "elektron - pozitron" također ima drugačije objašnjenje. Pod takvom interakcijom shvaćamo interakciju duha protona ili elektrona kada se kreću na smjeru sudara. U tom slučaju, zbog njihove interakcije samo privlačenjem (nema odbijanja, budući da je zona odbijanja svakog od njih iza njih), dolazi do njihovog tvrdog kontakta. Kao rezultat, umjesto dva protona (elektrona), dobivamo potpuno različite “elementarne čestice”, koje su zapravo derivati ​​krute interakcije ova dva protona (elektrona).

Atomska struktura tvari. Atomski model

Razmotrimo strukturu atoma.

Neutron i elektron – kao elementarne čestice materije – ne postoje. To je ono o čemu smo gore raspravljali. Prema tome: ne postoji jezgra atoma i njegova elektronska ljuska. Ova je pogreška snažna prepreka daljnjem istraživanju strukture materije.

Jedina elementarna čestica materije je samo proton. Atom bilo kojeg kemijskog elementa sastoji se od uparenih struktura dviju elementarnih čestica materije (s izuzetkom izotopa, gdje se uparenoj strukturi dodaje više elementarnih čestica).

Za naše daljnje razmišljanje potrebno je razmotriti koncept zajedničke točke poništenja.

Elementarne čestice materije međusobno djeluju putem anihilacijskih točaka. Ova interakcija dovodi do stvaranja materijalnih struktura: atoma, molekula, fizičkih tijela... Koja imaju zajedničku točku anihilacije atoma, zajedničku točku anihilacije molekula...

OPĆA ANNIHILACIONA TOČKA - je spoj dviju pojedinačnih točaka anihilacije elementarnih čestica materije u zajedničku točku anihilacije parne strukture, ili zajedničke točke anihilacije parnih struktura u zajedničku točku anihilacije atoma kemijskog elementa, ili zajedničko poništenje točke atoma kemijski elementi– do zajedničke točke molekularne anihilacije .

Ovdje je glavna stvar da spoj čestica materije djeluje kao privlačenje i odbijanje kao jedan integralni objekt. Na kraju, čak se i svako fizičko tijelo može predstaviti kao zajednička točka poništenja ovog fizičkog tijela: ovo tijelo privlači druga fizička tijela k sebi kao jedan, cjeloviti fizički objekt, kao jedinstvena točka poništenja. U ovom slučaju dobivamo gravitacijske pojave – privlačenje između fizičkih tijela.

U fazi razvojnog ciklusa galaksije, kada sile privlačenja postanu dovoljno velike, počinje sjedinjavanje atoma deuterija u strukture drugih atoma. Atomi kemijskih elemenata nastaju uzastopno, kako se povećava brzina translacijskog gibanja elementarnih čestica materije (čitaj: povećava se brzina translacijskog gibanja galaksije u prostoru svemira) pričvršćivanjem novih parnih struktura elementarnih čestica. materije do atoma deuterija.

Ujedinjenje se događa uzastopno: u svakom novom atomu pojavljuje se jedna nova parna struktura elementarnih čestica materije (rjeđe, jedna elementarna čestica). Što nam daje kombinaciju atoma deuterija u strukturu drugih atoma:

1. Pojavljuje se zajednička točka anihilacije atoma. To znači da će naš atom interagirati privlačenjem i odbijanjem sa svim ostalim atomima i elementarnim česticama kao jedinstvena integralna struktura.
2. Pojavljuje se prostor atoma unutar kojeg će gustoća slobodne energije višestruko premašiti gustoću slobodne energije izvan njegovog prostora. Vrlo visoka gustoća energije iza jedne točke anihilacije unutar prostora atoma jednostavno neće imati vremena snažno pasti: udaljenosti između elementarnih čestica su premale. Prosječna gustoća slobodne energije u intraatomskom prostoru višestruko je veća od vrijednosti konstante gustoće slobodne energije prostora svemira.

U građenju atoma kemijskih elemenata, molekula kemijske tvari, fizička tijela, očituje se najvažniji zakon međudjelovanja materijalnih čestica i tijela:

Jačina intranuklearnih, kemijskih, električnih, gravitacijskih veza ovisi o udaljenostima između točaka anihilacije unutar atoma, između zajedničkih točaka anihilacije atoma unutar molekula, između zajedničkih točaka anihilacije molekula unutar fizičkih tijela, između fizičkih tijela. Što je manja udaljenost između zajedničkih točaka poništenja, među njima djeluju snažnije privlačne sile.

Jasno je da:

• Pod intranuklearnim vezama podrazumijevamo interakcije između elementarnih čestica i između parnih struktura unutar atoma.
• Pod kemijskim vezama podrazumijevamo interakcije između atoma u strukturi molekula.
• Pod električnim vezama razumijemo interakcije između molekula u sastavu fizičkih tijela, tekućina, plinova.
• Pod gravitacijskim vezama podrazumijevamo interakcije između fizičkih tijela.

Formiranje drugog kemijskog elementa - atoma helija - događa se kada se galaksija ubrzava u svemiru do dovoljno velike brzine. Kada privlačna sila dva atoma deuterija dosegne veliku vrijednost, oni se približavaju na udaljenost koja im omogućuje da se spoje u četverostruka struktura atoma helija.

Daljnje povećanje brzine progresivnog kretanja galaksije dovodi do stvaranja atoma sljedećih (prema periodnom sustavu) kemijskih elemenata. Istodobno: nastanak atoma svakog kemijskog elementa odgovara vlastitoj, strogo definiranoj brzini progresivnog kretanja galaksije u svemirskom prostoru. Nazovimo je standardna brzina formiranja atoma kemijskog elementa .

Atom helija je drugi atom nakon vodika koji nastaje u galaksiji. Zatim, kako se povećava brzina kretanja galaksije naprijed, sljedeći atom deuterija probija se do atoma helija. To znači da je brzina kretanja galaksije prema naprijed dosegla standardnu ​​brzinu formiranja atoma litija. Tada će dostići standardnu ​​brzinu formiranja atoma berilija, ugljika..., i tako dalje, prema periodnom sustavu.

model atoma

Na gornjem dijagramu možemo vidjeti da:

1. Svaki period u atomu je prsten uparenih struktura.
2. Središte atoma uvijek zauzima četverostruka struktura atoma helija.
3. Sve uparene strukture istog razdoblja nalaze se strogo u istoj ravnini.
4. Udaljenosti između razdoblja mnogo su veće od udaljenosti između parnih struktura unutar jednog razdoblja.

Naravno, ovo je vrlo pojednostavljena shema i ne odražava svu stvarnost konstrukcije atoma. Na primjer: svaka nova struktura para, spajajući se s atomom, istiskuje preostale parne strukture razdoblja na koje je vezana.

Dobivamo princip konstruiranja razdoblja u obliku prstena oko geometrijskog središta atoma:

• struktura razdoblja izgrađena je u jednoj ravnini. To je olakšano općim vektorom translacijskog gibanja svih elementarnih čestica galaksije.
• parne strukture istog razdoblja izgrađene su oko geometrijskog središta atoma na jednakoj udaljenosti.
• atom oko kojeg se gradi novo razdoblje ponaša se prema tom novom razdoblju kao jedinstven kompletan sustav.

Tako dobivamo najvažniju pravilnost u konstrukciji atoma kemijskih elemenata:

REGULARNOST STROGO ODREĐENOG BROJA PARNIH STRUKTURA: istovremeno se na određenoj udaljenosti od geometrijskog središta zajedničke točke anihilacije atoma može smjestiti samo određeni broj parnih struktura elementarnih čestica materije.

To jest: u drugom, trećem razdoblju periodnog sustava - po osam elemenata, u četvrtom, petom - osamnaest, u šestom, sedmom - trideset i dva. Sve veći promjer atoma omogućuje povećanje broja uparenih struktura u svakom sljedećem razdoblju.

Jasno je da ovaj obrazac određuje princip periodičnosti u izgradnji atoma kemijskih elemenata, koji je otkrio D.I. Mendeljejev.

Svaki period unutar atoma kemijskog elementa ponaša se u odnosu na njega kao jedinstveni integralni sustav. To je određeno skokovima u udaljenostima između razdoblja: mnogo većim od udaljenosti između parnih struktura unutar razdoblja.

Atom s nepotpunim periodom pokazuje kemijsku aktivnost u skladu s gornjom pravilnošću. Budući da postoji neravnoteža sila privlačenja i odbijanja atoma u korist sila privlačenja. Ali s dodatkom zadnje strukture para, neravnoteža nestaje, novo razdoblje poprima oblik desni krug- postaje jedinstven, cjelovit, cjelovit sustav. I dobijemo atom inertnog plina.

Najvažniji obrazac izgradnje strukture atoma je: atom ima ravnu kaskadustruktura . Nešto kao luster.

• parne strukture istog razdoblja trebale bi biti smještene u istoj ravnini okomitoj na vektor translacijskog gibanja atoma.
• u isto vrijeme, periodi u atomu moraju kaskadirati.

To objašnjava zašto u drugom i trećem razdoblju (kao iu četvrtom - petom, šestom - sedmom) isti broj uparenih struktura (vidi sliku ispod). Takva struktura atoma posljedica je raspodjele sila privlačenja i odbijanja elementarne čestice: privlačne sile djeluju u prednjoj (u smjeru kretanja) hemisfere čestice, sile odbijanja - u stražnjoj hemisferi.

Inače, koncentracije slobodne energije iza točaka anihilacije nekih parnih struktura padaju u zonu privlačenja točaka anihilacije drugih parnih struktura, a atom će se neizbježno raspasti.

U nastavku vidimo shematsku volumetrijsku sliku atoma argona

model atoma argona

Na donjoj slici možemo vidjeti "presjek", "pogled sa strane" dva razdoblja atoma - drugog i trećeg:

Upravo na taj način trebaju biti orijentirane uparene strukture, u odnosu na središte atoma, u periodima s jednakim brojem uparenih struktura (druga - treća, četvrta - peta, šesta - sedma).

Količina energije u kondenzaciji iza točke anihilacije elementarne čestice kontinuirano raste. To postaje jasno iz formule:

E 1 ~m(C+W)/2

E 2 ~m(C–W)/2

ΔE \u003d E 1 -E 2 \u003d m (C + W) / 2 - m (C - W) / 2

∆E~W×m

gdje:

E 1 je količina slobodne energije koju smota (apsorbira) točka anihilacije s prednje hemisfere kretanja.

E 2 je količina slobodne energije presavijene (apsorbirane) točke anihilacije iz stražnje hemisfere gibanja.

ΔE je razlika između količine slobodne energije smotane (apsorbirane) iz prednje i stražnje hemisfere kretanja elementarne čestice.

W je brzina kretanja elementarne čestice.

Ovdje vidimo kontinuirano povećanje mase kondenzacije energije iza točke anihilacije čestice koja se kreće, kako se povećava brzina njenog kretanja naprijed.

U strukturi atoma to će se očitovati u činjenici da će se gustoća energije iza strukture svakog sljedećeg atoma povećati u geometrijska progresija. Točke poništenja drže jedna drugu svojom silom privlačenja "željeznim stiskom". Istodobno, rastuća odbojna sila će sve više odbijati parne strukture atoma jedna od druge. Tako dobivamo ravnu - kaskadnu konstrukciju atoma.

Atom bi po obliku trebao nalikovati obliku zdjele, gdje je "dno" struktura atoma helija. A "rubovi" zdjele su zadnja razdoblja. Mjesta "zavoja zdjele": drugo - treće, četvrto - peto, šesto - sedmo razdoblje. Ovi "zavoji" omogućuju formiranje različita razdoblja s jednakim brojem uparenih struktura

model atoma helija

Ravno-kaskadna struktura atoma i prstenasti raspored parnih struktura u njemu određuju periodičnost i red konstrukcije periodnog sustava kemijskih elemenata po Mendeljejevu, periodičnost manifestacije sličnih kemijskih svojstava atoma jedne red periodnog sustava.

Ravno - kaskadna struktura atoma daje izgled jedinstvenog prostora atoma s velikom gustoćom slobodne energije.

• Sve parne strukture atoma orijentirane su u smjeru središta atoma (ili bolje rečeno: u smjeru točke koja se nalazi na geometrijskoj osi atoma, u smjeru kretanja atoma).
• Sve pojedinačne točke anihilacije nalaze se duž prstenova razdoblja unutar atoma.
• Svi pojedinačni klasteri slobodne energije nalaze se iza svojih točaka anihilacije.

Rezultat: jedna koncentracija slobodne energije visoke gustoće, čije su granice granice atoma. Te su granice, kako razumijemo, granice djelovanja sila poznatih u znanosti kao Yukawa sile.

Ravno-kaskadna struktura atoma daje preraspodjelu zona sila privlačenja i odbijanja na određeni način. Već promatramo preraspodjelu zona sila privlačenja i odbijanja u uparenoj strukturi:

Zona djelovanja odbojnih sila strukture para povećava se zbog zone djelovanja sila njezina privlačenja (u usporedbi s pojedinačnim elementarnim česticama). Zona djelovanja privlačnih sila se u skladu s tim smanjuje. (Smanjuje se zona djelovanja sile privlačenja, ali ne i sama sila). Ravnokaskadna struktura atoma daje nam još veći porast zone djelovanja odbojnih sila atoma.

• Sa svakim novim periodom zona djelovanja odbojnih sila teži stvaranju pune lopte.
• Zona djelovanja sila privlačenja bit će sve manji stožac promjera

U konstrukciji novog razdoblja atoma može se pratiti još jedna pravilnost: sve parne strukture jednog razdoblja smještene su strogo simetrično u odnosu na geometrijsko središte atoma, bez obzira na broj parnih struktura u razdoblju.

Svaka nova parna struktura, spajajući se, mijenja položaj svih ostalih parnih struktura razdoblja tako da su udaljenosti između njih u razdoblju uvijek međusobno jednake. Te se udaljenosti smanjuju dodavanjem sljedeće strukture para. Nepotpun vanjsko razdoblje atom kemijskog elementa čini ga kemijski aktivnim.

Udaljenosti između razdoblja, koje su mnogo veće od udaljenosti između parnih čestica unutar razdoblja, čine razdoblja relativno neovisnima jedna o drugoj.

Svaki period atoma povezan je sa svim ostalim periodima i s cijelim atomom kao neovisnom cjelinom strukturom.

To određuje da je kemijska aktivnost atoma gotovo 100% određena samo zadnjim razdobljem atoma. Potpuno ispunjeno posljednje razdoblje daje nam maksimalno ispunjenu zonu odbojnih sila atoma. Kemijska aktivnost atoma je gotovo nula. Atom, poput lopte, tjera druge atome od sebe. Ovdje vidimo plin. I ne samo plin, već inertni plin.

Dodavanje prve parne strukture novog razdoblja mijenja ovu idiličnu sliku. Raspodjela zona djelovanja sila odbijanja i privlačenja mijenja se u korist sila privlačenja. Atom postaje kemijski aktivan. Ovo je atom alkalni metal.

Dodavanjem svake sljedeće parne strukture mijenja se ravnoteža zona raspodjele sila privlačenja i odbijanja atoma: zona odbojnih sila se povećava, zona sila privlačenja smanjuje. I svaki sljedeći atom postaje malo manje metala i malo više nemetala.

Ravno-kaskadni oblik atoma, preraspodjela zona djelovanja sila privlačenja i odbijanja daje nam sljedeće: Atom kemijskog elementa, koji se susreće s drugim atomom čak i na putu sudara, bez greške pada u zonu djelovanja sila odbijanja ovog atoma. I ne uništava sebe i ne uništava ovaj drugi atom.

Sve nas to dovodi do izvanrednog rezultata: atomi kemijskih elemenata, ulazeći jedan s drugim u spojeve, tvore trodimenzionalne strukture molekula. Za razliku od ravne - kaskadne strukture atoma. Molekula je stabilna trodimenzionalna struktura atoma.

Razmislite o protoku energije unutar atoma i molekula.

Prije svega, napominjemo da će elementarna čestica apsorbirati energiju u ciklusima. To jest: u prvoj polovici ciklusa, elementarna čestica apsorbira energiju iz najbližeg prostora. Ovdje nastaje praznina – prostor bez slobodne energije.

U drugoj polovici ciklusa: energije iz udaljenijeg okruženja odmah će početi ispunjavati nastalu prazninu. Odnosno, u svemiru će biti tokovi energije usmjereni do točke uništenja. Čestica dobiva pozitivan zamah translacijskog gibanja. ALI vezana energija unutar čestice će početi preraspodijeliti svoju gustoću.

Što nas ovdje zanima?

Kako je ciklus anihilacije podijeljen u dvije faze: fazu apsorpcije energije i fazu kretanja energije (ispunjavanje praznine), tada Prosječna brzina energetski tokovi u području točke anihilacije smanjit će se, grubo govoreći, za faktor dva.

I ono što je iznimno važno:

U konstrukciji atoma, molekula, fizičkih tijela očituje se vrlo važna pravilnost: Stabilnost svih materijalnih struktura, kao što su: uparene strukture - atomi deuterija, pojedinačni periodi oko atoma, atoma, molekula, fizičkih tijela osigurana je strogom urednošću njihovih procesa anihilacije.

Razmotrite ovo.

1. Tokovi energije generirani strukturom u paru. U strukturi para, elementarne čestice sinkrono anihiliraju energiju. Inače bi elementarne čestice "pojele" koncentraciju energije jedna za drugom iza točke anihilacije. Dobivamo jasne valne karakteristike strukture para. Osim toga, podsjećamo da zbog cikličke prirode procesa anihilacije, prosječna brzina protoka energije ovdje pada za polovicu.
2. Energija teče unutar atoma. Princip je isti: sve uparene strukture istog razdoblja moraju anihilirati energiju sinkrono - u sinkronim ciklusima. Slično: procesi anihilacije unutar atoma moraju biti sinkronizirani između razdoblja. Svaka asinkronija dovodi do uništenja atoma. Ovdje se sinkronicitet može neznatno razlikovati. Može se pretpostaviti da periodi u atomu anihiliraju energiju sekvencijalno, jedno za drugim, u valu.
3. Energija teče unutar molekule, fizičkog tijela. Udaljenosti između atoma u strukturi molekule mnogo su puta veće od udaljenosti između razdoblja unutar atoma. Osim toga, molekula ima masivnu strukturu. Kao i svako fizičko tijelo, ono ima trodimenzionalnu strukturu. Jasno je da sinkronizam procesa anihilacije ovdje mora biti dosljedan. Usmjereno od periferije prema centru, ili obrnuto: od središta prema periferiji - brojite kako želite.

Načelo sinkroniciteta daje nam još dvije pravilnosti:

• Brzina protoka energije unutar atoma, molekula, fizičkih tijela mnogo je manja od konstante brzine kretanja energije u prostoru svemira. Ovaj obrazac će nam pomoći razumjeti (u članku #7) procese električne energije.
• Što veću strukturu vidimo (sukcesivno: elementarna čestica, atom, molekula, fizičko tijelo), to ćemo promatrati veću valnu duljinu u njenim valnim karakteristikama. To vrijedi i za fizička tijela: što je veća masa fizičkog tijela, to ima veću valnu duljinu.

• Prijevod

U središtu svakog atoma nalazi se jezgra, sićušna zbirka čestica zvanih protoni i neutroni. U ovom ćemo članku proučavati prirodu protona i neutrona koji se sastoje od još manjih čestica – kvarkova, gluona i antikvarkova. (Gluoni su, poput fotona, vlastite antičestice.) Kvarkovi i gluoni, koliko znamo, mogu biti uistinu elementarni (nedjeljivi i ne sastavljeni od nečeg manjeg). Ali njima kasnije.

Iznenađujuće, protoni i neutroni imaju gotovo istu masu - do postotka:

• 0,93827 GeV/c 2 za proton,
• 0,93957 GeV/c 2 za neutron.

To je ključ njihove prirode – zapravo su vrlo slični. Da, postoji jedna očita razlika između njih: proton ima pozitiv električno punjenje, dok neutron nema naboj (neutralan je, otuda mu i naziv). Prema tome, električne sile djeluju na prvu, ali ne i na drugu. Na prvi se pogled čini da je ova razlika vrlo važna! Ali zapravo nije. U svim ostalim značenjima, proton i neutron su gotovo blizanci. Imaju identične ne samo mase, već i unutarnju strukturu.

Budući da su toliko slični i jer te čestice čine jezgre, protone i neutrone često nazivamo nukleonima.

Protoni su identificirani i opisani oko 1920. (iako su otkriveni ranije; jezgra vodikovog atoma je samo jedan proton), a neutroni su pronađeni negdje 1933. godine. Činjenica da su protoni i neutroni toliko slični jedni drugima shvaćena je gotovo odmah. Ali činjenica da imaju mjerljivu veličinu usporedivu s veličinom jezgre (oko 100 000 puta manja od atoma u polumjeru) nije bila poznata sve do 1954. godine. Da se sastoje od kvarkova, antikvarkova i gluona postupno se shvaćalo od sredine 1960-ih do sredine 1970-ih. Do kasnih 70-ih i ranih 80-ih, naše razumijevanje protona, neutrona i onoga od čega su oni napravljeni uvelike se smirilo i od tada je ostalo nepromijenjeno.

Nukleone je mnogo teže opisati nego atome ili jezgre. Da to ne kažem, ali barem se može bez oklijevanja reći da se atom helija sastoji od dva elektrona u orbiti oko malene helijeve jezgre; a jezgra helija je prilično jednostavna skupina od dva neutrona i dva protona. Ali s nukleonima nije sve tako jednostavno. Već sam napisao u članku "" da atom izgleda kao elegantan menuet, a nukleon izgleda kao divlja zabava.

Čini se da je složenost protona i neutrona stvarna i ne proizlazi iz nepotpunog fizičkog znanja. Imamo jednadžbe koje se koriste za opisivanje kvarkova, antikvarkova i gluona i jakih nuklearnih sila koje se odvijaju između njih. Te se jednadžbe nazivaju QCD, iz "kvantne kromodinamike". Može se provjeriti točnost jednadžbi različiti putevi, uključujući mjerenje broja čestica koje se pojavljuju na Velikom hadronskom sudaraču. Zamjenom QCD jednadžbi u računalo i izvođenjem proračuna o svojstvima protona i neutrona i drugih sličnih čestica (zajedno nazvanih "hadroni"), dobivamo predviđanja svojstava tih čestica koja dobro približuju opažanjima u stvarnom svijetu. Stoga imamo razloga vjerovati da QCD jednadžbe ne lažu i da se naše znanje o protonu i neutronu temelji na ispravnim jednadžbama. Ali samo imati prave jednadžbe nije dovoljno, jer:

• Na jednostavne jednadžbe može biti jako složene odluke,
• Ponekad nije moguće na jednostavan način opisati složena rješenja.

Koliko možemo zaključiti, upravo je to slučaj s nukleonima: oni su složena rješenja relativno jednostavnih QCD jednadžbi i nije ih moguće opisati u par riječi ili slika.

Zbog inherentne složenosti nukleona, vi, čitatelji, morat ćete napraviti izbor: koliko želite znati o opisanoj složenosti? Koliko god daleko išli, najvjerojatnije nećete biti zadovoljni: što više učite, tema će postati razumljivija, ali konačni odgovor će ostati isti - proton i neutron su vrlo složeni. Mogu vam ponuditi tri razine razumijevanja, s sve većim detaljima; možete stati nakon bilo koje razine i prijeći na druge teme, ili možete zaroniti do posljednje. Svaka razina postavlja pitanja na koja mogu djelomično odgovoriti u sljedećoj, ali novi odgovori otvaraju nova pitanja. Ukratko – kao što to činim u stručnim raspravama s kolegama i naprednim studentima – mogu vas samo uputiti na podatke iz stvarnih eksperimenata, raznih utjecajnih teorijskih argumenata i računalnih simulacija.

Prva razina razumijevanja

Od čega se sastoje protoni i neutroni?

Riža. 1: Previše pojednostavljena verzija protona, koja se sastoji od samo dva gornja kvarka i jednog donjeg kvarka, i neutrona, koja se sastoji od samo dva donja kvarka i jednog gornjeg kvarka

Da bismo pojednostavili stvari, mnoge knjige, članci i web stranice navode da se protoni sastoje od tri kvarka (dva gore i jedan dolje) i crtaju nešto poput figure. 1. Neutron je isti, samo se sastoji od jednog gore i dva donja kvarka. Ova jednostavna slika ilustrira u što su neki znanstvenici vjerovali, uglavnom 1960-ih. Ali ubrzo je postalo jasno da je ovo gledište previše pojednostavljeno do te mjere da više nije točno.

Iz sofisticiranijih izvora informacija saznat ćete da se protoni sastoje od tri kvarka (dva gore i jedan dolje) koje zajedno drže gluoni – i može se pojaviti slika slična onoj na Sl. 2, gdje su gluoni izvučeni kao opruge ili žice koje drže kvarkove. Neutroni su isti, sa samo jednim gornjim kvarkom i dva donja kvarkom.

Riža. 2: poboljšanje sl. 1 zbog naglaska na važnu ulogu jake nuklearne sile, koja zadržava kvarkove u protonu

Nije tako loš način za opisivanje nukleona, jer naglašava važnu ulogu jake nuklearne sile, koja drži kvarkove u protonu na račun gluona (na isti način na koji foton, čestica koja čini svjetlost, povezana je s elektromagnetskom silom). Ali to je također zbunjujuće jer zapravo ne objašnjava što su gluoni ili što rade.

Postoje razlozi da nastavim i opišem stvari na način na koji sam ja radio u : proton se sastoji od tri kvarka (dva gore i jedan dolje), hrpe gluona i brda parova kvark-antikvark (uglavnom gore i dolje kvarkovi , ali ima i nekoliko čudnih) . Svi lete naprijed-natrag vrlo velikim brzinama (približavaju se brzini svjetlosti); cijeli ovaj skup drži na okupu snažna nuklearna sila. To sam pokazao na sl. 3. Neutroni su opet isti, ali s jednim gore i dva donja kvarka; kvark koji je promijenio vlasništvo označen je strelicom.

Riža. 3: realističniji, iako još uvijek ne idealan, prikaz protona i neutrona

Ti kvarkovi, antikvarkovi i gluoni ne samo da se kreću naprijed-natrag, već se i sudaraju i pretvaraju jedan u drugi kroz procese kao što je anihilacija čestica (u kojoj se kvark i antikvark istog tipa pretvaraju u dva gluona, ili vice). obrnuto) ili apsorpcija i emisija gluona (pri čemu se kvark i gluon mogu sudarati i proizvesti kvark i dva gluona, ili obrnuto).

Što rade ovi tri opisa Općenito:

• Dva gornja kvarka i donji kvark (plus nešto drugo) za proton.
• Jedan kvark gore i dva donji kvark (plus nešto drugo) za neutron.
• "Nešto drugo" za neutrone je isto što i "nešto drugo" za protone. To jest, nukleoni imaju "nešto drugo" isto.
• Mala razlika u masi između protona i neutrona pojavljuje se zbog razlike u masama donjeg i gornjeg kvarka.

I od:

• za up kvarkove, električni naboj je 2/3 e (gdje je e naboj protona, -e naboj elektrona),
• donji kvarkovi imaju naboj od -1/3e,
• gluoni imaju naboj od 0,
• bilo koji kvark i njegov odgovarajući antikvark imaju ukupan naboj od 0 (na primjer, anti-down kvark ima naboj od +1/3e, tako da će donji kvark i down antikvark imati naboj od –1/3 e +1/ 3 e = 0),

Svaka figura pripisuje električni naboj protona dvama gore i jednom dolje kvarku, a "nešto drugo" naboju dodaje 0. Slično, neutron ima nula naboja zbog jednog gore i dva donja kvarka:

• ukupni električni naboj protona 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
• ukupni električni naboj neutrona je 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

Ovi se opisi razlikuju kako slijedi:

• koliko "nečeg drugog" unutar nukleona,
• što radi tamo
• odakle potječu masa i masena energija (E = mc 2 , energija prisutna tamo čak i kada čestica miruje) nukleona.

Budući da se većina mase atoma, a time i cjelokupne obične materije, nalazi u protonima i neutronima, posljednja točka je iznimno važna za ispravno razumijevanje naša priroda.

Riža. 1 kaže da kvarkovi zapravo predstavljaju trećinu nukleona – slično kao što proton ili neutron predstavlja četvrtinu jezgre helija ili 1/12 jezgre ugljika. Da je ova slika istinita, kvarkovi u nukleonu bi se kretali relativno sporo (brzinama mnogo sporijim od brzine svjetlosti) s relativno slabim silama koje djeluju između njih (iako s nekom snažnom silom koja ih drži na mjestu). Masa kvarka, gore i dolje, tada bi bila reda veličine 0,3 GeV/c 2 , oko trećine mase protona. Ali ovo je jednostavna slika, a ideje koje nameće jednostavno su pogrešne.

Riža. 3. daje potpuno drugačiju ideju o protonu, kao kotao čestica koje jure kroz njega brzinom bliskom brzini svjetlosti. Te se čestice sudaraju jedna s drugom i u tim sudarima neke od njih poništavaju, a druge nastaju na njihovom mjestu. Gluoni nemaju masu, mase gornjih kvarkova su oko 0,004 GeV/c 2 , a mase nižih kvarkova oko 0,008 GeV/c 2 - stotine puta manje od protona. Odakle dolazi energija mase protona, pitanje je složeno: dio dolazi od energije mase kvarkova i antikvarkova, dio dolazi od energije gibanja kvarkova, antikvarkova i gluona, a dio (moguće pozitivan , moguće negativno) od energije pohranjene u jakoj nuklearnoj interakciji, držeći kvarkove, antikvarkove i gluone zajedno.

U određenom smislu, Sl. 2 pokušava eliminirati razliku između sl. 1 i sl. 3. Pojednostavljuje rižu. 3, uklanjajući mnoge parove kvark-antikvark, koji se, u principu, mogu nazvati efemernim, budući da stalno nastaju i nestaju i nisu potrebni. Ali ostavlja se dojam da su gluoni u nukleonima izravan dio jake nuklearne sile koja drži protone. I ne objašnjava odakle dolazi masa protona.

Na sl. 1 ima još jedan nedostatak, osim uskih okvira protona i neutrona. Ne objašnjava neka svojstva drugih hadrona, kao što su pion i rho mezon. Isti problemi postoje i na sl. 2.

Ova ograničenja dovela su do toga da svojim studentima i na svojoj web stranici dajem sliku sa sl. 3. Ali želim vas upozoriti da ima i mnoga ograničenja, koja ću kasnije razmotriti.

Treba napomenuti da je ekstremna složenost strukture, koja se podrazumijeva na Sl. 3 se može očekivati ​​od objekta koji zajedno drži tako moćna sila kao što je jaka nuklearna sila. I još nešto: tri kvarka (dva gore i jedan dolje za proton) koji nisu dio grupe parova kvark-antikvark često se nazivaju "valentnim kvarkovima", a parovi kvark-antikvarkovi se nazivaju "more of ​kvarkovi parovi." Takav je jezik u mnogim slučajevima tehnički prikladan. Ali daje lažni dojam da ako možete pogledati unutar protona i pogledati određeni kvark, odmah biste mogli utvrditi je li dio mora ili valenca. To se ne može učiniti, jednostavno ne postoji takav način.

Masa protona i masa neutrona

Budući da su mase protona i neutrona toliko slične, i budući da se proton i neutron razlikuju samo u zamjeni gornjeg kvarka donjim kvarkom, čini se vjerojatnim da su njihove mase dobivene na isti način, dolaze iz istog izvora , a njihova razlika leži u maloj razlici između gornjih i donjih kvarkova. Ali tri gornje slike pokazuju da postoje tri vrlo različita pogleda na podrijetlo mase protona.

Riža. 1 kaže da gornji i donji kvarkovi jednostavno čine 1/3 mase protona i neutrona: oko 0,313 GeV/c 2 , ili zbog energije potrebne za održavanje kvarkova u protonu. A budući da je razlika između masa protona i neutrona djelić postotka, razlika između masa gornjeg i donjeg kvarka također mora biti djelić postotka.

Riža. 2 je manje jasan. Koji dio mase protona postoji zbog gluona? Ali, u principu, iz slike proizlazi da većina mase protona još uvijek dolazi od mase kvarkova, kao na sl. jedan.

Riža. 3 odražava suptilniji pristup tome kako masa protona zapravo nastaje (kao što možemo provjeriti izravno putem proračuna protonskog računala, a ne izravno koristeći druge matematičke metode). Vrlo se razlikuje od ideja predstavljenih na sl. 1 i 2, a ispostavilo se da nije tako jednostavno.

Da bismo razumjeli kako to funkcionira, moramo razmišljati ne u smislu mase protona m, već u smislu njegove masene energije E = mc 2 , energije povezane s masom. Konceptualno pravo pitanje neće biti "odakle dolazi masa protona m", nakon čega možete izračunati E množenjem m s c 2 , već obrnuto: "odakle dolazi energija mase protona E", nakon čega možete izračunaj masu m dijeljenjem E s c 2 .

Korisno je razvrstati doprinose energiji mase protona u tri skupine:

A) Energija mase (energija mirovanja) kvarkova i antikvarkova koji se u njoj nalaze (gluoni, bezmasene čestice, ne daju nikakav doprinos).
B) Energija gibanja (kinetička energija) kvarkova, antikvarkova i gluona.
C) Energija interakcije (energija vezanja ili potencijalna energija) pohranjena u jakoj nuklearnoj interakciji (točnije, u poljima gluona) koja drži proton.

Riža. 3 kaže da se čestice unutar protona kreću velikom brzinom, te da je pun gluona bez mase, pa je doprinos B) veći od A). Obično su u većini fizičkih sustava B) i C) usporedivi, dok je C) često negativan. Dakle, energija mase protona (i neutrona) uglavnom se izvodi iz kombinacije B) i C), pri čemu A) doprinosi malom udjelu. Stoga se mase protona i neutrona pojavljuju uglavnom ne zbog masa čestica sadržanih u njima, već zbog energija gibanja tih čestica i energije njihove interakcije povezane s poljima gluona koja stvaraju sile koje drže proton. U većini drugih poznatih sustava, ravnoteža energija je drugačije raspoređena. Na primjer, u atomima i u Sunčev sustav Dominira A), dok su B) i C) mnogo manji i usporedivi po veličini.

Sumirajući, ističemo da:

• Riža. 1 sugerira da masena energija protona dolazi iz doprinosa A).
• Riža. 2 sugerira da su oba doprinosa A) i C) važni, a B) daje mali doprinos.
• Riža. 3 sugerira da su B) i C) važni, dok je doprinos A) zanemariv.

Znamo da je riža ispravna. 3. Da bismo to provjerili, možemo izvršiti računalne simulacije, i što je još važnije, zahvaljujući raznim uvjerljivim teorijskim argumentima, znamo da kada bi mase gornjih i donjih kvarkova bile nula (a sve ostalo ostalo kako jest), masa protona teško bi se promijenila. Dakle, očito, mase kvarkova ne mogu dati važan doprinos masi protona.

Ako je sl. 3 ne laže, mase kvarka i antikvarka su vrlo male. Kakvi su oni zapravo? Masa gornjeg kvarka (kao i antikvarka) ne prelazi 0,005 GeV/c 2 , što je puno manje od 0,313 GeV/c 2 , što slijedi iz Sl. 1. (Masa up kvarka teško je izmjeriti i varira zbog suptilnih učinaka, pa bi mogla biti puno manja od 0,005 GeV/c2). Masa donjeg kvarka je otprilike 0,004 GeV/c 2 veća od mase gornjeg. To znači da masa bilo kojeg kvarka ili antikvarka ne prelazi jedan posto mase protona.

Imajte na umu da to znači (za razliku od slike 1) da se omjer mase donjeg kvarka i gornjeg kvarka ne približava jedinici! Masa donjeg kvarka je najmanje dvostruko veća od mase gornjeg kvarka. Razlog što su mase neutrona i protona toliko slične nije to što su mase gornjih i donjih kvarkova slične, već što su mase gornjih i donjih kvarkova vrlo male - a razlika između njih je mala, u odnosu na mase protona i neutrona. Prisjetimo se da za pretvaranje protona u neutron jednostavno trebate zamijeniti jedan od njegovih gornjih kvarkova s ​​donjim kvarkom (slika 3). Ova promjena je dovoljna da neutron postane nešto teži od protona i promijeni njegov naboj s +e na 0.

Usput, činjenica da se različite čestice unutar protona sudaraju jedna s drugom, te se stalno pojavljuju i nestaju, ne utječe na stvari o kojima raspravljamo – energija se čuva u svakom sudaru. Energija mase i energija gibanja kvarkova i gluona mogu se mijenjati, kao i energija njihove interakcije, ali ukupna energija protona se ne mijenja, iako se sve unutar njega neprestano mijenja. Dakle, masa protona ostaje konstantna, unatoč njegovom unutarnjem vrtlogu.

U ovom trenutku možete se zaustaviti i apsorbirati primljene informacije. Nevjerojatno! Gotovo sva masa sadržana u običnoj materiji dolazi od mase nukleona u atomima. A većina te mase dolazi od kaosa svojstvenog protonu i neutronu – od energije kretanja kvarkova, gluona i antikvarkova u nukleonima, te od energije rada jakih nuklearnih interakcija koje drže nukleon u cijelom stanju. Da: naš planet, naša tijela, naš dah rezultat su tako tihe i donedavno nezamislive pandemije.

Kao što je već spomenuto, atom se sastoji od tri vrste elementarnih čestica: protona, neutrona i elektrona. Atomska jezgra je središnji dio atoma koji se sastoji od protona i neutrona. Protoni i neutroni imaju uobičajeno ime nukleon, u jezgri se mogu pretvoriti jedno u drugo. Jezgra najjednostavnijeg atoma - atoma vodika - sastoji se od jedne elementarne čestice - protona.

Promjer jezgre atoma je približno 10-13 - 10-12 cm i iznosi 0,0001 promjera atoma. Međutim, gotovo cijela masa atoma (99,95-99,98%) koncentrirana je u jezgri. Kada bi bilo moguće dobiti 1 cm3 čiste nuklearne tvari, njegova bi masa bila 100-200 milijuna tona. Masa jezgre atoma je nekoliko tisuća puta veća od mase svih elektrona koji čine atom.

Proton- elementarna čestica, jezgra atoma vodika. Masa protona je 1,6721 x 10-27 kg, 1836 puta je veća od mase elektrona. Električni naboj je pozitivan i jednak je 1,66 x 10-19 C. Kulon je jedinica električnog naboja jednaka količini električne energije koja prolazi poprečni presjek vodiča za vrijeme od 1s pri konstantnoj jakosti struje od 1A (ampera).

Svaki atom bilo kojeg elementa sadrži jezgru određeni broj protona. Ovaj broj je konstantan za zadanog elementa te definira svoje fizičke i Kemijska svojstva. Odnosno, broj protona ovisi o tome s kojim kemijskim elementom imamo posla. Na primjer, ako je jedan proton u jezgri vodik, ako je 26 protona željezo. Broj protona u atomskoj jezgri određuje naboj jezgre (broj naboja Z) i serijski broj elementa u periodnom sustavu elemenata D.I. Mendeljejev (atomski broj elementa).

Neutron- električki neutralna čestica mase 1,6749 x 10-27 kg, 1839 puta veća od mase elektrona. Neuron u slobodnom stanju je nestabilna čestica; samostalno se pretvara u proton emisijom elektrona i antineutrina. Vrijeme poluraspada neutrona (vrijeme tijekom kojeg se raspadne polovica izvornog broja neutrona) je otprilike 12 minuta. Međutim, u vezano stanje unutra stabilna atomske jezgre on je stabilan. Ukupni broj nukleona (protona i neutrona) u jezgri naziva se maseni broj (atomska masa - A). Broj neutrona koji čine jezgru jednak je razlici između broja mase i naboja: N = A - Z.

Elektron- elementarna čestica, nositelj najmanje mase - 0,91095x10-27g i najmanjeg električnog naboja - 1,6021x10-19 C. Ovo je negativno nabijena čestica. Broj elektrona u atomu jednak je broju protona u jezgri, t.j. atom je električno neutralan.

Pozitron- elementarna čestica s pozitivnim električnim nabojem, antičestica u odnosu na elektron. Mase elektrona i pozitrona su jednake, a električni naboji su jednaki po apsolutnoj vrijednosti, ali suprotni po predznaku.

Različite vrste jezgri nazivaju se nuklidi. Nuklid - vrsta atoma s zadanim brojem protona i neutrona. U prirodi postoje atomi istog elementa s različitim atomskim masama (masenim brojevima):
, Cl itd. Jezgre ovih atoma sadrže isti broj protoni, ali različit broj neutroni. Raznolikosti atoma istog elementa koji imaju isti nuklearni naboj, ali različit maseni broj, se zovu izotopi . Imajući isti broj protona, ali se razlikuju po broju neutrona, izotopi imaju istu strukturu elektronskih ljuski, t.j. vrlo slična kemijska svojstva i zauzimaju isto mjesto u periodnom sustavu kemijskih elemenata.

Označeni su simbolom odgovarajućeg kemijskog elementa s indeksom A koji se nalazi u gornjem lijevom kutu - maseni broj, a ponekad i broj protona (Z) dolje lijevo. Na primjer, radioaktivni izotopi fosfora označeni su kao 32P, 33P, odnosno P i P. Prilikom označavanja izotopa bez označavanja simbola elementa, maseni broj se navodi nakon oznake elementa, na primjer, fosfor - 32, fosfor - 33.

Većina kemijskih elemenata ima nekoliko izotopa. Osim izotopa vodika 1H-protij, poznati su teški vodik 2H-deuterij i superteški vodik 3H-tricij. Uran ima 11 izotopa, prirodni spojevi ima ih tri (uran 238, uran 235, uran 233). Imaju 92 protona i 146,143 odnosno 141 neutron.

Trenutno je poznato više od 1900 izotopa 108 kemijskih elemenata. Od toga prirodni izotopi uključuju sve stabilne (ima ih oko 280) i prirodne izotope koji su dio radioaktivnih obitelji (ima ih 46). Ostali su umjetni, dobiveni su umjetno kao rezultat raznih nuklearnih reakcija.

Izraz "izotopi" treba koristiti samo kada pričamo o atomima istog elementa, na primjer, ugljika 12C i 14C. Ako se misli na atome različitih kemijskih elemenata, preporuča se koristiti izraz "nuklidi", na primjer radionuklidi 90Sr, 131J, 137Cs.

Prvo poglavlje. SVOJSTVA STABILNIH JEZGRA

Gore je već rečeno da se jezgra sastoji od protona i neutrona vezanih nuklearnim silama. Ako masu jezgre mjerimo u jedinicama atomske mase, tada bi ona trebala biti blizu masi protona pomnoženoj s cijelim brojem koji se zove maseni broj. Ako je naboj jezgre i maseni broj, onda to znači da sastav jezgre uključuje protone i neutrone. (Broj neutrona u jezgri obično se označava sa

Ova svojstva jezgre odražavaju se u simboličkom zapisu, koji će se kasnije koristiti u obliku

gdje je X naziv elementa čijem atomu pripada jezgra (na primjer, jezgre: helij - , kisik - , željezo - uran

Glavne karakteristike stabilnih jezgri uključuju: naboj, masu, polumjer, mehanički i magnetski momenti, spektar pobuđenih stanja, paritet i kvadrupolni moment. Radioaktivne (nestabilne) jezgre dodatno se karakteriziraju svojim životnim vijekom, vrstom radioaktivnih transformacija, energijom emitiranih čestica i nizom drugih posebnih svojstava o kojima će biti riječi u nastavku.

Prije svega, razmotrimo svojstva elementarnih čestica koje čine jezgru: protona i neutrona.

§ 1. GLAVNE KARAKTERISTIKE PROTONA I NEUTRONA

Težina. U jedinicama mase elektrona: masa protona je masa neutrona.

U jedinicama atomske mase: masa protona neutronska masa

U energetskim jedinicama, masa mirovanja protona je masa mirovanja neutrona

Električno punjenje. q je parametar koji karakterizira interakciju čestice s električno polje, izražava se u jedinicama naboja elektrona gdje

Sve elementarne čestice nose količinu električne energije jednaku ili 0 ili Naboj protona Naboj neutrona jednak je nuli.

Spin. Spinovi protona i neutrona su jednaki. Obje čestice su fermioni i pokoravaju se Fermi-Diracovoj statistici, a time i Paulijevom principu.

magnetski moment. Ako u formulu (10), koja određuje magnetski moment elektrona umjesto mase elektrona, zamijenimo masu protona, dobivamo

Količina se naziva nuklearni magneton. Po analogiji s elektronom moglo bi se pretpostaviti da je spin magnetski moment protona jednak, no iskustvo je pokazalo da je intrinzični magnetski moment protona veći od nuklearnog magnetona: prema suvremenim podacima

Osim toga, pokazalo se da nenabijena čestica - neutron - također ima magnetski moment koji je različit od nule i jednak

Prisutnost magnetskog momenta u neutronu i tako veliku važnost magnetski moment protona proturječi pretpostavkama o točkastoj prirodi ovih čestica. Brojni eksperimentalni podaci dobiveni u posljednjih godina, ukazuje da i proton i neutron imaju složenu nehomogenu strukturu. Istodobno, u središtu neutrona nalazi se pozitivan naboj, a na periferiji negativan naboj jednak njemu po veličini, raspoređen u volumenu čestice. Ali budući da je magnetski moment određen ne samo veličinom struje koja teče, već i površinom koju ona pokriva, magnetski momenti stvoreni njima neće biti jednaki. Prema tome, neutron može imati magnetski moment dok općenito ostaje neutralan.

Međusobne transformacije nukleona. Masa neutrona veća je od mase protona za 0,14%, odnosno 2,5 mase elektrona,

U slobodnom stanju, neutron se raspada na proton, elektron i antineutrino: prosječni životni vijek mu je blizu 17 minuta.

Proton je stabilna čestica. Međutim, unutar jezgre, može se pretvoriti u neutron; dok se reakcija odvija prema shemi

Razlika u masama čestica koje stoje s lijeve i desne strane kompenzira se energijom koju protonu daju drugi nukleoni jezgre.

Proton i neutron imaju iste vrtnje, gotovo iste mase i mogu se transformirati jedan u drugi. Kasnije će se pokazati da su nuklearne sile koje djeluju između ovih čestica u parovima također iste. Stoga se zovu zajednička denominacija- nukleon i kažu da nukleon može biti u dva stanja: protonu i neutronu, koja se razlikuju po svom odnosu prema elektromagnetskom polju.

Neutroni i protoni međusobno djeluju zbog postojanja nuklearnih sila, koje su neelektrične prirode. Nuklearne sile svoj nastanak duguju razmjeni mezona. Ako prikažemo ovisnost potencijalne energije međudjelovanja protona i niskoenergetskog neutrona o udaljenosti između njih, tada će otprilike izgledati kao grafikon prikazan na sl. 5a, tj. ima oblik potencijalne bušotine.

Riža. Slika 5. Ovisnost potencijalne energije interakcije o udaljenosti između nukleona: a - za parove neutron-neutron ili neutron-proton; b - za par protona - proton

§jedan. Upoznajte elektron, proton, neutron

Atomi su najmanje čestice materije.
Ako se poveća na Globus jabuka srednje veličine, tada će atomi postati samo veličine jabuke. Unatoč tako maloj veličini, atom se sastoji od još manjih fizičkih čestica.
Sa strukturom atoma trebali biste biti upoznati već iz školskog kolegija fizike. Pa ipak, podsjećamo da atom sadrži jezgru i elektrone koji se rotiraju oko jezgre tako brzo da se ne mogu razlikovati - tvore "oblak elektrona", ili elektronska ljuska atom.

Elektroni obično se označava na sljedeći način: e − . Elektroni e- vrlo lagani, gotovo bestežinski, ali imaju negativan električno punjenje. Jednako je -1. Struja, koji svi koristimo je tok elektrona koji trči u žicama.

atomska jezgra, u kojem je koncentrirana gotovo sva njegova masa, sastoji se od čestica dvije vrste - neutrona i protona.

Neutroni označeno kako slijedi: n 0 , a protona Tako: str + .
Po masi, neutroni i protoni su gotovo isti - 1,675 10 −24 g i 1,673 10 −24 g.
Istina, vrlo je nezgodno brojiti masu tako malih čestica u gramima, pa se ona izražava u ugljične jedinice, od kojih je svaki jednak 1,673 10 −24 g.
Za svaku česticu dobiti relativna atomska masa, jednak kvocijentu dijeljenja mase atoma (u gramima) s masom jedinice ugljika. srodnika atomske mase proton i neutron su jednaki 1, ali je naboj protona pozitivan i jednak +1, dok neutroni nemaju naboj.

. Zagonetke o atomu

Atom se može sastaviti "u umu" od čestica, kao igračka ili automobil od dijelova dječji konstruktor. Potrebno je samo promatrati dva važna uvjeta.

• Prvi uvjet: svaka vrsta atoma ima svoje vlastiti set"detalji" - elementarne čestice. Primjerice, atom vodika će nužno imati jezgru s pozitivnim nabojem od +1, što znači da sigurno mora imati jedan proton (i ne više).
  Atom vodika također može sadržavati neutrone. Više o tome u sljedećem odlomku.
  Atom kisika (serijski broj u periodičnom sustavu je 8) imat će nabijenu jezgru osam pozitivni naboji (+8), što znači da postoji osam protona. Budući da je masa atoma kisika 16 relativnih jedinica, da bismo dobili jezgru kisika, dodajemo još 8 neutrona.
• Drugi uvjet je da je svaki atom električno neutralan. Da bi to učinio, mora imati dovoljno elektrona da uravnoteži naboj jezgre. Drugim riječima, broj elektrona u atomu jednak je broju protona u svojoj srži, i serijski broj ovog elementa u periodnom sustavu.