Նավթի և գազի մեծ հանրագիտարան. Տարրական մասնիկներ

Ամբողջական նյութական աշխարհԺամանակակից ֆիզիկայի համաձայն, կառուցված է երեք տարրական մասնիկներից՝ պրոտոնից, նեյտրոնից և էլեկտրոնից։ Բացի այդ, ըստ գիտության, տիեզերքում կան նյութի այլ «տարրական» մասնիկներ, որոնց որոշ անվանումներ ակնհայտորեն ավելին են, քան նորմը։ Միևնույն ժամանակ, պարզ չէ այս մյուս «տարրական մասնիկների» գործառույթը տիեզերքի գոյության և էվոլյուցիայի մեջ։

Դիտարկենք տարրական մասնիկների մեկ այլ մեկնաբանություն.

Կա միայն մեկը տարրական մասնիկնյութը պրոտոն է: Բոլոր մյուս «տարրական մասնիկները», ներառյալ նեյտրոնը և էլեկտրոնը, միայն պրոտոնի ածանցյալներն են, և նրանք չափազանց համեստ դեր են խաղում տիեզերքի էվոլյուցիայի մեջ։ Եկեք դիտարկենք, թե ինչպես են ձևավորվում նման «տարրական մասնիկներ»։

Մենք մանրամասնորեն ուսումնասիրեցինք նյութի տարրական մասնիկի կառուցվածքը «»: Համառոտ տարրական մասնիկի մասին.

• Նյութի տարրական մասնիկը տարածության մեջ ունի ձգված թելի ձև:
• Տարրական մասնիկը ունակ է ձգվել։ Ձգման գործընթացում տարրական մասնիկի ներսում նյութի խտությունը նվազում է։
• Տարրական մասնիկի այն հատվածը, որտեղ նյութի խտությունը կիսով չափ ընկնում է, մենք անվանեցինք նյութի քվանտ .
• Շարժման գործընթացում տարրական մասնիկը անընդհատ կլանում է (ծալում, ) էներգիա։
• Էներգիայի կլանման կետ ( ոչնչացման կետ ) գտնվում է տարրական մասնիկի շարժման վեկտորի ծայրին։
• Ավելի ճիշտ՝ նյութի ակտիվ քվանտի ծայրին։
• Կլանելով էներգիան՝ տարրական մասնիկը անընդհատ մեծացնում է իր առաջ շարժման արագությունը։
• Նյութի տարրական մասնիկը դիպոլ է։ Որում ձգող ուժերը կենտրոնացած են մասնիկի առջևի մասում (շարժման ուղղությամբ), իսկ վանող ուժերը՝ հետևի մասում։

Տիեզերքում տարրական լինելու հատկությունը տեսականորեն նշանակում է նյութի խտությունը զրոյի հասցնելու հնարավորություն։ Իսկ դա իր հերթին նշանակում է դրա մեխանիկական ճեղքման հնարավորություն. նյութի տարրական մասնիկի պատռման վայրը կարելի է ներկայացնել որպես նյութի զրոյական խտությամբ նրա հատված։

Ոչնչացման (էներգիայի կլանման) գործընթացում տարրական մասնիկը` ծալվող էներգիան, շարունակաբար մեծացնում է իր թարգմանական շարժման արագությունը տարածության մեջ։

Գալակտիկայի էվոլյուցիան, ի վերջո, բերում է նյութի տարրական մասնիկներին այն պահին, երբ նրանք ունակ են դառնում պոկող ազդեցություն գործադրելու միմյանց վրա: Տարրական մասնիկները կարող են չհանդիպել զուգահեռ ընթացքի ժամանակ, երբ մի մասնիկը դանդաղ և սահուն մոտենում է մյուսին, ինչպես նավը դեպի նավամատույց: Նրանք կարող են հանդիպել տիեզերքում և հակառակ հետագծերի վրա: Այնուհետև կոշտ բախումը և արդյունքում տարրական մասնիկի կոտրումը գրեթե անխուսափելի է։ Նրանք կարող են ընկնել էներգիայի խառնաշփոթի շատ հզոր ալիքի տակ, որը նույնպես հանգեցնում է խզման։

Ի՞նչ կարող է լինել նյութի տարրական մասնիկի ճեղքման արդյունքում առաջացած «բեկորները»։

Դիտարկենք այն դեպքը, երբ արտաքին ազդեցության արդյունքում նյութի տարրական մասնիկներից՝ դեյտերիումի ատոմը, քայքայվել է պրոտոնի և նեյտրոնի։

Զույգի կառուցվածքի խզումը չի առաջանում դրանց միացման վայրում. Զույգ կառուցվածքի երկու տարրական մասնիկներից մեկը կոտրվում է։

Պրոտոնը և նեյտրոնը տարբերվում են միմյանցից իրենց կառուցվածքով։

• Պրոտոնը փոքր-ինչ կրճատված (ընդմիջումից հետո) տարրական մասնիկ է,
• նեյտրոն - կառուցվածք, որը բաղկացած է մեկ լիարժեք տարրական մասնիկից և «կոճղից»՝ առաջին մասնիկի առջևի, թեթև ծայրից։

Լրիվ տարրական մասնիկը իր կազմով ունի ամբողջական հավաքածու՝ «N» նյութի քվանտա։ Պրոտոնն ունի «N-n» նյութի քվանտա։ Նեյտրոնն ունի «N + n» քվանտա։

Պրոտոնի վարքագիծը պարզ է. Նույնիսկ կորցնելով նյութի վերջնական քվանտան, նա ակտիվորեն շարունակում է էներգիան. իր նոր վերջնական քվանտի նյութի խտությունը միշտ համապատասխանում է ոչնչացման պայմաններին: Նյութի այս նոր վերջնական քվանտը դառնում է ոչնչացման նոր կետ: Ընդհանուր առմամբ, պրոտոնն իրեն պահում է այնպես, ինչպես սպասվում էր։ Պրոտոնների հատկությունները լավ նկարագրված են ֆիզիկայի ցանկացած դասագրքում։ Միայն այն կդառնա մի փոքր ավելի թեթև, քան իր «լիարժեք» օրինակը՝ նյութի լիարժեք տարրական մասնիկը։

Նեյտրոնն այլ կերպ է վարվում։ Դիտարկենք նախ նեյտրոնի կառուցվածքը: Հենց նրա կառուցվածքն է բացատրում նրա «տարօրինակությունը»։

Ըստ էության, նեյտրոնը բաղկացած է երկու մասից. Առաջին մասը նյութի լիարժեք տարրական մասնիկ է՝ իր ճակատային մասում ոչնչացման կետով: Երկրորդ մասը առաջին տարրական մասնիկի խիստ կրճատված, թեթև «կոճղ» է, որը մնացել է կրկնակի կառուցվածքի խզումից հետո և ունի նաև ոչնչացման կետ։ Այս երկու մասերը փոխկապակցված են ոչնչացման կետերով։ Այսպիսով, նեյտրոնն ունի կրկնակի ոչնչացման կետ։

Մտածողության տրամաբանությունը հուշում է, որ նեյրոնի այս երկու կշռված մասերը այլ կերպ կվարվեն։ Եթե ​​առաջին մասը, որը լրիվ քաշով տարրական մասնիկ է, ինչպես և սպասվում էր, կվերացնի ազատ էներգիան և աստիճանաբար արագանա տիեզերքի տարածության մեջ, ապա երկրորդ, թեթև մասը կսկսի վերացնել ազատ էներգիան ավելի բարձր արագությամբ:

Տիեզերքում նյութի տարրական մասնիկի շարժումն իրականացվում է այն պատճառով, որ ցրող էներգիան քաշում է իր հոսքերի մեջ ընկած մասնիկը։ Հասկանալի է, որ որքան քիչ զանգված է նյութի մասնիկը, այնքան ավելի հեշտ է էներգիայի հոսքերի համար այս մասնիկը իր հետ քաշել, այնքան մեծ է այս մասնիկի արագությունը: Պարզ է, որ ինչ մեծ քանակությամբէներգիան միաժամանակ ծալվում է ակտիվ քվանտով, որքան ավելի հզոր են ցրող էներգիայի հոսքերը, այնքան ավելի հեշտ է այդ հոսքերի համար մասնիկն իրենց հետ քաշել: Մենք ստանում ենք կախվածությունը. Տիեզերքում նյութի մասնիկի փոխադրական շարժման արագությունը համամասնական է նրա ակտիվ քվանտի նյութի զանգվածին և հակադարձ համեմատական ​​է նյութի մասնիկի ընդհանուր զանգվածին։ :

Նեյտրոնի երկրորդ, թեթև մասի զանգվածը շատ անգամ փոքր է նյութի լրիվ քաշով տարրական մասնիկի զանգվածից։ Բայց նրանց ակտիվ քվանտների զանգվածները հավասար են։ Այսինքն՝ նրանք նույն արագությամբ ոչնչացնում են էներգիան։ Մենք ստանում ենք. նեյտրոնի երկրորդ մասի փոխադրական շարժման արագությունը հակված կլինի արագ աճել, և այն կսկսի ավելի արագ ոչնչացնել էներգիան: (Շփոթություն չառաջացնելու համար նեյտրոնի երկրորդ, թեթև մասը, էլեկտրոն կանվանենք):

նեյտրոնի նկարում

Էլեկտրոնի կողմից միաժամանակ ոչնչացվող էներգիայի կտրուկ աճը, մինչդեռ այն գտնվում է նեյտրոնի կազմի մեջ, հանգեցնում է նեյտրոնի իներցիային: Էլեկտրոնը սկսում է ոչնչացնել ավելի շատ էներգիա, քան իր «հարեւանը»՝ լիարժեք տարրական մասնիկը։ Այն դեռ չի կարող պոկվել նեյտրոնների ոչնչացման ընդհանուր կետից. ներգրավման հզոր ուժերը խանգարում են: Արդյունքում էլեկտրոնը սկսում է «ուտել» ընդհանուր ոչնչացման կետի հետևում։

Միևնույն ժամանակ, էլեկտրոնը սկսում է տեղաշարժվել իր գործընկերոջ և նրա խտացման համեմատ ազատ էներգիաընկնում է իր հարեւանի ոչնչացման կետի սահմաններում: Որն անմիջապես սկսում է «ուտել» այս խտացումը։ Էլեկտրոնի և լիարժեք մասնիկի նման անցումը դեպի «ներքին» ռեսուրսներ՝ ազատ էներգիայի խտացում ոչնչացման կետի հետևում, հանգեցնում է նեյտրոնի ձգողականության և վանման ուժերի արագ անկմանը։

Էլեկտրոնի անջատումը նեյտրոնի ընդհանուր կառուցվածքից տեղի է ունենում այն ​​պահին, երբ էլեկտրոնի տեղաշարժը լրիվ քաշով տարրական մասնիկի նկատմամբ դառնում է բավական մեծ, ուժը, որը հակված է կոտրելու երկու ոչնչացման կետերի ձգողականության կապերը, սկսում է գերազանցել։ այս ոչնչացման կետերի ձգողական ուժը, և նեյտրոնի երկրորդ, թեթև մասը (էլեկտրոնը) արագորեն հեռանում է:

Արդյունքում նեյտրոնը քայքայվում է երկու միավորի՝ լրիվ տարրական մասնիկի՝ պրոտոնի և լույսի, նյութի տարրական մասնիկի՝ էլեկտրոնի կրճատված մասի։

Ժամանակակից տվյալների համաձայն, մեկ նեյտրոնի կառուցվածքը գոյություն ունի մոտ տասնհինգ րոպե: Այնուհետև այն ինքնաբերաբար քայքայվում է պրոտոնի և էլեկտրոնի: Այս տասնհինգ րոպեն էլեկտրոնի տեղաշարժի ժամանակն է նեյտրոնի ոչնչացման ընդհանուր կետի և նրա «ազատության» համար պայքարի նկատմամբ։

Եկեք ամփոփենք որոշ արդյունքներ.

• ՊՐՈՏՈՆը նյութի լրիվ տարրական մասնիկ է՝ ոչնչացման մեկ կետով կամ նյութի տարրական մասնիկի ծանր մաս, որը մնում է նրանից լույսի քվանտների առանձնացումից հետո։
• ՆԵՅՏՐՈՆը կրկնակի կառույց է, որն ունի ոչնչացման երկու կետ և բաղկացած է նյութի տարրական մասնիկից և նյութի մեկ այլ տարրական մասնիկի լույսի առջևի մասից։
• ԷԼԵԿՏՐՈՆ - նյութի տարրական մասնիկի առջևի հատված, որն ունի ոչնչացման մեկ կետ՝ կազմված նյութի տարրական մասնիկի ճեղքման արդյունքում առաջացած լույսի քվանտներից։
• Գիտության կողմից ճանաչված «պրոտոն-նեյտրոնային» կառուցվածքը ԴԵՅՏԵՐԻՈՒՄԻ ԱՏՈՄ-ն է՝ երկու տարրական մասնիկների կառուցվածք, որն ունի կրկնակի ոչնչացման կետ:

Էլեկտրոնը անկախ տարրական մասնիկ չէ, որը պտտվում է ատոմի միջուկի շուրջ։

Էլեկտրոնը, ինչպես գիտությունն է համարում, ատոմի կազմի մեջ չէ։

Իսկ ատոմի միջուկը, որպես այդպիսին, գոյություն չունի բնության մեջ, ինչպես որ չկա նեյտրոն նյութի անկախ տարրական մասնիկի տեսքով։

Ե՛վ էլեկտրոնը, և՛ նեյտրոնը երկու տարրական մասնիկների զույգ կառուցվածքի ածանցյալներ են, այն բանից հետո, երբ արտաքին ազդեցության արդյունքում այն ​​բաժանվում է երկու անհավասար մասերի։ Ցանկացած քիմիական տարրի ատոմի բաղադրության մեջ պրոտոնը և նեյտրոնը ստանդարտ զույգ կառուցվածք են՝ նյութի երկու լրիվ քաշով տարրական մասնիկներ՝ երկու պրոտոն՝ միավորված ոչնչացման կետերով։.

Ժամանակակից ֆիզիկայում կա անսասան դիրքորոշում, որ պրոտոնն ու էլեկտրոնն ունեն հավասար, բայց հակառակ էլեկտրական լիցքեր։ Իբր, այս հակադիր լիցքերի փոխազդեցության արդյունքում նրանք ձգվում են միմյանց։ Բավականին տրամաբանական բացատրություն. Այն ճիշտ է արտացոլում երեւույթի մեխանիզմը, բայց լրիվ սխալ է՝ դրա էությունը։

Տարրական մասնիկները չունեն ոչ դրական, ոչ էլ բացասական «էլեկտրական» լիցքեր, ինչպես որ չկա նյութի հատուկ ձև «էլեկտրական դաշտի» տեսքով։ Նման «էլեկտրականությունը» մարդու գյուտն է, որն առաջացել է իրերի գոյություն ունեցող վիճակը բացատրելու անկարողությունից։

«Էլեկտրականը» և միմյանց նկատմամբ էլեկտրոնը իրականում ստեղծվում են էներգիայի հոսքերով, որոնք ուղղված են դեպի իրենց ոչնչացման կետերը, տիեզերքի տարածության մեջ նրանց առաջ շարժման արդյունքում: Երբ նրանք ընկնում են միմյանց ձգող ուժերի գործողության գոտի. Այն իսկապես նման է հավասար մեծությամբ, բայց հակառակ էլեկտրական լիցքերի փոխազդեցությանը:

«նմանատիպ էլեկտրական լիցքեր», օրինակ՝ երկու պրոտոն կամ երկու էլեկտրոն նույնպես տարբեր բացատրություն ունի։ Վանում է տեղի ունենում, երբ մասնիկներից մեկը մտնում է մեկ այլ մասնիկի վանող ուժերի գործողության գոտի, այսինքն՝ դրա ոչնչացման կետի հետևում գտնվող էներգիայի խտացման գոտի: Այս մասին մենք անդրադարձել ենք նախորդ հոդվածում:

«Պրոտոն - հակապրոտոն», «էլեկտրոն - Պոզիտրոն» փոխազդեցությունը նույնպես այլ բացատրություն ունի։ Նման փոխազդեցությամբ մենք հասկանում ենք պրոտոնների կամ էլեկտրոնների ոգու փոխազդեցությունը, երբ նրանք շարժվում են բախման հունով: Այս դեպքում միայն ձգողականությամբ նրանց փոխազդեցության պատճառով (վանողություն չկա, քանի որ նրանցից յուրաքանչյուրի վանող գոտին ետևում է), տեղի է ունենում նրանց կոշտ շփումը։ Արդյունքում, երկու պրոտոնների (էլեկտրոնների) փոխարեն մենք ստանում ենք բոլորովին այլ «տարրական մասնիկներ», որոնք իրականում այս երկու պրոտոնների (էլեկտրոնների) կոշտ փոխազդեցության ածանցյալներն են։

Նյութերի ատոմային կառուցվածքը. Ատոմային մոդել

Դիտարկենք ատոմի կառուցվածքը:

Նեյտրոնը և էլեկտրոնը՝ որպես նյութի տարրական մասնիկներ, գոյություն չունեն։ Սա այն է, ինչ մենք քննարկել ենք վերևում: Ըստ այդմ՝ չկա ատոմի միջուկ և դրա էլեկտրոնային թաղանթ: Այս սխալը հզոր խոչընդոտ է նյութի կառուցվածքի հետագա հետազոտությունների համար:

Նյութի միակ տարրական մասնիկը միայն պրոտոնն է։ Ցանկացած քիմիական տարրի ատոմը բաղկացած է նյութի երկու տարրական մասնիկների զույգ կառուցվածքներից (բացառությամբ իզոտոպների, որտեղ ավելի շատ տարրական մասնիկներ են ավելացվում զույգ կառուցվածքին)։

Մեր հետագա հիմնավորման համար անհրաժեշտ է դիտարկել ընդհանուր ոչնչացման կետի հայեցակարգը։

Նյութի տարրական մասնիկները փոխազդում են միմյանց հետ ոչնչացման կետերով: Այս փոխազդեցությունը հանգեցնում է նյութական կառուցվածքների ձևավորմանը՝ ատոմներ, մոլեկուլներ, ֆիզիկական մարմիններ… որոնք ունեն ատոմի ոչնչացման ընդհանուր կետ, ընդհանուր մոլեկուլների ոչնչացման կետ…

ԸՆԴՀԱՆՈՒՐ ՈՉՆՉԱՑՄԱՆ ԿԵՏ - գոյություն ունի նյութի տարրական մասնիկների երկու միավոր ոչնչացման կետերի միավորում զույգ կառուցվածքի ընդհանուր ոչնչացման կետի կամ զույգ կառուցվածքների ընդհանուր ոչնչացման կետերի մեջ քիմիական տարրի ատոմի ընդհանուր ոչնչացման կետի կամ ընդհանուր ատոմների ոչնչացման կետերը քիմիական տարրեր- ընդհանուր մոլեկուլային ոչնչացման կետին:

Այստեղ գլխավորն այն է, որ նյութի մասնիկների միավորումը գործում է որպես ձգողություն և վանում, որպես մեկ ինտեգրալ օբյեկտ։ Ի վերջո, նույնիսկ ցանկացած ֆիզիկական մարմին կարող է ներկայացվել որպես այս ֆիզիկական մարմնի ոչնչացման ընդհանուր կետ. այս մարմինը դեպի իրեն է ձգում այլ ֆիզիկական մարմիններ՝ որպես մեկ, ամբողջական ֆիզիկական օբյեկտ, որպես ոչնչացման մեկ կետ: Այս դեպքում մենք ստանում ենք գրավիտացիոն երևույթներ՝ ձգողականություն ֆիզիկական մարմինների միջև։

Գալակտիկայի զարգացման ցիկլի փուլում, երբ ձգողական ուժերը բավական մեծանում են, սկսվում է դեյտերիումի ատոմների միավորումը այլ ատոմների կառուցվածքների մեջ։ Քիմիական տարրերի ատոմները ձևավորվում են հաջորդաբար, քանի որ մեծանում է նյութի տարրական մասնիկների թարգմանական շարժման արագությունը (կարդացեք՝ տիեզերքի տարածության մեջ գալակտիկայի թարգմանական շարժման արագությունը մեծանում է) տարրական մասնիկների նոր զույգ կառուցվածքներ կցելով։ նյութը դեյտերիումի ատոմին։

Միավորումը տեղի է ունենում հաջորդաբար. յուրաքանչյուր նոր ատոմում հայտնվում է նյութի տարրական մասնիկների մեկ նոր զույգ կառուցվածք (ավելի հաճախ՝ մեկ տարրական մասնիկ)։ Ի՞նչն է մեզ տալիս դեյտերիումի ատոմների համակցությունը այլ ատոմների կառուցվածքի մեջ.

1. Հայտնվում է ատոմի ոչնչացման ընդհանուր կետ. Սա նշանակում է, որ մեր ատոմը ներգրավման և վանման միջոցով փոխազդելու է մնացած բոլոր ատոմների և տարրական մասնիկների հետ՝ որպես մեկ ամբողջական կառուցվածք:
2. Հայտնվում է ատոմի տարածությունը, որի ներսում ազատ էներգիայի խտությունը շատ անգամ կգերազանցի ազատ էներգիայի խտությունը նրա տարածությունից դուրս։ Շատ բարձր էներգիայի խտությունը ատոմի տարածության ներսում մեկ ոչնչացման կետի հետևում պարզապես ժամանակ չի ունենա ուժեղ ընկնելու. տարրական մասնիկների միջև հեռավորությունները չափազանց փոքր են: Ազատ էներգիայի միջին խտությունը ներատոմային տարածությունում բազմիցս գերազանցում է տիեզերքի տարածության ազատ էներգիայի խտության հաստատունի արժեքը։

Քիմիական տարրերի, մոլեկուլների ատոմների կառուցման մեջ քիմիական նյութեր, ֆիզիկական մարմիններ, դրսևորվում է նյութական մասնիկների և մարմինների փոխազդեցության կարևորագույն օրենքը.

Ներմիջուկային, քիմիական, էլեկտրական, գրավիտացիոն կապերի ուժը կախված է ատոմի ներսում ոչնչացման կետերի, մոլեկուլների ներսում ատոմների ընդհանուր ոչնչացման կետերի միջև, ֆիզիկական մարմինների ներսում մոլեկուլների ընդհանուր ոչնչացման կետերի միջև, ֆիզիկական մարմինների միջև: Որքան փոքր է ընդհանուր ոչնչացման կետերի միջև հեռավորությունը, այնքան ավելի հզոր գրավիչ ուժեր են գործում դրանց միջև:

Հասկանալի է, որ.

• Ներմիջուկային կապեր ասելով հասկանում ենք տարրական մասնիկների և ատոմների ներսում գտնվող զույգ կառուցվածքների փոխազդեցությունները:
• Քիմիական կապ ասելով հասկանում ենք ատոմների փոխազդեցությունը մոլեկուլների կառուցվածքում։
• Էլեկտրական միացումներով մենք հասկանում ենք մոլեկուլների փոխազդեցությունը ֆիզիկական մարմինների, հեղուկների, գազերի բաղադրության մեջ:
• Գրավիտացիոն կապեր ասելով հասկանում ենք ֆիզիկական մարմինների փոխազդեցությունները։

Երկրորդ քիմիական տարրի՝ հելիումի ատոմի ձևավորումը տեղի է ունենում, երբ գալակտիկան տարածության մեջ արագանում է բավական մեծ արագությամբ: Երբ երկու դեյտերիումի ատոմների գրավիչ ուժը հասնում է մեծ արժեքի, նրանք մոտենում են մի հեռավորության վրա, որը թույլ է տալիս միավորվել հելիումի ատոմի քառակի կառուցվածքը.

Գալակտիկայի առաջադեմ շարժման արագության հետագա աճը հանգեցնում է հաջորդ (ըստ պարբերական համակարգի) քիմիական տարրերի ատոմների առաջացմանը։ Միևնույն ժամանակ, յուրաքանչյուր քիմիական տարրի ատոմների առաջացումը համապատասխանում է տիեզերքի տարածության մեջ գալակտիկայի առաջադեմ շարժման իր սեփական, խստորեն սահմանված արագությանը: Եկեք զանգենք նրան քիմիական տարրի ատոմի ձևավորման ստանդարտ արագությունը .

Հելիումի ատոմը ջրածնից հետո երկրորդ ատոմն է, որը գոյացել է գալակտիկայում։ Հետո, երբ գալակտիկայի առաջ շարժման արագությունը մեծանում է, դեյտերիումի հաջորդ ատոմը ճեղքում է դեպի հելիումի ատոմ։ Սա նշանակում է, որ գալակտիկայի առաջ շարժման արագությունը հասել է լիթիումի ատոմի ձևավորման ստանդարտ արագությանը։ Այնուհետև այն կհասնի բերիլիումի, ածխածնի... և այլնի ատոմի առաջացման ստանդարտ արագությանը, ըստ պարբերական աղյուսակի։

ատոմային մոդել

Վերոնշյալ դիագրամում մենք կարող ենք տեսնել, որ.

1. Ատոմում յուրաքանչյուր պարբերաշրջան զույգ կառուցվածքների օղակ է:
2. Ատոմի կենտրոնը միշտ զբաղեցնում է հելիումի ատոմի քառակի կառուցվածքը։
3. Նույն ժամանակաշրջանի բոլոր զուգակցված կառույցները գտնվում են խիստ նույն հարթության վրա:
4. Ժամանակահատվածների միջև հեռավորությունները շատ ավելի մեծ են, քան մեկ ժամանակահատվածում զույգ կառուցվածքների միջև եղած հեռավորությունները:

Իհարկե, սա շատ պարզեցված սխեմա է, և այն չի արտացոլում ատոմների կառուցման բոլոր իրողությունները։ Օրինակ՝ յուրաքանչյուր նոր զույգ կառուցվածք, միանալով ատոմին, տեղաշարժում է այն ժամանակաշրջանի մնացած զույգ կառուցվածքները, որոնց կցված է:

Մենք ստանում ենք ատոմի երկրաչափական կենտրոնի շուրջ օղակի ձևով շրջան կառուցելու սկզբունքը.

• ժամանակաշրջանի կառուցվածքը կառուցված է մեկ հարթության մեջ։ Դրան նպաստում է գալակտիկայի բոլոր տարրական մասնիկների թարգմանական շարժման ընդհանուր վեկտորը։
• Նույն ժամանակաշրջանի զույգ կառուցվածքները կառուցված են ատոմի երկրաչափական կենտրոնի շուրջ՝ հավասար հեռավորության վրա։
• ատոմը, որի շուրջ կառուցվում է նոր ժամանակաշրջան, իրեն պահում է այս նոր ժամանակաշրջանի նկատմամբ որպես մեկ ամբողջական համակարգ.

Այսպիսով, մենք ստանում ենք ամենակարևոր օրինաչափությունը քիմիական տարրերի ատոմների կառուցման մեջ.

ԶՈՒՅԳ ԿԱՌՈՒՑՎԱԾՔՆԵՐԻ ԽԻՍՏ ՈՐՈՇՎԱԾ ԹԻՎԻ ԿԱՆՈՆԱՎՈՐՈՒԹՅՈՒՆԸ. միևնույն ժամանակ, ատոմի ոչնչացման ընդհանուր կետի երկրաչափական կենտրոնից որոշակի հեռավորության վրա կարող են տեղակայվել նյութի տարրական մասնիկների միայն որոշակի քանակությամբ զույգ կառուցվածքներ:

Այսինքն՝ պարբերական աղյուսակի երկրորդ, երրորդ շրջաններում՝ յուրաքանչյուրը ութ տարր, չորրորդում, հինգերորդում՝ տասնութ, վեցերորդում, յոթերորդում՝ երեսուներկու: Ատոմի աճող տրամագիծը թույլ է տալիս զուգակցված կառուցվածքների քանակն ավելացնել յուրաքանչյուր հաջորդ ժամանակաշրջանում:

Հասկանալի է, որ այս օրինաչափությունը որոշում է քիմիական տարրերի ատոմների կառուցման պարբերականության սկզբունքը, որը հայտնաբերել է Դ.Ի. Մենդելեևը։

Քիմիական տարրի ատոմի ներսում գտնվող յուրաքանչյուր շրջան իրեն պահում է որպես մեկ ամբողջական համակարգ: Սա որոշվում է ժամանակաշրջանների միջև հեռավորությունների ցատկերով. շատ ավելի մեծ է, քան զույգ կառուցվածքների միջև ընկած ժամանակահատվածը:

Անավարտ ժամանակաշրջան ունեցող ատոմը քիմիական ակտիվություն է ցուցաբերում վերը նշված օրինաչափության համաձայն։ Քանի որ առկա է ատոմի ձգողական և վանող ուժերի անհավասարակշռություն՝ հօգուտ ձգողականության ուժերի։ Բայց վերջին զույգ կառուցվածքի ավելացմամբ անհավասարակշռությունը վերանում է, նոր շրջանը ձև է ստանում աջ շրջան- դառնում է միասնական, ինտեգրալ, ամբողջական համակարգ. Եվ մենք ստանում ենք իներտ գազի ատոմ։

Ատոմի կառուցվածքի կառուցման ամենակարևոր ձևը հետևյալն է. ատոմն ունի հարթություն-կասկադկառուցվածքը . Ջահի նման մի բան։

• Միևնույն ժամանակաշրջանի զույգ կառուցվածքները պետք է տեղակայվեն ատոմի թարգմանական շարժման վեկտորին ուղղահայաց մի հարթությունում:
• միևնույն ժամանակ ատոմի ժամանակաշրջանները պետք է կասկադային:

Սա բացատրում է, թե ինչու երկրորդ և երրորդ շրջաններում (ինչպես նաև չորրորդ - հինգերորդ, վեցերորդ - յոթերորդ) նույն թվով զույգ կառույցներ (տես ստորև նկարը): Ատոմի այսպիսի կառուցվածքը տարրական մասնիկի ձգողականության և վանման ուժերի բաշխման հետևանք է. գրավիչ ուժերը գործում են մասնիկի առջևի (շարժման ուղղությամբ) կիսագնդում, վանող ուժերը՝ հետևի կիսագնդում.

Հակառակ դեպքում, որոշ զույգ կառույցների ոչնչացման կետերի ետևում գտնվող ազատ էներգիայի կոնցենտրացիաները ընկնում են այլ զույգ կառուցվածքների ոչնչացման կետերի ներգրավման գոտում, և ատոմը անխուսափելիորեն կքանդվի:

Ստորև մենք տեսնում ենք արգոնի ատոմի սխեմատիկ ծավալային պատկերը

արգոնի ատոմի մոդել

Ստորև բերված նկարում մենք կարող ենք տեսնել «հատված», «կողային տեսք» ատոմի երկու ժամանակաշրջանների՝ երկրորդ և երրորդ.

Հենց այդպես էլ պետք է կողմնորոշվեն զուգակցված կառուցվածքները՝ համեմատած ատոմի կենտրոնի հետ, հավասար թվով զույգ կառուցվածքներով ժամանակաշրջաններում (երկրորդը՝ երրորդ, չորրորդը՝ հինգերորդ, վեցերորդը՝ յոթերորդ)։

Տարրական մասնիկի ոչնչացման կետի հետևում գտնվող խտացման մեջ էներգիայի քանակը անընդհատ աճում է: Սա պարզ է դառնում բանաձևից.

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

որտեղ:

E 1-ը շարժման առջևի կիսագնդից ոչնչացման կետի կողմից պտտվող (ներծծվող) ազատ էներգիայի քանակն է:

E 2-ը շարժման հետևի կիսագնդից ծալված (ներծծված) ոչնչացման կետի ազատ էներգիայի քանակն է:

ΔΕ-ն տարրական մասնիկի շարժման առջևի և հետևի կիսագնդերից գլորված (ներծծվող) ազատ էներգիայի քանակի տարբերությունն է:

W-ն տարրական մասնիկի շարժման արագությունն է։

Այստեղ մենք տեսնում ենք էներգիայի խտացման զանգվածի շարունակական աճ շարժվող մասնիկի ոչնչացման կետի հետևում, քանի որ նրա առաջ շարժման արագությունը մեծանում է։

Ատոմի կառուցվածքում դա կդրսևորվի նրանով, որ յուրաքանչյուր հաջորդ ատոմի կառուցվածքի հետևում գտնվող էներգիայի խտությունը կաճի. երկրաչափական առաջընթաց. Ոչնչացման կետերը «երկաթե բռնակով» իրար են պահում իրենց ձգողական ուժով: Միևնույն ժամանակ, աճող վանող ուժը գնալով ավելի կշեղի ատոմի զույգ կառուցվածքները միմյանցից: Այսպիսով, մենք ստանում ենք ատոմի հարթ կասկադային կառուցվածք:

Ատոմը, իր ձևով, պետք է նմանի ամանի ձևին, որտեղ «ներքևը» հելիումի ատոմի կառուցվածքն է։ Իսկ ամանի «եզրերը» վերջին շրջանն է։ «Ամանակի թեքությունների» տեղերը` երկրորդը` երրորդը, չորրորդը` հինգերորդը, վեցերորդը` յոթերորդը: Այս «թռումները» հնարավորություն են տալիս ձևավորվել տարբեր ժամանակաշրջաններհավասար թվով զուգավորված կառույցներով

հելիումի ատոմի մոդելը

Դա ատոմի հարթ կասկադային կառուցվածքն է և դրանում գտնվող զույգ կառուցվածքների օղակաձև դասավորությունը, որոնք որոշում են Մենդելեևի քիմիական տարրերի պարբերական համակարգի կառուցման պարբերականությունն ու շարքը, մեկ ատոմների նմանատիպ քիմիական հատկությունների դրսևորման պարբերականությունը: պարբերական աղյուսակի տող.

Ատոմի հարթություն - կասկադային կառուցվածքը տալիս է ազատ էներգիայի բարձր խտությամբ ատոմի մեկ տարածության տեսք:

• Ատոմի բոլոր զույգ կառուցվածքները կողմնորոշված ​​են ատոմի կենտրոնի ուղղությամբ (ավելի ճիշտ՝ ատոմի երկրաչափական առանցքի վրա գտնվող կետի ուղղությամբ՝ ատոմի շարժման ուղղությամբ)։
• Բոլոր անհատական ​​ոչնչացման կետերը գտնվում են ատոմի ներսում գտնվող ժամանակաշրջանների օղակների երկայնքով:
• Բոլոր անհատական ​​ազատ էներգիայի կլաստերները գտնվում են իրենց ոչնչացման կետերի հետևում:

Արդյունքը՝ մեկ բարձր խտության ազատ էներգիայի համակենտրոնացում, որի սահմաններն ատոմի սահմաններն են։ Այս սահմանները, ինչպես հասկանում ենք, այն ուժերի գործողության սահմաններն են, որոնք գիտության մեջ հայտնի են որպես Յուկավա ուժեր:

Ատոմի հարթ-կասկադ կառուցվածքը տալիս է որոշակի ձևով ձգող և վանող ուժերի գոտիների վերաբաշխում։ Մենք արդեն դիտում ենք զուգակցված կառուցվածքում ներգրավման և վանման ուժերի գոտիների վերաբաշխումը.

Զույգ կառուցվածքի վանող ուժերի գործողության գոտին մեծանում է նրա ձգող ուժերի գործողության գոտու շնորհիվ (համեմատած միայնակ տարրական մասնիկների հետ)։ Գրավիչ ուժերի գործողության գոտին համապատասխանաբար նվազում է։ (Ձգող ուժի գործողության գոտին նվազում է, բայց ոչ բուն ուժը): Ատոմի հարթ կասկադային կառուցվածքը մեզ տալիս է ատոմի վանող ուժերի գործողության գոտու էլ ավելի մեծ աճ։

• Յուրաքանչյուր նոր շրջանի հետ վանող ուժերի գործողության գոտին հակված է լիարժեք գնդակ կազմելու։
• Ներգրավման ուժերի գործողության գոտին տրամագծով անընդհատ նվազող կոն է լինելու

Ատոմի նոր շրջանի կառուցման մեջ կարելի է հետևել ևս մեկ օրինաչափության. մեկ ժամանակաշրջանի բոլոր զույգ կառուցվածքները խիստ սիմետրիկորեն տեղակայված են ատոմի երկրաչափական կենտրոնի նկատմամբ՝ անկախ տվյալ ժամանակահատվածում զույգ կառուցվածքների քանակից։.

Յուրաքանչյուր նոր զույգ կառուցվածք, միանալով, փոխում է ժամանակաշրջանի մյուս բոլոր զույգ կառուցվածքների գտնվելու վայրը, որպեսզի նրանց միջև ընկած հեռավորությունները միշտ հավասար լինեն միմյանց: Այս հեռավորությունները նվազում են հաջորդ զույգ կառուցվածքի ավելացման հետ: Անավարտ արտաքին շրջանքիմիական տարրի ատոմն այն դարձնում է քիմիապես ակտիվ:

Ժամանակահատվածների միջև եղած հեռավորությունները, որոնք շատ ավելի մեծ են, քան զուգակցված մասնիկների միջև ընկած տարածությունները, ժամանակաշրջանները դարձնում են միմյանցից համեմատաբար անկախ:

Ատոմի յուրաքանչյուր ժամանակաշրջան կապված է մնացած բոլոր ժամանակաշրջանների և ամբողջ ատոմի հետ՝ որպես անկախ ամբողջ կառուցվածքի։

Սա որոշում է, որ ատոմի քիմիական ակտիվությունը գրեթե 100%-ով որոշվում է միայն ատոմի վերջին շրջանով: Ամբողջովին լցված վերջին շրջանը մեզ տալիս է ատոմի վանող ուժերի առավելագույն լցված գոտին։ Ատոմի քիմիական ակտիվությունը գրեթե զրոյական է։ Ատոմը, ինչպես գնդակը, հեռացնում է մյուս ատոմներին իրենից: Մենք այստեղ գազ ենք տեսնում։ Եվ ոչ միայն գազ, այլ իներտ գազ։

Նոր շրջանի առաջին զույգ կառուցվածքի ավելացումը փոխում է այս հովվերգական պատկերը։ Քշող և ձգողական ուժերի գործողության գոտիների բաշխումը փոխվում է հօգուտ ձգողական ուժերի։ Ատոմը դառնում է քիմիապես ակտիվ։ Սա ատոմ է ալկալիական մետաղ.

Յուրաքանչյուր հաջորդ զույգ կառուցվածքի ավելացմամբ փոխվում է ատոմի ներգրավման և վանման ուժերի բաշխման գոտիների հավասարակշռությունը. վանող ուժերի գոտին մեծանում է, ձգողական ուժերի գոտին՝ նվազում։ Եվ յուրաքանչյուր հաջորդ ատոմ դառնում է մի քիչ պակաս մետաղ և մի քիչ ավելի ոչ մետաղ։

Ատոմների հարթ կասկադային ձևը, ներգրավման և վանման ուժերի գործողության գոտիների վերաբաշխումը մեզ տալիս է հետևյալը. այս ատոմի վանող ուժերի գործողությունը։ Եվ դա ինքն իրեն չի ոչնչացնում և չի ոչնչացնում այս մյուս ատոմը:

Այս ամենը մեզ տանում է դեպի ուշագրավ արդյունք՝ քիմիական տարրերի ատոմները, մտնելով միմյանց հետ միացությունների մեջ, կազմում են մոլեկուլների եռաչափ կառուցվածքներ։ Ի տարբերություն ատոմների հարթ-կասկադ կառուցվածքի. Մոլեկուլը ատոմների կայուն եռաչափ կառուցվածք է։

Դիտարկենք էներգիայի հոսքը ատոմների և մոլեկուլների ներսում:

Նախևառաջ, մենք նշում ենք, որ տարրական մասնիկը էներգիան կլանում է ցիկլերով: Այսինքն՝ ցիկլի առաջին կեսին տարրական մասնիկը էներգիա է կլանում մոտակա տարածությունից։ Այստեղ ձևավորվում է դատարկություն՝ տարածություն առանց ազատ էներգիայի։

Ցիկլի երկրորդ կեսին ավելի հեռավոր միջավայրի էներգիաները անմիջապես կսկսեն լրացնել առաջացած դատարկությունը: Այսինքն՝ տիեզերքում կլինեն էներգիայի հոսքեր՝ ուղղված դեպի ոչնչացման կետ։ Մասնիկը ստանում է թարգմանական շարժման դրական իմպուլս։ ԲԱՅՑ կապված էներգիամասնիկի ներսում կսկսի վերաբաշխել իր խտությունը:

Ի՞նչն է մեզ այստեղ հետաքրքրում:

Քանի որ ոչնչացման ցիկլը բաժանված է երկու փուլի՝ էներգիայի կլանման փուլ և էներգիայի շարժման փուլ (դատարկությունը լրացնելը), ապա. Միջին արագությունըէներգիայի հոսքերը ոչնչացման կետի շրջանում կնվազեն, կոպիտ ասած, երկու անգամ։

Եվ այն, ինչ չափազանց կարևոր է.

Ատոմների, մոլեկուլների, ֆիզիկական մարմինների կառուցման մեջ դրսևորվում է մի շատ կարևոր օրինաչափություն. բոլոր նյութական կառուցվածքների կայունությունը, ինչպիսիք են՝ զույգ կառուցվածքները՝ դեյտերիումի ատոմները, ատոմների, ատոմների, մոլեկուլների, ֆիզիկական մարմինների շուրջ առանձին ժամանակաշրջանները, ապահովվում է դրանց ոչնչացման գործընթացների խիստ կանոնավորությամբ։.

Հաշվի առեք սա.

1. Էներգիայի հոսքեր, որոնք առաջանում են զույգ կառուցվածքով: Զույգ կառուցվածքում տարրական մասնիկները սինխրոն կերպով ոչնչացնում են էներգիան։ Հակառակ դեպքում տարրական մասնիկները «կուտեին» էներգիայի համակենտրոնացումը միմյանց ոչնչացման կետի հետևում։ Մենք ստանում ենք զույգ կառուցվածքի հստակ ալիքային բնութագրեր: Բացի այդ, հիշեցնում ենք, որ ոչնչացման գործընթացների ցիկլային բնույթի պատճառով էներգիայի հոսքերի միջին արագությունն այստեղ կիսով չափ նվազում է։
2. Էներգիան հոսում է ատոմի ներսում: Սկզբունքը նույնն է. միևնույն ժամանակաշրջանի բոլոր զուգակցված կառույցները պետք է ոչնչացնեն էներգիան համաժամանակյա՝ սինխրոն ցիկլերում: Նմանապես. ատոմում ոչնչացման գործընթացները պետք է համաժամանակացվեն ժամանակաշրջանների միջև: Ցանկացած ասինխրոնիա հանգեցնում է ատոմի ոչնչացմանը: Այստեղ սինխրոնիկությունը կարող է մի փոքր տարբերվել: Կարելի է ենթադրել, որ ատոմի ժամանակաշրջանները հաջորդաբար ոչնչացնում են էներգիան, մեկը մյուսի հետևից, ալիքով:
3. Էներգիան հոսում է մոլեկուլի, ֆիզիկական մարմնի ներսում: Մոլեկուլի կառուցվածքում ատոմների միջև եղած հեռավորությունները շատ անգամ ավելի մեծ են, քան ատոմի ներսում գտնվող ժամանակաշրջանների միջև եղած հեռավորությունները: Բացի այդ, մոլեկուլն ունի զանգվածային կառուցվածք: Ինչպես ցանկացած ֆիզիկական մարմին, այն ունի եռաչափ կառուցվածք: Հասկանալի է, որ այստեղ ոչնչացման գործընթացների սինխրոնիզմը պետք է լինի հետևողական։ Ուղղորդված ծայրամասից դեպի կենտրոն, կամ հակառակը՝ կենտրոնից դեպի ծայրամաս - հաշվեք այնպես, ինչպես ցանկանում եք:

Սինխրոնիկության սկզբունքը մեզ տալիս է ևս երկու օրինաչափություն.

• Ատոմների, մոլեկուլների, ֆիզիկական մարմինների ներսում հոսող էներգիայի արագությունը շատ ավելի քիչ է, քան տիեզերքի տարածության մեջ էներգիայի շարժման արագության հաստատունը: Այս օրինաչափությունը կօգնի մեզ հասկանալ (հոդված 7-ում) էլեկտրաէներգիայի գործընթացները:
• Որքան մեծ է կառուցվածքը, որը մենք տեսնում ենք (հաջորդաբար՝ տարրական մասնիկ, ատոմ, մոլեկուլ, ֆիզիկական մարմին), այնքան մեծ կլինի ալիքի երկարությունը նրա ալիքի բնութագրերում։ Սա վերաբերում է նաև ֆիզիկական մարմիններին. որքան մեծ է ֆիզիկական մարմնի զանգվածը, այնքան մեծ է նրա ալիքի երկարությունը:

• Թարգմանություն

Յուրաքանչյուր ատոմի կենտրոնում միջուկն է՝ պրոտոններ և նեյտրոններ կոչվող մասնիկների մի փոքրիկ հավաքածու: Այս հոդվածում մենք կուսումնասիրենք պրոտոնների և նեյտրոնների բնույթը, որոնք բաղկացած են նույնիսկ ավելի փոքր մասնիկներից՝ քվարկներից, գլյուոններից և անտիկվարկերից։ (Գլյուոնները, ինչպես ֆոտոնները, իրենց իսկ հակամասնիկներն են): Քվարկներն ու գլյուոնները, որքան գիտենք, կարող են լինել իսկապես տարրական (անբաժանելի և ոչ ավելի փոքրից կազմված): Բայց նրանց ավելի ուշ:

Զարմանալիորեն, պրոտոններն ու նեյտրոններն ունեն գրեթե նույն զանգվածը՝ մինչև տոկոս.

• 0,93827 GeV/c 2 պրոտոնի համար,
• 0,93957 GeV/c 2 նեյտրոնի համար:

Սա նրանց էության բանալին է. նրանք իրականում շատ նման են: Այո, նրանց միջև կա մեկ ակնհայտ տարբերություն՝ պրոտոնն ունի դրական էլեկտրական լիցք, մինչդեռ նեյտրոնը լիցք չունի (այն չեզոք է, այստեղից էլ նրա անվանումը)։ Համապատասխանաբար, էլեկտրական ուժերը գործում են առաջինի վրա, բայց ոչ երկրորդի վրա։ Առաջին հայացքից թվում է, որ այս տարբերակումը շատ կարևոր է: Բայց իրականում դա այդպես չէ։ Մնացած բոլոր իմաստներով պրոտոնն ու նեյտրոնը գրեթե երկվորյակներ են։ Նրանք ունեն նույնական ոչ միայն զանգվածներ, այլեւ ներքին կառուցվածք։

Քանի որ դրանք շատ նման են, և քանի որ այս մասնիկները կազմում են միջուկներ, պրոտոններն ու նեյտրոնները հաճախ կոչվում են նուկլեոններ:

Պրոտոնները հայտնաբերվել և նկարագրվել են մոտ 1920 թվականին (չնայած դրանք ավելի վաղ են հայտնաբերվել. ջրածնի ատոմի միջուկը ընդամենը մեկ պրոտոն է), իսկ նեյտրոնները հայտնաբերվել են մոտ 1933 թվականին։ Այն փաստը, որ պրոտոններն ու նեյտրոններն այնքան նման են միմյանց, հասկացվեց գրեթե անմիջապես: Բայց այն փաստը, որ դրանք չափելի չափեր ունեն՝ համեմատելի միջուկի չափերի հետ (շառավղով ատոմից մոտ 100000 անգամ փոքր) հայտնի չէր մինչև 1954 թվականը: Այն, որ դրանք կազմված են քվարկներից, անտիկվարկերից և գլյուոններից, աստիճանաբար հասկացվեց 1960-ականների կեսերից մինչև 1970-ականների կեսերը: 70-ականների վերջին և 80-ականների սկզբին մեր պատկերացումները պրոտոնների, նեյտրոնների և այն ամենից, թե ինչից են դրանք կազմված, հիմնականում իջել են և այդ ժամանակվանից անփոփոխ են մնացել:

Նուկլեոնները շատ ավելի դժվար է նկարագրել, քան ատոմները կամ միջուկները: Չասեմ դա, բայց գոնե կարելի է առանց վարանելու ասել, որ հելիումի ատոմը բաղկացած է երկու էլեկտրոններից, որոնք պտտվում են հելիումի փոքրիկ միջուկի շուրջը. իսկ հելիումի միջուկը երկու նեյտրոնների և երկու պրոտոնների բավականին պարզ խումբ է։ Բայց նուկլեոնների դեպքում ամեն ինչ այնքան էլ պարզ չէ։ «» հոդվածում ես արդեն գրել եմ, որ ատոմը նրբագեղ մինետի տեսք ունի, իսկ նուկլեոնը՝ վայրի խնջույքի։

Պրոտոնի և նեյտրոնի բարդությունը կարծես իրական է և չի բխում ոչ լիարժեք ֆիզիկական գիտելիքներից: Մենք ունենք հավասարումներ, որոնք օգտագործվում են նկարագրելու քվարկները, հակաքվարկերը և գլյուոնները, ինչպես նաև նրանց միջև ընթացող հզոր միջուկային ուժերը: Այս հավասարումները կոչվում են QCD՝ «քվանտային քրոմոդինամիկայից»: Հավասարումների ճշգրտությունը կարելի է ստուգել տարբեր ճանապարհներ, ներառյալ մասնիկների քանակի չափումը, որոնք հայտնվում են Մեծ հադրոնային կոլայդերում։ Փոխարինելով QCD հավասարումները համակարգչի մեջ և կատարելով հաշվարկներ պրոտոնների և նեյտրոնների և այլ նմանատիպ մասնիկների հատկությունների վերաբերյալ (միասնաբար կոչվում են «հադրոններ»), մենք ստանում ենք այս մասնիկների հատկությունների կանխատեսումներ, որոնք լավ են մոտեցնում արված դիտարկումներին։ իրական աշխարհը. Հետևաբար, մենք հիմքեր ունենք ենթադրելու, որ QCD հավասարումները չեն ստում, և որ պրոտոնի և նեյտրոնի մասին մեր գիտելիքները հիմնված են ճիշտ հավասարումների վրա: Բայց միայն ճիշտ հավասարումներ ունենալը բավարար չէ, քանի որ.

• ժամը պարզ հավասարումներկարող է լինել շատ բարդ որոշումներ,
• Երբեմն հնարավոր չէ բարդ լուծումները նկարագրել պարզ ձևով։

Որքանով կարող ենք ասել, նուկլեոնների դեպքում հենց այդպես է. դրանք QCD պարզ հավասարումների բարդ լուծումներ են, և դրանք հնարավոր չէ նկարագրել մի քանի բառով կամ նկարով։

Նուկլեոնների ներհատուկ բարդության պատճառով դուք՝ ընթերցողս, ստիպված կլինեք ընտրություն կատարել՝ որքանո՞վ եք ուզում իմանալ նկարագրված բարդության մասին: Անկախ նրանից, թե որքան հեռու եք գնում, դուք, ամենայն հավանականությամբ, չեք բավարարվի. որքան շատ սովորեք, այնքան թեման ավելի պարզ կդառնա, բայց վերջնական պատասխանը կմնա նույնը. պրոտոնը և նեյտրոնը շատ բարդ են: Ես կարող եմ ձեզ առաջարկել ըմբռնման երեք մակարդակ՝ աճող մանրամասնությամբ. Դուք կարող եք կանգ առնել ցանկացած մակարդակից հետո և անցնել այլ թեմաների, կամ կարող եք սուզվել մինչև վերջինը: Յուրաքանչյուր մակարդակ առաջացնում է հարցեր, որոնց ես կարող եմ մասամբ պատասխանել հաջորդ փուլում, բայց նոր պատասխանները նոր հարցեր են առաջացնում: Ամփոփելով, ինչպես ես անում եմ գործընկերների և առաջադեմ ուսանողների հետ մասնագիտական ​​քննարկումների ժամանակ, ես կարող եմ ձեզ ուղղորդել միայն իրական փորձերի, տարբեր ազդեցիկ տեսական փաստարկների և համակարգչային սիմուլյացիաների տվյալներին:

Հասկանալու առաջին մակարդակը

Ինչից են կազմված պրոտոնները և նեյտրոնները:

Բրինձ. 1. պրոտոնների գերպարզեցված տարբերակ, որը բաղկացած է միայն երկու վերև քվարկներից և մեկ ներքևից, և նեյտրոններից, որը բաղկացած է ընդամենը երկու ներքև քվարկից և մեկը վեր

Հարցերը պարզեցնելու համար շատ գրքեր, հոդվածներ և վեբկայքեր նշում են, որ պրոտոնները կազմված են երեք քվարկներից (երկուսը դեպի վեր և ներքև) և նկարում են պատկերի նման մի բան: 1. Նեյտրոնը նույնն է, որը բաղկացած է միայն մեկ վեր և երկու ներքև քվարկներից: Այս պարզ պատկերը ցույց է տալիս այն, ինչին հավատում էին որոշ գիտնականներ, հիմնականում 1960-ականներին: Բայց շուտով պարզ դարձավ, որ այս տեսակետը չափազանց պարզեցվել է այն աստիճանի, որ այն այլեւս ճիշտ չէր:

Տեղեկատվության ավելի բարդ աղբյուրներից դուք կիմանաք, որ պրոտոնները կազմված են երեք քվարկներից (երկուսը վեր և ներքև), որոնք իրար են պահում գլյուոնները, և նկարը նման է Նկ. 2, որտեղ գլյուոնները գծվում են որպես քվարկներ պահող աղբյուրներ կամ լարեր։ Նեյտրոնները նույնն են՝ միայն մեկ վերև քվարկով և երկու ներքև քվարկով:

Բրինձ. 2: բարելավում նկ. 1 պայմանավորված է ուժեղ միջուկային ուժի կարևոր դերի վրա, որը քվարկեր է պահում պրոտոնում

Նուկլեոնները նկարագրելու վատ տարբերակ չէ, քանի որ այն ընդգծում է ուժեղ միջուկային ուժի կարևոր դերը, որը պահում է քվարկները պրոտոնում ի հաշիվ գլյուոնների (նույն ձևով, ինչպես ֆոտոնը՝ լույսը կազմող մասնիկը, կապված է էլեկտրամագնիսական ուժի հետ): Բայց դա նաև շփոթեցնող է, քանի որ այն իրականում չի բացատրում, թե ինչ են գլյուոնները կամ ինչ են անում:

Կան պատճառներ առաջ գնալու և նկարագրելու բաները այնպես, ինչպես ես էի արել. պրոտոնը կազմված է երեք քվարկներից (երկուսը վերևում և մեկ ներքև), մի փունջ գլյուոններից և քվարկ-հակակվարք զույգերից (հիմնականում վերև և վար քվարկներից): , բայց կան նաև մի քանի տարօրինակներ): Նրանք բոլորը հետ ու առաջ են թռչում շատ մեծ արագությամբ (մոտենալով լույսի արագությանը); այս ամբողջ հավաքածուն միավորված է հզոր միջուկային ուժի կողմից: Ես դա ցույց եմ տվել Նկ. 3. Նեյտրոնները կրկին նույնն են, բայց մեկ վեր և երկու վար քվարկներով; Քվարկը, որը փոխել է սեփականությունը, նշվում է սլաքով:

Բրինձ. 3. պրոտոնների և նեյտրոնների ավելի իրատեսական, թեև դեռևս ոչ իդեալական պատկերում

Այս քվարկները, անտիկվարկերը և գլյուոնները ոչ միայն պտտվում են ետ ու առաջ, այլև բախվում են միմյանց և վերածվում միմյանց այնպիսի գործընթացների միջոցով, ինչպիսին է մասնիկների ոչնչացումը (որում նույն տիպի քվարկը և հակաքվարկը վերածվում են երկու գլյուոնների կամ փոխադարձաբար։ հակառակը) կամ գլյուոնի կլանումը և արտանետումը (որում քվարկը և գլյուոնը կարող են բախվել և առաջացնել քվարկ և երկու գլյուոն, կամ հակառակը):

Ինչ են անում սրանք երեք նկարագրությունընդհանուր:

• Երկու վերև քվարկ և ներքև քվարկ (գումարած մեկ այլ բան) պրոտոնի համար:
• Մեկ վերև քվարկ և երկու ներքև քվարկ (գումարած մեկ այլ բան) նեյտրոնի համար:
• «Ուրիշ ինչ-որ բան» նեյտրոնների համար նույնն է, ինչ «ուրիշ ինչ-որ բան» պրոտոնների համար: Այսինքն՝ նուկլեոնները նույնն ունեն «ուրիշ բան»։
• Պրոտոնի և նեյտրոնի զանգվածի փոքր տարբերությունն առաջանում է ներքև քվարկի և վերև քվարկի զանգվածների տարբերության պատճառով։

Եվ քանի որ.

• մինչև քվարկների համար էլեկտրական լիցքը 2/3 e է (որտեղ e-ն պրոտոնի լիցքն է, -e-ն էլեկտրոնի լիցքն է),
• ներքեւ քվարկներն ունեն -1/3e լիցք,
• գլյուոններն ունեն 0 լիցք,
• ցանկացած քվարկ և նրա համապատասխան հակաքվարկը ունեն 0 ընդհանուր լիցք (օրինակ, հակացածր քվարկն ունի +1/3e լիցք, այնպես որ ներքևի քվարկը և ներքև անտիկվարկը կունենան –1/3 e +1/ լիցք: 3 e = 0),

Յուրաքանչյուր գործիչ պրոտոնի էլեկտրական լիցքը վերագրում է երկու վեր և մեկ ներքև քվարկներին, իսկ «ուրիշ ինչ-որ բան» լիցքին ավելացնում է 0: Նմանապես, նեյտրոնը զրոյական լիցք ունի մեկ վեր և երկու վար քվարկների պատճառով.

• Պրոտոնի ընդհանուր էլեկտրական լիցքը 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
• նեյտրոնի ընդհանուր էլեկտրական լիցքը 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0 է։

Այս նկարագրությունները տարբերվում են հետևյալ կերպ.

• որքան «ուրիշ բան» նուկլեոնի ներսում,
• ինչ է անում այնտեղ
• որտեղից են գալիս նուկլեոնի զանգվածը և զանգվածային էներգիան (E = mc 2, այնտեղ առկա էներգիան, նույնիսկ երբ մասնիկը հանգստանում է):

Քանի որ ատոմի զանգվածի մեծ մասը, հետևաբար և ամբողջ սովորական նյութը, պարունակվում է պրոտոններում և նեյտրոններում, վերջին կետը չափազանց կարևոր է. ճիշտ ըմբռնումմեր բնությունը.

Բրինձ. 1-ն ասում է, որ քվարկներն իրականում ներկայացնում են նուկլեոնի մեկ երրորդը, ինչպես պրոտոնը կամ նեյտրոնը ներկայացնում են հելիումի միջուկի քառորդը կամ ածխածնի միջուկի 1/12-ը: Եթե ​​այս պատկերը ճշմարիտ լիներ, ապա նուկլեոնի քվարկները կշարժվեին համեմատաբար դանդաղ (լույսի արագությունից շատ ավելի դանդաղ արագություններով) և նրանց միջև կգործեին համեմատաբար թույլ ուժեր (չնայած ինչ-որ հզոր ուժով, որը կպահեր նրանց տեղում): Քվարկի զանգվածը՝ վեր ու վար, այդ դեպքում կկազմի 0,3 ԳէՎ/c 2 կարգի, պրոտոնի զանգվածի մոտ մեկ երրորդը։ Բայց սա պարզ պատկեր է, և դրա պարտադրած գաղափարները պարզապես սխալ են:

Բրինձ. 3. բոլորովին այլ պատկերացում է տալիս պրոտոնի մասին՝ որպես մասնիկների կաթսա, որը սլանում է դրա միջով լույսի արագությանը մոտ արագությամբ։ Այս մասնիկները բախվում են միմյանց, և այդ բախումների ժամանակ դրանցից մի քանիսը ոչնչացվում են, իսկ մյուսները ստեղծվում են իրենց տեղում: Գլյուոնները զանգված չունեն, վերին քվարկների զանգվածը կազմում է մոտ 0,004 ԳեՎ/c 2, իսկ ստորին քվարկների զանգվածը մոտ 0,008 ԳեՎ/c 2 – հարյուրավոր անգամ փոքր է պրոտոնից: Որտեղի՞ց է առաջանում պրոտոնի զանգվածային էներգիան, հարցը բարդ է՝ դրա մի մասը գալիս է քվարկների և անտիկվարկերի զանգվածի էներգիայից, մի մասը՝ քվարկների, անտիկվարկերի և գլյուոնների շարժման էներգիայից, իսկ մի մասը (հնարավոր է դրական։ , հնարավոր է բացասական) հզոր միջուկային փոխազդեցության մեջ պահվող էներգիայից՝ քվարկները, անտիկվարկերն ու գլյուոնները միասին պահելով։

Ինչ-որ իմաստով Նկ. 2-ը փորձում է վերացնել նկ. 1 և նկ. 3. Այն պարզեցնում է բրինձը։ 3, հեռացնելով քվարկ-հակակվարկ բազմաթիվ զույգեր, որոնք, սկզբունքորեն, կարելի է անվանել անցողիկ, քանի որ դրանք անընդհատ առաջանում և անհետանում են, և անհրաժեշտ չեն: Բայց տպավորություն է ստեղծվում, որ նուկլեոնների գլյուոնները պրոտոններին պահող հզոր միջուկային ուժի անմիջական մասն են։ Եվ դա չի բացատրում, թե որտեղից է առաջանում պրոտոնի զանգվածը։

Ժամը նկ. 1-ն ունի ևս մեկ թերություն, բացի պրոտոնի և նեյտրոնի նեղ շրջանակներից: Այն չի բացատրում այլ հադրոնների որոշ հատկություններ, ինչպիսիք են պիոնը և ռո-մեզոնը: Նույն խնդիրները կան Նկ. 2.

Այս սահմանափակումները հանգեցրել են նրան, որ ես իմ ուսանողներին և իմ կայքում տալիս եմ նկար նկ. 3. Բայց ես ուզում եմ զգուշացնել, որ այն ունի նաև բազմաթիվ սահմանափակումներ, որոնք ես կանդրադառնամ ավելի ուշ:

Հարկ է նշել, որ կառուցվածքի ծայրահեղ բարդությունը, որը ենթադրվում է Նկ. 3-ը պետք է ակնկալել այնպիսի օբյեկտից, որը միացված է այնպիսի հզոր ուժի, ինչպիսին հզոր միջուկային ուժն է: Եվ ևս մեկ բան. երեք քվարկները (երկուսը վերև և ներքև՝ պրոտոնի համար), որոնք քվարկ-հակիկվարք զույգերի խմբի մաս չեն կազմում, հաճախ կոչվում են «վալենտային քվարկներ», իսկ քվարկ-հակիկվարկների զույգերը կոչվում են «ծով»: քվարկների զույգեր»։ Նման լեզուն շատ դեպքերում տեխնիկապես հարմար է։ Բայց այն թյուր տպավորություն է թողնում, որ եթե դուք կարողանայիք նայել պրոտոնի ներսը և նայեք որոշակի քվարկին, անմիջապես կհասկանաք՝ դա ծովի մաս է, թե վալենտ: Սա չի կարելի անել, ուղղակի նման ճանապարհ չկա։

Պրոտոնի զանգված և նեյտրոնային զանգված

Քանի որ պրոտոնի և նեյտրոնի զանգվածներն այնքան նման են, և քանի որ պրոտոնն ու նեյտրոնը տարբերվում են միայն վերև քվարկը ներքև քվարկով փոխարինելու հարցում, հավանական է թվում, որ դրանց զանգվածներն ապահովված են նույն ձևով՝ նույն աղբյուրից։ և դրանց տարբերությունը վերև և վար քվարկների չնչին տարբերության մեջ է: Բայց վերը նշված երեք թվերը ցույց են տալիս, որ պրոտոնային զանգվածի ծագման վերաբերյալ երեք շատ տարբեր տեսակետներ կան:

Բրինձ. 1-ն ասում է, որ վեր ու վար քվարկները պարզապես կազմում են պրոտոնի և նեյտրոնի զանգվածի 1/3-ը՝ մոտավորապես 0,313 ԳէՎ/c 2, կամ այն ​​էներգիայի պատճառով, որն անհրաժեշտ է պրոտոնում քվարկները պահելու համար։ Եվ քանի որ պրոտոնի և նեյտրոնի զանգվածների տարբերությունը տոկոսի մասնաբաժին է, ապա վեր և վար քվարկի զանգվածների տարբերությունը նույնպես պետք է լինի տոկոսի մաս։

Բրինձ. 2-ն ավելի քիչ պարզ է: Պրոտոնի զանգվածի ո՞ր մասն է գոյանում գլյուոնների շնորհիվ: Բայց, սկզբունքորեն, նկարից հետևում է, որ պրոտոնի զանգվածի մեծ մասը դեռևս առաջանում է քվարկների զանգվածից, ինչպես Նկ. մեկ.

Բրինձ. 3-ն արտացոլում է ավելի նուրբ մոտեցում, թե ինչպես է իրականում առաջանում պրոտոնի զանգվածը (քանի որ մենք կարող ենք ուղղակիորեն ստուգել պրոտոնային համակարգչային հաշվարկների միջոցով, և ոչ ուղղակիորեն օգտագործելով այլ մաթեմատիկական մեթոդներ): Այն շատ է տարբերվում Նկարում ներկայացված գաղափարներից: 1 և 2, և պարզվում է, որ դա այնքան էլ պարզ չէ:

Հասկանալու համար, թե ինչպես է դա աշխատում, պետք է մտածել ոչ թե պրոտոնի զանգվածի m, այլ նրա զանգվածային էներգիայի՝ E = mc 2, զանգվածի հետ կապված էներգիայի տեսանկյունից: Հայեցակարգային առումով ճիշտ հարցդա կլինի ոչ թե «որտեղի՞ց է առաջացել պրոտոնի զանգվածը m», որից հետո կարող եք հաշվարկել E-ն՝ m բազմապատկելով c 2-ով, այլ հակառակը՝ «որտեղի՞ց է առաջացել պրոտոնի զանգվածի E էներգիան», որից հետո կարող եք. հաշվարկե՛ք m զանգվածը՝ E բաժանելով c 2-ի:

Օգտակար է պրոտոնի զանգվածի էներգիայի ներդրումը դասակարգել երեք խմբի.

Ա) դրանում պարունակվող քվարկների և անտիկվարկերի զանգվածային էներգիան (հանգստի էներգիա) (գլյուոններ, զանգված չունեցող մասնիկներ, որևէ ներդրում չունեն).
Բ) Քվարկների, անտիկվարկերի և գլյուոնների շարժման էներգիա (կինետիկ էներգիա):
Գ) փոխազդեցության էներգիան (կապող էներգիա կամ պոտենցիալ էներգիա), որը պահպանվում է միջուկային ուժեղ փոխազդեցության մեջ (ավելի ճիշտ՝ գլյուոնային դաշտերում), որը պահում է պրոտոնը։

Բրինձ. 3-ն ասում է, որ պրոտոնի ներսում մասնիկները շարժվում են մեծ արագությամբ, և որ այն լի է զանգված չունեցող գլյուոններով, ուստի B)-ի ներդրումը ավելի մեծ է, քան A): Սովորաբար, ֆիզիկական համակարգերի մեծ մասում B) և C)-ն համեմատելի են, մինչդեռ C)-ն հաճախ բացասական է: Այսպիսով, պրոտոնի (և նեյտրոնի) զանգվածային էներգիան հիմնականում ստացվում է B) և C-ի համակցությունից, ընդ որում A)-ը նպաստում է փոքր մասի: Հետևաբար, պրոտոնի և նեյտրոնի զանգվածներն առաջանում են հիմնականում ոչ թե դրանցում պարունակվող մասնիկների զանգվածի պատճառով, այլ այդ մասնիկների շարժման էներգիայի և դրանց փոխազդեցության էներգիայի պատճառով, որոնք կապված են գլյուոնային դաշտերի հետ, որոնք առաջացնում են ուժեր պրոտոնը։ Մեզ ծանոթ շատ այլ համակարգերում էներգիաների հավասարակշռությունը տարբեր կերպ է բաշխվում: Օրինակ՝ ատոմներում և մեջ Արեգակնային համակարգ A-ն գերակշռում է), մինչդեռ B) և C) շատ ավելի փոքր են և համեմատելի չափերով:

Ամփոփելով՝ նշում ենք, որ.

• Բրինձ. 1-ը ենթադրում է, որ պրոտոնի զանգվածային էներգիան գալիս է A ներդրումից):
• Բրինձ. 2-ը ենթադրում է, որ երկու ներդրումը A) և C) կարևոր են, և B)-ը փոքր ներդրում է կատարում:
• Բրինձ. 3-ը ցույց է տալիս, որ B) և C)-ն կարևոր են, մինչդեռ Ա)-ի ներդրումը չնչին է:

Մենք գիտենք, որ բրինձը ճիշտ է: 3. Ստուգելու համար մենք կարող ենք իրականացնել համակարգչային սիմուլյացիաներ, և որ ավելի կարևոր է, տարբեր համոզիչ տեսական փաստարկների շնորհիվ մենք գիտենք, որ եթե վեր ու վար քվարկների զանգվածները զրո լինեն (և մնացած ամեն ինչ մնար այնպես, ինչպես կա), պրոտոնի զանգվածը դժվար թե փոխվի: Այսպիսով, ըստ երևույթին, քվարկների զանգվածները չեն կարող կարևոր ներդրում ունենալ պրոտոնի զանգվածի վրա:

Եթե ​​նկ. 3-ը սուտ չէ, քվարկի և անտիկվարկի զանգվածները շատ փոքր են։ Ինչպիսի՞ն են նրանք իրականում: Վերին քվարկի (ինչպես նաև անտիկվարկի) զանգվածը չի գերազանցում 0,005 ԳեՎ/գ 2-ը, ինչը շատ ավելի քիչ է, քան 0,313 ԳեՎ/գ 2-ը, որը բխում է Նկ. 1. (Վերին քվարկի զանգվածը դժվար է չափել և տատանվում է նուրբ ազդեցությունների պատճառով, ուստի այն կարող է լինել 0,005 ԳէՎ/c2-ից շատ ավելի քիչ): Ներքևի քվարկի զանգվածը մոտավորապես 0,004 ԳէՎ/c 2-ով մեծ է վերևի զանգվածից։ Սա նշանակում է, որ ցանկացած քվարկի կամ հակաքվարկի զանգվածը չի գերազանցում պրոտոնի զանգվածի մեկ տոկոսը։

Նկատի ունեցեք, որ սա նշանակում է (հակառակ նկար 1-ին), որ ներքև քվարկի զանգվածի և վերև քվարկի զանգվածի հարաբերությունը չի մոտենում միասնությանը: Ներքև քվարկի զանգվածը առնվազն երկու անգամ մեծ է վերև քվարկից: Նեյտրոնի և պրոտոնի զանգվածների այդքան նման լինելու պատճառն այն չէ, որ վեր և վար քվարկների զանգվածները նման են, այլ այն, որ վեր և վար քվարկների զանգվածները շատ փոքր են, և նրանց միջև տարբերությունը փոքր է, հարաբերական: պրոտոնի և նեյտրոնի զանգվածներին: Հիշեցնենք, որ պրոտոնը նեյտրոնի վերածելու համար պարզապես անհրաժեշտ է նրա վերին քվարկներից մեկը փոխարինել ներքև քվարկով (Նկար 3): Այս փոփոխությունը բավական է նեյտրոնը պրոտոնից մի փոքր ավելի ծանր դարձնելու և նրա լիցքը +e-ից 0-ի դարձնելու համար։

Ի դեպ, այն, որ պրոտոնի ներսում տարբեր մասնիկներ բախվում են միմյանց, և անընդհատ հայտնվում ու անհետանում, չի ազդում մեր քննարկած բաների վրա՝ էներգիան պահպանվում է ցանկացած բախման ժամանակ։ Քվարկների և գլյուոնների զանգվածային էներգիան և շարժման էներգիան կարող են փոխվել, ինչպես նաև դրանց փոխազդեցության էներգիան, սակայն պրոտոնի ընդհանուր էներգիան չի փոխվում, թեև դրա ներսում ամեն ինչ անընդհատ փոխվում է։ Այսպիսով, պրոտոնի զանգվածը մնում է հաստատուն՝ չնայած նրա ներքին հորձանուտին։

Այս պահին դուք կարող եք դադարեցնել և կլանել ստացված տեղեկատվությունը: Զարմանալի! Գործնականում սովորական նյութի մեջ պարունակվող ողջ զանգվածը առաջանում է ատոմների նուկլոնների զանգվածից։ Եվ այս զանգվածի մեծ մասը գալիս է պրոտոնին և նեյտրոնին բնորոշ քաոսից՝ նուկլեոններում քվարկների, գլյուոնների և հակաքվարկերի շարժման էներգիայից և միջուկային ուժեղ փոխազդեցությունների էներգիայից, որոնք պահում են նուկլեոնն իր ամբողջ վիճակում: Այո, մեր մոլորակը, մեր մարմինները, մեր շունչը նման հանգիստ և մինչև վերջերս աներևակայելի պանդեմոնիայի արդյունք են:

Ինչպես արդեն նշվեց, ատոմը բաղկացած է երեք տեսակի տարրական մասնիկներից՝ պրոտոններից, նեյտրոններից և էլեկտրոններից: Ատոմային միջուկը ատոմի կենտրոնական մասն է՝ բաղկացած պրոտոններից և նեյտրոններից։ Պրոտոններն ու նեյտրոններն ունեն ընդհանուր անուննուկլոն, միջուկում նրանք կարող են վերածվել միմյանց։ Ամենապարզ ատոմի` ջրածնի ատոմի միջուկը բաղկացած է մեկ տարրական մասնիկից` պրոտոնից:

Ատոմի միջուկի տրամագիծը մոտավորապես 10-13 - 10-12 սմ է և կազմում է ատոմի տրամագծի 0,0001-ը։ Այնուամենայնիվ, ատոմի գրեթե ամբողջ զանգվածը (99,95-99,98%) կենտրոնացած է միջուկում։ Եթե ​​հնարավոր լիներ ստանալ 1 սմ3 մաքուր միջուկային նյութ, ապա դրա զանգվածը կկազմեր 100-200 մլն տոննա։ Ատոմի միջուկի զանգվածը մի քանի հազար անգամ մեծ է ատոմը կազմող բոլոր էլեկտրոնների զանգվածից։

Պրոտոն- տարրական մասնիկ, ջրածնի ատոմի միջուկ: Պրոտոնի զանգվածը 1,6721 x 10-27 կգ է, այն 1836 անգամ մեծ է էլեկտրոնի զանգվածից։ Էլեկտրական լիցքը դրական է և հավասար է 1,66 x 10-19 C: Կուլոնը էլեկտրական լիցքի միավոր է, որը հավասար է միջով անցնող էլեկտրաէներգիայի քանակին լայնակի հատվածդիրիժոր 1 վրկ ժամանակով 1A (ամպեր) մշտական ​​հոսանքի ուժով։

Ցանկացած տարրի յուրաքանչյուր ատոմ պարունակում է միջուկը որոշակի թիվպրոտոններ. Այս թիվը հաստատուն է տրված տարրեւ սահմանում է իր ֆիզիկական ու Քիմիական հատկություններ. Այսինքն՝ պրոտոնների թիվը կախված է նրանից, թե ինչ քիմիական տարրի հետ գործ ունենք։ Օրինակ, եթե միջուկի մեկ պրոտոնը ջրածին է, եթե 26 պրոտոնը երկաթ է: Ատոմային միջուկի պրոտոնների թիվը որոշում է միջուկի լիցքը (լիցքի համարը Z) և տարրի սերիական համարը տարրերի պարբերական համակարգում D.I. Մենդելեևը (տարրի ատոմային թիվը).

Նեյտրոն- էլեկտրականորեն չեզոք մասնիկ՝ 1,6749 x 10-27 կգ զանգվածով, էլեկտրոնի զանգվածից 1839 անգամ։ Ազատ վիճակում գտնվող նեյրոնը անկայուն մասնիկ է, այն ինքնուրույն վերածվում է պրոտոնի՝ էլեկտրոնի և հականեյտրինոյի արտանետմամբ։ Նեյտրոնների կիսամյակը (ժամանակ, որի ընթացքում քայքայվում է նեյտրոնների սկզբնական թվի կեսը) մոտավորապես 12 րոպե է։ Այնուամենայնիվ, մեջ կապված պետություններսում կայուն ատոմային միջուկներնա կայուն է։ Ընդհանուր թիվընուկլեոնները (պրոտոններ և նեյտրոններ) միջուկում կոչվում են զանգվածային թիվ (ատոմային զանգված՝ A): Միջուկը կազմող նեյտրոնների թիվը հավասար է զանգվածի և լիցքի թվերի տարբերությանը. N = A - Z:

Էլեկտրոն- տարրական մասնիկ, ամենափոքր զանգվածի կրողը` 0,91095x10-27 գ և ամենափոքր էլեկտրական լիցքը` 1,6021x10-19 C: Սա բացասական լիցքավորված մասնիկ է: Ատոմում էլեկտրոնների թիվը հավասար է միջուկի պրոտոնների թվին, այսինքն. ատոմը էլեկտրականորեն չեզոք է:

Պոզիտրոն- դրական էլեկտրական լիցքով տարրական մասնիկ, էլեկտրոնի նկատմամբ հակամասնիկ: Էլեկտրոնի և պոզիտրոնի զանգվածը հավասար է, իսկ էլեկտրական լիցքերը հավասար են բացարձակ արժեքով, բայց հակառակ նշանով։

Միջուկների տարբեր տեսակներ կոչվում են նուկլիդներ։ Նուկլիդ - պրոտոնների և նեյտրոնների տրված թվով ատոմների տեսակ։ Բնության մեջ կան նույն տարրի ատոմներ՝ տարբեր ատոմային զանգվածներով (զանգվածային թվեր).
, Cl և այլն: Այս ատոմների միջուկները պարունակում են նույն թիվըպրոտոններ, բայց տարբեր թիվնեյտրոններ։ Նույն տարրի ատոմների տարատեսակներ, որոնք ունեն նույն միջուկային լիցքը, բայց տարբեր զանգվածային համարը, կոչվում են իզոտոպներ . Ունենալով նույն թվով պրոտոններ, բայց տարբերվելով նեյտրոնների քանակով, իզոտոպներն ունեն էլեկտրոնային թաղանթների նույն կառուցվածքը, այսինքն. շատ նման են քիմիական հատկություններին և նույն տեղն են զբաղեցնում քիմիական տարրերի պարբերական աղյուսակում:

Դրանք նշվում են համապատասխան քիմիական տարրի խորհրդանիշով A ինդեքսով, որը գտնվում է վերևի ձախ մասում - ներքևի ձախ մասում տրված է նաև զանգվածային թիվը, երբեմն պրոտոնների թիվը (Z): Օրինակ, ֆոսֆորի ռադիոակտիվ իզոտոպները նշանակված են համապատասխանաբար 32P, 33P կամ P և P: Իզոտոպ նշանակելիս՝ առանց տարրի խորհրդանիշը նշելու, զանգվածային թիվը տրվում է տարրի նշանակումից հետո, օրինակ՝ ֆոսֆոր՝ 32, ֆոսֆոր՝ 33։

Քիմիական տարրերից շատերն ունեն մի քանի իզոտոպներ։ Բացի ջրածնի 1H-պրոտիում իզոտոպից, հայտնի են նաև ծանր ջրածին 2H-դեյտերիումը և գերծանր ջրածին 3H-տրիումը։ Ուրանը ունի 11 իզոտոպ, բնական միացություններդրանք երեքն են (ուրան 238, ուրան 235, ուրան 233): Նրանք ունեն 92 պրոտոն և համապատասխանաբար 146,143 և 141 նեյտրոն։

Ներկայումս հայտնի են 108 քիմիական տարրերի ավելի քան 1900 իզոտոպներ։ Դրանցից բնական իզոտոպները ներառում են բոլոր կայուն (դրանցից մոտավորապես 280-ը) և բնական իզոտոպները, որոնք ռադիոակտիվ ընտանիքների մաս են կազմում (դրանցից 46-ը): Մնացածն արհեստական ​​են, դրանք արհեստականորեն ստացվում են միջուկային տարբեր ռեակցիաների արդյունքում։

«Իզոտոպներ» տերմինը պետք է օգտագործվի միայն այն ժամանակ, երբ մենք խոսում ենքնույն տարրի ատոմների մասին, օրինակ՝ ածխածնի 12C և 14C։ Եթե ​​նկատի ունեն տարբեր քիմիական տարրերի ատոմներ, ապա խորհուրդ է տրվում օգտագործել «նուկլիդներ» տերմինը, օրինակ՝ ռադիոնուկլիդներ 90Sr, 131J, 137Cs։

Գլուխ առաջին. ԿԱՅՈՒՆ ՄԻՋՈՒԿՆԵՐԻ ՀԱՏԿՈՒԹՅՈՒՆՆԵՐԸ

Վերևում արդեն ասվեց, որ միջուկը բաղկացած է միջուկային ուժերի կողմից կապված պրոտոններից և նեյտրոններից։ Եթե ​​միջուկի զանգվածը չափում ենք ատոմային զանգվածի միավորներով, ապա այն պետք է մոտ լինի պրոտոնի զանգվածին բազմապատկված ամբողջ թվով, որը կոչվում է զանգվածային թիվ։ Եթե ​​միջուկի լիցքը և զանգվածային թիվը, ապա դա նշանակում է, որ միջուկի կազմը ներառում է պրոտոններ և նեյտրոններ։ (Միջուկում նեյտրոնների թիվը սովորաբար նշվում է

Միջուկի այս հատկությունները արտացոլված են խորհրդանշական նշումով, որը հետագայում կօգտագործվի ձևի մեջ

որտեղ X-ն այն տարրի անունն է, որի ատոմին է պատկանում միջուկը (օրինակ՝ միջուկներ՝ հելիում - , թթվածին - , երկաթ - ուրան

Կայուն միջուկների հիմնական բնութագրերն են՝ լիցքը, զանգվածը, շառավիղը, մեխանիկական և մագնիսական մոմենտը, գրգռված վիճակների սպեկտրը, հավասարությունը և քառաբևեռ մոմենտը: Ռադիոակտիվ (անկայուն) միջուկները լրացուցիչ բնութագրվում են իրենց կյանքի տևողությամբ, ռադիոակտիվ փոխակերպումների տեսակով, արտանետվող մասնիկների էներգիայով և մի շարք այլ հատուկ հատկություններով, որոնք կքննարկվեն ստորև։

Նախ դիտարկենք միջուկը կազմող տարրական մասնիկների՝ պրոտոնի և նեյտրոնի հատկությունները։

§ 1. ՊՐՈՏՈՆԻ ԵՎ ՆԵՅՏՐՈՆԻ ՀԻՄՆԱԿԱՆ ԲՆՈՒԹԱԳԻՐՆԵՐԸ

Քաշը.Էլեկտրոնի զանգվածի միավորներով՝ պրոտոնի զանգվածը նեյտրոնի զանգվածն է։

Ատոմային զանգվածի միավորներով՝ պրոտոնային զանգված նեյտրոնային զանգված

Էներգետիկ միավորներում պրոտոնի մնացած զանգվածը նեյտրոնի մնացած զանգվածն է

Էլեկտրական լիցքավորում. q-ի հետ մասնիկի փոխազդեցությունը բնութագրող պարամետր է էլեկտրական դաշտ, արտահայտվում է էլեկտրոնի լիցքի միավորներով, որտեղ

Բոլոր տարրական մասնիկները կրում են էլեկտրաէներգիայի քանակություն, որը հավասար է կամ 0-ի, կամ պրոտոնի լիցքը Նեյտրոնի լիցքը զրոյական է:

Պտտել։Պրոտոնի և նեյտրոնի սպինները հավասար են: Երկու մասնիկները ֆերմիոններ են և ենթարկվում են Ֆերմի-Դիրակի վիճակագրությանը, հետևաբար՝ Պաուլիի սկզբունքին:

մագնիսական պահ.Եթե ​​փոխարինենք (10) բանաձևով, որը որոշում է էլեկտրոնի մագնիսական մոմենտը էլեկտրոնի զանգվածի փոխարեն՝ պրոտոնի զանգվածը, ապա կստանանք.

Մեծությունը կոչվում է միջուկային մագնետոն։ Էլեկտրոնի անալոգիայի միջոցով կարելի է ենթադրել, որ պրոտոնի սպինի մագնիսական պահը հավասար է: Այնուամենայնիվ, փորձը ցույց է տվել, որ պրոտոնի ներքին մագնիսական մոմենտը ավելի մեծ է, քան միջուկային մագնետոնը.

Բացի այդ, պարզվել է, որ չլիցքավորված մասնիկը` նեյտրոնը, ունի նաև մագնիսական մոմենտ, որը տարբերվում է զրոյից և հավասար է.

Նեյտրոնում մագնիսական պահի առկայությունը և այլն մեծ նշանակությունպրոտոնի մագնիսական պահը հակասում է այս մասնիկների կետային բնույթի մասին ենթադրություններին։ Ստացված մի շարք փորձարարական տվյալներ վերջին տարիները, ցույց է տալիս, որ և՛ պրոտոնը, և՛ նեյտրոնն ունեն բարդ անհամասեռ կառուցվածք։ Միևնույն ժամանակ, դրական լիցքը գտնվում է նեյտրոնի կենտրոնում, իսկ ծայրամասում կա մեծությամբ դրան հավասար բացասական լիցք՝ բաշխված մասնիկի ծավալով։ Բայց քանի որ մագնիսական մոմենտը որոշվում է ոչ միայն հոսող հոսանքի մեծությամբ, այլև նրա ծածկած տարածքով, նրանց կողմից ստեղծված մագնիսական մոմենտները հավասար չեն լինի։ Հետևաբար, նեյտրոնը կարող է ունենալ մագնիսական մոմենտ՝ ընդհանուր առմամբ չեզոք մնալով:

Նուկլոնների փոխադարձ փոխակերպումներ.Նեյտրոնի զանգվածը մեծ է պրոտոնի զանգվածից 0,14%-ով կամ 2,5 էլեկտրոնային զանգվածով,

Ազատ վիճակում նեյտրոնը քայքայվում է պրոտոնի, էլեկտրոնի և հականեյտրինոյի: Նրա կյանքի միջին տևողությունը մոտ 17 րոպե է:

Պրոտոնը կայուն մասնիկ է։ Այնուամենայնիվ, միջուկի ներսում այն ​​կարող է վերածվել նեյտրոնի; մինչդեռ ռեակցիան ընթանում է ըստ սխեմայի

Ձախ և աջ կողմում գտնվող մասնիկների զանգվածների տարբերությունը փոխհատուցվում է միջուկի այլ նուկլեոնների կողմից պրոտոնին տրվող էներգիայով։

Պրոտոնն ու նեյտրոնն ունեն նույն սպինները, գրեթե նույն զանգվածները և կարող են փոխակերպվել միմյանց։ Ավելի ուշ ցույց կտանք, որ այս մասնիկների միջև զույգերով գործող միջուկային ուժերը նույնպես նույնն են։ Դրա համար նրանք կոչվում են ընդհանուր անվանումը- նուկլոն և ասում են, որ նուկլեոնը կարող է լինել երկու վիճակում՝ պրոտոն և նեյտրոն, որոնք տարբերվում են էլեկտրամագնիսական դաշտի հետ իրենց առնչությամբ։

Նեյտրոններն ու պրոտոնները փոխազդում են միջուկային ուժերի առկայության պատճառով, որոնք կրում են ոչ էլեկտրական բնույթ։ Միջուկային ուժերն իրենց ծագման համար պարտական ​​են մեզոնների փոխանակմանը։ Եթե ​​պատկերենք պրոտոնի և ցածր էներգիայի նեյտրոնի փոխազդեցության պոտենցիալ էներգիայի կախվածությունը նրանց միջև եղած հեռավորությունից, ապա մոտավորապես այն նման կլինի Նկարում ներկայացված գրաֆիկի: 5ա, այսինքն, այն ունի պոտենցիալ ջրհորի ձև:

Բրինձ. Նկ. 5. Փոխազդեցության պոտենցիալ էներգիայի կախվածությունը նուկլոնների միջև հեռավորությունից. ա - նեյտրոն-նեյտրոն կամ նեյտրոն-պրոտոն զույգերի համար; բ - զույգ պրոտոնի համար - պրոտոն

§մեկ. Հանդիպեք էլեկտրոնին, պրոտոնին, նեյտրոնին

Ատոմները նյութի ամենափոքր մասնիկներն են։
Եթե ​​մեծացվի մինչև գլոբուսմիջին չափի խնձոր, ապա ատոմները կդառնան միայն խնձորի չափ։ Չնայած նման փոքր չափին՝ ատոմը բաղկացած է նույնիսկ ավելի փոքր ֆիզիկական մասնիկներից։
Դպրոցական ֆիզիկայի դասընթացից դուք արդեն պետք է ծանոթ լինեք ատոմի կառուցվածքին։ Եվ այնուամենայնիվ մենք հիշում ենք, որ ատոմը պարունակում է միջուկ և էլեկտրոններ, որոնք այնքան արագ են պտտվում միջուկի շուրջը, որ դրանք դառնում են անտարբերելի. նրանք ձևավորում են «էլեկտրոնային ամպ», կամ էլեկտրոնային թաղանթատոմ.

Էլեկտրոններսովորաբար նշվում է հետևյալ կերպ. ե − . Էլեկտրոններ ե- շատ թեթեւ, գրեթե անկշիռ, բայց ունեն բացասականէլեկտրական լիցք. Այն հավասար է -1-ի։ Էլեկտրականություն, որը մենք բոլորս օգտագործում ենք լարերի մեջ հոսող էլեկտրոնների հոսք է:

ատոմի միջուկ, որի մեջ կենտրոնացած է նրա գրեթե ողջ զանգվածը, բաղկացած է երկու տեսակի մասնիկներից՝ նեյտրոններից և պրոտոններից։

Նեյտրոններնշվում է հետևյալ կերպ. n 0 , ա պրոտոններԱյսպիսով. էջ + .
Զանգվածով նեյտրոններն ու պրոտոնները գրեթե նույնն են՝ 1,675 10 −24 գ և 1,673 10 −24 գ։
Ճիշտ է, շատ անհարմար է նման փոքր մասնիկների զանգվածը գրամով հաշվել, ուստի այն արտահայտվում է. ածխածնային միավորներ, որոնցից յուրաքանչյուրը հավասար է 1,673 10 −24 գ։
Յուրաքանչյուր մասնիկի համար ստացեք հարաբերական ատոմային զանգված, հավասար է ատոմի զանգվածը (գրամներով) ածխածնային միավորի զանգվածի վրա բաժանելու գործակցին։ ազգական ատոմային զանգվածներպրոտոնը և նեյտրոնը հավասար են 1-ի, բայց պրոտոնների լիցքը դրական է և հավասար է +1-ի, մինչդեռ նեյտրոնները լիցք չունեն։

. Հանելուկներ ատոմի մասին

Ատոմը կարող է «մտքում» հավաքվել մասնիկներից, ինչպես խաղալիքը կամ մեքենան մասերից մանկական կոնստրուկտոր. Միայն անհրաժեշտ է պահպանել երկու կարևոր պայման.

• Առաջին պայմանՅուրաքանչյուր տիպի ատոմ ունի իր սեփականը սեփական հավաքածու«մանրամասներ» - տարրական մասնիկներ. Օրինակ, ջրածնի ատոմը անպայմանորեն կունենա +1 դրական լիցքով միջուկ, ինչը նշանակում է, որ այն անպայման պետք է ունենա մեկ պրոտոն (և ոչ ավելի):
  Ջրածնի ատոմը կարող է պարունակել նաև նեյտրոններ։ Այս մասին ավելի մանրամասն՝ հաջորդ պարբերությունում:
  Թթվածնի ատոմը (Պարբերական համակարգում սերիական համարը 8 է) կունենա լիցքավորված միջուկ. ութդրական լիցքեր (+8), ինչը նշանակում է, որ կա ութ պրոտոն: Քանի որ թթվածնի ատոմի զանգվածը 16 հարաբերական միավոր է, թթվածնի միջուկ ստանալու համար կավելացնենք ևս 8 նեյտրոն։
• Երկրորդ պայմանայն է, որ յուրաքանչյուր ատոմ է էլեկտրականորեն չեզոք. Դա անելու համար այն պետք է ունենա բավականաչափ էլեկտրոններ, որպեսզի հավասարակշռի միջուկի լիցքը: Այլ կերպ ասած, ատոմի էլեկտրոնների թիվը հավասար է պրոտոնների թվինիր հիմքում, և այս տարրի սերիական համարը Պարբերական համակարգում.