Bab II Struktur atom dan hukum periodik.

Atom adalah partikel terkecil unsur kimia, yang mempertahankan semua Sifat kimia. Sebuah atom terdiri dari inti yang memiliki positif muatan listrik, dan elektron bermuatan negatif. Muatan inti dari setiap unsur kimia sama dengan produk dari Z dan e, di mana Z adalah nomor seri elemen yang diberikan dalam sistem periodik unsur kimia, e adalah nilai muatan listrik dasar.

Elektron- ini adalah partikel terkecil dari suatu zat dengan muatan listrik negatif e=1.6·10 -19 coulomb, diambil sebagai muatan listrik dasar. Elektron, yang berputar di sekitar nukleus, terletak di kulit elektron K, L, M, dll. K adalah kulit yang paling dekat dengan nukleus. Ukuran atom ditentukan oleh ukuran kulit elektronnya. Sebuah atom dapat kehilangan elektron dan menjadi ion positif, atau mendapatkan elektron dan menjadi ion negatif. Muatan ion menentukan jumlah elektron yang hilang atau diperoleh. Proses perubahan atom netral menjadi ion bermuatan disebut ionisasi.

inti atom(bagian tengah atom) terdiri dari partikel nuklir elementer - proton dan neutron. Jari-jari inti sekitar seratus ribu kali lebih kecil dari jari-jari atom. Kepadatan inti atom sangat tinggi. Proton- Ini adalah partikel elementer stabil yang memiliki muatan listrik positif satuan dan massa 1836 kali lebih besar dari massa elektron. Proton adalah inti dari unsur paling ringan, hidrogen. Jumlah proton dalam inti adalah Z. neutron adalah partikel elementer netral (tidak bermuatan listrik) dengan massa yang sangat dekat dengan massa proton. Karena massa inti adalah jumlah massa proton dan neutron, jumlah neutron dalam inti atom adalah A - Z, di mana A adalah nomor massa isotop tertentu (lihat). Proton dan neutron yang membentuk inti disebut nukleon. Di dalam nukleus, nukleon terikat oleh gaya nuklir khusus.

PADA inti atom ada simpanan besar energi yang dilepaskan selama reaksi nuklir. Reaksi nuklir terjadi ketika inti atom berinteraksi dengan partikel elementer atau dengan inti unsur lain. Sebagai hasil dari reaksi nuklir, inti baru terbentuk. Misalnya, neutron dapat berubah menjadi proton. Dalam hal ini, partikel beta, yaitu elektron, dikeluarkan dari nukleus.

Transisi dalam inti proton menjadi neutron dapat dilakukan dengan dua cara: baik partikel dengan massa sama dengan massa elektron, tetapi dengan muatan positif, yang disebut positron (peluruhan positron), dipancarkan dari nukleus, atau nukleus menangkap salah satu elektron dari kulit K terdekat (penangkapan K).

Kadang-kadang inti yang terbentuk memiliki kelebihan energi (dalam keadaan tereksitasi) dan, melewati keadaan normal, melepaskan kelebihan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang yang sangat pendek -. Energi yang dilepaskan dalam reaksi nuklir secara praktis digunakan dalam berbagai industri industri.

Atom (bahasa Yunani atomos - tak terbagi) adalah partikel terkecil dari unsur kimia yang memiliki sifat kimianya. Setiap unsur terdiri dari jenis atom tertentu. Struktur atom termasuk inti yang membawa muatan listrik positif, dan elektron bermuatan negatif (lihat), membentuk kulit elektroniknya. Nilai muatan listrik inti sama dengan Z-e, di mana e adalah muatan listrik dasar, sama besarnya dengan muatan elektron (4,8 10 -10 e.-st unit), dan Z adalah nomor atom unsur ini dalam sistem periodik unsur kimia (lihat .). Karena atom yang tidak terionisasi bersifat netral, jumlah elektron yang termasuk di dalamnya juga sama dengan Z. Komposisi inti (lihat. Inti atom) termasuk nukleon, partikel elementer dengan massa sekitar 1840 kali lebih besar dari massa suatu elektron (sama dengan 9,1 10 - 28 g), proton (lihat), bermuatan positif, dan neutron tanpa muatan (lihat). Jumlah nukleon dalam inti disebut nomor massa dan dilambangkan dengan huruf A. Jumlah proton dalam inti, sama dengan Z, menentukan jumlah elektron yang memasuki atom, struktur kulit elektron, dan kimia sifat-sifat atom. Jumlah neutron dalam inti adalah A-Z. Isotop disebut varietas dari unsur yang sama, yang atom-atomnya berbeda satu sama lain dalam nomor massa A, tetapi memiliki Z yang sama. Jadi, dalam inti atom berbagai isotop dari satu unsur terdapat nomor berbeda neutron untuk jumlah proton yang sama. Saat menentukan isotop, nomor massa A ditulis di bagian atas simbol unsur, dan nomor atom di bagian bawah; misalnya, isotop oksigen dilambangkan:

Dimensi atom ditentukan oleh dimensi kulit elektron dan untuk semua Z adalah sekitar 10 -8 cm Karena massa semua elektron atom beberapa ribu kali lebih kecil dari massa inti, massa atom atom sebanding dengan nomor massa. Massa relatif atom dari isotop tertentu ditentukan dalam kaitannya dengan massa atom karbon isotop C12, diambil sebagai 12 unit, dan disebut massa isotop. Ternyata mendekati nomor massa isotop yang sesuai. Berat relatif atom suatu unsur kimia adalah nilai rata-rata (dengan mempertimbangkan kelimpahan relatif isotop suatu unsur tertentu) dari berat isotop dan disebut berat atom (massa).

Atom adalah sistem mikroskopis, dan struktur serta sifatnya hanya dapat dijelaskan dengan bantuan teori kuantum, yang dibuat terutama pada tahun 20-an abad ke-20 dan dimaksudkan untuk menggambarkan fenomena pada skala atom. Percobaan telah menunjukkan bahwa mikropartikel - elektron, proton, atom, dll - selain yang sel, memiliki sifat gelombang yang memanifestasikan dirinya dalam difraksi dan interferensi. Dalam teori kuantum, medan gelombang tertentu yang dicirikan oleh fungsi gelombang (-fungsi) digunakan untuk menggambarkan keadaan objek mikro. Fungsi ini menentukan probabilitas keadaan yang mungkin dari suatu objek mikro, yaitu, mencirikan kemungkinan potensial untuk manifestasi satu atau lain sifat-sifatnya. Hukum variasi fungsi dalam ruang dan waktu (persamaan Schrödinger), yang memungkinkan untuk menemukan fungsi ini, memainkan peran yang sama dalam teori kuantum seperti hukum gerak Newton dalam mekanika klasik. Penyelesaian persamaan Schrödinger dalam banyak kasus mengarah pada kemungkinan keadaan sistem yang diskrit. Jadi, misalnya, dalam kasus atom, serangkaian fungsi gelombang untuk elektron diperoleh sesuai dengan nilai energi yang berbeda (terkuantisasi). Sistem tingkat energi atom, yang dihitung dengan metode teori kuantum, telah menerima konfirmasi brilian dalam spektroskopi. Transisi atom dari keadaan dasar yang sesuai dengan yang terendah tingkat energi E 0 , dalam salah satu keadaan tereksitasi E i terjadi ketika bagian tertentu dari energi E i - E 0 diserap. Sebuah atom tereksitasi masuk ke keadaan kurang tereksitasi atau dasar, biasanya dengan emisi foton. Dalam hal ini, energi foton hv sama dengan perbedaan antara energi atom dalam dua keadaan: hv= E i - E k di mana h adalah konstanta Planck (6,62·10 -27 erg·sec), v adalah frekuensi cahaya.

Selain spektrum atom, teori kuantum telah memungkinkan untuk menjelaskan sifat-sifat atom lainnya. Khususnya, valensi, sifat ikatan kimia dan struktur molekul, teori sistem periodik unsur diciptakan.

Ukuran dan massa atom kecil. Jari-jari atom adalah 10 -10 m, dan jari-jari inti adalah 10 -15 m Massa atom ditentukan dengan membagi massa satu mol atom suatu unsur dengan jumlah atom dalam 1 mol (NA \u003d 6,02 10 23 mol -1). Massa atom bervariasi dalam 10 -27 ~ 10 -25 kg. Massa atom biasanya dinyatakan dalam satuan massa atom (amu). Untuk pagi 1/12 massa atom dari isotop karbon 12 C diadopsi.

Ciri utama atom adalah muatan inti (Z) dan nomor massa (A). Jumlah elektron dalam suatu atom sama dengan muatan inti atom. Sifat-sifat atom ditentukan oleh muatan inti atom, jumlah elektron, dan keadaannya dalam atom.

Sifat dasar dan struktur inti (teori susunan inti atom)

1. Inti atom semua unsur (kecuali hidrogen) terdiri dari proton dan neutron.

2. Jumlah proton dalam inti menentukan nilai muatan positifnya (Z). Z- nomor seri unsur kimia dalam sistem periodik Mendeleev.

3. Jumlah total proton dan neutron adalah nilai massanya, karena massa atom terutama terkonsentrasi di nukleus (99,97% dari massa atom). Partikel nuklir - proton dan neutron - bergabung di bawah nama yang umum nukleon(dari kata latin nukleus, yang berarti "inti"). Jumlah total nukleon sesuai dengan - nomor massa, mis. dibulatkan menjadi bilangan bulat massa atom TETAPI.

inti dengan yang sama Z, tapi berbeda TETAPI ditelepon isotop. Kernel, yang, pada saat yang sama TETAPI berbeda Z, disebut isobar. Secara total, sekitar 300 isotop stabil unsur kimia dan lebih dari 2000 isotop radioaktif alami dan buatan diketahui.

4. Jumlah neutron dalam inti N dapat ditemukan dengan selisih antara nomor massa ( TETAPI) dan nomor seri ( Z):

5. Ukuran inti ditandai radius inti, yang memiliki makna bersyarat karena kaburnya batas inti.

Massa jenis zat inti berada pada urutan 10 17 kg/m 3 dan konstan untuk semua inti. Ini sangat melebihi kepadatan zat biasa terpadat.

Teori proton-neutron memungkinkan untuk menyelesaikan kontradiksi yang muncul sebelumnya dalam gagasan tentang komposisi inti atom dan hubungannya dengan nomor seri dan massa atom.

Energi ikat inti ditentukan oleh jumlah kerja yang harus dilakukan untuk memecah nukleus menjadi nukleon penyusunnya tanpa memberikan energi kinetik kepada mereka. Berdasarkan hukum kekekalan energi, energi yang sama harus dilepaskan selama pembentukan nukleus, yang harus dikeluarkan dalam pemecahan nukleus menjadi nukleon-nukleon penyusunnya. Energi ikat inti adalah selisih antara energi semua nukleon bebas yang menyusun inti dan energinya di dalam inti.

Ketika nukleus terbentuk, massanya berkurang: massa nukleus lebih kecil dari jumlah massa nukleon penyusunnya. Penurunan massa inti selama pembentukannya dijelaskan oleh pelepasan energi ikat. Jika sebuah W adalah nilai energi yang dilepaskan selama pembentukan inti, maka massa yang sesuai Dm, sama dengan

ditelepon cacat massa dan mencirikan penurunan massa total selama pembentukan nukleus dari nukleon penyusunnya. Satu satuan massa atom sesuai dengan satuan energi atom(a.u.e.): a.u.e.=931,5016 MeV.

Energi ikat spesifik inti w energi ikat per nukleon disebut: w sv= . Nilai w cw rata-rata 8 MeV/nukleon. Karena jumlah nukleon dalam nukleus meningkat energi spesifik koneksi semakin berkurang.

Kriteria kestabilan inti atom adalah rasio antara jumlah proton dan neutron dalam inti stabil untuk isobar tertentu. ( TETAPI= konstan).

kekuatan nuklir

1. Interaksi nuklir menunjukkan bahwa ada yang khusus kekuatan nuklir, tidak dapat direduksi menjadi salah satu jenis gaya yang dikenal dalam fisika klasik (gravitasi dan elektromagnetik).

2. Gaya nuklir adalah gaya jarak pendek. Mereka muncul hanya pada jarak yang sangat kecil antara nukleon dalam inti orde 10-15 m.Panjangnya (1,5-2.2) 10-15 disebut jangkauan kekuatan nuklir.

3. Penemuan kekuatan nuklir mengisi kemerdekaan: daya tarik antara dua nukleon adalah sama terlepas dari keadaan muatan nukleon - proton atau nukleon. Independensi muatan gaya nuklir dilihat dari perbandingan energi ikat dalam inti cermin. Ini adalah nama nukleus, di mana sama jumlah total nukleon, tetapi jumlah proton di salah satu sama dengan jumlah neutron di yang lain. Misalnya, inti helium hidrogen berat tritium - .

4. Gaya nuklir memiliki sifat kejenuhan, yang memanifestasikan dirinya dalam kenyataan bahwa nukleon dalam nukleus hanya berinteraksi dengan sejumlah nukleon tetangga yang paling dekat dengannya. Itulah sebabnya ada ketergantungan linier energi ikat inti pada nomor massanya (A). Kejenuhan gaya nuklir yang hampir sempurna dicapai dalam partikel-a, yang merupakan formasi yang sangat stabil.

Radioaktivitas, g - radiasi, a dan b - peluruhan

1.radioaktivitas disebut transformasi isotop tidak stabil dari satu unsur kimia menjadi isotop unsur lain, disertai dengan emisi partikel dasar, inti atau sinar-x keras. radioaktivitas alam disebut radioaktivitas yang diamati pada isotop tidak stabil yang terjadi secara alami. radioaktivitas buatan disebut radioaktivitas isotop yang diperoleh sebagai hasil reaksi nuklir.

2. Biasanya, semua jenis radioaktivitas disertai dengan pancaran radiasi gamma - gelombang listrik keras dengan panjang gelombang pendek. Radiasi gamma adalah bentuk utama pengurangan energi produk tereksitasi dari transformasi radioaktif. Inti yang mengalami peluruhan radioaktif disebut keibuan; muncul anak nukleus, sebagai suatu peraturan, ternyata tereksitasi, dan transisinya ke keadaan dasar disertai dengan emisi foton-g.

3. peluruhan alfa disebut emisi inti unsur kimia tertentu a - partikel. Peluruhan alfa adalah sifat inti berat dengan nomor massa TETAPI>200 dan biaya inti Z>82. Di dalam inti seperti itu, partikel-a terpisah terbentuk, masing-masing terdiri dari dua proton dan dua neutron, yaitu. sebuah atom dari suatu unsur terbentuk yang dipindahkan dalam tabel sistem periodik unsur D.I. Mendeleev (PSE) dua sel di sebelah kiri elemen radioaktif asli dengan nomor massa kurang dari 4 unit(Aturan Soddy-Faience):

4. Istilah peluruhan beta menunjukkan tiga jenis transformasi nuklir: elektronik(pita positron(b+) meluruh, dan juga penangkapan elektronik.

b-peluruhan terjadi terutama di inti yang relatif kaya neutron. Dalam hal ini, inti neutron meluruh menjadi proton, elektron, dan antineutrino () dengan muatan dan massa nol.

Selama peluruhan b, nomor massa isotop tidak berubah, karena jumlah total proton dan neutron dipertahankan, dan muatannya bertambah 1. Oleh karena itu, atom dari unsur kimia yang dihasilkan digeser oleh PSE satu sel ke kanan dari unsur asli, dan nomor massanya tidak berubah(Aturan Soddy-Faience):

peluruhan b+ terjadi terutama pada inti yang relatif kaya proton. Dalam hal ini, proton inti meluruh menjadi neutron, positron, dan neutrino ().

.

Selama peluruhan b + -, nomor massa isotop tidak berubah, karena jumlah total proton dan neutron dipertahankan, dan muatan berkurang 1. Oleh karena itu, atom dari unsur kimia yang dihasilkan digeser oleh PSE satu sel ke kiri dari unsur asli, dan nomor massanya tidak berubah(Aturan Soddy-Faience):

5. Dalam kasus penangkapan elektron, transformasi terdiri dari hilangnya salah satu elektron di lapisan yang paling dekat dengan nukleus. Proton, berubah menjadi neutron, "menangkap" elektron, seolah-olah; di sinilah istilah "penangkapan elektronik" berasal. Penangkapan elektronik, berbeda dengan penangkapan b±, disertai dengan emisi sinar-X karakteristik.

6. b - peluruhan terjadi pada inti radioaktif alami, serta radioaktif buatan; b+-peluruhan khas hanya untuk fenomena radioaktivitas buatan.

7. radiasi g: ketika tereksitasi, inti atom memancarkan radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang pendek dan frekuensi tinggi, dengan kekakuan dan daya tembus yang lebih besar daripada sinar X. Akibatnya, energi inti berkurang, sedangkan nomor massa dan muatan inti tetap tidak berubah. Oleh karena itu, transformasi unsur kimia menjadi unsur lain tidak diamati, dan inti atom beralih ke keadaan yang kurang tereksitasi.

Mari kita bicara tentang bagaimana menemukan proton, neutron dan elektron. Ada tiga jenis partikel elementer dalam sebuah atom, dan masing-masing memiliki muatan elementernya sendiri, massa.

Struktur nukleus

Untuk memahami bagaimana menemukan proton, neutron dan elektron, bayangkan Itu adalah bagian utama dari atom. Di dalam nukleus terdapat proton dan neutron yang disebut nukleon. Di dalam nukleus, partikel-partikel ini dapat saling masuk.

Misalnya, untuk menemukan proton, neutron, dan elektron di dalamnya, perlu diketahui nomor serinya. Menimbang bahwa elemen inilah yang memimpin sistem periodik, maka intinya mengandung satu proton.

Diameter inti atom adalah seperseribu dari ukuran total atom. Ini berisi sebagian besar dari seluruh atom. Massa inti adalah ribuan kali lebih besar dari jumlah semua elektron yang ada dalam atom.

Karakterisasi partikel

Pertimbangkan cara menemukan proton, neutron, dan elektron dalam atom, dan pelajari fitur-fiturnya. Proton adalah salah satu yang sesuai dengan inti atom hidrogen. Massanya melebihi elektron sebanyak 1836 kali. Untuk menentukan satuan listrik yang melewati penghantar dengan persilangan, menggunakan muatan listrik.

Setiap atom memiliki sejumlah proton dalam nukleusnya. Ini adalah nilai konstan, mencirikan bahan kimia dan properti fisik elemen ini.

Bagaimana cara menemukan proton, neutron, dan elektron dalam atom karbon? Nomor atom unsur kimia ini adalah 6, oleh karena itu, inti mengandung enam proton. Menurut sistem planet, enam elektron bergerak dalam orbit di sekitar nukleus. Untuk menentukan jumlah neutron dari nilai karbon (12) kurangi jumlah proton (6), kita mendapatkan enam neutron.

Untuk atom besi, jumlah proton sesuai dengan 26, yaitu, elemen ini memiliki nomor seri ke-26 dalam tabel periodik.

Neutron adalah partikel netral secara elektrik, tidak stabil dalam keadaan bebas. Neutron dapat secara spontan berubah menjadi proton bermuatan positif, sambil memancarkan antineutrino dan elektron. Periode tengah waktu paruhnya adalah 12 menit. Nomor massa- ini adalah nilai total jumlah proton dan neutron di dalam inti atom. Mari kita coba mencari tahu bagaimana menemukan proton, neutron, dan elektron dalam sebuah ion? Jika sebuah atom memperoleh keadaan oksidasi positif selama interaksi kimia dengan unsur lain, maka jumlah proton dan neutron di dalamnya tidak berubah, hanya elektron yang menjadi lebih kecil.

Kesimpulan

Ada beberapa teori tentang struktur atom, tetapi tidak satupun dari mereka yang layak. Sebelum versi yang dibuat oleh Rutherford, tidak ada penjelasan rinci tentang lokasi proton dan neutron di dalam nukleus, serta rotasi elektron dalam orbit melingkar. Setelah munculnya teori struktur planet atom, peneliti memiliki kesempatan tidak hanya untuk menentukan jumlah partikel elementer dalam suatu atom, tetapi juga untuk memprediksi sifat fisik dan kimia suatu unsur kimia tertentu.

Begitu kebetulan bertemu dengan objek yang tidak diketahui, pertanyaan sehari-hari pedagang tentu muncul - berapa beratnya. Tetapi jika yang tidak diketahui ini adalah partikel elementer, lalu bagaimana? Tapi tidak ada, pertanyaannya tetap sama: berapa massa partikel ini. Jika seseorang menghitung biaya yang dikeluarkan oleh umat manusia untuk memuaskan rasa ingin tahu mereka untuk penelitian, lebih tepatnya, pengukuran, massa partikel elementer, maka kita akan menemukan bahwa, misalnya, massa neutron dalam kilogram dengan jumlah yang membingungkan. jumlah nol setelah titik desimal, merugikan umat manusia lebih banyak, daripada kebanyakan konstruksi mahal dengan jumlah nol yang sama sebelum titik desimal.

Dan semuanya dimulai dengan sangat biasa: di laboratorium yang dipimpin oleh J. J. Thomson pada tahun 1897, studi tentang sinar katoda dilakukan. Akibatnya, konstanta universal untuk Semesta ditentukan - nilai rasio massa elektron terhadap muatannya. Sebelum menentukan massa elektron, hanya ada sedikit yang tersisa - untuk menentukan muatannya. Setelah 12 tahun ia berhasil melakukannya. Dia bereksperimen dengan jatuh Medan listrik tetesan minyak, dan dia berhasil tidak hanya dalam menyeimbangkan beratnya dengan besarnya medan, tetapi juga dalam melakukan pengukuran yang diperlukan dan sangat rumit. Hasilnya adalah nilai numerik dari massa elektron:

saya = 9.10938215(15) * 10-31kg.

Pada saat ini, studi tentang struktur juga termasuk di mana perintisnya adalah Ernest Rutherford. Dialah yang, mengamati hamburan partikel bermuatan, mengusulkan model atom dengan kulit elektron terluar dan inti positif. Partikel, yang diusulkan peran inti atom paling sederhana, diperoleh dengan membombardir nitrogen. Ini adalah yang pertama reaksi nuklir, diperoleh di laboratorium - sebagai hasilnya, oksigen dan inti masa depan yang disebut proton diperoleh dari nitrogen. Namun, sinar alfa terdiri dari partikel kompleks: selain dua proton, mereka mengandung dua neutron lagi. Massa neutron hampir sama, dan massa total partikel alfa ternyata cukup padat untuk menghancurkan inti yang mendekat dan memisahkan "sepotong" darinya, yang terjadi.

Aliran proton positif dibelokkan Medan listrik, mengkompensasi penyimpangan yang disebabkan oleh eksperimen ini, tidak lagi sulit untuk menentukan massa proton. Tetapi yang paling menarik adalah pertanyaan tentang perbandingan massa proton dan elektron. Teka-teki itu segera dipecahkan: massa proton melebihi massa elektron sedikit lebih dari 1836 kali.

Jadi, pada awalnya, model atom dianggap, menurut Rutherford, sebagai himpunan elektron-proton dengan nomor yang sama proton dan elektron. Namun, ternyata model nuklir primer tidak sepenuhnya menggambarkan semua efek yang diamati pada interaksi partikel elementer. Hanya pada tahun 1932 dia mengkonfirmasi hipotesis partikel tambahan dalam komposisi nukleus. Mereka disebut neutron, proton netral, karena. mereka tidak dikenakan biaya. Keadaan inilah yang menentukan kemampuan penetrasi mereka yang hebat - mereka tidak menghabiskan energi mereka untuk ionisasi atom yang datang. Massa neutron sangat sedikit lebih besar dari massa proton - hanya sekitar 2,6 massa elektron lebih.

Sifat kimia zat dan senyawa yang dibentuk oleh unsur tertentu ditentukan oleh jumlah proton dalam inti atom. Seiring waktu, partisipasi proton dalam interaksi fundamental yang kuat dan lainnya dikonfirmasi: elektromagnetik, gravitasi, dan lemah. Dalam hal ini, terlepas dari kenyataan bahwa muatan neutron tidak ada, dengan interaksi yang kuat, proton dan neutron dianggap sebagai partikel elementer, nukleon dalam keadaan kuantum yang berbeda. Sebagian, kesamaan perilaku partikel-partikel ini juga dijelaskan oleh fakta bahwa massa neutron sangat sedikit berbeda dari massa proton. Stabilitas proton memungkinkan mereka untuk digunakan setelah berakselerasi ke kecepatan tinggi, sebagai partikel yang membombardir untuk reaksi nuklir.

→

Sudah diketahui banyak orang dari sekolah bahwa semua materi terdiri dari atom. Atom, pada gilirannya, terdiri dari proton dan neutron yang membentuk inti atom dan elektron yang terletak agak jauh dari inti. Banyak juga yang mendengar bahwa cahaya juga terdiri dari partikel - foton. Namun, dunia partikel tidak terbatas pada ini. Sampai saat ini, lebih dari 400 partikel elementer yang berbeda telah diketahui. Mari kita coba memahami bagaimana partikel elementer berbeda satu sama lain.

Ada banyak parameter di mana partikel elementer dapat dibedakan satu sama lain:

• Bobot.
• Muatan listrik.
• Seumur hidup. Hampir semua partikel elementer memiliki masa hidup yang terbatas setelah itu mereka meluruh.
• Putaran. Hal ini dapat, sangat kira-kira, dianggap sebagai momen rotasi.

Beberapa parameter lagi, atau seperti yang biasa disebut dalam ilmu bilangan kuantum. Parameter ini tidak selalu jelas arti fisik, tetapi mereka diperlukan untuk membedakan satu partikel dari yang lain. Semua ini Opsi tambahan diperkenalkan sebagai beberapa kuantitas yang dipertahankan dalam interaksi.

Hampir semua partikel memiliki massa, kecuali foton dan neutrino (menurut data terakhir, neutrino memiliki massa, tetapi sangat kecil sehingga sering dianggap nol). Tanpa massa partikel hanya bisa eksis dalam gerak. Massa semua partikel berbeda. Elektron memiliki massa minimum, selain neutrino. Partikel yang disebut meson memiliki massa 300-400 kali lebih besar dari massa elektron, proton dan neutron hampir 2000 kali lebih berat dari elektron. Partikel yang hampir 100 kali lebih berat dari proton telah ditemukan. Massa, (atau setara energinya menurut rumus Einstein:

dipertahankan dalam semua interaksi partikel elementer.

Tidak semua partikel memiliki muatan listrik, yang berarti tidak semua partikel dapat berpartisipasi dalam interaksi elektromagnetik. Untuk semua partikel yang ada secara bebas, muatan listrik adalah kelipatan dari muatan elektron. Selain partikel yang ada secara bebas, ada juga partikel yang hanya ditemukan di keadaan terikat, kita akan membicarakannya nanti.

Spin, serta bilangan kuantum lain dari partikel yang berbeda berbeda dan mencirikan keunikannya. Beberapa bilangan kuantum dilestarikan dalam beberapa interaksi, beberapa lainnya. Semua bilangan kuantum ini menentukan partikel mana yang berinteraksi dengan mana dan bagaimana.

Masa hidup juga merupakan karakteristik yang sangat penting dari sebuah partikel, dan kami akan mempertimbangkannya secara lebih rinci. Mari kita mulai dengan sebuah catatan. Seperti yang kami katakan di awal artikel, segala sesuatu yang mengelilingi kita terdiri dari atom (elektron, proton, dan neutron) dan cahaya (foton). Mana yang ratusan lagi? berbagai macam partikel dasar. Jawabannya sederhana - di mana-mana di sekitar kita, tetapi kita tidak menyadarinya karena dua alasan.

Yang pertama adalah bahwa hampir semua partikel lain hidup sangat sedikit, sekitar 10 hingga minus 10 detik atau kurang, dan karena itu tidak membentuk struktur seperti atom, kisi kristal dll. Alasan kedua menyangkut neutrino, meskipun partikel-partikel ini tidak membusuk, mereka hanya tunduk pada interaksi yang lemah dan gravitasi. Ini berarti bahwa partikel-partikel ini berinteraksi sangat sedikit sehingga hampir tidak mungkin untuk mendeteksinya.

Mari kita visualisasikan apa yang mengungkapkan seberapa baik partikel berinteraksi. Misalnya, aliran elektron dapat dihentikan cukup lembaran tipis baja, pada urutan beberapa milimeter. Ini akan terjadi karena elektron akan segera mulai berinteraksi dengan partikel lembaran baja, mereka akan mengubah arahnya secara tajam, memancarkan foton, dan dengan demikian kehilangan energi dengan lebih cepat. Semuanya salah dengan aliran neutrino, mereka dapat melewatinya hampir tanpa interaksi bola bumi. Itulah mengapa sangat sulit untuk menemukan mereka.

Jadi, sebagian besar partikel hidup sangat waktu yang singkat, setelah itu hancur. Peluruhan partikel adalah reaksi yang paling umum. Sebagai hasil peluruhan, satu partikel pecah menjadi beberapa partikel lain yang bermassa lebih kecil, dan partikel itu, pada gilirannya, meluruh lebih jauh. Semua meluruh patuh aturan tertentu- hukum konservasi. Jadi, misalnya, sebagai akibat peluruhan, muatan listrik, massa, putaran, dan sejumlah bilangan kuantum harus dilestarikan. Beberapa bilangan kuantum dapat berubah selama peluruhan, tetapi juga tunduk pada aturan tertentu. Ini adalah aturan peluruhan yang memberitahu kita bahwa elektron dan proton adalah partikel yang stabil. Mereka tidak bisa lagi membusuk dengan mematuhi aturan peluruhan, dan karena itu dengan merekalah rantai peluruhan berakhir.

Di sini saya ingin mengatakan beberapa kata tentang neutron. Neutron bebas juga meluruh menjadi proton dan elektron dalam waktu sekitar 15 menit. Namun, ketika neutron berada di dalam inti atom, hal ini tidak terjadi. Fakta ini dapat dijelaskan cara yang berbeda. Misalnya, ketika elektron dan proton ekstra dari neutron yang membusuk muncul di inti atom, reaksi sebaliknya segera terjadi - salah satu proton menyerap elektron dan berubah menjadi neutron. Gambar ini disebut keseimbangan dinamis. Itu diamati di alam semesta pada tahap awal perkembangannya tak lama setelah big bang.

Selain reaksi peluruhan, ada juga reaksi hamburan - ketika dua atau lebih partikel berinteraksi secara bersamaan, dan hasilnya adalah satu atau lebih partikel lain. Ada juga reaksi penyerapan, ketika satu diperoleh dari dua atau lebih partikel. Semua reaksi terjadi sebagai akibat dari interaksi kuat lemah atau elektromagnetik. Reaksi karena interaksi kuat adalah yang tercepat, waktu reaksi seperti itu bisa mencapai 10 hingga minus 20 detik. Kecepatan reaksi akibat interaksi elektromagnetik lebih rendah, di sini waktunya bisa sekitar 10 hingga minus 8 detik. Untuk reaksi interaksi lemah, waktunya bisa mencapai puluhan detik bahkan terkadang bertahun-tahun.

Di akhir cerita tentang partikel, mari kita bicara tentang quark. Quark adalah partikel elementer yang memiliki muatan listrik yang merupakan kelipatan sepertiga dari muatan elektron dan yang tidak dapat eksis dalam keadaan bebas. Interaksi mereka diatur sedemikian rupa sehingga mereka dapat hidup hanya sebagai bagian dari sesuatu. Misalnya, kombinasi tiga quark dari jenis tertentu membentuk proton. Kombinasi lain memberikan neutron. Sebanyak 6 quark diketahui. Berbagai kombinasi mereka memberi kita partikel yang berbeda, dan meskipun tidak semua kombinasi quark diizinkan oleh hukum fisika, ada cukup banyak partikel yang tersusun dari quark.

Di sini mungkin timbul pertanyaan, bagaimana sebuah proton bisa disebut elementer jika terdiri dari quark. Sangat sederhana - proton bersifat elementer, karena tidak dapat dipecah menjadi bagian-bagian komponennya - quark. Semua partikel yang berpartisipasi dalam interaksi kuat terdiri dari quark, dan pada saat yang sama bersifat elementer.

Memahami interaksi partikel elementer sangat penting untuk memahami struktur alam semesta. Segala sesuatu yang terjadi pada benda makro adalah hasil interaksi partikel. Ini adalah interaksi partikel yang menggambarkan pertumbuhan pohon di bumi, reaksi di kedalaman bintang, radiasi bintang neutron, dan banyak lagi.

Probabilitas dan mekanika kuantum

>