Capitolo II La struttura degli atomi e la legge periodica.

Un atomo è la particella più piccola elemento chimico, che conserva tutto Proprietà chimiche. Un atomo è costituito da un nucleo che ha un positivo carica elettrica, ed elettroni caricati negativamente. La carica del nucleo di qualsiasi elemento chimico è uguale al prodotto di Z ed e, dove Z è il numero di serie dato elemento nel sistema periodico degli elementi chimici, e è il valore della carica elettrica elementare.

elettrone- questa è la particella più piccola di una sostanza con carica elettrica negativa e=1.6·10 -19 coulomb, assunta come carica elettrica elementare. Gli elettroni, che ruotano attorno al nucleo, si trovano sui gusci di elettroni K, L, M, ecc. K è il guscio più vicino al nucleo. La dimensione di un atomo è determinata dalla dimensione del suo guscio di elettroni. Un atomo può perdere elettroni e diventare uno ione positivo, oppure guadagnare elettroni e diventare uno ione negativo. La carica di uno ione determina il numero di elettroni persi o guadagnati. Il processo di trasformazione di un atomo neutro in uno ione carico è chiamato ionizzazione.

nucleo atomico(la parte centrale dell'atomo) è costituita da particelle nucleari elementari: protoni e neutroni. Il raggio del nucleo è circa centomila volte più piccolo del raggio dell'atomo. La densità del nucleo atomico è estremamente alta. protoni- Si tratta di particelle elementari stabili aventi una carica elettrica positiva unitaria e una massa 1836 volte maggiore della massa di un elettrone. Il protone è il nucleo dell'elemento più leggero, l'idrogeno. Il numero di protoni nel nucleo è Z. Neutroneè una particella elementare neutra (non avente carica elettrica) con una massa molto vicina alla massa di un protone. Poiché la massa del nucleo è la somma della massa dei protoni e dei neutroni, il numero di neutroni nel nucleo di un atomo è A - Z, dove A è il numero di massa di un dato isotopo (vedi). Il protone e il neutrone che compongono il nucleo sono chiamati nucleoni. Nel nucleo, i nucleoni sono legati da speciali forze nucleari.

A nucleo atomico c'è un'enorme riserva di energia che viene rilasciata durante le reazioni nucleari. Le reazioni nucleari si verificano quando i nuclei atomici interagiscono con particelle elementari o con i nuclei di altri elementi. Come risultato delle reazioni nucleari, si formano nuovi nuclei. Ad esempio, un neutrone può trasformarsi in un protone. In questo caso, una particella beta, cioè un elettrone, viene espulsa dal nucleo.

La transizione nel nucleo di un protone in un neutrone può avvenire in due modi: o viene emessa una particella con massa uguale alla massa di un elettrone, ma con carica positiva, chiamata positrone (decadimento del positrone). il nucleo, o il nucleo, cattura uno degli elettroni dal guscio K più vicino (K-capture).

A volte il nucleo formato ha un eccesso di energia (è in uno stato eccitato) e, passando allo stato normale, rilascia energia in eccesso sotto forma di radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda molto corta -. L'energia rilasciata nelle reazioni nucleari viene praticamente utilizzata vari settori industria.

Un atomo (atomos greco - indivisibile) è la particella più piccola di un elemento chimico che ha le sue proprietà chimiche. Ogni elemento è costituito da determinati tipi di atomi. La struttura di un atomo include il kernel che trasporta una carica elettrica positiva ed elettroni caricati negativamente (vedi), che formano i suoi gusci elettronici. Il valore della carica elettrica del nucleo è uguale a Z-e, dove e è la carica elettrica elementare, uguale in grandezza alla carica dell'elettrone (4,8 10 -10 e.-st. unità), e Z è il numero atomico di questo elemento nel sistema periodico degli elementi chimici (vedi .). Poiché un atomo non ionizzato è neutro, anche il numero di elettroni in esso contenuti è uguale a Z. La composizione del nucleo (vedi. Nucleo atomico) comprende nucleoni, particelle elementari con una massa circa 1840 volte maggiore della massa di un atomo elettrone (uguale a 9,1 10 - 28 g), protoni (vedi), neutroni carichi positivamente e senza carica (vedi). Il numero di nucleoni nel nucleo è chiamato numero di massa ed è indicato dalla lettera A. Il numero di protoni nel nucleo, pari a Z, determina il numero di elettroni che entrano nell'atomo, la struttura dei gusci di elettroni e la sostanza chimica proprietà dell'atomo. Il numero di neutroni nel nucleo è A-Z. Gli isotopi sono chiamati varietà dello stesso elemento, i cui atomi differiscono l'uno dall'altro per il numero di massa A, ma hanno la stessa Z. Quindi, nei nuclei degli atomi di vari isotopi di un elemento c'è numero diverso neutroni per lo stesso numero di protoni. Quando si designano gli isotopi, il numero di massa A viene scritto nella parte superiore del simbolo dell'elemento e il numero atomico in basso; ad esempio, gli isotopi dell'ossigeno sono indicati:

Le dimensioni dell'atomo sono determinate dalle dimensioni dei gusci di elettroni e per tutte le Z sono circa 10 -8 cm Poiché la massa di tutti gli elettroni dell'atomo è diverse migliaia di volte inferiore alla massa del nucleo, la massa di l'atomo è proporzionale al numero di massa. La massa relativa di un atomo di un dato isotopo è determinata in relazione alla massa di un atomo dell'isotopo di carbonio C 12, presa come 12 unità, ed è chiamata massa isotopica. Risulta essere vicino al numero di massa dell'isotopo corrispondente. Il peso relativo di un atomo di un elemento chimico è il valore medio (tenendo conto dell'abbondanza relativa degli isotopi di un dato elemento) del peso isotopico ed è chiamato peso atomico (massa).

Un atomo è un sistema microscopico e la sua struttura e le sue proprietà possono essere spiegate solo con l'aiuto della teoria quantistica, creata principalmente negli anni '20 del XX secolo e intesa a descrivere fenomeni su scala atomica. Gli esperimenti hanno dimostrato che le microparticelle - elettroni, protoni, atomi, ecc. - oltre a corpuscolari, hanno proprietà ondulatorie che si manifestano nella diffrazione e nell'interferenza. Nella teoria quantistica, un certo campo d'onda caratterizzato da una funzione d'onda (funzione Ψ) viene utilizzato per descrivere lo stato dei micro-oggetti. Questa funzione determina le probabilità di possibili stati di un microoggetto, cioè caratterizza le potenziali possibilità di manifestazione dell'una o dell'altra delle sue proprietà. La legge di variazione della funzione Ψ nello spazio e nel tempo (l'equazione di Schrödinger), che permette di trovare questa funzione, gioca nella teoria quantistica lo stesso ruolo delle leggi del moto di Newton nella meccanica classica. La soluzione dell'equazione di Schrödinger in molti casi porta a possibili stati discreti del sistema. Quindi, ad esempio, nel caso di un atomo, si ottiene una serie di funzioni d'onda per gli elettroni corrispondenti a diversi valori energetici (quantizzati). Il sistema dei livelli energetici dell'atomo, calcolato con i metodi della teoria quantistica, ha ricevuto brillanti conferme in spettroscopia. Transizione di un atomo dallo stato fondamentale corrispondente al più basso livello di energia E 0 , in uno qualsiasi degli stati eccitati E i si verifica quando una certa porzione dell'energia E i - E 0 viene assorbita. Un atomo eccitato entra in uno stato meno eccitato o fondamentale, di solito con l'emissione di un fotone. In questo caso l'energia del fotone hv è uguale alla differenza tra le energie di un atomo in due stati: hv= E i - E k dove h è la costante di Planck (6.62·10 -27 erg·sec), v è la frequenza di luce.

Oltre agli spettri atomici, la teoria quantistica ha permesso di spiegare altre proprietà degli atomi. In particolare, la valenza, la natura legame chimico e la struttura delle molecole, fu creata la teoria del sistema periodico degli elementi.

Le dimensioni e le masse degli atomi sono piccole. Il raggio degli atomi è 10 -10 m e il raggio del nucleo è 10 -15 m La massa di un atomo è determinata dividendo la massa di una mole di atomi di un elemento per il numero di atomi in 1 mole (NA \u003d 6,02 10 23 mol -1). La massa degli atomi varia tra 10 -27 ~ 10 -25 kg. La massa degli atomi è solitamente espressa in unità di massa atomica (a.m.u.). Per l'a.m. Viene adottato 1/12 della massa di un atomo dell'isotopo di carbonio 12 C.

Le principali caratteristiche di un atomo sono la carica del suo nucleo (Z) e il numero di massa (A). Il numero di elettroni in un atomo è uguale alla carica del suo nucleo. Le proprietà degli atomi sono determinate dalla carica dei loro nuclei, dal numero di elettroni e dal loro stato nell'atomo.

Proprietà di base e struttura del nucleo (teoria della composizione dei nuclei atomici)

1. I nuclei degli atomi di tutti gli elementi (ad eccezione dell'idrogeno) sono costituiti da protoni e neutroni.

2. Il numero di protoni nel nucleo determina il valore della sua carica positiva (Z). Z- il numero di serie di un elemento chimico nel sistema periodico di Mendeleev.

3. Il numero totale di protoni e neutroni è il valore della sua massa, poiché la massa di un atomo è concentrata principalmente nel nucleo (99,97% della massa dell'atomo). Le particelle nucleari - protoni e neutroni - si combinano sotto nome comune nucleoni(da Parola latina nucleo, che significa "nucleo"). Il numero totale di nucleoni corrisponde a - il numero di massa, cioè arrotondato per eccesso a un numero intero massa atomica MA.

nuclei con lo stesso Z, ma diverso MA chiamato isotopi. Kernel, che, allo stesso tempo MA avere diverso Z, sono chiamati isobare. In totale sono noti circa 300 isotopi stabili di elementi chimici e più di 2000 isotopi radioattivi naturali e ottenuti artificialmente.

4. Numero di neutroni nel nucleo N può essere trovato dalla differenza tra il numero di massa ( MA) e numero di serie ( Z):

5. La dimensione del nucleo è caratterizzata raggio centrale, che ha un significato condizionale dovuto alla sfocatura del confine centrale.

La densità della sostanza nucleare è dell'ordine di 10 17 kg/m 3 ed è costante per tutti i nuclei. Supera di gran lunga la densità delle sostanze ordinarie più dense.

La teoria del protone-neutrone ha permesso di risolvere le contraddizioni sorte in precedenza nelle idee sulla composizione dei nuclei atomici e sulla sua connessione con il numero di serie e la massa atomica.

Energia di legame del nucleoè determinato dalla quantità di lavoro che deve essere fatto per dividere il nucleo nei suoi nucleoni costituenti senza impartire loro energia cinetica. Dalla legge di conservazione dell'energia deriva che la stessa energia deve essere rilasciata durante la formazione di un nucleo, che deve essere spesa nella scissione del nucleo nei suoi nucleoni costituenti. L'energia di legame nucleare è la differenza tra l'energia di tutti i nucleoni liberi che compongono il nucleo e la loro energia nel nucleo.

Quando si forma un nucleo, la sua massa diminuisce: la massa del nucleo è inferiore alla somma delle masse dei suoi nucleoni costituenti. La diminuzione della massa del nucleo durante la sua formazione è spiegata dal rilascio di energia di legame. Se una wсв è il valore dell'energia rilasciata durante la formazione del nucleo, quindi la massa corrispondente Dm, pari a

chiamato difetto di massa e caratterizza la diminuzione della massa totale durante la formazione di un nucleo dai suoi nucleoni costituenti. Un'unità di massa atomica corrisponde a unità atomica di energia(a.u.e.): a.u.e.=931,5016 MeV.

L'energia di legame specifica del nucleo w l'energia di legame per nucleone è chiamata: w sv= . Valore w cw ha una media di 8 MeV/nucleone. All'aumentare del numero di nucleoni nel nucleo energia specifica le connessioni stanno diminuendo.

Il criterio per la stabilità dei nuclei atomiciè il rapporto tra il numero di protoni e neutroni in un nucleo stabile per date isobare. ( MA= cost).

forze nucleari

1. L'interazione nucleare indica che ci sono speciali forze nucleari, non riducibile a nessuno dei tipi di forze conosciute nella fisica classica (gravitazionali ed elettromagnetiche).

2. Le forze nucleari sono forze a corto raggio. Appaiono solo a distanze molto piccole tra i nucleoni nel nucleo dell'ordine di 10-15 m La lunghezza (1,5-2,2) 10-15 è chiamata gamma di forze nucleari.

3. Scoprono le forze nucleari carica indipendenza: l'attrazione tra due nucleoni è la stessa indipendentemente dallo stato di carica dei nucleoni - protone o nucleone. L'indipendenza di carica delle forze nucleari è vista da un confronto delle energie di legame in nuclei speculari. Questo è il nome del nucleo, in cui lo stesso numero totale nucleoni, ma il numero di protoni in uno è uguale al numero di neutroni nell'altro. Ad esempio, nuclei di elio trizio idrogeno pesante - .

4. Le forze nucleari hanno la proprietà della saturazione, che si manifesta nel fatto che il nucleone nel nucleo interagisce solo con un numero limitato di nucleoni vicini ad esso più vicini. Ecco perché esiste una dipendenza lineare delle energie di legame dei nuclei dai loro numeri di massa (A). La saturazione quasi completa delle forze nucleari si ottiene nella particella a, che è una formazione molto stabile.

Radioattività, g - radiazione, aeb - decadimento

1.radioattività chiamata trasformazione di isotopi instabili di un elemento chimico in isotopi di un altro elemento, accompagnata dall'emissione particelle elementari, nuclei o raggi X duri. radioattività naturale chiamata radioattività osservata negli isotopi instabili presenti in natura. radioattività artificiale chiamata radioattività degli isotopi ottenuti a seguito di reazioni nucleari.

2. Di solito, tutti i tipi di radioattività sono accompagnati dall'emissione di radiazioni gamma - onde elettriche dure a lunghezza d'onda corta. La radiazione gamma è la principale forma di riduzione dell'energia dei prodotti eccitati delle trasformazioni radioattive. Viene chiamato un nucleo in decadimento radioattivo materno; emergente bambino il nucleo, di regola, risulta essere eccitato e il suo passaggio allo stato fondamentale è accompagnato dall'emissione di un g-fotone.

3. decadimento alfa chiamato l'emissione di nuclei di alcuni elementi chimici a - particelle. Il decadimento alfa è una proprietà dei nuclei pesanti con numeri di massa MA>200 e spese di base Z>82. All'interno di tali nuclei si formano particelle a separate, ciascuna composta da due protoni e due neutroni, cioè si forma un atomo di un elemento che si sposta nella tavola del sistema periodico degli elementi di D.I. Mendeleev (PSE) due celle a sinistra dell'elemento radioattivo originale con un numero di massa inferiore a 4 unità(Regola Soddy-Faience):

4. Il termine decadimento beta denota tre tipi di trasformazioni nucleari: elettronico(gruppo musicale positrone(b+) decade, e anche cattura elettronica.

b-decadimento si verifica prevalentemente in nuclei relativamente ricchi di neutroni. In questo caso, il neutrone del nucleo decade in un protone, un elettrone e un antineutrino () con carica e massa zero.

Durante il decadimento b, il numero di massa dell'isotopo non cambia, poiché il numero totale di protoni e neutroni viene preservato e la carica aumenta di 1. Pertanto, l'atomo dell'elemento chimico risultante viene spostato dalla cella PSE di una cella a destra dell'elemento originale e il suo numero di massa non cambia(Regola Soddy-Faience):

b+-decadimento si verifica prevalentemente in nuclei relativamente ricchi di protoni. In questo caso, il protone del nucleo decade in un neutrone, un positrone e un neutrino ().

.

Durante il decadimento b + -, il numero di massa dell'isotopo non cambia, poiché il numero totale di protoni e neutroni viene preservato e la carica diminuisce di 1. Pertanto, l'atomo dell'elemento chimico risultante viene spostato dalla PSE di una cella a sinistra dell'elemento originale e il suo numero di massa non cambia(Regola Soddy-Faience):

5. Nel caso della cattura di elettroni, la trasformazione consiste nella scomparsa di uno degli elettroni nello strato più vicino al nucleo. Un protone, trasformandosi in neutrone, "cattura" un elettrone, per così dire; da qui deriva il termine "cattura elettronica". La cattura elettronica, a differenza della b±-capture, è accompagnata dalla caratteristica emissione di raggi X.

6. b - il decadimento si verifica in nuclei naturalmente radioattivi e artificialmente radioattivi; b+-decadimento è tipico solo per il fenomeno della radioattività artificiale.

7. radiazione g: quando eccitato, il nucleo di un atomo emette radiazioni elettromagnetiche con una lunghezza d'onda corta e alta frequenza, avente maggiore rigidità e potere penetrante di raggi X. Di conseguenza, l'energia del nucleo diminuisce, mentre il numero di massa e la carica del nucleo rimangono invariati. Pertanto, non si osserva la trasformazione di un elemento chimico in un altro e il nucleo di un atomo passa in uno stato meno eccitato.

Parliamo di come trovare protoni, neutroni ed elettroni. Ci sono tre tipi di particelle elementari in un atomo e ognuna ha la sua carica elementare, la massa.

La struttura del nucleo

Per capire come trovare protoni, neutroni ed elettroni, immagina che sia la parte principale dell'atomo. All'interno del nucleo ci sono protoni e neutroni chiamati nucleoni. All'interno del nucleo, queste particelle possono passare l'una nell'altra.

Ad esempio, per trovare protoni, neutroni ed elettroni in esso è necessario conoscerne il numero di serie. Considerando che è questo elemento che guida sistema periodico, quindi il suo nucleo contiene un protone.

Il diametro di un nucleo atomico è il decimillesimo della dimensione totale di un atomo. Contiene la maggior parte dell'intero atomo. La massa del nucleo è migliaia di volte maggiore della somma di tutti gli elettroni presenti nell'atomo.

Caratterizzazione delle particelle

Considera come trovare protoni, neutroni ed elettroni in un atomo e scopri le loro caratteristiche. Il protone è quello che corrisponde al nucleo dell'atomo di idrogeno. La sua massa supera l'elettrone di 1836 volte. Determinare l'unità di elettricità che passa attraverso un conduttore con un dato sezione trasversale, utilizzare una carica elettrica.

Ogni atomo ha un certo numero di protoni nel suo nucleo. È un valore costante, caratterizza la chimica e Proprietà fisiche questo elemento.

Come trovare protoni, neutroni ed elettroni in un atomo di carbonio? Il numero atomico di questo elemento chimico è 6, quindi il nucleo contiene sei protoni. Secondo il sistema planetario, sei elettroni si muovono in orbite attorno al nucleo. Per determinare il numero di neutroni dal valore del carbonio (12), sottrarre il numero di protoni (6), otteniamo sei neutroni.

Per un atomo di ferro, il numero di protoni corrisponde a 26, cioè questo elemento ha il 26° numero di serie nella tavola periodica.

Il neutrone è una particella elettricamente neutra, instabile allo stato libero. Un neutrone è in grado di trasformarsi spontaneamente in un protone caricato positivamente, emettendo un antineutrino e un elettrone. Medio periodo la sua emivita è di 12 minuti. Numero di Massa- questo è il valore totale del numero di protoni e neutroni all'interno del nucleo di un atomo. Proviamo a capire come trovare protoni, neutroni ed elettroni in uno ione? Se un atomo acquisisce uno stato di ossidazione positivo durante un'interazione chimica con un altro elemento, il numero di protoni e neutroni in esso contenuti non cambia, solo gli elettroni diventano più piccoli.

Conclusione

C'erano diverse teorie sulla struttura dell'atomo, ma nessuna era praticabile. Prima della versione creata da Rutherford, non c'era una spiegazione dettagliata sulla posizione di protoni e neutroni all'interno del nucleo, così come sulla rotazione nelle orbite circolari degli elettroni. Dopo l'avvento della teoria struttura planetaria atomo, i ricercatori hanno l'opportunità non solo di determinare il numero di particelle elementari in un atomo, ma anche di prevedere le proprietà fisiche e chimiche di un particolare elemento chimico.

Non appena capita di incontrare un oggetto sconosciuto, sorge necessariamente la domanda mercantile-quotidiana: quanto pesa. Ma se questo sconosciuto è una particella elementare, che cosa allora? Ma niente, la domanda rimane la stessa: qual è la massa di questa particella. Se qualcuno dovesse contare i costi sostenuti dall'umanità per soddisfare la sua curiosità per la ricerca, più precisamente le misurazioni, le masse delle particelle elementari, allora scopriremmo che, ad esempio, la massa di un neutrone in chilogrammi ha un valore sbalorditivo numero di zeri dopo la virgola, è costato all'umanità più della maggior parte costruzione costosa con lo stesso numero di zeri prima della virgola.

E tutto iniziò in modo molto casuale: nel laboratorio guidato da J. J. Thomson nel 1897 furono condotti studi sui raggi catodici. Di conseguenza, è stata determinata una costante universale per l'Universo: il valore del rapporto tra la massa di un elettrone e la sua carica. Prima di determinare la massa di un elettrone, rimane ben poco per determinarne la carica. Dopo 12 anni è riuscito a farlo. Ha sperimentato la caduta campo elettrico gocce d'olio, ed è riuscito non solo a bilanciare il loro peso con l'ampiezza del campo, ma anche ad effettuare le misurazioni necessarie ed estremamente delicate. Il loro risultato è il valore numerico della massa dell'elettrone:

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

A questo punto, gli studi sulla struttura appartengono anche a dove il pioniere fu Ernest Rutherford. Fu lui che, osservando la dispersione delle particelle cariche, propose un modello di atomo con un guscio di elettroni esterno e un nucleo positivo. La particella, alla quale si proponeva il ruolo del nucleo dell'atomo più semplice, è stata ottenuta bombardando l'azoto, questa è stata la prima reazione nucleare, ottenuto in laboratorio - di conseguenza, dall'azoto sono stati ottenuti ossigeno e nuclei del futuro chiamati protoni. Tuttavia, i raggi alfa sono composti da particelle complesse: oltre a due protoni, contengono altri due neutroni. La massa del neutrone è quasi uguale e la massa totale della particella alfa risulta essere abbastanza solida per distruggere il nucleo in arrivo e separarne un "pezzo", cosa che è accaduta.

Il flusso di protoni positivi è stato deviato campo elettrico, compensando la sua deviazione causata da questi esperimenti, non era più difficile determinare la massa del protone. Ma la più interessante era la domanda su quale rapporto hanno le masse di protoni ed elettroni. L'enigma è stato subito risolto: la massa del protone supera la massa dell'elettrone di poco più di 1836 volte.

Quindi, inizialmente, il modello dell'atomo doveva, secondo Rutherford, come un insieme elettrone-protone lo stesso numero protoni ed elettroni. Tuttavia, si è presto scoperto che il modello nucleare primario non descrive completamente tutti gli effetti osservati sulle interazioni delle particelle elementari. Solo nel 1932 confermò l'ipotesi di particelle aggiuntive nella composizione del nucleo. Erano chiamati neutroni, protoni neutri, perché. non avevano alcun addebito. È questa circostanza che determina la loro grande capacità di penetrazione: non spendono la loro energia per la ionizzazione degli atomi in arrivo. La massa di un neutrone è leggermente maggiore della massa di un protone - solo circa 2,6 masse di elettroni in più.

Le proprietà chimiche di sostanze e composti che sono formati da un dato elemento sono determinate dal numero di protoni nel nucleo di un atomo. Nel tempo è stata confermata la partecipazione del protone alle interazioni forti e altre fondamentali: elettromagnetiche, gravitazionali e deboli. In questo caso, nonostante la carica del neutrone sia assente, con interazioni forti, il protone e il neutrone sono considerati come una particella elementare, il nucleone in diversi stati quantistici. In parte, la somiglianza nel comportamento di queste particelle è spiegata anche dal fatto che la massa del neutrone differisce molto poco dalla massa del protone. La stabilità dei protoni consente loro di essere utilizzati dopo l'accelerazione alte velocità, come particelle da bombardamento per reazioni nucleari.

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È ben noto a molti a scuola che tutta la materia consisteva di atomi. Gli atomi, a loro volta, sono costituiti da protoni e neutroni che formano il nucleo di atomi ed elettroni situati a una certa distanza dal nucleo. Molti hanno anche sentito dire che anche la luce è composta da particelle: i fotoni. Tuttavia, il mondo delle particelle non si limita a questo. Ad oggi sono note più di 400 diverse particelle elementari. Proviamo a capire come le particelle elementari differiscono l'una dall'altra.

Esistono molti parametri in base ai quali le particelle elementari possono essere distinte l'una dall'altra:

• Il peso.
• Carica elettrica.
• Tutta la vita. Quasi tutte le particelle elementari hanno una vita finita dopo la quale decadono.
• Rotazione. Può essere, molto approssimativamente, considerato come un momento di rotazione.

Qualche parametro in più, o come vengono comunemente chiamati nella scienza dei numeri quantici. Questi parametri non sono sempre chiari significato fisico, ma sono necessari per distinguere una particella dall'altra. Tutti questi Opzioni extra vengono introdotte come quantità che vengono conservate nell'interazione.

Quasi tutte le particelle hanno massa, ad eccezione dei fotoni e dei neutrini (secondo gli ultimi dati, i neutrini hanno una massa, ma così piccola da essere spesso considerata zero). Senza massa le particelle possono esistere solo in movimento. La massa di tutte le particelle è diversa. L'elettrone ha la massa minima, a parte il neutrino. Le particelle chiamate mesoni hanno una massa 300-400 volte maggiore della massa di un elettrone, un protone e un neutrone sono quasi 2000 volte più pesanti di un elettrone. Sono già state scoperte particelle che sono quasi 100 volte più pesanti di un protone. Massa, (o la sua energia equivalente secondo la formula di Einstein:

si conserva in tutte le interazioni delle particelle elementari.

Non tutte le particelle hanno una carica elettrica, il che significa che non tutte le particelle sono in grado di partecipare all'interazione elettromagnetica. Per tutte le particelle liberamente esistenti, la carica elettrica è un multiplo della carica dell'elettrone. Oltre alle particelle liberamente esistenti, ci sono anche particelle che si trovano solo all'interno stato vincolato, ne parleremo un po' più tardi.

Lo spin, così come altri numeri quantici di particelle diverse, sono diversi e ne caratterizzano l'unicità. Alcuni numeri quantici sono conservati in alcune interazioni, altri in altre. Tutti questi numeri quantici determinano quali particelle interagiscono con quali e come.

Anche la durata è una caratteristica molto importante di una particella e la considereremo più in dettaglio. Iniziamo con una nota. Come dicevamo all'inizio dell'articolo, tutto ciò che ci circonda è costituito da atomi (elettroni, protoni e neutroni) e luce (fotoni). Dove sono le altre centinaia? vari tipi particelle elementari. La risposta è semplice: ovunque intorno a noi, ma non ce ne accorgiamo per due motivi.

Il primo è che quasi tutte le altre particelle vivono molto poco, da 10 a meno 10 secondi o meno, e quindi non formano strutture come atomi, reticoli cristallini eccetera. Il secondo motivo riguarda i neutrini, sebbene queste particelle non decadano, sono soggette solo a interazioni deboli e gravitazionali. Ciò significa che queste particelle interagiscono così poco che è quasi impossibile rilevarle.

Visualizziamo ciò che esprime quanto bene interagisce la particella. Ad esempio, il flusso di elettroni può essere interrotto del tutto foglio sottile acciaio, dell'ordine di pochi millimetri. Ciò accadrà perché gli elettroni inizieranno immediatamente ad interagire con le particelle della lamiera d'acciaio, cambieranno bruscamente la loro direzione, emetteranno fotoni e quindi perderanno energia piuttosto rapidamente. Tutto è sbagliato nel flusso di neutrini, possono passare quasi senza interazioni Globo terrestre. Ecco perché è molto difficile trovarli.

Quindi, la maggior parte delle particelle vive molto poco tempo, dopo di che si disintegra. I decadimenti delle particelle sono le reazioni più comuni. Come risultato del decadimento, una particella si rompe in molte altre di massa più piccola e queste, a loro volta, decadono ulteriormente. Tutti i decadimenti obbediscono determinate regole- leggi di conservazione. Quindi, ad esempio, come risultato del decadimento, è necessario conservare una carica elettrica, una massa, uno spin e un certo numero di numeri quantici. Alcuni numeri quantici possono cambiare durante il decadimento, ma anche soggetti a determinate regole. Sono le regole di decadimento che ci dicono che l'elettrone e il protone sono particelle stabili. Non possono più decadere obbedendo alle regole della decadenza, e quindi è con loro che finiscono le catene della decadenza.

Qui vorrei spendere alcune parole sul neutrone. Un neutrone libero decade anche in un protone e in un elettrone in circa 15 minuti. Tuttavia, quando il neutrone è nel nucleo atomico, ciò non accade. Questo fatto può essere spiegato diversi modi. Ad esempio, quando un elettrone e un protone in più da un neutrone decaduto compaiono nel nucleo di un atomo, si verifica immediatamente la reazione inversa: uno dei protoni assorbe un elettrone e si trasforma in un neutrone. Questa immagine è chiamata equilibrio dinamico. È stato osservato nell'universo in una fase iniziale del suo sviluppo poco dopo il big bang.

Oltre alle reazioni di decadimento, ci sono anche reazioni di scattering, quando due o più particelle interagiscono contemporaneamente e il risultato è una o più altre particelle. Ci sono anche reazioni di assorbimento, quando una si ottiene da due o più particelle. Tutte le reazioni si verificano come risultato di una forte interazione debole o elettromagnetica. Le reazioni dovute alla forte interazione sono le più veloci, il tempo di tale reazione può raggiungere da 10 a meno 20 secondi. La velocità delle reazioni dovute all'interazione elettromagnetica è inferiore, qui il tempo può variare da circa 10 a meno 8 secondi. Per reazioni di interazione debole, il tempo può raggiungere decine di secondi e talvolta anche anni.

Alla fine della storia delle particelle, parliamo dei quark. I quark sono particelle elementari che hanno una carica elettrica che è un multiplo di un terzo della carica di un elettrone e che non possono esistere allo stato libero. La loro interazione è organizzata in modo tale che possano vivere solo come parte di qualcosa. Ad esempio, una combinazione di tre quark di un certo tipo forma un protone. Un'altra combinazione dà un neutrone. Sono noti un totale di 6 quark. Le loro varie combinazioni ci danno particelle diverse, e sebbene non tutte le combinazioni di quark siano consentite dalle leggi fisiche, ci sono molte particelle composte da quark.

Qui può sorgere la domanda, come può essere chiamato elementare un protone se è costituito da quark. Molto semplicemente: il protone è elementare, poiché non può essere suddiviso nelle sue parti componenti: i quark. Tutte le particelle che partecipano all'interazione forte sono composte da quark e allo stesso tempo sono elementari.

Comprendere le interazioni delle particelle elementari è molto importante per comprendere la struttura dell'universo. Tutto ciò che accade ai macrocorpi è il risultato dell'interazione delle particelle. È l'interazione delle particelle che descrive la crescita degli alberi sulla terra, le reazioni nelle profondità delle stelle, la radiazione delle stelle di neutroni e molto altro.

Probabilità e meccanica quantistica

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