Wielka encyklopedia ropy i gazu. Cząstki elementarne

Cały świat materialny Według współczesnej fizyki zbudowany jest z trzech cząstek elementarnych: protonu, neutronu i elektronu. Ponadto, według nauki, we wszechświecie istnieją inne „elementarne” cząstki materii, których niektóre nazwy wyraźnie przekraczają normę. Jednocześnie funkcja tych innych „cząstek elementarnych” w istnieniu i ewolucji wszechświata nie jest jasna.

Rozważ inną interpretację cząstek elementarnych:

Tam jest tylko jeden cząstka elementarna materia jest protonem. Wszystkie inne „cząstki elementarne”, w tym neutron i elektron, są tylko pochodnymi protonu i odgrywają bardzo skromną rolę w ewolucji wszechświata. Zastanówmy się, jak powstają takie „cząstki elementarne”.

Szczegółowo zbadaliśmy strukturę elementarnej cząstki materii w artykule „”. Krótko o cząstce elementarnej:

Elementarna cząsteczka materii ma postać wydłużonej nici w przestrzeni.
Cząstka elementarna może się rozciągać. W procesie rozciągania spada gęstość materii wewnątrz cząstki elementarnej.
Odcinek cząstki elementarnej, w którym gęstość materii spada o połowę, nazwaliśmy kwant materii .
W procesie ruchu cząsteczka elementarna w sposób ciągły pochłania (fałduje) energię.
Punkt absorpcji energii ( punkt anihilacji ) znajduje się na końcu wektora ruchu cząstki elementarnej.
Dokładniej: na czubku aktywnego kwantu materii.
Pochłaniając energię, cząsteczka elementarna stale zwiększa prędkość swojego ruchu do przodu.
Elementarna cząstka materii jest dipolem. W którym siły przyciągania są skoncentrowane w przedniej części (w kierunku ruchu) cząstki, a siły odpychania są skoncentrowane w tylnej części.

Właściwość bycia elementarnym w przestrzeni teoretycznie oznacza możliwość zmniejszenia gęstości materii do zera. A to z kolei oznacza możliwość jej mechanicznego pęknięcia: miejsce pęknięcia elementarnej cząstki materii można przedstawić jako jej odcinek o zerowej gęstości materii.

W procesie anihilacji (absorpcji energii) cząstka elementarna, zwijając energię, stale zwiększa prędkość swojego ruchu translacyjnego w przestrzeni.

Ewolucja galaktyki w końcu prowadzi elementarne cząstki materii do momentu, w którym stają się zdolne do wywierania na siebie efektu rozdzierania. Cząstki elementarne mogą nie spotykać się na równoległych kursach, gdy jedna cząstka zbliża się do drugiej powoli i płynnie, jak statek do molo. Mogą spotykać się w kosmosie i na przeciwnych trajektoriach. Wtedy mocne zderzenie i w rezultacie pęknięcie cząstki elementarnej jest prawie nieuniknione. Mogą dostać się pod bardzo potężną falę zaburzeń energii, co również prowadzi do zerwania.

Czym mogą być „rumowiska” powstałe w wyniku pęknięcia elementarnej cząstki materii?

Rozważmy przypadek, w którym w wyniku oddziaływania zewnętrznego z elementarnych cząstek materii - atomu deuteru - rozpadły się na proton i neutron.

Zerwanie struktury pary nie występuje w miejscu ich połączenia -. Jedna z dwóch cząstek elementarnych struktury pary pęka.

Proton i neutron różnią się między sobą strukturą.

Proton to nieco skrócona (po zerwaniu) cząstka elementarna,
neutron - struktura składająca się z jednej pełnoprawnej cząstki elementarnej i "kikuta" - przedniego, lekkiego wierzchołka pierwszej cząstki.

Pełnoprawna cząstka elementarna ma w swoim składzie kompletny zestaw - kwanty materii "N". Proton ma kwant materii "N-n". Neutron ma kwanty "N + n".

Zachowanie protonu jest jasne. Nawet tracąc końcowy kwant materii, aktywnie kontynuuje energię: gęstość materii jego nowego końcowego kwantu zawsze odpowiada warunkom anihilacji. Ten nowy ostateczny kwant materii staje się nowym punktem anihilacji. Ogólnie proton zachowuje się zgodnie z oczekiwaniami. Właściwości protonów są dobrze opisane w każdym podręczniku fizyki. Tylko stanie się trochę lżejszy niż jego „pełnoprawny” odpowiednik - pełnoprawna elementarna cząstka materii.

Neutron zachowuje się inaczej. Rozważmy najpierw strukturę neutronu. To jego struktura wyjaśnia jego „dziwność”.

Zasadniczo neutron składa się z dwóch części. Pierwsza część to pełnoprawna elementarna cząstka materii z punktem anihilacji na przodzie. Druga część to silnie skrócony, lekki „kikut” pierwszej cząstki elementarnej, pozostały po pęknięciu podwójnej struktury, a także posiadający punkt anihilacji. Te dwie części są połączone punktami anihilacji. Zatem neutron ma podwójny punkt anihilacji.

Logika myślenia sugeruje, że te dwie ważone części neuronu będą zachowywać się inaczej. Jeśli pierwsza część, która jest cząsteczką elementarną o pełnej masie, zgodnie z oczekiwaniami unicestwi energię swobodną i stopniowo przyśpieszy w przestrzeni wszechświata, to druga, lekka część zacznie w szybszym tempie anihilować energię swobodną.

Ruch elementarnej cząstki materii w przestrzeni odbywa się dzięki: dyfundującej energii ciągnie cząstkę, która wpadła w jej przepływy. Oczywiste jest, że im mniej masywna cząsteczka materii, tym łatwiej przepływ energii ciągnie ją za sobą, tym większa jest prędkość tej cząsteczki. Oczywiste jest, że co duża ilość energia jest jednocześnie fałdowana przez aktywny kwant, im silniejsze przepływy energii rozpraszającej, tym przepływy te łatwiej ciągną za sobą cząstkę. Otrzymujemy zależność: Prędkość ruchu postępowego cząstki materii w przestrzeni jest proporcjonalna do masy materii jej aktywnego kwantu i jest odwrotnie proporcjonalna do całkowitej masy cząstki materii :

Druga, lekka część neutronu ma masę wielokrotnie mniejszą niż masa pełnej masy elementarnej cząstki materii. Ale masy ich aktywnych kwantów są równe. To znaczy: w tym samym tempie unicestwiają energię. Otrzymujemy: prędkość ruchu translacyjnego drugiej części neutronu będzie miała tendencję do gwałtownego wzrostu i zacznie szybciej anihilować energię. (Aby nie wprowadzać zamieszania, drugą, lekką część neutronu nazwiemy elektronem).

rysunek neutronu

Gwałtownie rosnąca ilość energii anihilowanej jednocześnie przez elektron, gdy jest on w składzie neutronu, prowadzi do bezwładności neutronu. Elektron zaczyna anihilować więcej energii niż jego „sąsiad” – pełnoprawna cząstka elementarna. Nie może jeszcze oderwać się od wspólnego punktu anihilacji neutronów: przeszkadzają potężne siły przyciągania. W rezultacie elektron zaczyna „jeść” za wspólnym punktem anihilacji.

W tym samym czasie elektron zaczyna przesuwać się względem swojego partnera i jego kondensacja Darmowa energia znajduje się w zasięgu punktu zagłady sąsiada. Który natychmiast zaczyna „zjadać” to zgrubienie. Takie przełączenie elektronu i pełnowartościowej cząstki na zasoby „wewnętrzne” – kondensację swobodnej energii za punktem anihilacji – prowadzi do gwałtownego spadku sił przyciągania i odpychania neutronu.

Oderwanie się elektronu od ogólnej struktury neutronu następuje w momencie, gdy przemieszczenie elektronu względem cząstki elementarnej o pełnej masie staje się wystarczająco duże, siła dążąca do zerwania wiązań przyciągania dwóch punktów anihilacji zaczyna przekraczać siła przyciągania tych punktów anihilacji, a druga, lekka część neutronu (elektron) szybko odlatuje.

W rezultacie neutron rozpada się na dwie jednostki: pełnoprawną cząstkę elementarną - proton i lekką, skróconą część elementarnej cząstki materii - elektron.

Według współczesnych danych struktura pojedynczego neutronu istnieje przez około piętnaście minut. Następnie spontanicznie rozpada się na proton i elektron. Te piętnaście minut to czas przemieszczania się elektronu względem wspólnego punktu anihilacji neutronu i jego walki o swoją „wolność”.

Podsumujmy kilka wyników:

PROTON to pełnoprawna elementarna cząstka materii, z jednym punktem anihilacji lub ciężka część elementarnej cząstki materii, która pozostaje po oddzieleniu od niej kwantów światła.
NEUTRON to podwójna struktura, posiadająca dwa punkty anihilacji i składająca się z elementarnej cząstki materii oraz lekkiej, przedniej części innej elementarnej cząstki materii.
ELEKTRON - przednia część elementarnej cząstki materii, która posiada jeden punkt anihilacji, składający się z kwantów światła, powstały w wyniku rozerwania elementarnej cząstki materii.
Uznana przez naukę struktura „proton-neutron” to ATOM DEUTERIUM, struktura dwóch cząstek elementarnych, która ma podwójny punkt anihilacji.

Elektron nie jest niezależną cząstką elementarną krążącą wokół jądra atomu.

Elektron, jak uważa nauka, nie znajduje się w składzie atomu.

A jądro atomu jako takie nie istnieje w naturze, tak jak nie ma neutronu w postaci niezależnej elementarnej cząstki materii.

Zarówno elektron, jak i neutron są pochodnymi struktury parowej dwóch cząstek elementarnych, po rozbiciu na dwie nierówne części w wyniku oddziaływania zewnętrznego. W składzie atomu dowolnego pierwiastka chemicznego proton i neutron są standardową strukturą pary - dwie pełnowagowe cząstki elementarne materii - dwa protony połączone punktami anihilacji.

We współczesnej fizyce istnieje niezachwiane stanowisko, że proton i elektron mają równe, ale przeciwne ładunki elektryczne. Podobno w wyniku interakcji tych przeciwnych ładunków przyciągają się do siebie. Dość logiczne wyjaśnienie. Prawidłowo odzwierciedla mechanizm zjawiska, ale jest całkowicie błędny - jego istota.

Cząstki elementarne nie mają ani dodatnich, ani ujemnych ładunków „elektrycznych”, podobnie jak nie ma specjalnej formy materii w postaci „pola elektrycznego”. Taka „elektryczność” jest wynalazkiem człowieka, spowodowanym nieumiejętnością wyjaśnienia istniejącego stanu rzeczy.

„Elektryczność” i elektron do siebie są w rzeczywistości tworzone przez przepływy energii skierowane do ich punktów anihilacji, w wyniku ich ruchu do przodu w przestrzeni wszechświata. Kiedy wpadają w strefę działania sił przyciągania się nawzajem. To naprawdę wygląda na oddziaływanie równej wielkości, ale przeciwnych ładunków elektrycznych.

„podobne ładunki elektryczne”, na przykład: dwa protony lub dwa elektrony również mają inne wytłumaczenie. Odpychanie występuje, gdy jedna z cząstek wejdzie w strefę działania sił odpychających innej cząstki - czyli w strefę kondensacji energii za jej punktem anihilacji. Omówiliśmy to w poprzednim artykule.

Oddziaływanie „proton – antyproton”, „elektron – pozyton” też ma inne wytłumaczenie. Przez takie oddziaływanie rozumiemy oddziaływanie ducha protonów lub elektronów, gdy poruszają się po kursie kolizyjnym. W tym przypadku, ze względu na ich interakcję tylko przez przyciąganie (nie ma odpychania, ponieważ strefa odpychania każdego z nich znajduje się za nimi), następuje ich twardy kontakt. W efekcie zamiast dwóch protonów (elektronów) otrzymujemy zupełnie inne „cząstki elementarne”, które są właściwie pochodnymi sztywnego oddziaływania tych dwóch protonów (elektronów).

Struktura atomowa substancji. Model atomowy

Rozważ strukturę atomu.

Neutron i elektron - jako elementarne cząstki materii - nie istnieją. To właśnie omówiliśmy powyżej. W związku z tym: nie ma jądra atomu i jego powłoki elektronowej. Ten błąd jest potężną przeszkodą w dalszych badaniach nad strukturą materii.

Jedyną elementarną cząstką materii jest tylko proton. Atom dowolnego pierwiastka chemicznego składa się ze sparowanych struktur dwóch elementarnych cząstek materii (z wyjątkiem izotopów, gdzie do sparowanej struktury dodaje się więcej cząstek elementarnych).

Dla naszego dalszego rozumowania konieczne jest rozważenie pojęcia wspólnego punktu zagłady.

Cząstki elementarne materii oddziałują ze sobą poprzez punkty anihilacji. Ta interakcja prowadzi do powstania struktur materialnych: atomów, cząsteczek, ciał fizycznych… które mają wspólny punkt anihilacji atomu, wspólny punkt anihilacji cząsteczki…

OGÓLNY PUNKT ANIHILACJI - to połączenie dwóch pojedynczych punktów anihilacji elementarnych cząstek materii we wspólny punkt anihilacji struktury pary lub wspólne punkty anihilacji struktur par we wspólny punkt anihilacji atomu pierwiastka chemicznego lub wspólna anihilacja punkty atomów pierwiastki chemiczne– do wspólnego punktu anihilacji molekularnej.

Najważniejsze jest to, że połączenie cząstek materii działa jak przyciąganie i odpychanie jako pojedynczy integralny obiekt. W końcu nawet każde ciało fizyczne można przedstawić jako wspólny punkt anihilacji tego ciała fizycznego: ciało to przyciąga do siebie inne ciała fizyczne jako pojedynczy, integralny obiekt fizyczny, jako pojedynczy punkt anihilacji. W tym przypadku otrzymujemy zjawiska grawitacyjne - przyciąganie między ciałami fizycznymi.

W fazie cyklu rozwojowego galaktyki, kiedy siły przyciągania stają się wystarczająco duże, rozpoczyna się unifikacja atomów deuteru w struktury innych atomów. Atomy pierwiastków chemicznych powstają sekwencyjnie, wraz ze wzrostem prędkości ruchu translacyjnego cząstek elementarnych materii (czytaj: prędkość ruchu translacyjnego galaktyki w przestrzeni wszechświata) poprzez dołączanie nowych par struktur cząstek elementarnych materii do atomu deuteru.

Unifikacja następuje sekwencyjnie: w każdym nowym atomie pojawia się jedna nowa struktura pary cząstek elementarnych materii (rzadziej pojedyncza cząsteczka elementarna). Co daje nam połączenie atomów deuteru w strukturę innych atomów:

Pojawia się wspólny punkt anihilacji atomu. Oznacza to, że nasz atom będzie oddziaływał poprzez przyciąganie i odpychanie ze wszystkimi innymi atomami i cząstkami elementarnymi jako pojedyncza integralna struktura.
Pojawia się przestrzeń atomu, wewnątrz której gęstość energii swobodnej wielokrotnie przewyższa gęstość energii swobodnej poza jego przestrzenią. Bardzo wysoka gęstość energii za pojedynczym punktem anihilacji w przestrzeni atomu po prostu nie będzie miała czasu na silny spadek: odległości między cząstkami elementarnymi są zbyt małe. Średnia gęstość energii swobodnej w przestrzeni wewnątrzatomowej jest wielokrotnie większa niż wartość stałej gęstości energii swobodnej przestrzeni wszechświata.

W budowie atomów pierwiastków chemicznych, cząsteczek substancje chemiczne, ciała fizyczne, manifestuje się najważniejsze prawo oddziaływania cząstek materialnych i ciał:

Siła wiązań wewnątrzjądrowych, chemicznych, elektrycznych, grawitacyjnych zależy od odległości między punktami anihilacji wewnątrz atomu, między wspólnymi punktami anihilacji atomów wewnątrz molekuł, między wspólnymi punktami anihilacji molekuł w ciałach fizycznych, między ciałami fizycznymi. Im mniejsza odległość między wspólnymi punktami anihilacji, tym silniejsze siły przyciągające działają między nimi.

Jest jasne, że:

Przez wiązania wewnątrzjądrowe rozumiemy oddziaływania między cząstkami elementarnymi oraz między strukturami par w atomach.
Przez wiązania chemiczne rozumiemy oddziaływania między atomami w strukturze cząsteczek.
Przez połączenia elektryczne rozumiemy interakcje między cząsteczkami w składzie ciał fizycznych, cieczy, gazów.
Przez wiązania grawitacyjne rozumiemy interakcje między ciałami fizycznymi.

Powstawanie drugiego pierwiastka chemicznego - atomu helu - następuje, gdy galaktyka przyspiesza w przestrzeni do odpowiednio dużej prędkości.Gdy siła przyciągania dwóch atomów deuteru osiąga dużą wartość, zbliżają się one na odległość, która pozwala im połączyć się w jedną poczwórna struktura atomu helu.

Dalszy wzrost szybkości postępującego ruchu galaktyki prowadzi do powstania atomów kolejnych (zgodnie z układem okresowym) pierwiastków chemicznych. Jednocześnie: geneza atomów każdego pierwiastka chemicznego odpowiada jego własnej, ściśle określonej prędkości postępującego ruchu galaktyki w przestrzeni wszechświata. Zadzwońmy do niej standardowa szybkość tworzenia atomu pierwiastka chemicznego .

Atom helu jest drugim po wodorze atomem, który powstaje w galaktyce. Następnie, wraz ze wzrostem prędkości ruchu galaktyki do przodu, następny atom deuteru przebija się do atomu helu. Oznacza to, że prędkość ruchu naprzód galaktyki osiągnęła standardową szybkość tworzenia atomu litu. Wtedy osiągnie standardową szybkość tworzenia się atomu berylu, węgla… i tak dalej, zgodnie z układem okresowym.

model atomu

Na powyższym schemacie widzimy, że:

Każdy okres w atomie jest pierścieniem o sparowanych strukturach.
Centrum atomu zawsze zajmuje poczwórna struktura atomu helu.
Wszystkie sparowane struktury z tego samego okresu znajdują się ściśle na tej samej płaszczyźnie.
Odległości między okresami są znacznie większe niż odległości między strukturami par w jednym okresie.

Oczywiście jest to schemat bardzo uproszczony i nie oddaje wszystkich realiów budowy atomów. Na przykład: każda nowa struktura pary, łącząc atom, wypiera pozostałe struktury par okresu, do którego jest przyłączona.

Otrzymujemy zasadę konstruowania okresu w postaci pierścienia wokół geometrycznego środka atomu:

struktura z epoki zbudowana jest w jednej płaszczyźnie. Ułatwia to ogólny wektor ruchu translacyjnego wszystkich cząstek elementarnych galaktyki.
struktury par z tego samego okresu są budowane wokół geometrycznego środka atomu w równej odległości.
atom, wokół którego budowany jest nowy okres, zachowuje się wobec tego nowego okresu jako pojedynczy kompletny system.

Otrzymujemy więc najważniejszą prawidłowość w budowie atomów pierwiastków chemicznych:

PRAWIDŁOWOŚĆ ŚCIŚLE OKREŚLONEJ LICZBY STRUKTUR PARYCH: jednocześnie w pewnej odległości od geometrycznego środka wspólnego punktu anihilacji atomu można zlokalizować tylko określoną liczbę par struktur elementarnych cząstek materii.

Czyli: w drugim, trzecim okresie układu okresowego pierwiastków po osiem pierwiastków, w czwartym, piątym - osiemnaście, w szóstym, siódmym - trzydzieści dwa. Rosnąca średnica atomu pozwala na wzrost liczby par struktur w każdym kolejnym okresie.

Oczywiste jest, że ten wzór określa zasadę okresowości w budowie atomów pierwiastków chemicznych, odkrytą przez D.I. Mendelejew.

Każdy okres wewnątrz atomu pierwiastka chemicznego zachowuje się w stosunku do niego jak pojedynczy integralny układ. Określają to skoki odległości między okresami: znacznie większe niż odległości między strukturami par w okresie.

Atom o niepełnym okresie wykazuje aktywność chemiczną zgodnie z powyższą prawidłowością. Ponieważ istnieje nierównowaga sił przyciągania i odpychania atomu na korzyść sił przyciągania. Ale wraz z dodaniem struktury ostatniej pary brak równowagi znika, nowy okres przybiera formę prawe kółko- staje się jednym, integralnym, kompletnym systemem. I otrzymujemy atom gazu obojętnego.

Najważniejszym wzorem konstruowania struktury atomu jest: atom ma kaskadę płaskąStruktura . Coś jak żyrandol.

pary struktur tego samego okresu powinny znajdować się w tej samej płaszczyźnie prostopadłej do wektora ruchu translacyjnego atomu.
w tym samym czasie okresy w atomie muszą się kaskadować.

To wyjaśnia, dlaczego w drugim i trzecim okresie (a także w czwartym – piątym, szóstym – siódmym) ta sama liczba sparowanych struktur (patrz rysunek poniżej). Taka struktura atomu jest konsekwencją rozkładu sił przyciągania i odpychania cząstki elementarnej: siły przyciągające działają w przedniej (w kierunku ruchu) półkuli cząstki, odpychające - w tylnej półkuli.

W przeciwnym razie koncentracja energii swobodnej za punktami anihilacji niektórych struktur par znajdzie się w strefie przyciągania punktów anihilacji innych struktur par, a atom nieuchronnie rozpadnie się.

Poniżej widzimy schematyczny obraz wolumetryczny atomu argonu

model atomu argonu

Na poniższym rysunku widzimy „przekrój”, „widok z boku” dwóch okresów atomu - drugiego i trzeciego:

Dokładnie tak powinny być zorientowane sparowane struktury względem środka atomu w okresach o równej liczbie sparowanych struktur (druga - trzecia, czwarta - piąta, szósta - siódma).

Ilość energii w kondensacji za punktem anihilacji cząstki elementarnej stale rośnie. Wynika to jasno ze wzoru:

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

gdzie:

E 1 to ilość energii swobodnej skumulowanej (pochłoniętej) przez punkt anihilacji z przedniej półkuli ruchu.

E 2 to ilość energii swobodnej złożonego (pochłoniętego) punktu anihilacji z tylnej półkuli ruchu.

ΔЕ jest różnicą między ilością energii swobodnej skumulowanej (pochłoniętej) z przedniej i tylnej półkuli ruchu cząstki elementarnej.

W to prędkość ruchu cząstki elementarnej.

Widzimy tutaj ciągły wzrost masy kondensacji energii za punktem anihilacji poruszającej się cząstki, wraz ze wzrostem prędkości jej ruchu do przodu.

W strukturze atomu przejawi się to tym, że gęstość energii stojąca za strukturą każdego kolejnego atomu będzie wzrastać w postęp geometryczny. Punkty anihilacji trzymają się nawzajem siłą przyciągania „żelaznym uściskiem”. Jednocześnie rosnąca siła odpychania będzie coraz bardziej odchylać od siebie struktury par atomu. Otrzymujemy więc płaską - kaskadową budowę atomu.

Atom swoim kształtem powinien przypominać kształt miski, gdzie „dnem” jest budowa atomu helu. A „krawędzie” miski to ostatni okres. Miejsca "zagięć miski": drugi - trzeci, czwarty - piąty, szósty - siódmy okres. Te „zagięcia” umożliwiają formowanie różne okresy o równej liczbie sparowanych struktur

model atomu helu

To płasko-kaskadowa struktura atomu i układ pierścieniowy struktur parowych w nim określa okresowość i rząd budowy układu okresowego pierwiastków chemicznych Mendelejewa, okresowość przejawiania się podobnych właściwości chemicznych atomów jednego wiersz układu okresowego.

Płaszczyzna - kaskadowa budowa atomu daje wygląd pojedynczej przestrzeni atomu o dużej gęstości energii swobodnej.

Wszystkie struktury parowe atomu są zorientowane w kierunku środka atomu (a raczej: w kierunku punktu znajdującego się na geometrycznej osi atomu, w kierunku ruchu atomu).
Wszystkie poszczególne punkty anihilacji znajdują się wzdłuż pierścieni okresów wewnątrz atomu.
Wszystkie poszczególne klastry darmowej energii znajdują się za ich punktami anihilacji.

Rezultat: pojedyncza koncentracja energii swobodnej o wysokiej gęstości, której granice są granicami atomu. Granice te, jak rozumiemy, są granicami działania sił znanych w nauce jako siły Yukawa.

Płasko-kaskadowa struktura atomu daje w pewien sposób redystrybucję stref sił przyciągania i odpychania. Już obserwujemy redystrybucję stref sił przyciągania i odpychania w strukturze sparowanej:

Strefa działania sił odpychających struktury pary wzrasta ze względu na strefę działania sił jej przyciągania (w porównaniu do pojedynczych cząstek elementarnych). Odpowiednio zmniejsza się strefa działania sił przyciągających. (Strefa działania siły przyciągania maleje, ale nie sama siła). Płasko-kaskadowa struktura atomu daje nam jeszcze większy wzrost strefy działania sił odpychania atomu.

Z każdym nowym okresem strefa działania sił odpychających ma tendencję do tworzenia pełnej kuli.
Strefa działania sił przyciągania będzie miała coraz mniejszą średnicę stożka

W budowie nowego okresu atomu można prześledzić jeszcze jedną prawidłowość: wszystkie struktury parowe jednego okresu są usytuowane ściśle symetrycznie względem geometrycznego środka atomu, niezależnie od liczby struktur parowych w okresie.

Każda nowa struktura par, łącząc się, zmienia położenie wszystkich pozostałych struktur par okresu tak, że odległości między nimi w okresie są zawsze równe. Odległości te zmniejszają się wraz z dodaniem kolejnej struktury par. Niekompletny okres zewnętrzny atom pierwiastka chemicznego czyni go aktywnym chemicznie.

Odległości między okresami, które są znacznie większe niż odległości między sparowanymi cząstkami w okresie, sprawiają, że okresy są od siebie względnie niezależne.

Każdy okres atomu jest powiązany ze wszystkimi innymi okresami i z całym atomem jako niezależną całością.

Oznacza to, że aktywność chemiczna atomu jest prawie w 100% określona tylko przez ostatni okres atomu. Całkowicie wypełniony ostatni okres daje nam maksymalnie wypełnioną strefę sił odpychających atomu. Aktywność chemiczna atomu jest prawie zerowa. Atom, jak piłka, odpycha od siebie inne atomy. Widzimy tutaj gaz. I to nie tylko gaz, ale gaz obojętny.

Dodanie struktury pierwszej pary nowego okresu zmienia ten sielankowy obraz. Rozkład stref działania sił odpychania i przyciągania zmienia się na korzyść sił przyciągania. Atom staje się chemicznie aktywny. To jest atom metal alkaliczny.

Wraz z dodaniem każdej kolejnej struktury parowej zmienia się równowaga stref rozkładu sił przyciągania i odpychania atomu: zwiększa się strefa sił odpychania, zmniejsza się strefa sił przyciągania. A każdy następny atom staje się trochę mniej metalowy i trochę bardziej niemetalowy.

Płaskokaskadowa forma atomów, redystrybucja stref działania sił przyciągania i odpychania daje nam to, co następuje: Atom pierwiastka chemicznego, spotykając się z innym atomem nawet na kursie kolizyjnym, niezawodnie wpada w tę strefę działania sił odpychania tego atomu. I nie niszczy siebie i nie niszczy tego drugiego atomu.

Wszystko to prowadzi nas do niezwykłego rezultatu: atomy pierwiastków chemicznych, wchodzące w związki ze sobą, tworzą trójwymiarowe struktury cząsteczek. W przeciwieństwie do płaskiej – kaskadowej budowy atomów. Cząsteczka to stabilna trójwymiarowa struktura atomów.

Rozważ przepływ energii wewnątrz atomów i cząsteczek.

Przede wszystkim zauważamy, że cząsteczka elementarna będzie absorbować energię w cyklach. Czyli: w pierwszej połowie cyklu cząstka elementarna pochłania energię z najbliższej przestrzeni. Powstaje tu pustka - przestrzeń bez darmowej energii.

W drugiej połowie cyklu: energie z bardziej odległego środowiska natychmiast zaczną wypełniać powstałą pustkę. Oznacza to, że w kosmosie będą przepływy energii skierowane do punktu anihilacji. Cząstka otrzymuje dodatni pęd ruchu translacyjnego. ALE energia związana wewnątrz cząstki zacznie redystrybuować swoją gęstość.

Co nas tutaj interesuje?

Ponieważ cykl anihilacji dzieli się na dwie fazy: fazę pochłaniania energii i fazę ruchu energii (wypełniania pustki), to Średnia prędkość przepływy energii w rejonie punktu anihilacji zmniejszą się, z grubsza, dwa razy.

A co niezwykle ważne:

W budowie atomów, cząsteczek, ciał fizycznych przejawia się bardzo ważna prawidłowość: stabilność wszystkich struktur materialnych, takich jak: struktury sparowane - atomy deuteru, poszczególne okresy wokół atomów, atomów, molekuł, ciał fizycznych zapewnia ścisła uporządkowanie procesów ich anihilacji.

Rozważ to.

Przepływy energii generowane przez strukturę pary. W strukturze pary cząstki elementarne synchronicznie anihilują energię. W przeciwnym razie cząstki elementarne „pożerały” koncentrację energii za wzajemnym punktem anihilacji. Otrzymujemy wyraźną charakterystykę falową struktury pary. Dodatkowo przypominamy, że ze względu na cykliczny charakter procesów anihilacyjnych, średnie tempo przepływów energii spada tutaj o połowę.
Energia płynie w atomie. Zasada jest taka sama: wszystkie sparowane struktury tego samego okresu muszą synchronicznie anihilować energię - w cyklach synchronicznych. Podobnie: procesy anihilacji w atomie muszą być zsynchronizowane między okresami. Każda asynchronia prowadzi do zniszczenia atomu. Tutaj synchroniczność może się nieznacznie różnić. Można przypuszczać, że okresy w atomie anihilują energię sekwencyjnie, jeden po drugim, na fali.
Energia płynie w cząsteczce, ciele fizycznym. Odległości między atomami w strukturze cząsteczki są wielokrotnie większe niż odległości między okresami wewnątrz atomu. Ponadto cząsteczka ma strukturę objętościową. Jak każde ciało fizyczne, ma trójwymiarową strukturę. Oczywiste jest, że synchronizacja procesów anihilacji musi być tutaj spójna. Skierowany z peryferii do centrum lub odwrotnie: z centrum do peryferii – licz jak chcesz.

Zasada synchroniczności daje nam jeszcze dwie prawidłowości:

Prędkość przepływu energii wewnątrz atomów, molekuł, ciał fizycznych jest znacznie mniejsza niż stała prędkości ruchu energii w przestrzeni wszechświata. Ten wzór pomoże nam zrozumieć (w artykule #7) procesy zachodzące w elektryczności.
Im większą widzimy strukturę (kolejno: cząstkę elementarną, atom, cząsteczkę, ciało fizyczne), tym większą długość fali w jej charakterystyce falowej będziemy obserwować. Dotyczy to również ciał fizycznych: im większa masa ciała fizycznego, tym większa ma długość fali.

Tłumaczenie

W centrum każdego atomu znajduje się jądro, maleńki zbiór cząstek zwanych protonami i neutronami. W tym artykule przyjrzymy się naturze protonów i neutronów, które składają się z jeszcze mniejszych cząstek - kwarków, gluonów i antykwarków. (Gluony, podobnie jak fotony, są własnymi antycząstkami.) Kwarki i gluony, o ile wiemy, mogą być naprawdę elementarne (niepodzielne i nie złożone z czegoś mniejszego). Ale do nich później.

Co zaskakujące, protony i neutrony mają prawie taką samą masę - aż do procentu:

0,93827 GeV/c 2 dla protonu,
0,93957 GeV/c 2 dla neutronu.

To jest klucz do ich natury - w rzeczywistości są bardzo podobne. Tak, jest między nimi jedna oczywista różnica: proton ma pozytyw ładunek elektryczny, natomiast neutron nie ma ładunku (jest neutralny, stąd jego nazwa). W związku z tym siły elektryczne działają na pierwszą, ale nie na drugą. Na pierwszy rzut oka to rozróżnienie wydaje się bardzo ważne! Ale w rzeczywistości tak nie jest. We wszystkich innych znaczeniach proton i neutron są prawie bliźniakami. Mają identyczne nie tylko masy, ale także strukturę wewnętrzną.

Ponieważ są one tak podobne i ponieważ te cząstki tworzą jądra, protony i neutrony są często nazywane nukleonami.

Protony zostały zidentyfikowane i opisane około 1920 roku (choć odkryto je wcześniej; jądro atomu wodoru to tylko pojedynczy proton), a neutrony znaleziono około 1933 roku. Fakt, że protony i neutrony są do siebie tak podobne, zrozumiano niemal natychmiast. Ale fakt, że mają one mierzalny rozmiar porównywalny z rozmiarem jądra (około 100 000 razy mniejszy niż promień atomu), nie był znany aż do 1954 roku. To, że składają się z kwarków, antykwarków i gluonów, było stopniowo rozumiane od połowy lat 60. do połowy lat 70. XX wieku. Pod koniec lat 70-tych i na początku 80-tych nasze rozumienie protonów, neutronów i tego, z czego są one zbudowane, w dużej mierze się ustabilizowało i od tamtej pory pozostaje niezmienione.

Nukleony są znacznie trudniejsze do opisania niż atomy czy jądra. Nie mówię tego, ale przynajmniej można bez wahania powiedzieć, że atom helu składa się z dwóch elektronów krążących wokół maleńkiego jądra helu; a jądro helu to dość prosta grupa dwóch neutronów i dwóch protonów. Ale z nukleonami wszystko nie jest takie proste. Pisałem już w artykule „”, że atom wygląda jak elegancki menuet, a nukleon wygląda jak szalona impreza.

Złożoność protonu i neutronu wydaje się być realna i nie wynika z niepełnej wiedzy fizycznej. Mamy równania używane do opisu kwarków, antykwarków i gluonów oraz silnych sił jądrowych, które zachodzą między nimi. Te równania nazywają się QCD, od „chromodynamiki kwantowej”. Dokładność równań można sprawdzić różne sposoby, w tym pomiar liczby cząstek, które pojawiają się w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Podstawiając równania QCD do komputera i wykonując obliczenia właściwości protonów i neutronów oraz innych podobnych cząstek (zwanych łącznie „hadronami”), otrzymujemy prognozy właściwości tych cząstek, które dobrze przybliżają obserwacje poczynione w prawdziwy świat. Dlatego mamy powody sądzić, że równania QCD nie kłamią i że nasza wiedza o protonie i neutronie opiera się na poprawnych równaniach. Jednak samo posiadanie właściwych równań nie wystarczy, ponieważ:

Na proste równania może być bardzo złożone decyzje,
Czasami nie da się w prosty sposób opisać skomplikowanych rozwiązań.

O ile nam wiadomo, tak właśnie jest z nukleonami: są to złożone rozwiązania prostych równań QCD i nie da się ich opisać w kilku słowach czy obrazach.

Ze względu na wrodzoną złożoność nukleonów, Czytelniku, będziesz musiał dokonać wyboru: ile chcesz wiedzieć o opisanej złożoności? Bez względu na to, jak daleko się posuniesz, najprawdopodobniej nie będziesz zadowolony: im więcej się nauczysz, tym bardziej zrozumiały stanie się temat, ale ostateczna odpowiedź pozostanie taka sama - proton i neutron są bardzo złożone. Mogę zaoferować trzy poziomy zrozumienia, z coraz większą szczegółowością; możesz zatrzymać się po dowolnym poziomie i przejść do innych tematów lub możesz zanurkować do ostatniego. Każdy poziom rodzi pytania, na które mogę częściowo odpowiedzieć na następnym, ale nowe odpowiedzi rodzą nowe pytania. Reasumując – podobnie jak w profesjonalnych dyskusjach z kolegami i zaawansowanymi studentami – mogę odesłać Was jedynie do danych z rzeczywistych eksperymentów, różnych wpływowych argumentów teoretycznych, symulacji komputerowych.

Pierwszy poziom zrozumienia

Z czego zbudowane są protony i neutrony?

Ryż. 1: uproszczona wersja protonów, składająca się tylko z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego oraz neutronów, składająca się tylko z dwóch kwarków dolnych i jednego górnego

Aby uprościć sprawę, wiele książek, artykułów i stron internetowych podaje, że protony składają się z trzech kwarków (dwa w górę i jeden w dół) i rysują coś w rodzaju figury. 1. Neutron jest taki sam, składa się tylko z jednego kwarka górnego i dwóch dolnych. Ten prosty obraz ilustruje to, w co wierzyli niektórzy naukowcy, głównie w latach 60. XX wieku. Ale wkrótce stało się jasne, że ten punkt widzenia został uproszczony do tego stopnia, że przestał być poprawny.

Z bardziej wyrafinowanych źródeł informacji dowiesz się, że protony składają się z trzech kwarków (dwa w górę i jeden w dół) utrzymywanych razem przez gluony – i może pojawić się obraz podobny do tego na ryc. 2, gdzie gluony są rysowane jako sprężyny lub struny zawierające kwarki. Neutrony są takie same, z tylko jednym kwarkiem górnym i dwoma kwarkami dolnymi.

Ryż. 2: poprawa ryc. 1 ze względu na podkreślenie ważnej roli silnego oddziaływania jądrowego, które utrzymuje kwarki w protonie

Nie jest to zły sposób na opisanie nukleonów, ponieważ podkreśla ważną rolę silnego oddziaływania jądrowego, które utrzymuje kwarki w protonie kosztem gluonów (tak samo jak foton, cząstka, z której składa się światło, jest związany z siłą elektromagnetyczną). Ale jest to również mylące, ponieważ tak naprawdę nie wyjaśnia, czym są gluony i co robią.

Są powody, by iść dalej i opisywać rzeczy tak, jak zrobiłem w : proton składa się z trzech kwarków (dwa w górę i jeden w dół), wiązka gluonów i góra par kwark-antykwark (głównie kwarki górne i dolne). , ale jest też kilka dziwnych). Wszystkie latają tam iz powrotem z bardzo dużą prędkością (zbliżając się do prędkości światła); cały ten zestaw jest utrzymywany razem przez silną siłę jądrową. Pokazałem to na ryc. 3. Neutrony są znowu takie same, ale z jednym kwarkiem górnym i dwoma dolnymi; kwark, który zmienił właściciela jest oznaczony strzałką.

Ryż. 3: bardziej realistyczne, choć wciąż nieidealne, przedstawienie protonów i neutronów

Te kwarki, antykwarki i gluony nie tylko biegają tam iz powrotem, ale także zderzają się ze sobą i zamieniają się w siebie w procesach takich jak anihilacja cząstek (w której kwark i antykwark tego samego typu zamieniają się w dwa gluony, czyli imadło). versa) lub absorpcja i emisja gluonu (w którym kwark i gluon mogą zderzyć się i wytworzyć kwark i dwa gluony lub odwrotnie).

Co te trzy opisy ogólny:

Dwa kwarki górne i dolny (plus coś jeszcze) dla protonu.
Jeden kwark górny i dwa dolne (plus coś jeszcze) dla neutronu.
„Coś innego” dla neutronów jest tym samym, co „coś innego” dla protonów. Oznacza to, że nukleony mają „coś innego” to samo.
Mała różnica w masie między protonem a neutronem wynika z różnicy mas kwarku dolnego i kwarka górnego.

A ponieważ:

dla kwarków górnych ładunek elektryczny wynosi 2/3 e (gdzie e to ładunek protonu, -e to ładunek elektronu),
kwarki dolne mają ładunek -1/3e,
gluony mają ładunek 0,
każdy kwark i odpowiadający mu antykwark mają całkowity ładunek 0 (na przykład antykwark dolny ma ładunek +1/3e, więc kwark dolny i antykwark dolny będą miały ładunek –1/3 e +1/ 3 e = 0),

Każda cyfra przypisuje ładunek elektryczny protonu dwóm kwarkom górnym i jednemu dolnemu, a „coś innego” dodaje do ładunku 0. Podobnie neutron ma ładunek zerowy z powodu jednego kwarka górnego i dwóch dolnych:

całkowity ładunek elektryczny protonu 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
całkowity ładunek elektryczny neutronu wynosi 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.

Te opisy różnią się w następujący sposób:

ile „czegoś innego” w nukleonie,
co on tam robi?
skąd pochodzi masa i energia masy (E = mc 2 , energia obecna tam nawet wtedy, gdy cząstka jest w spoczynku) nukleonu.

Ponieważ większość masy atomu, a więc i całej zwykłej materii, zawiera się w protonach i neutronach, ostatni punkt jest niezwykle ważny dla prawidłowe zrozumienie nasza natura.

Ryż. 1 mówi, że kwarki w rzeczywistości stanowią jedną trzecią nukleonu - podobnie jak proton lub neutron stanowią jedną czwartą jądra helu lub 1/12 jądra węgla. Gdyby ten obraz był prawdziwy, kwarki w nukleonie poruszałyby się stosunkowo wolno (z prędkością znacznie mniejszą niż prędkość światła) ze stosunkowo słabymi siłami działającymi między nimi (choć z pewną potężną siłą utrzymującą je w miejscu). Masa kwarku w górę iw dół byłaby wtedy rzędu 0,3 GeV/c 2 , około jednej trzeciej masy protonu. Ale to prosty obraz, a idee, które narzuca, są po prostu błędne.

Ryż. 3. daje zupełnie inne wyobrażenie o protonie, jako kociołku cząstek przemykających przez niego z prędkością bliską prędkości światła. Cząstki te zderzają się ze sobą iw tych zderzeniach niektóre z nich anihilują, a inne powstają w ich miejsce. Gluony nie mają masy, masy górnych kwarków wynoszą około 0,004 GeV/c 2 , a masy dolnych kwarków wynoszą około 0,008 GeV/c 2 - setki razy mniej niż masy protonu. Skąd pochodzi energia masy protonu, pytanie jest złożone: część pochodzi z energii masy kwarków i antykwarków, część pochodzi z energii ruchu kwarków, antykwarków i gluonów, a część (prawdopodobnie dodatnia) , prawdopodobnie ujemna) od energii zmagazynowanej w silnym oddziaływaniu jądrowym, utrzymującej razem kwarki, antykwarki i gluony.

W pewnym sensie ryc. 2 próbuje wyeliminować różnicę między ryc. 1 i ryc. 3. Upraszcza ryż. 3, usuwając wiele par kwark-antykwark, które w zasadzie można nazwać efemerycznymi, ponieważ stale powstają i znikają, a nie są konieczne. Sprawia to jednak wrażenie, że gluony w nukleonach są bezpośrednią częścią silnej siły jądrowej, która utrzymuje protony. I nie wyjaśnia, skąd pochodzi masa protonu.

Na ryc. 1 ma jeszcze jedną wadę, poza wąskimi ramkami protonu i neutronu. Nie wyjaśnia niektórych właściwości innych hadronów, takich jak pion czy mezon rho. Te same problemy występują na ryc. 2.

Te ograniczenia doprowadziły do tego, że moim uczniom i na mojej stronie internetowej podaję zdjęcie z ryc. 3. Ale chcę cię ostrzec, że ma też wiele ograniczeń, które omówię później.

Należy zauważyć, że ekstremalna złożoność konstrukcji, sugerowana na ryc. 3 należy się spodziewać po obiekcie trzymanym razem przez tak potężną siłę, jak potężna siła jądrowa. I jeszcze jedno: trzy kwarki (dwa w górę i jeden w dół dla protonu), które nie są częścią grupy par kwark-antykwark, są często nazywane „kwarkami walencyjnymi”, a pary kwark-antykwarki są nazywane „morzem pary kwarków”. Taki język jest w wielu przypadkach wygodny technicznie. Ale daje to fałszywe wrażenie, że gdyby można było zajrzeć do wnętrza protonu i spojrzeć na konkretny kwark, można by od razu stwierdzić, czy był on częścią morza, czy wartościowością. Tego się nie da zrobić, po prostu nie ma takiej drogi.

Masa protonu i masa neutronu

Ponieważ masy protonu i neutronu są tak podobne, a proton i neutron różnią się tylko zastąpieniem kwarka górnego kwarkiem dolnym, wydaje się prawdopodobne, że ich masy są dostarczane w ten sam sposób, pochodzą z tego samego źródła , a ich różnica polega na niewielkiej różnicy między kwarkami górnym i dolnym. Ale powyższe trzy liczby pokazują, że istnieją trzy bardzo różne poglądy na pochodzenie masy protonu.

Ryż. 1 mówi, że kwarki górny i dolny stanowią po prostu 1/3 masy protonu i neutronu: około 0,313 GeV/c 2 , lub z powodu energii potrzebnej do utrzymania kwarków w protonie. A ponieważ różnica między masami protonu i neutronu jest ułamkiem procenta, różnica między masami kwarka górnego i dolnego również musi być ułamkiem procenta.

Ryż. 2 jest mniej jasne. Jaki ułamek masy protonu istnieje dzięki gluonom? Ale w zasadzie z rysunku wynika, że większość masy protonu nadal pochodzi z masy kwarków, jak na ryc. jeden.

Ryż. 3 odzwierciedla bardziej subtelne podejście do tego, jak faktycznie powstaje masa protonu (ponieważ możemy to sprawdzić bezpośrednio za pomocą obliczeń komputerowych protonu, a nie bezpośrednio za pomocą innych metody matematyczne). Bardzo różni się od pomysłów przedstawionych na ryc. 1 i 2, a okazuje się, że nie jest to takie proste.

Aby zrozumieć, jak to działa, należy myśleć nie w kategoriach masy protonu m, ale w kategoriach jego energii masy E = mc 2 , energii związanej z masą. Koncepcyjnie właściwe pytanie nie będzie to „skąd się wzięła masa protonu m”, po czym można obliczyć E mnożąc m przez c 2 , ale na odwrót: „skąd bierze się energia masy protonu E”, po czym można oblicz masę m dzieląc E przez c 2 .

Przydatne jest sklasyfikowanie wkładów w energię masy protonów na trzy grupy:

A) Energia masy (energia spoczynkowa) zawartych w niej kwarków i antykwarków (gluony, cząstki bezmasowe, nie wnoszą żadnego wkładu).
B) Energia ruchu (energia kinetyczna) kwarków, antykwarków i gluonów.
C) Energia oddziaływania (energia wiązania lub energia potencjalna) zmagazynowana w silnym oddziaływaniu jądrowym (dokładniej w polach gluonowych) utrzymujących proton.

Ryż. 3 mówi, że cząstki wewnątrz protonu poruszają się z dużą prędkością i że jest on pełen bezmasowych gluonów, więc udział B) jest większy niż A). Zwykle w większości systemów fizycznych B) i C) są porównywalne, podczas gdy C) jest często ujemne. Tak więc energia masowa protonu (i neutronu) pochodzi głównie z kombinacji B) i C), przy czym A) ma niewielki ułamek. Dlatego masy protonu i neutronu pojawiają się głównie nie ze względu na masy zawartych w nich cząstek, ale ze względu na energie ruchu tych cząstek i energię ich oddziaływania związaną z polami gluonowymi generującymi siły utrzymujące proton. W większości znanych nam systemów bilans energii rozkłada się inaczej. Na przykład w atomach i in Układ Słoneczny Dominuje A), podczas gdy B) i C) są znacznie mniejsze i porównywalne pod względem wielkości.

Podsumowując, zwracamy uwagę, że:

Ryż. 1 sugeruje, że energia masy protonu pochodzi od wkładu A).
Ryż. 2 sugeruje, że oba wkłady A) i C) są ważne, a B) wnosi niewielki wkład.
Ryż. 3 sugeruje, że B) i C) są ważne, podczas gdy wkład A) jest znikomy.

Wiemy, że ryż ma rację. 3. Aby to sprawdzić, możemy przeprowadzić symulacje komputerowe, a co ważniejsze, dzięki różnym przekonującym argumentom teoretycznym wiemy, że gdyby masy kwarków górnego i dolnego były równe zeru (a wszystko inne pozostało bez zmian), masa protonu prawie by się nie zmieniła. Najwyraźniej masy kwarków nie mogą wnosić istotnego wkładu w masę protonu.

Jeśli ryc. 3 nie kłamie, masy kwarka i antykwarka są bardzo małe. Jacy oni naprawdę są? Masa kwarka górnego (jak i antykwarka) nie przekracza 0,005 GeV/c 2 , czyli znacznie mniej niż 0,313 GeV/c 2 , co wynika z ryc. 1. (Masa kwarka górnego jest trudna do zmierzenia, a wartość ta zmienia się z powodu subtelnych efektów, więc może być znacznie mniejsza niż 0,005 GeV/c2). Masa kwarka dolnego jest o około 0,004 GeV/c 2 większa niż masa kwarka górnego. Oznacza to, że masa dowolnego kwarka lub antykwarka nie przekracza jednego procenta masy protonu.

Zauważ, że oznacza to (w przeciwieństwie do rys. 1), że stosunek masy kwarka dolnego do masy kwarka górnego nie zbliża się do jedności! Masa kwarka dolnego jest co najmniej dwukrotnie większa od masy kwarka górnego. Powodem, dla którego masy neutronu i protonu są tak podobne, nie jest to, że masy kwarków górnego i dolnego są podobne, ale to, że masy kwarków górnego i dolnego są bardzo małe - a różnica między nimi jest niewielka, w stosunku do mas protonu i neutronu. Przypomnijmy, że aby przekształcić proton w neutron, wystarczy zastąpić jeden z jego kwarków górnych kwarkiem dolnym (rysunek 3). Ta zmiana wystarczy, aby neutron był nieco cięższy od protonu i zmienił jego ładunek z +e na 0.

Nawiasem mówiąc, fakt, że różne cząstki wewnątrz protonu zderzają się ze sobą, stale pojawiają się i znikają, nie wpływa na to, o czym rozmawiamy - energia jest zachowywana w każdym zderzeniu. Energia masy i energia ruchu kwarków i gluonów może się zmieniać, podobnie jak energia ich oddziaływania, ale całkowita energia protonu się nie zmienia, chociaż wszystko w jego wnętrzu ulega ciągłym zmianom. Zatem masa protonu pozostaje stała, pomimo jego wewnętrznego wiru.

W tym momencie możesz zatrzymać się i przyswoić otrzymane informacje. Zdumiewający! Praktycznie cała masa zawarta w zwykłej materii pochodzi z masy nukleonów w atomach. A większość tej masy pochodzi z chaosu tkwiącego w protonie i neutronie - z energii ruchu kwarków, gluonów i antykwarków w nukleonach oraz z energii pracy silnych oddziaływań jądrowych, które utrzymują nukleon w całym stanie. Tak: nasza planeta, nasze ciała, nasz oddech są wynikiem takiego cichego i do niedawna niewyobrażalnego pandemonium.

Jak już wspomniano, atom składa się z trzech rodzajów cząstek elementarnych: protonów, neutronów i elektronów. Jądro atomowe to centralna część atomu, składająca się z protonów i neutronów. Protony i neutrony mają Nazwa zwyczajowa nukleon, w jądrze mogą zamieniać się w siebie. Jądro najprostszego atomu - atomu wodoru - składa się z jednej cząstki elementarnej - protonu.

Średnica jądra atomu wynosi około 10-13 - 10-12 cm i jest to 0,0001 średnicy atomu. Jednak prawie cała masa atomu (99,95-99,98%) jest skoncentrowana w jądrze. Gdyby udało się uzyskać 1 cm3 czystej materii jądrowej, jej masa wynosiłaby 100-200 mln ton. Masa jądra atomu jest kilka tysięcy razy większa niż masa wszystkich elektronów tworzących atom.

Proton- cząstka elementarna, jądro atomu wodoru. Masa protonu wynosi 1,6721 x 10-27 kg, czyli 1836 razy masa elektronu. Ładunek elektryczny jest dodatni i równy 1,66 x 10-19 C. Kulomb jest jednostką ładunku elektrycznego równą ilości przechodzącej przez nią energii elektrycznej przekrój poprzeczny przewodnik przez czas 1s przy stałym natężeniu prądu 1A (ampery).

Każdy atom dowolnego pierwiastka zawiera się w jądrze pewna liczba protony. Ta liczba jest stała dla dany element i określa jego fizyczne i Właściwości chemiczne. Oznacza to, że liczba protonów zależy od tego, z jakim pierwiastkiem chemicznym mamy do czynienia. Na przykład, jeśli jeden proton w jądrze jest wodorem, jeśli 26 protonów to żelazo. Liczba protonów w jądrze atomowym określa ładunek jądra (liczba ładunku Z) oraz numer seryjny pierwiastka w układzie okresowym pierwiastków D.I. Mendelejew (liczba atomowa pierwiastka).

Neutron- elektrycznie obojętna cząstka o masie 1,6749 x 10-27 kg, 1839 razy większa od masy elektronu. Neuron w stanie swobodnym jest cząstką niestabilną, samodzielnie zamienia się w proton z emisją elektronu i antyneutrina. Okres półtrwania neutronów (czas, w którym zanika połowa pierwotnej liczby neutronów) wynosi około 12 minut. Jednak w stan związany wewnątrz stajni jądra atomowe jest stabilny. Łączna nukleony (protony i neutrony) w jądrze nazywamy liczbą masową (masą atomową - A). Liczba neutronów tworzących jądro jest równa różnicy między liczbą masową a liczbą ładunków: N = A - Z.

Elektron- cząstka elementarna, nośnik o najmniejszej masie - 0,91095x10-27g i najmniejszym ładunku elektrycznym - 1,6021x10-19 C. To jest ujemnie naładowana cząstka. Liczba elektronów w atomie jest równa liczbie protonów w jądrze, czyli atom jest elektrycznie obojętny.

Pozytron- cząstka elementarna z dodatnim ładunkiem elektrycznym, antycząstka w stosunku do elektronu. Masy elektronu i pozytonu są równe, a ładunki elektryczne są równe w wartości bezwzględnej, ale przeciwne w znaku.

Różne typy jąder nazywane są nuklidami. Nuklid - rodzaj atomów o określonej liczbie protonów i neutronów. W naturze występują atomy tego samego pierwiastka o różnych masach atomowych (liczbach masowych):
, Cl, itp. Jądra tych atomów zawierają ten sam numer protony, ale inny numer neutrony. Odmiany atomów tego samego pierwiastka, które mają ten sam ładunek jądrowy, ale różne Liczba masowa, są nazywane izotopy . Mając taką samą liczbę protonów, ale różniącą się liczbą neutronów, izotopy mają taką samą strukturę powłok elektronowych, tj. bardzo podobne właściwości chemiczne i zajmują to samo miejsce w układzie okresowym pierwiastków chemicznych.

Są one oznaczone symbolem odpowiedniego pierwiastka chemicznego o indeksie A znajdującym się w lewym górnym rogu - liczba masowa, czasem liczba protonów (Z) jest również podana w lewym dolnym rogu. Na przykład radioaktywne izotopy fosforu oznaczono odpowiednio 32P, 33P lub P i P. Przy wyznaczaniu izotopu bez wskazywania symbolu pierwiastka liczba masowa jest podawana po oznaczeniu pierwiastka, na przykład fosfor - 32, fosfor - 33.

Większość pierwiastków chemicznych ma kilka izotopów. Oprócz izotopu wodoru 1H-protium, znany jest ciężki wodór 2H-deuter i superciężki wodór 3H-tryt. Uran ma 11 izotopów, związki naturalne są ich trzy (uran 238, uran 235, uran 233). Mają odpowiednio 92 protony i 146,143 i 141 neutronów.

Obecnie znanych jest ponad 1900 izotopów 108 pierwiastków chemicznych. Spośród nich izotopy naturalne obejmują wszystkie stabilne (jest ich około 280) oraz naturalne izotopy należące do rodzin promieniotwórczych (jest ich 46). Pozostałe są sztuczne, otrzymywane są sztucznie w wyniku różnych reakcji jądrowych.

Terminu „izotopy” należy używać tylko wtedy, gdy rozmawiamy o atomach tego samego pierwiastka, na przykład węgla 12C i 14C. Jeśli chodzi o atomy różnych pierwiastków chemicznych, zaleca się stosowanie terminu „nuklidy”, na przykład radionuklidy 90Sr, 131J, 137Cs.

Rozdział pierwszy. WŁAŚCIWOŚCI STABILNYCH JĄDRÓW

Jak już powiedziano powyżej, jądro składa się z protonów i neutronów związanych siłami jądrowymi. Jeśli mierzymy masę jądra w jednostkach masy atomowej, to powinna być ona zbliżona do masy protonu pomnożonej przez liczbę całkowitą zwaną liczbą masową. Jeśli ładunek jądra i liczba masowa, oznacza to, że skład jądra obejmuje protony i neutrony. (Liczba neutronów w jądrze jest zwykle oznaczana przez

Te właściwości jądra znajdują odzwierciedlenie w zapisie symbolicznym, który zostanie wykorzystany w dalszej części formularza

gdzie X to nazwa pierwiastka, do którego atomu należy jądro (na przykład jądra: hel - , tlen - , żelazo - uran

Główne cechy stabilnych jąder to: ładunek, masa, promień, momenty mechaniczne i magnetyczne, widmo stanów wzbudzonych, parzystość i moment kwadrupolowy. Jądra promieniotwórcze (niestabilne) dodatkowo charakteryzują się czasem życia, rodzajem przemian promieniotwórczych, energią emitowanych cząstek oraz szeregiem innych specjalnych właściwości, które zostaną omówione poniżej.

Przede wszystkim rozważmy właściwości cząstek elementarnych tworzących jądro: protonu i neutronu.

§ 1. GŁÓWNE WŁAŚCIWOŚCI PROTONU I NEUTRONU

Waga. W jednostkach masy elektronu: masa protonu jest masą neutronu.

W jednostkach masy atomowej: masa protonu masa neutronu

W jednostkach energii masa spoczynkowa protonu jest masą spoczynkową neutronu

Ładunek elektryczny. q jest parametrem charakteryzującym oddziaływanie cząstki z pole elektryczne, jest wyrażona w jednostkach ładunku elektronu gdzie

Wszystkie cząstki elementarne niosą elektryczność równą 0 lub Ładunek protonu Ładunek neutronu wynosi zero.

Obracać. Spiny protonu i neutronu są równe Obie cząstki są fermionami i podlegają statystyce Fermiego-Diraca, a więc zasadzie Pauliego.

Moment magnetyczny. Jeśli podstawimy do wzoru (10), który określa moment magnetyczny elektronu zamiast masy elektronu, masę protonu, otrzymamy

Wielkość nazywana jest magnetonem jądrowym. Można by założyć przez analogię do elektronu, że spinowy moment magnetyczny protonu jest równy, jednak doświadczenie pokazało, że wewnętrzny moment magnetyczny protonu jest większy niż magnetonu jądrowego: według współczesnych danych

Ponadto okazało się, że nienaładowana cząstka – neutron – również ma moment magnetyczny różny od zera i równy

Obecność momentu magnetycznego w neutronie itp bardzo ważne moment magnetyczny protonu jest sprzeczny z założeniami o punktowej naturze tych cząstek. Szereg danych eksperymentalnych uzyskanych w ostatnie lata, wskazuje, że zarówno proton, jak i neutron mają złożoną niejednorodną strukturę. Jednocześnie w centrum neutronu znajduje się ładunek dodatni, a na obwodzie ładunek ujemny równy jej wielkości, rozłożony w objętości cząstki. Ale ponieważ moment magnetyczny jest determinowany nie tylko wielkością przepływającego prądu, ale także obszarem przez niego objętym, wytworzone przez nie momenty magnetyczne nie będą równe. Dlatego neutron może mieć moment magnetyczny, pozostając ogólnie obojętnym.

Wzajemne przemiany nukleonów. Masa neutronu jest większa od masy protonu o 0,14%, czyli 2,5 mas elektronów,

W stanie swobodnym neutron rozpada się na proton, elektron i antyneutrino: jego średni czas życia wynosi około 17 minut.

Proton jest stabilną cząstką. Jednak wewnątrz jądra może zamienić się w neutron; podczas gdy reakcja przebiega zgodnie ze schematem

Różnicę mas cząstek stojących po lewej i prawej stronie kompensuje energia przekazywana protonowi przez inne nukleony jądra.

Proton i neutron mają te same spiny, prawie te same masy i mogą się wzajemnie przekształcać. Wykażemy później, że siły jądrowe działające między tymi cząstkami w parach są również takie same. Dlatego nazywają się wspólne wyznanie- nukleon i mówią, że nukleon może być w dwóch stanach: protonowym i neutronowym, które różnią się stosunkiem do pola elektromagnetycznego.

Neutrony i protony oddziałują ze względu na istnienie sił jądrowych, które mają charakter nieelektryczny. Siły jądrowe zawdzięczają swoje pochodzenie wymianie mezonów. Jeśli zobrazujemy zależność energii potencjalnej oddziaływania protonu i neutronu niskoenergetycznego od odległości między nimi, to w przybliżeniu będzie to wyglądać jak wykres pokazany na ryc. 5a, czyli ma kształt studni potencjału.

Ryż. Rys. 5. Zależność energii potencjalnej oddziaływania od odległości między nukleonami: a - dla par neutron-neutron lub neutron-proton; b - dla pary proton - proton

§jeden. Poznaj elektron, proton, neutron

Atomy to najmniejsze cząsteczki materii.
Jeśli powiększony do glob jabłko średniej wielkości, wtedy atomy staną się tylko wielkości jabłka. Mimo tak niewielkich rozmiarów atom składa się z jeszcze mniejszych cząstek fizycznych.
Budowę atomu powinieneś już znać ze szkolnego kursu fizyki. A jednak pamiętamy, że atom zawiera jądro i elektrony, które obracają się wokół jądra tak szybko, że stają się nie do odróżnienia – tworzą „obłok elektronów” lub powłoka elektronowa atom.

Elektrony jest zwykle oznaczany w następujący sposób: mi − . Elektrony mi- bardzo lekkie, prawie nieważkie, ale mają negatywnyładunek elektryczny. Jest równy -1. Elektryczność, z którego wszyscy korzystamy, jest strumieniem elektronów biegnącym w przewodach.

jądro atomowe, w którym skoncentrowana jest prawie cała jego masa, składa się z cząstek dwóch typów - neutronów i protonów.

Neutrony oznaczone następująco: n 0 , a protony Więc: p + .
Masowo neutrony i protony są prawie takie same - 1,675 10-24 g i 1,673 10-24 g.
To prawda, że bardzo niewygodne jest liczenie masy tak małych cząstek w gramach, więc wyraża się ją w jednostki węglowe, z których każdy jest równy 1,673 10 -24 g.
Za każdą cząstkę dostać względna masa atomowa, równy ilorazowi masy atomu (w gramach) przez masę jednostki węgla. względny masy atomowe proton i neutron są równe 1, ale ładunek protonów jest dodatni i równy +1, podczas gdy neutrony nie mają ładunku.

. Zagadki o atomie

Atom może być złożony „w umyśle” z cząstek, jak zabawka czy samochód z części konstruktor dziecięcy. Trzeba tylko przestrzegać dwóch ważnych warunków.

Pierwszy warunek: każdy rodzaj atomu ma swój własny własny zestaw"Detale" - cząstki elementarne. Na przykład atom wodoru koniecznie będzie miał jądro z ładunkiem dodatnim +1, co oznacza, że z pewnością musi mieć jeden proton (i nie więcej).
Atom wodoru może również zawierać neutrony. Więcej na ten temat w następnym akapicie.
Atom tlenu (numer seryjny w układzie okresowym to 8) będzie miał jądro naładowane osiemładunki dodatnie (+8), co oznacza, że jest osiem protonów. Ponieważ masa atomu tlenu wynosi 16 jednostek względnych, aby uzyskać jądro tlenu, dodamy 8 więcej neutronów.
Drugi warunek jest to, że każdy atom jest elektrycznie neutralny. Aby to zrobić, musi mieć wystarczającą ilość elektronów, aby zrównoważyć ładunek jądra. Innymi słowy, liczba elektronów w atomie jest równa liczbie protonów w jego rdzeniu, i numer seryjny tego elementu w układzie okresowym.