Kapitel II. Atomernas struktur och den periodiska lagen.

En atom är den minsta partikeln kemiskt element, som bevarar alla Kemiska egenskaper. En atom består av en kärna som har en positiv elektrisk laddning, och negativt laddade elektroner. Laddningen av kärnan i ett kemiskt element är lika med produkten av Z och e, där Z är serienumret givet element i det periodiska systemet av kemiska grundämnen är e värdet av den elementära elektriska laddningen.

Elektron- detta är den minsta partikeln av ett ämne med en negativ elektrisk laddning e=1,6·10 -19 coulombs, taget som en elementär elektrisk laddning. Elektroner, som roterar runt kärnan, finns på elektronskalen K, L, M etc. K är skalet närmast kärnan. Storleken på en atom bestäms av storleken på dess elektronskal. En atom kan förlora elektroner och bli en positiv jon, eller få elektroner och bli en negativ jon. Laddningen av en jon bestämmer antalet elektroner som förloras eller vinner. Processen att förvandla en neutral atom till en laddad jon kallas jonisering.

atomkärnan(den centrala delen av atomen) består av elementära kärnpartiklar - protoner och neutroner. Kärnans radie är ungefär hundra tusen gånger mindre än atomens radie. Atomkärnans täthet är extremt hög. Protoner- Det här är stabila elementarpartiklar som har en enhetlig positiv elektrisk laddning och en massa som är 1836 gånger större än en elektrons massa. Protonen är kärnan i det lättaste grundämnet, väte. Antalet protoner i kärnan är Z. Neutronär en neutral (ej elektrisk laddning) elementarpartikel med en massa mycket nära en protons massa. Eftersom massan av kärnan är summan av massan av protoner och neutroner, är antalet neutroner i en atoms kärna A - Z, där A är masstalet för en given isotop (se). Protonen och neutronen som utgör kärnan kallas nukleoner. I kärnan är nukleoner bundna av speciella kärnkrafter.

PÅ atomkärnan det finns ett enormt lager av energi som frigörs vid kärnreaktioner. Kärnreaktioner inträffar när atomkärnor interagerar med elementarpartiklar eller med kärnor av andra element. Som ett resultat av kärnreaktioner bildas nya kärnor. Till exempel kan en neutron omvandlas till en proton. I detta fall stöts en beta-partikel, det vill säga en elektron, ut från kärnan.

Övergången i en protons kärna till en neutron kan utföras på två sätt: antingen emitteras en partikel med en massa som är lika med massan av en elektron, men med en positiv laddning, kallad en positron (positronsönderfall), från kärnan, eller så fångar kärnan en av elektronerna från närmaste K-skal (K -infångning).

Ibland har den bildade kärnan ett överskott av energi (den är i ett exciterat tillstånd) och, som går över i det normala tillståndet, släpper överskottsenergi i form av elektromagnetisk strålning med en mycket kort våglängd -. Den energi som frigörs vid kärnreaktioner används praktiskt taget i olika branscher industri.

En atom (grekiska atomos - odelbar) är den minsta partikeln av ett kemiskt grundämne som har sina kemiska egenskaper. Varje grundämne består av vissa typer av atomer. Strukturen hos en atom inkluderar kärnan som bär en positiv elektrisk laddning och negativt laddade elektroner (se), som bildar dess elektroniska skal. Värdet på kärnans elektriska laddning är lika med Z-e, där e är den elementära elektriska laddningen, lika stor som elektronens laddning (4,8 10 -10 e.-st. enheter), och Z är atomnumret av detta element i det periodiska systemet av kemiska element (se .). Eftersom en icke-joniserad atom är neutral är antalet elektroner som ingår i den också lika med Z. Kärnans sammansättning (se. Atomkärnan) inkluderar nukleoner, elementarpartiklar med en massa som är ungefär 1840 gånger större än massan av en elektron (lika med 9,1 10 - 28 g), protoner (se), positivt laddade och laddningslösa neutroner (se). Antalet nukleoner i kärnan kallas masstalet och betecknas med bokstaven A. Antalet protoner i kärnan, lika med Z, bestämmer antalet elektroner som kommer in i atomen, strukturen på elektronskalen och kemikalien atomens egenskaper. Antalet neutroner i kärnan är A-Z. Isotoper kallas varianter av samma grundämne, vars atomer skiljer sig från varandra i massnummer A, men har samma Z. Således finns det i kärnorna av atomer av olika isotoper av ett grundämne annat nummer neutroner för samma antal protoner. Vid beteckning av isotoper skrivs masstalet A överst på elementsymbolen och atomnumret längst ned; till exempel är isotoper av syre betecknade:

Dimensionerna av en atom bestäms av dimensionerna på elektronskalen och för alla är Z cirka 10 -8 cm. Eftersom massan av alla elektroner i atomen är flera tusen gånger mindre än massan av kärnan, är massan av atomen är proportionell mot masstalet. Den relativa massan av en atom i en given isotop bestäms i förhållande till massan av en atom i kolisotopen C 12, taget som 12 enheter, och kallas isotopmassan. Det visar sig vara nära masstalet för motsvarande isotop. Den relativa vikten av en atom av ett kemiskt element är medelvärdet (med hänsyn tagen till den relativa mängden isotoper av ett givet element) värdet av isotopvikten och kallas atomvikten (massan).

En atom är ett mikroskopiskt system, och dess struktur och egenskaper kan endast förklaras med hjälp av kvantteorin, skapad främst på 1900-talets 20-tal och avsedd att beskriva fenomen i atomär skala. Experiment har visat att mikropartiklar - elektroner, protoner, atomer etc. - förutom korpuskulära, har vågegenskaper som visar sig i diffraktion och interferens. Inom kvantteorin används ett visst vågfält som kännetecknas av en vågfunktion (Ψ-funktion) för att beskriva tillståndet hos mikroobjekt. Denna funktion bestämmer sannolikheterna för möjliga tillstånd för mikroobjektet, det vill säga den karakteriserar de potentiella möjligheterna för manifestationen av en eller annan av dess egenskaper. Variationslagen för funktionen Ψ i rum och tid (Schrödinger-ekvationen), som gör det möjligt att hitta denna funktion, spelar samma roll i kvantteorin som Newtons rörelselagar inom klassisk mekanik. Lösningen av Schrödinger-ekvationen leder i många fall till diskreta möjliga tillstånd i systemet. Så, till exempel, i fallet med en atom, erhålls en serie vågfunktioner för elektroner som motsvarar olika (kvantiserade) energivärden. Atomens energinivåsystem, beräknat med kvantteorins metoder, har fått lysande bekräftelse inom spektroskopi. Övergång av en atom från grundtillståndet motsvarande det lägsta energinivå Eo, i vilket som helst av de exciterade tillstånden Ei uppstår när en viss del av energin Ei - E0 absorberas. En exciterad atom går in i ett mindre exciterat eller grundtillstånd, vanligtvis med emission av en foton. I detta fall är fotonenergin hv lika med skillnaden mellan energierna hos en atom i två tillstånd: hv= E i - Ek k där h är Plancks konstant (6,62·10 -27 erg·sek), v är frekvensen av ljus.

Förutom atomspektra har kvantteorin gjort det möjligt att förklara andra egenskaper hos atomer. I synnerhet valensen, naturen kemisk bindning och strukturen av molekyler skapades teorin om det periodiska systemet av element.

Storleken och massorna av atomer är små. Atomernas radie är 10 -10 m, och kärnans radie är 10 -15 m. En atoms massa bestäms genom att dividera massan av en mol elementatomer med antalet atomer i 1 mol (NA A). \u003d 6,02 10 23 mol -1). Atomernas massa varierar inom 10 -27 ~ 10 -25 kg. Atomernas massa uttrycks vanligtvis i atommassaenheter (a.m.u.). För a.u.m. 1/12 av massan av en atom i kolisotopen 12C är antagen.

De huvudsakliga egenskaperna hos en atom är laddningen av dess kärna (Z) och massnummer (A). Antalet elektroner i en atom är lika med laddningen av dess kärna. Atomers egenskaper bestäms av laddningen av deras kärnor, antalet elektroner och deras tillstånd i atomen.

Grundläggande egenskaper och struktur hos kärnan (teori om sammansättningen av atomkärnor)

1. Atomkärnorna i alla grundämnen (med undantag för väte) består av protoner och neutroner.

2. Antalet protoner i kärnan bestämmer värdet på dess positiva laddning (Z). Z- serienumret för ett kemiskt element i Mendeleevs periodiska system.

3. Det totala antalet protoner och neutroner är värdet av dess massa, eftersom massan av en atom huvudsakligen är koncentrerad i kärnan (99,97 % av atomens massa). Kärnpartiklar - protoner och neutroner - kombineras under vanligt namn nukleoner(från latinska ord kärna, som betyder "kärna"). Det totala antalet nukleoner motsvarar - masstalet, dvs. avrundas till ett heltal atomisk massa MEN.

kärnor med detsamma Z, men annorlunda MEN kallad isotoper. Kärnor, som samtidigt MEN har olika Z, kallas isobarer. Totalt är cirka 300 stabila isotoper av kemiska grundämnen och mer än 2000 naturliga och artificiellt erhållna radioaktiva isotoper kända.

4. Antal neutroner i kärnan N kan hittas av skillnaden mellan masstalet ( MEN) och serienummer ( Z):

5. Kärnstorleken karakteriseras kärnradie, som har en villkorlig betydelse på grund av att kärngränsen suddas ut.

Densiteten av kärnämnet är i storleksordningen 10 17 kg/m 3 och är konstant för alla kärnor. Det överstiger avsevärt densiteten för de tätaste vanliga ämnena.

Proton-neutronteorin gjorde det möjligt att lösa de motsättningar som uppstod tidigare i idéerna om atomkärnors sammansättning och dess samband med serienummer och atommassa.

Kärnbindande energi bestäms av hur mycket arbete som måste göras för att dela upp kärnan i dess ingående nukleoner utan att ge dem kinetisk energi. Det följer av lagen om bevarande av energi att samma energi måste frigöras under bildandet av en kärna, som måste förbrukas vid splittringen av kärnan i dess beståndsdelar nukleoner. Kärnbindningsenergin är skillnaden mellan energin hos alla fria nukleoner som utgör kärnan och deras energi i kärnan.

När en kärna bildas, minskar dess massa: kärnans massa är mindre än summan av massorna av dess ingående nukleoner. Minskningen av kärnans massa under dess bildning förklaras av frigörandet av bindningsenergi. Om en Wсв är värdet på den energi som frigörs under bildandet av kärnan, då motsvarande massa Dm, lika med

kallad massdefekt och karakteriserar minskningen av den totala massan under bildandet av en kärna från dess ingående nukleoner. En atommassaenhet motsvarar atomenergienhet(a.u.e.): a.u.e.=931.5016 MeV.

Den specifika bindningsenergin för kärnan w bindningsenergin per nukleon kallas: w sv= . Värde w cw i genomsnitt 8 MeV/nukleon. När antalet nukleoner i kärnan ökar specifik energi anslutningarna minskar.

Kriteriet för atomkärnors stabilitetär förhållandet mellan antalet protoner och neutroner i en stabil kärna för givna isobarer. ( MEN= konst).

kärnkrafter

1. Nukleär interaktion indikerar att det finns speciella kärnkrafter, inte reducerbar till någon av de typer av krafter som är kända inom klassisk fysik (gravitationell och elektromagnetisk).

2. Kärnkrafter är kortdistanskrafter. De uppträder endast på mycket små avstånd mellan nukleoner i kärnan i storleksordningen 10-15 m. Längden (1,5-2,2) 10-15 kallas kärnkraftsområdet.

3. Kärnkrafter upptäcker avgiftsoberoende: attraktionen mellan två nukleoner är densamma oavsett nukleonernas laddningstillstånd - proton eller nukleon. Kärnkrafternas laddningsoberoende framgår av en jämförelse av bindningsenergierna i spegelkärnor. Detta är namnet på kärnan, där densamma Totala numret nukleoner, men antalet protoner i den ena är lika med antalet neutroner i den andra. Till exempel heliumkärnor tungt väte tritium -.

4. Kärnkrafter har egenskapen mättnad, vilket visar sig i att nukleonen i kärnan endast interagerar med ett begränsat antal angränsande nukleoner närmast den. Det är därför det finns ett linjärt beroende av kärnornas bindningsenergier på deras massatal (A). Nästan fullständig mättnad av kärnkrafterna uppnås i a-partikeln, vilket är en mycket stabil formation.

Radioaktivitet, g - strålning, a och b - sönderfall

1.radioaktivitet kallas omvandlingen av instabila isotoper av ett kemiskt element till isotoper av ett annat element, åtföljd av emissionen elementarpartiklar, kärnor eller hårda röntgenstrålar. naturlig radioaktivitet kallas den radioaktivitet som observeras i naturligt förekommande instabila isotoper. artificiell radioaktivitet kallas radioaktiviteten hos isotoper som erhålls till följd av kärnreaktioner.

2. Vanligtvis åtföljs alla typer av radioaktivitet av emission av gammastrålning - hårda, kortvågiga elektriska vågor. Gammastrålning är den huvudsakliga formen för att reducera energin hos exciterade produkter från radioaktiva omvandlingar. En kärna som genomgår radioaktivt sönderfall kallas moderlig; framväxande barn kärnan, som regel, visar sig vara exciterad, och dess övergång till grundtillståndet åtföljs av emissionen av en g-foton.

3. alfasönderfall kallas utsläpp av kärnor av vissa kemiska grundämnen a - partiklar. Alfasönderfall är en egenskap hos tunga kärnor med massatal MEN>200 och kärnladdningar Z>82. Inuti sådana kärnor bildas separata a-partiklar som var och en består av två protoner och två neutroner, d.v.s. en atom av ett grundämne bildas som förskjuts i tabellen över det periodiska systemet av element i D.I. Mendeleev (PSE) två celler till vänster om det ursprungliga radioaktiva grundämnet med ett massatal mindre än 4 enheter(Soddy-Faience regel):

4. Termen beta-sönderfall betecknar tre typer av kärnomvandlingar: elektronisk(b-) och positron(b+) sönderfaller, och även elektronisk fångst.

b-sönderfall inträffar övervägande i jämförelsevis neutronrika kärnor. I detta fall sönderfaller kärnneutronen till en proton, en elektron och en antineutrino () med noll laddning och massa.

Under b-sönderfall ändras inte isotopens massatal, eftersom det totala antalet protoner och neutroner bevaras, och laddningen ökar med 1. Därför, atomen i det resulterande kemiska elementet förskjuts av PSE en cell till höger om det ursprungliga elementet, och dess massnummer ändras inte(Soddy-Faience regel):

b+-sönderfall sker övervägande i relativt protonrika kärnor. I detta fall sönderfaller kärnans proton till en neutron, en positron och en neutrino ().

.

Under b + - sönderfall ändras inte isotopens massnummer, eftersom det totala antalet protoner och neutroner bevaras, och laddningen minskar med 1. Därför, atomen i det resulterande kemiska elementet förskjuts av PSE en cell till vänster om det ursprungliga elementet, och dess massnummer ändras inte(Soddy-Faience regel):

5. Vid elektroninfångning består transformationen i att en av elektronerna i lagret närmast kärnan försvinner. Protonen, som förvandlas till en neutron, "fångar" elektronen, så att säga; det är härifrån termen "elektronisk fångst" kommer. Elektronisk infångning, i motsats till b±-infångning, åtföljs av karakteristisk röntgenstrålning.

6. b - sönderfall sker i naturligt radioaktiva, såväl som artificiellt radioaktiva kärnor; b+-sönderfall är typiskt endast för fenomenet artificiell radioaktivitet.

7. g-strålning: när den exciteras, avger kärnan i en atom elektromagnetisk strålning med kort våglängd och hög frekvens, med större styvhet och penetrerande kraft än röntgenstrålar. Som ett resultat av detta minskar kärnans energi, medan kärnans massatal och laddning förblir oförändrade. Därför observeras inte omvandlingen av ett kemiskt element till ett annat, och en atoms kärna övergår i ett mindre exciterat tillstånd.

Låt oss prata om hur man hittar protoner, neutroner och elektroner. Det finns tre typer av elementarpartiklar i en atom, och var och en har sin egen elementära laddning, massa.

Strukturen av kärnan

För att förstå hur man hittar protoner, neutroner och elektroner, föreställ dig att det är huvuddelen av atomen. Inuti kärnan finns protoner och neutroner som kallas nukleoner. Inuti kärnan kan dessa partiklar passera in i varandra.

Till exempel, för att hitta protoner, neutroner och elektroner i det är det nödvändigt att känna till dess serienummer. Med tanke på att det är detta element som leder periodiska systemet, då innehåller dess kärna en proton.

Diametern på en atomkärna är en tiotusendel av en atoms totala storlek. Den innehåller huvuddelen av hela atomen. Massan av kärnan är tusentals gånger större än summan av alla elektroner som finns i atomen.

Partikelkarakterisering

Fundera på hur man hittar protoner, neutroner och elektroner i en atom och lär dig om deras egenskaper. Protonen är den som motsvarar kärnan i väteatomen. Dess massa överstiger elektronen med 1836 gånger. För att bestämma enheten för el som passerar genom en ledare med en given tvärsnitt, använd en elektrisk laddning.

Varje atom har ett visst antal protoner i sin kärna. Det är ett konstant värde, kännetecknar kemikalien och fysikaliska egenskaper detta element.

Hur hittar man protoner, neutroner och elektroner i en kolatom? Atomnumret för detta kemiska element är 6, därför innehåller kärnan sex protoner. Enligt planetsystemet rör sig sex elektroner i banor runt kärnan. För att bestämma antalet neutroner från värdet på kol (12) subtrahera antalet protoner (6), får vi sex neutroner.

För en järnatom motsvarar antalet protoner 26, det vill säga detta element har det 26:e serienumret i det periodiska systemet.

Neutronen är en elektriskt neutral partikel, instabil i det fria tillståndet. En neutron kan spontant omvandlas till en positivt laddad proton, samtidigt som den avger en antineutrino och en elektron. Mellanperiod dess halveringstid är 12 minuter. Massnummer- detta är det totala värdet av antalet protoner och neutroner inuti kärnan i en atom. Låt oss försöka lista ut hur man hittar protoner, neutroner och elektroner i en jon? Om en atom får ett positivt oxidationstillstånd under en kemisk interaktion med ett annat grundämne, ändras inte antalet protoner och neutroner i den, bara elektroner blir mindre.

Slutsats

Det fanns flera teorier om atomens struktur, men ingen av dem var gångbar. Före versionen skapad av Rutherford fanns det ingen detaljerad förklaring om platsen för protoner och neutroner inuti kärnan, liksom om rotation i cirkulära banor av elektroner. Efter teorins tillkomst planetarisk struktur atom, har forskare möjlighet att inte bara bestämma antalet elementarpartiklar i en atom, utan också att förutsäga de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos ett visst kemiskt element.

Så fort det råkar träffa ett okänt föremål uppstår nödvändigtvis den merkantila vardagsfrågan - hur mycket väger den. Men om detta okända är en elementarpartikel, vad då? Men ingenting, frågan förblir densamma: vad är massan av denna partikel. Om någon skulle räkna kostnaderna för mänskligheten för att tillfredsställa sin nyfikenhet för forskning, närmare bestämt mätningar, massorna av elementarpartiklar, då skulle vi få reda på att till exempel massan av en neutron i kilogram med en häpnadsväckande antal nollor efter decimalkomma, kostar mänskligheten mer än de flesta dyr konstruktion med samma antal nollor före decimalkomma.

Och allt började väldigt slentrianmässigt: i laboratoriet ledd av J. J. Thomson 1897 genomfördes studier av katodstrålar. Som ett resultat bestämdes en universell konstant för universum - värdet av förhållandet mellan massan av en elektron och dess laddning. Innan man bestämmer massan av en elektron finns det väldigt lite kvar - för att bestämma dess laddning. Efter 12 år lyckades han göra det. Han experimenterade med att falla elektriskt fält oljedroppar, och han lyckades inte bara balansera deras vikt med fältets storlek, utan också med att utföra de nödvändiga och extremt känsliga mätningarna. Deras resultat är det numeriska värdet av elektronmassan:

jag = 9,10938215(15) * 10-31kg.

Vid det här laget hör också studier av strukturen till där pionjären var Ernest Rutherford. Det var han som, som observerade spridningen av laddade partiklar, föreslog en modell av en atom med ett yttre elektronskal och en positiv kärna. Partikeln, till vilken rollen som kärnan i den enklaste atomen föreslogs, erhölls genom att bombardera kväve. Detta var den första kärnreaktion, erhållen i laboratoriet - som ett resultat erhölls syre och framtidens kärnor som kallas protoner från kväve. Men alfastrålar är sammansatta av komplexa partiklar: förutom två protoner innehåller de ytterligare två neutroner. Neutronens massa är nästan lika stor, och den totala massan av alfapartikeln visar sig vara ganska solid för att förstöra den mötande kärnan och dela av en "bit" från den, vilket hände.

Flödet av positiva protoner avböjdes elektriskt fält, för att kompensera för dess avvikelse orsakad av dessa experiment, var det inte längre svårt att bestämma protonens massa. Men det mest intressanta var frågan om vilket förhållande proton- och elektronmassorna har. Gåtan löstes omedelbart: protonens massa överstiger elektronens massa med lite mer än 1836 gånger.

Så till en början var atommodellen tänkt, enligt Rutherford, som en elektron-protonuppsättning med samma nummer protoner och elektroner. Det visade sig dock snart att den primära kärnmodellen inte helt beskriver alla observerade effekter på interaktioner mellan elementarpartiklar. Först 1932 bekräftade han hypotesen om ytterligare partiklar i kärnans sammansättning. De kallades neutroner, neutrala protoner, eftersom. de hade ingen avgift. Det är denna omständighet som avgör deras stora penetreringsförmåga - de lägger inte sin energi på jonisering av mötande atomer. En neutrons massa är mycket lite större än en protons massa - bara cirka 2,6 elektronmassor mer.

De kemiska egenskaperna hos ämnen och föreningar som bildas av ett givet grundämne bestäms av antalet protoner i en atoms kärna. Med tiden bekräftades protonens deltagande i starka och andra grundläggande interaktioner: elektromagnetisk, gravitationell och svag. I det här fallet, trots att neutronens laddning är frånvarande, med starka interaktioner, betraktas protonen och neutronen som en elementär partikel, nukleonen i olika kvanttillstånd. Delvis förklaras likheten i beteendet hos dessa partiklar också av att neutronens massa skiljer sig väldigt lite från protonens massa. Stabiliteten hos protoner gör att de kan användas efter att ha accelererat till höga hastigheter, som bombarderande partiklar för kärnreaktioner.

→

Det är välkänt för många från skolan att all materia bestod av atomer. Atomer består i sin tur av protoner och neutroner som bildar kärnan av atomer och elektroner som ligger på något avstånd från kärnan. Många har också hört att ljus också består av partiklar – fotoner. Men partiklarnas värld är inte begränsad till detta. Hittills är mer än 400 olika elementarpartiklar kända. Låt oss försöka förstå hur elementarpartiklar skiljer sig från varandra.

Det finns många parametrar genom vilka elementarpartiklar kan särskiljas från varandra:

• Vikt.
• Elektrisk laddning.
• Livstid. Nästan alla elementarpartiklar har en begränsad livstid varefter de sönderfaller.
• Snurra. Det kan mycket ungefärligt betraktas som ett rotationsmoment.

Några fler parametrar, eller som de brukar kallas inom vetenskapen om kvanttal. Dessa parametrar är inte alltid tydliga fysisk mening, men de behövs för att skilja en partikel från en annan. Alla dessa Extra tillval införs som några kvantiteter som bevaras i interaktionen.

Nästan alla partiklar har massa, förutom fotoner och neutriner (enligt de senaste uppgifterna har neutriner en massa, men så liten att den ofta anses vara noll). Utan massa kan partiklar bara existera i rörelse. Massan av alla partiklar är olika. Elektronen har minsta massan, förutom neutrinon. Partiklar som kallas mesoner har en massa 300-400 gånger större än massan av en elektron, en proton och en neutron är nästan 2000 gånger tyngre än en elektron. Partiklar som är nästan 100 gånger tyngre än en proton har redan upptäckts. Massa (eller dess energiekvivalent enligt Einsteins formel:

bevaras i all interaktion av elementarpartiklar.

Alla partiklar har inte en elektrisk laddning, vilket gör att inte alla partiklar kan delta i elektromagnetisk interaktion. För alla fritt existerande partiklar är den elektriska laddningen en multipel av elektronens laddning. Förutom fritt existerande partiklar finns det även partiklar som bara finns i bundet tillstånd, vi kommer att prata om dem lite senare.

Spinn, liksom andra kvantantal av olika partiklar är olika och kännetecknar deras unika karaktär. Vissa kvanttal är bevarade i vissa interaktioner, vissa i andra. Alla dessa kvanttal avgör vilka partiklar som interagerar med vilka och hur.

Livslängden är också en mycket viktig egenskap hos en partikel, och vi kommer att överväga den mer i detalj. Låt oss börja med en anteckning. Som vi sa i början av artikeln består allt som omger oss av atomer (elektroner, protoner och neutroner) och ljus (fotoner). Var är de hundratals till? olika sorter elementarpartiklar. Svaret är enkelt – överallt runt omkring oss, men vi märker det inte av två anledningar.

Den första av dem är att nästan alla andra partiklar lever väldigt lite, cirka 10 till minus 10 sekunder eller mindre, och därför inte bildar strukturer som atomer, kristallgitter etc. Det andra skälet gäller neutriner, även om dessa partiklar inte sönderfaller, utsätts de endast för svag och gravitationell interaktion. Det betyder att dessa partiklar interagerar så lite att det är nästan omöjligt att upptäcka dem.

Låt oss visualisera vad som uttrycker hur väl partikeln interagerar. Till exempel kan flödet av elektroner stoppas helt tunt ark stål, i storleksordningen några millimeter. Detta kommer att hända eftersom elektronerna omedelbart kommer att börja interagera med partiklarna i stålplåten, de kommer att kraftigt ändra riktning, avge fotoner och därmed förlora energi ganska snabbt. Allt är fel med flödet av neutriner, de kan passera nästan utan interaktioner Jordklotet. Det är därför det är väldigt svårt att hitta dem.

Så de flesta partiklar lever mycket en kort tid, varefter det sönderfaller. Partikelsönderfall är de vanligaste reaktionerna. Som ett resultat av sönderfallet bryts en partikel upp i flera andra med mindre massa, och de i sin tur sönderfaller ytterligare. Alla förfall lyder vissa regler- bevarandelagar. Så, till exempel, som ett resultat av sönderfall måste en elektrisk laddning, massa, spinn och ett antal kvanttal bevaras. Vissa kvanttal kan ändras under sönderfallet, men även under vissa regler. Det är sönderfallsreglerna som säger oss att elektronen och protonen är stabila partiklar. De kan inte längre förfalla genom att lyda förfallets regler, och därför är det med dem som förfallets kedjor tar slut.

Här skulle jag vilja säga några ord om neutronen. En fri neutron sönderfaller också till en proton och en elektron på cirka 15 minuter. Men när neutronen finns i atomkärnan händer inte detta. Detta faktum kan förklaras olika sätt. Till exempel, när en elektron och en extra proton från en sönderfallen neutron dyker upp i kärnan i en atom, sker den omvända reaktionen omedelbart - en av protonerna absorberar en elektron och förvandlas till en neutron. Denna bild kallas dynamisk jämvikt. Den observerades i universum i ett tidigt skede av dess utveckling strax efter big bang.

Förutom sönderfallsreaktioner finns det även spridningsreaktioner - när två eller flera partiklar interagerar samtidigt, och resultatet blir en eller flera andra partiklar. Det finns också absorptionsreaktioner, när en erhålls från två eller flera partiklar. Alla reaktioner sker som ett resultat av en stark svag eller elektromagnetisk interaktion. Reaktioner på grund av den starka interaktionen är de snabbaste, tiden för en sådan reaktion kan nå 10 på minus 20 sekunder. Reaktionshastigheten på grund av elektromagnetisk interaktion är lägre, här kan tiden vara cirka 10 till minus 8 sekunder. För svaga interaktionsreaktioner kan tiden uppgå till tiotals sekunder och ibland till och med år.

I slutet av berättelsen om partiklar, låt oss prata om kvarkar. Kvarkar är elementarpartiklar som har en elektrisk laddning som är en multipel av en tredjedel av en elektrons laddning och som inte kan existera i fritt tillstånd. Deras interaktion är arrangerat på ett sådant sätt att de bara kan leva som en del av något. Till exempel bildar en kombination av tre kvarkar av en viss typ en proton. En annan kombination ger en neutron. Totalt 6 kvarkar är kända. Deras olika kombinationer ger oss olika partiklar, och även om inte alla kombinationer av kvarkar är tillåtna enligt fysikaliska lagar, finns det ganska många partiklar som består av kvarkar.

Här kan frågan uppstå, hur kan en proton kallas elementär om den består av kvarkar. Mycket enkelt - protonen är elementär, eftersom den inte kan delas upp i sina beståndsdelar - kvarkar. Alla partiklar som deltar i den starka interaktionen är sammansatta av kvarkar, och är samtidigt elementära.

Att förstå växelverkan mellan elementarpartiklar är mycket viktigt för att förstå universums struktur. Allt som händer med makrokroppar är resultatet av samverkan mellan partiklar. Det är växelverkan mellan partiklar som beskriver tillväxten av träd på jorden, reaktioner i stjärnornas djup, strålningen från neutronstjärnor och mycket mer.

Sannolikheter och kvantmekanik

>