Заряжены протоны нейтроны. Протоны и нейтроны: столпотворение внутри материи
Что такое нейтрон? Каковы его структура, свойства и функции? Нейтроны - это самые большие из частиц, составляющих атомы, являющиеся строительными блоками всей материи.
Структура атома
Нейтроны находятся в ядре - плотной области атома, также заполненной протонами (положительно заряженными частицами). Эти два элемента удерживаются вместе при помощи силы, называем ядерной. Нейтроны имеют нейтральный заряд. Положительный заряд протона сопоставляется с отрицательным зарядом электрона для создания нейтрального атома. Несмотря на то что нейтроны в ядре не влияют на заряд атома, они все же обладают многими свойствами, которые влияют на атом, включая уровень радиоактивности.
Нейтроны, изотопы и радиоактивность
Частица, которая находится в ядре атома - нейтрон на 0,2% больше протона. Вместе они составляют 99,99% всей массы одного и того же элемента могут иметь различное количество нейтронов. Когда ученые ссылаются на атомную массу, они имеют в виду среднюю атомную массу. Например, углерод обычно имеет 6 нейтронов и 6 протонов с атомной массой 12, но иногда он встречается с атомной массой 13 (6 протонов и 7 нейтронов). Углерод с атомным номером 14 также существует, но встречается редко. Итак, атомная масса для углерода усредняется до 12,011.
Когда атомы имеют различное количество нейтронов, их называют изотопами. Ученые нашли способы добавления этих частиц в ядро для создания больших изотопов. Теперь добавление нейтронов не влияет на заряд атома, так как они не имеют заряда. Однако они увеличивают радиоактивность атома. Это может привести к очень неустойчивым атомам, которые могут разряжать высокие уровни энергии.
Что такое ядро?
В химии ядро является положительно заряженным центром атома, который состоит из протонов и нейтронов. Слово «ядро» происходит от латинского nucleus, которое является формой слова, означающего "орех" или "ядро". Этот термин был придуман в 1844 году Майклом Фарадеем для описания центра атома. Науки, участвующие в исследовании ядра, изучении его состава и характеристик, называются ядерной физикой и ядерной химией.
Протоны и нейтроны удерживаются сильной ядерной силой. Электроны притягиваются к ядру, но двигаются так быстро, что их вращение осуществляется на некотором расстоянии от центра атома. Заряд ядра со знаком плюс исходит от протонов, а что такое нейтрон? Это частица, которая не имеет электрического заряда. Почти весь вес атома содержится в ядре, так как протоны и нейтроны имеют гораздо большую массу, чем электроны. Число протонов в атомном ядре определяет его идентичность как элемента. Число нейтронов означает, какой изотоп элемента является атомом.
Размер атомного ядра
Ядро намного меньше общего диаметра атома, потому что электроны могут быть отдалены от центра. Атом водорода в 145 000 раз больше своего ядра, а атом урана в 23 000 раз больше своего центра. Ядро водорода является наименьшим, потому что оно состоит из одиночного протона.
Расположение протонов и нейтронов в ядре
Протон и нейтроны обычно изображаются как уплотненные вместе и равномерно распределенные по сферам. Однако это упрощение фактической структуры. Каждый нуклон (протон или нейтрон) может занимать определенный уровень энергии и диапазон местоположений. В то время как ядро может быть сферическим, оно может быть также грушевидным, шаровидным или дисковидным.
Ядра протонов и нейтронов представляют собой барионы, состоящие из наименьших называемых кварками. Сила притяжения имеет очень короткий диапазон, поэтому протоны и нейтроны должны быть очень близки друг к другу, чтобы быть связанными. Это сильное притяжение преодолевает естественное отталкивание заряженных протонов.
Протон, нейтрон и электрон
Мощным толчком в развитии такой науки, как ядерная физика, стало открытие нейтрона (1932 год). Благодарить за это следует английского физика который был учеником Резерфорда. Что такое нейтрон? Это нестабильная частица, которая в свободном состоянии всего за 15 минут способна распадаться на протон, электрон и нейтрино, так называемую безмассовую нейтральную частицу.
Частица получила свое название из-за того, что она не имеет электрического заряда, она нейтральна. Нейтроны являются чрезвычайно плотными. В изолированном состоянии один нейтрон будет иметь массу всего 1,67·10 - 27 , а если взять чайную ложку плотно упакованную нейтронами, то получившийся кусок материи будет весить миллионы тонн.
Количество протонов в ядре элемента называется атомным номером. Это число дает каждому элементу свою уникальную идентичность. В атомах некоторых элементов, например углерода, число протонов в ядрах всегда одинаково, но количество нейтронов может различаться. Атом данного элемента с определенным количеством нейтронов в ядре называется изотопом.
Опасны ли одиночные нейтроны?
Что такое нейтрон? Это частица, которая наряду с протоном входит в Однако иногда они могут существовать сами по себе. Когда нейтроны находятся вне ядер атомов, они приобретают потенциально опасные свойства. Когда они двигаются с высокой скоростью, они производят смертельную радиацию. Так называемые нейтронные бомбы, известные своей способностью убивать людей и животных, при этом оказывают минимальное влияние на неживые физические структуры.
Нейтроны являются очень важной частью атома. Высокая плотность этих частиц в сочетании с их скоростью придает им чрезвычайную разрушительную силу и энергию. Как следствие, они могут изменить или даже разорвать на части ядра атомов, которые поражают. Хотя нейтрон имеет чистый нейтральный электрический заряд, он состоит из заряженных компонентов, которые отменяют друг друга относительно заряда.
Нейтрон в атоме - это крошечная частица. Как и протоны, они слишком малы, чтобы увидеть их даже с помощью электронного микроскопа, но они там есть, потому что это единственный способ, объясняющий поведение атомов. Нейтроны очень важны для обеспечения стабильности атома, однако за пределами его атомного центра они не могут существовать долго и распадаются в среднем всего лишь за 885 секунд (около 15 минут).
Как уже отмечалось, атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Атомное ядро - центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклон, в ядре они могут превращаться друг в друга. Ядро простейшего атома - атома водорода - состоит из одной элементарной частицы - протона.
Диаметр ядра атома равен примерно 10-13 - 10-12 см и составляет 0,0001 диаметра атома. Однако, практически вся масса атома (99,95-99,98%) сосредоточена в ядре. Если бы удалось получить 1 см3 чистого ядерного вещества, масса его составила бы 100-200 млн.т. Масса ядра атома в несколько тысяч раз превосходит массу всех входящих в состав атома электронов.
Протон - элементарная частица, ядро атома водорода. Масса протона равна 1,6721 х 10-27 кг, она в 1836 раз больше массы электрона. Электрический заряд положителен и равен 1,66 х 10-19 Кл. Кулон - единица электрического заряда, равная количеству электричества, проходящему через поперечное сечение проводника за время 1с при неизменной силе тока 1А (ампер).
Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное число протонов. Это число постоянное для данного элемента и определяет его физические и химические свойства. То есть от количества протонов зависит, с каким химическим элементом мы имеем дело. Например, если в ядре один протон - это водород, если 26 протонов - это железо. Число протонов в атомном ядре определяет заряд ядра (зарядовое число Z) и порядковый номер элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (атомный номер элемента).
Нейтрон - электрически нейтральная частица с массой 1,6749 х 10-27кг, в 1839 раз больше массы электрона. Нейрон в свободном состоянии - нестабильная частица, он самостоятельно превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Период полураспада нейтронов (время, в течение которого распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Однако в связанном состоянии внутри стабильных атомных ядер он стабилен. Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называют массовым числом (атомной массой - А). Число нейтронов, входящих в состав ядра, равно разности между массовым и зарядовым числами: N = A - Z.
Электрон - элементарная частица, носитель наименьшей массы - 0,91095х10-27г и наименьшего электрического заряда - 1,6021х10-19 Кл. Это отрицательно заряженная частица. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре, т.е. атом электрически нейтрален.
Позитрон - элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Масса электрона и позитрона равны, а электрические заряды равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку.
Различные типы ядер называют нуклидами. Нуклид - вид атомов с данными числами протонов и нейтронов. В природе существуют атомы одного и того же элемента с разной атомной массой (массовым числом):
, Cl и т.д. Ядра этих атомов содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядер, но различное массовое число, называются изотопами
. Обладая одинаковым количеством протонов, но различаясь числом нейтронов, изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, т.е. очень близкие химические свойства и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов.
Обозначают символом соответствующего химического элемента с расположенным сверху слева индексом А - массовым числом, иногда слева внизу приводится также число протонов (Z). Например, радиоактивные изотопы фосфора обозначают 32Р, 33Р или Р и Р соответственно. При обозначении изотопа без указания символа элемента массовое число приводится после обозначения элемента, например, фосфор - 32, фосфор - 33.
Большинство химических элементов имеет по несколько изотопов. Кроме изотопа водорода 1Н-протия, известен тяжелый водород 2Н-дей-терий и сверхтяжелый водород 3Н-тритий. У урана 11 изотопов, в природных соединениях их три (уран 238, уран 235, уран 233). У них по 92 протона и соответственно 146,143 и 141 нейтрон.
В настоящее время известно более 1900 изотопов 108 химических элементов. Из них к естественным относятся все стабильные (их примерно 280) и естественные изотопы, входящие в состав радиоактивных семейств (их 46). Остальные относятся к искусственным, они получены искусственным путем в результате различных ядерных реакций.
Термин «изотопы» следует применять только в тех случаях, когда речь идет об атомах одного и того же элемента, например, углерода 12С и 14С. Если подразумеваются атомы разных химических элементов, рекомендуется использовать термин «нуклиды», например, радионуклиды 90Sr, 131J, 137Cs.
- Перевод
В центре каждого атома находится ядро, крохотный набор частиц под названием протоны и нейтроны. В этой статье мы изучим природу протонов и нейтронов, состоящих из частиц ещё мельче размером – кварков, глюонов и антикварков. (Глюоны, как и фотоны, являются античастицами сами себе). Кварки и глюоны, насколько нам известно, могут быть по-настоящему элементарными (неделимыми и не состоящими из чего-то мельче размером). Но к ним позже.
Как ни удивительно, у протонов и нейтронов масса почти одинаковая – с точностью до процента:
- 0,93827 ГэВ/с 2 у протона,
- 0,93957 ГэВ/с 2 у нейтрона.
Поскольку они так похожи, и поскольку из этих частиц состоят ядра, протоны и нейтроны часто называют нуклонами.
Протоны идентифицировали и описали примерно в 1920 году (хотя открыты они были раньше; ядро атома водорода – это просто отдельный протон), а нейтроны нашли где-то в 1933-м. То, что протоны и нейтроны так похожи друг на друга, поняли почти сразу. Но то, что у них есть измеримый размер, сравнимый с размером ядра (примерно в 100 000 раз меньше атома по радиусу), не знали до 1954-го. То, что они состоит из кварков, антикварков и глюонов, постепенно понимали с середины 1960-х до середины 1970-х. К концу 70-х и началу 80-х наше понимание протонов, нейтронов, и того, из чего они состоят, по большей части устаканилось, и с тех пор остаётся неизменным.
Нуклоны описать гораздо труднее, чем атомы или ядра. Не сказать, что атомы в принципе простые , но по крайней мере, можно сказать, не раздумывая, что атом гелия состоит из двух электронов, находящихся на орбите вокруг крохотного ядра гелия; а ядро гелия – достаточно простая группа из двух нейтронов и двух протонов. А вот с нуклонами всё уже не так просто. Я уже писал в статье "Что такое протон, и что у него внутри? ", что атом похож на элегантный менуэт, а нуклон – на дикую вечеринку.
Сложность протона и нейтрона, судя по всему, всамделишные, и не проистекают из неполных физических знаний. У нас есть уравнения, используемые для описания кварков, антикварков и глюонов, а также сильных ядерных взаимодействий, происходящих между ними. Эти уравнения называются КХД, от "квантовая хромодинамика ". Точность уравнений можно проверять различными способами, включая измерение количества появляющихся на Большом адронном коллайдере частиц. Подставляя уравнения КХД в компьютер и запуская вычисления свойств протонов и нейтронов, и других сходных частиц (с общим названием «адроны»), мы получаем предсказания свойств этих частиц, хорошо приближающиеся к наблюдениям, сделанным в реальном мире. Поэтому у нас есть основания полагать, что уравнения КХД не врут, и что наше знание протона и нейтрона основано на верных уравнениях. Но просто иметь правильные уравнения недостаточно, ибо:
- У простых уравнений могут оказаться очень сложные решения,
- Иногда невозможно описать сложные решения простым способом.
Из-за внутренней сложности нуклонов вам, читатель, придётся сделать выбор: как много вы хотите узнать по поводу описанной сложности? Неважно, как далеко вы зайдёте, удовлетворения это вам, скорее всего, не принесёт: чем больше вы будете узнавать, тем понятнее вам будет становиться тема, но итоговый ответ останется тем же – протон и нейтрон очень сложны. Я могу предложить вам три уровня понимания, с увеличением детализации; вы же можете остановиться после любого уровня и перейти на другие темы, или можете погружаться до последнего. По поводу каждого уровня возникают вопросы, ответы на которые я могу частично дать в следующем, но новые ответы вызывают новые вопросы. В итоге – как я делаю в профессиональных обсуждениях с коллегами и продвинутыми студентами – я могу лишь отослать вас к данным полученным в реальных экспериментах, к различным влиятельным теоретическим аргументам, и компьютерным симуляциям.
Первый уровень понимания
Из чего состоят протоны и нейтроны?Рис. 1: чрезмерно упрощённая версия протонов, состоящих только из двух верхних кварков и одного нижнего, и нейтронов, состоящих только из двух нижних кварков и одного верхнего
Чтобы упростить дело, во многих книгах, статьях и на сайтах указано, что протоны состоят из трёх кварков (двух верхних и одно нижнего) и рисуют нечто вроде рис. 1. Нейтрон такой же, только состоящий из одного верхнего и двух нижних кварков. Это простое изображение иллюстрирует то, во что верили некоторые учёные, в основном в 1960-х. Но вскоре стало понятно, что эта точка зрения чрезмерно упрощена до такой степени, что уже не является корректной.
Из более искушённых источников информации вы узнаете, что протоны состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), удерживаемых вместе глюонами – и там может появиться картинка, похожая на рис. 2, где глюоны нарисованы в виде пружинок или ниток, удерживающих кварки. Нейтроны такие же, только с одним верхним кварком и двумя нижними.
Рис. 2: улучшение рис. 1 за счёт акцента на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне
Не такой уж плохой способ описания нуклонов, поскольку он делает акцент на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне за счёт глюонов (точно так же, как с электромагнитным взаимодействием связан фотон, частица, из которых состоит свет). Но это тоже сбивает с толку, поскольку на самом деле не объясняет, что такое глюоны и что они делают.
Есть причины двигаться дальше и описывать вещи так, как я делал в : протон состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), кучи глюонов и горы пар кварк-антикварк (в основном это верхние и нижние кварки, но есть и несколько странных). Все они летают туда и сюда с очень большой скоростью (приближаясь к скорости света); весь этот набор удерживается при помощи сильного ядерного взаимодействия. Я продемонстрировал это на рис. 3. Нейтроны опять такие же, но с одним верхним и двумя нижними кварками; изменивший принадлежность кварк указан стрелкой.
Рис. 3: более реалистичное, хотя всё равно неидеальное изображение протонов и нейтронов
Эти кварки, антикварки и глюоны не только бешено носятся туда-сюда, но и сталкиваются друг с другом, и превращаются друг в друга через такие процессы, как аннигиляция частиц (в которой кварк и антикварк одного типа превращаются в два глюона, или наоборот) или поглощение и испускание глюона (в котором могут столкнуться кварк и глюон и породить кварк и два глюона, или наоборот).
Что у этих трёх описаний общего:
- Два верхних кварка и нижний кварк (плюс что-то ещё) у протона.
- Один верхний кварк и два нижних кварка (плюс ещё что-то) у нейтрона.
- «Ещё что-то» у нейтронов совпадает с «ещё чем-то» у протонов. То есть, у нуклонов «ещё что-то» одинаковое.
- Небольшая разница в массе у протона и нейтрона появляется из-за разницы масс нижнего кварка и верхнего кварка.
- у верхних кварков электрический заряд равен 2/3 e (где e – заряд протона, -e – заряд электрона),
- у нижних кварков заряд равен -1/3e,
- у глюонов заряд 0,
- у любого кварка и соответствующего ему антикварка общий заряд равен 0 (к примеру, у антинижнего кварка заряд +1/3e, так что у нижнего кварка и нижнего антикварка заряд будет –1/3 e +1/3 e = 0),
- общий электрический заряд протона 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- общий электрический заряд нейтрона 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- сколько «ещё чего-то» внутри нуклона,
- что оно там делает,
- откуда берутся масса и энергия массы (E = mc 2 , энергия, присутствующая там, даже когда частица покоится) нуклона.
Рис. 1 говорит о том, что кварки, по сути, представляют собой треть нуклона – примерно так, как протон или нейтрон представляют четверть ядра гелия или 1/12 ядра углерода. Если бы этот рисунок был правдив, кварки в нуклоне двигались бы относительно медленно (со скоростями гораздо меньшими световой) с относительно слабыми взаимодействиями, действующими между ними (хотя и при наличии некоей мощной силы, удерживающей их на месте). Масса кварка, верхнего и нижнего, составляла бы тогда порядка 0,3 ГэВ/с 2 , примерно треть массы протона. Но это простое изображение и навязываемые им идеи просто неверны.
Рис. 3. даёт совершенно другое представление о протоне, как о котле частиц, снующих в нём со скоростями, близкими к световой. Эти частицы сталкиваются друг с другом, и в этих столкновениях некоторые из них аннигилируют, а другие создаются на их месте. Глюоны не имеют массы, массы верхних кварков составляют порядка 0,004 ГэВ/с 2 , а нижних – порядка 0,008 ГэВ/с 2 - в сотни раз меньше протона. Откуда берётся энергия массы протона, вопрос сложный: часть её идёт от энергии массы кварков и антикварков, часть – от энергии движения кварков, антикварков и глюонов, а часть (возможно, положительная, возможно, отрицательная) из энергии, хранящейся в сильном ядерном взаимодействии, удерживающем кварки, антикварки и глюоны вместе.
В некотором смысле рис. 2 пытается устранить разницу между рис. 1 и рис. 3. Он упрощает рис. 3, удаляя множество пар кварк-антикварк, которые, в принципе, можно назвать эфемерными, поскольку они постоянно возникают и исчезают, и не являются необходимыми. Но она производит впечатление того, что глюоны в нуклонах являются непосредственной частью сильного ядерного взаимодействия, удерживающего протоны. И она не объясняет, откуда берётся масса протона.
У рис. 1 есть другой недостаток, кроме узких рамок протона и нейтрона. Она не объясняет некоторые свойства других адронов, к примеру, пиона и ро-мезона . Те же проблемы есть и у рис. 2.
Эти ограничения и привели к тому, что своим студентам и на моём сайте, я даю картинку с рис. 3. Но хочу предупредить, что и у неё есть множество ограничений, которые я рассмотрю позже.
Стоит отметить, что чрезвычайную сложность строения, подразумеваемая рис. 3, стоило ожидать от объекта, который удерживает вместе такая мощная сила, как сильное ядерное взаимодействие. И ещё одно: три кварка (два верхних и один нижний у протона), не являющиеся частью группы пар кварков-антикварков, часто называют «валентными кварками», а пары кварков-антикварков – «морем кварковых пар». Такой язык во многих случаях технически удобен. Но он даёт ложное впечатление того, что если бы вы смогли заглянуть внутрь протона, и посмотрели на определённый кварк, вы сразу смогли бы сказать, является ли он частью моря или валентным. Этого сделать нельзя, такого способа просто нет.
Масса протона и масса нейтрона
Поскольку массы протона и нейтрона так похожи, и поскольку протон и нейтрон отличаются только заменой верхнего кварка нижним, кажется вероятным, что их массы обеспечиваются одним и тем же способом, исходят из одного источника, и их разница заключается в небольшом отличии между верхним и нижним кварками. Но три приведённых рисунка говорят о наличии трёх очень разных взглядов на происхождение массы протона.Рис. 1 говорит о том, что верхний и нижний кварки просто составляют по 1/3 от массы протона и нейтрона: порядка 0,313 ГэВ/с 2 , или из-за энергии, необходимой для удержания кварков в протоне. И поскольку разница между массами протона и нейтрона составляет долю процента, разница между массами верхнего и нижнего кварка тоже должна составлять долю процента.
Рис. 2 менее понятен. Какая часть массы протона существует благодаря глюонам? Но, в принципе, из рисунка следует, что большая часть массы протона всё равно происходит от массы кварков, как на рис. 1.
Рис. 3 отражает более тонкий подход к тому, как на самом деле появляется масса протона (как мы можем проверить напрямую через компьютерные вычисления протона, и не напрямую с использованием других математических методов). Он сильно отличается от идей, представленных на рис. 1 и 2, и оказывается не таким простым.
Чтобы понять, как это работает, нужно думать не в терминах массы m протона, но в терминах его энергии массы E = mc 2 , энергии, связанной с массой. Концептуально правильным вопросом будет не «откуда взялась масса протона m», после которого вы можете подсчитать E, умножив m на c 2 , а наоборот: «откуда берётся энергия массы протона E», после которого можно подсчитать массу m, разделив E на c 2 .
Полезно классифицировать взносы в энергию массы протона по трём группам:
А) Энергия массы (энергия покоя) содержащихся в нём кварков и антикварков (глюоны, безмассовые частицы, никакого вклада не делают).
Б) Энергия движения (кинетическая энергия) кварков, антикварков и глюонов.
В) Энергия взаимодействия (энергия связи или потенциальная энергия), хранящаяся в сильном ядерном взаимодействии (точнее, в глюонных полях), удерживающих протон.
Рис. 3 говорит о том, что частицы внутри протона двигаются с большой скоростью, и что в нём полно безмассовых глюонов, поэтому вклад Б) больше А). Обычно, в большинстве физических систем Б) и В) оказываются сравнимыми, при этом В) часто отрицательно. Так что энергия массы протона (и нейтрона) в основном получается из комбинации Б) и В), а А) вносит малую долю. Поэтому массы протона и нейтрона появляются в основном не из-за масс содержащихся в них частиц, а из-за энергий движения этих частиц и энергии их взаимодействия, связанной с глюонными полями, порождающими силы, удерживающие протон. В большинстве других знакомых нам систем баланс энергий распределён по-другому. К примеру, в атомах и в Солнечной системе доминирует А), а Б) и В) получаются гораздо меньше, и сравнимы по величине.
Подводя итоги, укажем, что:
- Рис. 1 предполагает, что энергия массы протона происходит из вклада А).
- Рис. 2 предполагает, что важны оба вклада А) и В), и немного своей доли вносит Б).
- Рис. 3 предполагает, что важны Б) и В), а вклад А) оказывается незначительным.
Если рис. 3 не врёт, массы кварка и антикварка очень малы. Какие они на самом деле? Масса верхнего кварка (как и антикварка) не превышает 0,005 ГэВ/с 2 , что гораздо меньше, чем 0,313 ГэВ/с 2 , который следует из рис. 1. (Массу верхнего кварка тяжело измерить, и это значение меняется из-за тонких эффектов, так что она может оказаться гораздо меньшей, чем 0,005 ГэВ/с 2). Масса нижнего кварка примерно на 0,004 ГэВ/с 2 больше массы верхнего. Это значит, что масса любого кварка или антикварка не превышает одного процента массы протона.
Обратите внимание, что это означает (противореча рис. 1), что отношение массы нижнего кварка к верхнему не приближается к единице! Масса нижнего кварка как минимум в два раза превышает массу верхнего. Причина того, что массы нейтрона и протона так похожи, не в том, что похожи массы верхнего и нижнего кварков, а в том, что массы верхнего и нижнего кварков очень малы – и разница между ними мала, по отношению к массам протона и нейтрона. Вспомните, что для превращения протона в нейтрон, вам нужно просто заменить один из его верхних кварков на нижний (рис. 3). Этой замены достаточно для того, чтобы сделать нейтрон немного тяжелее протона, и поменять его заряд с +е на 0.
Кстати, тот факт, что различные частицы внутри протона сталкиваются друг с другом, и постоянно появляются и исчезают, не влияет на обсуждаемые нами вещи – энергия сохраняется в любом столкновении. Энергия массы и энергия движения кварков и глюонов может меняться, как и энергия их взаимодействия, но общая энергия протона не меняется, хотя всё внутри него постоянно меняется. Так что масса протона остаётся постоянной, несмотря на его внутренний вихрь.
На этом моменте можно остановиться и впитать полученную информацию. Поразительно! Практически вся масса, содержащаяся в обычной материи, происходит из массы нуклонов в атомах. И большая часть этой массы происходит из хаоса, присущего протону и нейтрону – из энергии движения кварков, глюонов и антикварков в нуклонах, и из энергии работы сильных ядерных взаимодействий, удерживающих нуклон в целом состоянии. Да: наша планета, наши тела, наше дыхание являются результатом такого тихого, и, до недавнего времени, невообразимого столпотворения.
Введение
Существующая в настоящее время теория строения атома не дает ответа на многие вопросы, возникающие при проведении различных практических и экспериментальных работ. В частности, до сих пор не определена физическая сущность электрического сопротивления. Поиск высокотемпературной сверхпроводимости может быть успешным только если знать суть электрического сопротивления. Зная строение атома, можно понять суть электрического сопротивления. Рассмотрим строение атома с учетом известных свойств зарядов и магнитных полей. Наиболее близка к реальности и отвечает экспериментальным данным планетарная модель атома, предложенная Резерфордом. Однако эта модель соответствует только атому водорода.
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ПРОТОН И ЭЛЕКТРОН
1. ВОДОРОД
Водород является наименьшим из атомов, поэтому его атом должен содержать стабильную основу как атома водорода, так и остальных атомов. Атом водорода — протон и электрон, при этом электрон вращается вокруг протона. Считается, что заряды электрона и протона — единичные заряды, т. е. минимальные. Представление об электроне как о вихревом кольце с переменным радиусом было введено В. Ф. Миткевичем (Л. 1). Последующие работы Ву и некоторых других физиков показали, что электрон ведет себя подобно вращающемуся вихревому кольцу, спин которого направлен вдоль оси его движения, т. е. то, что электрон — вихревое кольцо, было подтверждено экспериментально. В состоянии покоя электрон, вращаясь вокруг своей оси, магнитных полей не создает. Только при движении электрон образует магнитные силовые линии.
Если заряд протона распределен по поверхности, то, вращаясь вместе с протоном, он будет вращаться вокруг только своей собственной оси. В этом случае, как и электрон, заряд протона не будет образовывать магнитное поле.
Экспериментально установлено, что протон имеет магнитное поле. Для того чтобы протон имел магнитное поле, его заряд должен быть в виде пятна на его поверхности. В этом случае при вращении протона его заряд будет двигаться по окружности, т. е. иметь линейную скорость, что необходимо для получения магнитного поля протона.
Кроме электрона существует и позитрон, отличающийся от электрона только тем, что заряд у него положительный, т. е. заряд позитрона равен заряду протона и по знаку, и по величине. Иными словами, положительный заряд протона есть позитрон, но позитрон — античастица электрона и, следовательно, — вихревое кольцо, которое не может растекаться по всей поверхности протона. Таким образом, заряд протона — позитрон.
При движении электрона, имеющего отрицательный заряд, позитрон протона под действием кулоновских сил должен находиться на поверхности протона на минимальном расстоянии от электрона (Рис. 1). Таким образом, образуется пара противоположных зарядов, связанных между собой максимальной кулоновской силой. Именно потому, что заряд протона — позитрон, его заряд равен электрону по абсолютной величине. Когда весь заряд протона взаимодействует с зарядом электрона, то и нет «лишнего» заряда протона, который бы создавал электрические отталкивающие силы между протонами.
При движении электрона вокруг протона в направлении, указанном на рис. 1, положительный заряд двигается синхронно с ним благодаря кулоновской силе. Движущиеся заряды образуют вокруг себя магнитные поля (Рис. 1). При этом вокруг электрона образуется магнитное поле против часовой стрелки, а вокруг позитрона — магнитное поле по часовой стрелке. В результате между зарядами образуется суммарное поле от двух зарядов, которое препятствует «падению» электрона на протон.
На всех рисунках протоны и нейтроны изображены в виде шаров для упрощения изображения. В действительности они должны быть в виде тороидальных вихревых образований эфира (Л. 3).
Таким образом, атом водорода имеет вид согласно рис. 2 а
). Форма магнитного поля у атома соответствует торообразному магниту с намагниченностью по оси вращения зарядов (Рис. 2 б
).
Еще в 1820 г. Ампер открыл взаимодействие токов — притяжение параллельных проводников с током, текущим в одном направлении. Позднее экспериментально определили, что одноимённые электрические заряды, двигаясь в одном направлении, притягиваются друг к другу (Л. 2).
О том, что заряды должны сближаться, т. е. притягиваться друг к другу, свидетельствует и пинч-эффект. Пинч-эффект — это эффект самостягивания разряда, свойство электрического токового канала в сжимаемой проводящей среде уменьшать своё сечение под действием собственного, порождаемого самим током, магнитного поля (Л. 4).
Так как электрический ток — всякое упорядоченное движение электрических зарядов в пространстве, то траектории электронов и позитронов протонов — это токовые каналы, способные сближаться под действием магнитного поля, порождаемого самими зарядами.
Следовательно, при соединении двух атомов водорода в молекулу одноимённые заряды объединятся в пары и будут продолжать вращение в том же направлении, но уже между протонами, что приведёт к объединению их полей.
Сближение электронов и протонов происходит до момента, когда сила отталкивания одноимённых зарядов станет равной силе, стягивающей заряды от двойного магнитного поля.
На рис. 3 а), б), и в) показано взаимодействие зарядов электрона и протона атомов водорода при соединении их в молекулу водорода.
На рис. 4 изображена молекула водорода с магнитными силовыми линиями, образованными генераторами полей двух атомов водорода. Т. е. молекула водорода имеет один сдвоенный генератор поля и общий магнитный поток, больший в 2 раза.
Мы рассмотрели, как происходит соединение водорода в молекулу, но молекула водорода с другими элементами в реакцию не вступает даже в смеси с кислородом.
Теперь рассмотрим, как происходит разделение молекулы водорода на атомы (Рис. 5). При взаимодействии молекулы водорода с электромагнитной волной электрон приобретает дополнительную энергию, и это выводит электроны на орбитальные траектории (Рис. 5 г ).
Сегодня известны сверхпроводники, которые имеют нулевое электрическое сопротивление. Эти проводники состоят из атомов и могут быть сверхпроводниками только в том случае, если их атомы — сверхпроводники, т. е. и протон тоже. Давно известна левитация сверхпроводника над постоянным магнитом, обусловленная наведением постоянным магнитом в нем тока, магнитное поле которого направлено навстречу полю постоянного магнита. При снятии внешнего поля со сверхпроводника ток в нём исчезает. Взаимодействие протонов с электромагнитной волной приводит к тому, что на их поверхностях наводятся вихревые токи. Так как протоны расположены рядом друг с другом, вихревые токи направляют магнитные поля навстречу друг другу, что увеличивает токи и их поля до разрыва молекулы водорода на атомы (Рис. 5 г ).
Выход электронов на орбитальные траектории и возникновение токов, разрывающих молекулу, происходят одновременно. При отлёте атомов водорода друг от друга вихревые токи исчезают, а электроны остаются на орбитальных траекториях.
Таким образом, на основе известных физических эффектов мы получили модель атома водорода. При этом:
1. Положительные и отрицательные заряды в атоме служат для получения силовых линий магнитных полей, которые, как известно из классической физики, образуются только при движении зарядов. Силовые линии магнитных полей и определяют все внутриатомные, межатомные и молекулярные связи.
2. Весь положительный заряд протона — позитрон — взаимодействует с зарядом электрона, создаёт максимальную кулоновскую силу притяжения для электрона, а равенство зарядов по абсолютной величине исключает у протона наличие отталкивающих сил для соседних протонов.
3. Практически атом водорода представляет собой протонно-электронный магнитный генератор (ПЭМГ), который работает только тогда, когда протон и электрон вместе, т. е. протонно-электронная пара должна быть всегда вместе.
4. При образовании молекулы водорода электроны соединяются в пару и вращаются вместе между атомами, создавая общее магнитное поле, которое удерживает их в паре. Позитроны протонов также соединяются в пару под действием своих магнитных полей и стягивают протоны, образуя молекулу водорода или любую другую молекулу. Соединённые в пару положительные заряды являются главной определяющей силой в молекулярной связи, т. к. позитроны связаны с протонами непосредственно и неотделимы от протонов.
5. Молекулярные связи всех элементов происходят аналогичным образом. Соединение атомов в молекулы других элементов обеспечивается валентными протонами со своими электронами, т. е. валентные электроны участвуют как в соединении атомов в молекулы, так и в разрыве молекулярных связей. Таким образом, каждое соединение атомов в молекулу обеспечивается по одной валентной паре протона с электроном (ВППЭ) от каждого атома на одну молекулярную связь. ВППЭ всегда состоят из протона и электрона.
6. При разрыве молекулярной связи главную роль играет электрон, т. к., выходя на орбитальную траекторию вокруг своего протона, он выдёргивает позитрон протона из пары, находящейся между протонами, на «экватор» протона, обеспечивая этим разрыв молекулярной связи.
7. При образовании молекулы водорода и молекул других элементов образуется двойной ПЭМГ.
Название «атом» с греческого переводится как «неделимый». Все вокруг нас - твердые вещества, жидкости и воздух - построено из миллиардов этих частиц.
Появление версии об атоме
Впервые об атомах стало известно в V столетии до нашей эры, когда греческий философ Демокрит предположил, что материя состоит из движущихся крошечных частичек. Но тогда не было возможности проверить версию их существования. И хотя никто не мог увидеть эти частицы, идея обсуждалась, ведь только так ученые могли объяснить процессы, происходящие в реальном мире. Поэтому они верили в существование микрочастиц задолго до того времени, когда смогли доказать этот факт.
Только в XIX в. они стали анализироваться как мельчайшие составляющие химических элементов, имеющие конкретные свойства атомов — способность вступать в соединения с другими в строго назначенном количестве. Вначале XX века считалось, что атомы - минимальные частички материи, пока не было доказано, что они состоят из еще меньших единиц.
Из чего состоит химический элемент?
Атом химического элемента - микроскопический строительный кирпичик материи. Определяющим признаком этой микрочастицы стала молекулярная масса атома. Только открытие периодического закона Менделеева обосновало, что их виды представляют собой разнообразные формы единой материи. Они настолько малы, что их невозможно увидеть, применяя обычные микроскопы, только самые мощные электронные приборы. Для сравнения, волосок на руке человека в миллион раз шире.
Электронная структура атома имеет ядро, состоящее из нейтронов и протонов, а также электронов, которые совершают обороты вокруг центра на постоянных орбитах, как планеты вокруг своих звезд. Все они скреплены электромагнитной силой, одной из четырех главных во вселенной. Нейтроны - это частички с нейтральным зарядом, протоны наделены положительным, а электроны - отрицательным. Последние притягиваются к положительно заряженным протонам, поэтому им свойственно оставаться на орбите.
Структура атома
В центральной части имеется ядро, заполняющее минимальную часть всего атома. Но исследования показывают, что почти вся масса (99.9%) расположена именно в нем. Каждый атом содержит протоны, нейтроны, электроны. Число вращающихся электронов в нем равняется положительному центральному заряду. Частицы с одинаковым зарядом ядра Z, но различными атомной массой А и числом нейтронов в ядре N именуются изотопами, а с одинаковой А и разными Z и N - изобарами. Электрон — минимальная частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10-19 кулона. Заряд иона определяет количество утраченных или прибавленных электронов. Процесс метаморфозы нейтрального атома в заряженный ион именуется ионизацией.
Новая версия модели атома
Физики открыли на сегодняшний день множество других элементарных частичек. Электронная структура атома имеет новую версию.
Считается, что протоны и нейтроны, какими бы маленькими они не были, состоят из наименьших частичек, которые называются - кварки. Они составляют новую модель построения атома. Как раньше ученые собирали доказательства для существования предыдущей модели, так и сегодня пытаются доказать существование кварков.
РТМ - прибор будущего
Современные ученые могут увидеть на мониторе компьютера атомные частички вещества, а также двигать их по поверхности, используя специальный инструмент, который носит название растровый туннельный микроскоп (РТМ).
Это компьютеризированный инструмент с наконечником, который очень осторожно движется возле поверхности материала. Когда наконечник движется, электроны перемещаются сквозь зазор между наконечником и поверхностью. Хотя материал выглядит совершенно гладким, на самом деле он неровный на атомном уровне. Компьютер делает карту поверхности вещества, создавая образ его частичек, и ученые, таким образом, могут увидеть свойства атома.
Радиоактивные частицы
Отрицательно заряженные ионы кружатся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Структура атома такая, что целый он действительно нейтральный и не имеет электрического заряда, потому что все его частицы (протоны, нейтроны, электроны) находятся в балансе.
Радиоактивный атом - это элемент, который можно легко расщепить. Центр его состоит из множества протонов и нейтронов. Исключение являет собой только схема атома водорода, который имеет один единственный протон. Ядро окружает облако электронов, именно их притяжение заставляет вращаться вокруг центра. Протоны одинаковым зарядом отталкивают друг друга.
Это не проблема для большинства небольших частиц, у которых их несколько. Но некоторые из них нестабильны, особенно это касается крупных по размеру, таких как уран, который имеет 92 протона. Иногда его центр не выдерживает такой нагрузки. Радиоактивным они называются из-за того, что выбрасывают несколько частиц из своего ядра. После того, как нестабильное ядро избавилось от протонов, оставшиеся образовывают новое дочернее. Оно может быть стабильным в зависимости от количества протонов в новом ядре, а может делиться дальше. Этот процесс длится до тех пор, пока не останется стабильное дочернее ядро.
Свойства атомов
Физико-химические свойства атома закономерно изменяются от одного элемента к другому. Они определяются следующими основными параметрами.
Атомная масса. Так как основное место микрочастицы занимают протоны и нейтроны, то сумма их обусловливает число, которую выражают в атомных единицах массы (а.е.м.) Формула: A = Z + N.
Атомный радиус. Радиус находится в зависимости от расположения элемента в системе Менделеева, химической связи, количества атомов-соседей и квантовомеханического действия. Радиус ядра в сто тысяч раз меньше радиуса самого элемента. Структура атома может лишаться электронов и превращаться в положительный ион или добавлять электроны, и становиться отрицательным ионом.
В Менделеева любой химический элемент занимает свое установленное место. В таблице размер атома возрастает при перемещении сверху вниз и убавляется при перемещении слева направо. Следуя из этого, наименьший элемент — это гелий, а наибольший — цезий.
Валентность. Наружная электронная оболочка атома именуется валентной, а электроны в ней получили соответственное название - валентные электроны. Их количество устанавливает то, как атом соединяется с остальными с помощью химической связи. Способом создания последней микрочастицы пытаются наполнить свои наружные валентные оболочки.
Гравитация, притяжение - это сила, которая держит планеты на орбите, из-за нее выпущенные из рук предметы падают на пол. Человек больше замечает гравитацию, но электромагнитное действие во много раз мощнее. Сила, которая притягивает (или отталкивает) заряженные частицы в атоме, в 1000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз мощнее, чем гравитация в нем. Но в центре ядра существует еще более могучая сила, способная удерживать протоны и нейтроны вместе.
Реакции в ядрах создают энергию как в ядерных реакторах, где атомы расщепляются. Чем тяжелее элемент, тем из большего количеств частиц построены его атомы. Если сложить общее количество протонов и нейтронов в элементе, узнаем его массу. Например, Уран, самый тяжелый элемент, имеющийся в природе, имеет атомную массу 235 или 238.
Деления атома на уровни
Атома - это величина пространства вокруг ядра, где в движении находится электрон. Всего существует 7 орбиталей, соответствующих числу периодов в таблице Менделеева. Чем более отдаленное расположение электрона от ядра, тем более значительным резервом энергии он владеет. Номер периода указывает на число вокруг его ядра. Например, Калий — элемент 4 периода, значит, он имеет 4 энергетические уровни атома. Номер химического элемента отвечает его заряду и числу электронов вокруг ядра.
Атом - источник энергии
Наверное, самая знаменитая научная формула открыта немецким физиком Эйнштейном. Она утверждает, что масса есть не что иное, как форма энергии. Исходя из этой теории, можно превратить материю в энергию и рассчитать по формуле, сколько ее можно получить. Первым практическим результатом такого превращения стали атомные бомбы, которые сначала были испытаны в пустыне Лос-Аламос (США), а затем взорвались над японскими городами. И хотя только седьмая часть взрывчатого вещества превратилась в энергию, разрушающая сила атомной бомбы была ужасной.
Для того чтобы ядро освободило свою энергию, оно должно разрушится. Чтобы расщепить его, необходимо подействовать нейтроном снаружи. Тогда ядро распадается на два других, более легких, обеспечивая при этом огромный выброс энергии. Распад приводит к освобождению других нейтронов, а они продолжают расщеплять другие ядра. Процесс превращается в цепную реакцию, в результате создавая огромное количество энергии.
Плюсы и минусы использования ядерной реакции в наше время
Разрушающую силу, которая освобождается при превращении материи, человечество пытается приручить на атомных станциях. Здесь ядерная реакция происходит не в виде взрыва, а как постепенная отдача тепла.
Производство атомной энергии имеет свои плюсы и минусы. По мнению ученых, чтобы поддерживать нашу цивилизацию на высоком уровне, необходимо использовать этот огромный источник энергии. Но следует учитывать и то, что даже самые современные разработки не могут гарантировать полной безопасности атомных электростанций. Кроме того, полученные в процессе производства энергии при ненадлежащем хранении могут сказываться на наших потомках на протяжении десятков тысяч лет.
После аварии на Чернобыльской АЭС все больше людей считает производство атомной энергии очень опасным для человечества. Единственной безопасной электростанцией такого рода является Солнце со своей ядерной энергией огромной мощности. Ученые разрабатывают всевозможные модели солнечных батарей, и, возможно, в недалеком будущем человечество сможет обеспечить себя безопасной атомной энергией.
Loading...