распад | Атомная энергия 2.0
(beta decay) Если рассмотреть превращения ядер атомов одних радиоактивных элементов в другие (см. Радиоактивность и Радиоактивные семейства), то видно, что большинство их сопровождается испусканием или электронов (бета-частиц), или альфа-частиц. Испускание альфа-частиц кажется более или менее понятным. Это осколки, «отторгающиеся» от распадающегося ядра атома. Но вот откуда берутся в ядре атома электроны? Ведь оно состоит только из протонов и нейтронов.
Возможно единственное предположение: электроны рождаются в ядре в результате каких-то внутренних превращений. Это и удалось установить на примере распада ядра атома трития (сверхтяжелого водорода), состоящего из одного протона и двух нейтронов. Вместо него получается ядро изотопа гелия-3, состоящее из двух протонов и одного нейтрона, и свободный электрон. Куда-то исчез один нейтрон, но зато вместо него появились протон и электрон. Получается, что рождение и испускание электрона досталось ценой превращения одного из нейтронов в протон.
Известны и другие ядерные реакции, когда вместо электрона ядро атома испускает позитрон — точно такую же частицу, как электрон, но не с отрицательным, а с положительным электрическим зарядом.
Например, радиоактивный изотоп азот-13, состоящий из семи протонов и шести нейтронов, после распада превращается в ядро атома углерода-13, у которого уже шесть протонов и семь нейтронов, и испускает при этом один позитрон.
Ответ на естественный вопрос ученых был получен, когда удалось установить, что протоны и нейтроны в процессе радиоактивного распада возбужденных ядер атомов могут превращаться друг в друга, а оказавшийся лишним положительный или отрицательный заряд уносится или электроном или позитроном. В случае электронной радиоактивности, когда один из нейтронов превращается в протон, а отрицательный заряд уносится электроном, общий положительный заряд ядра атома увеличивается на единицу. А это будет уже ядро изотопа атома нового, более тяжелого элемента периодической таблицы, например, гелия-3, а не трития-3. При позитронной радиоактивности, когда протон преврашдется в нейтрон, а положительный электрический заряд уносится позитроном, общий положительный заряд ядра атома уменьшается на единицу, в результате чего появляется ядро атома изотопа нового, более легкого элемента, например,углерода-13, а не азота-13.
После того как все сказанное удачно разложилось «по полочкам», возникла новая загадка. Стал не сходиться баланс энергий. При каждом таком переходе ядро теряет определенную энергию, а так как испускаемый им электрон или позитрон обладает самыми различными энергиями, часть энергии и вовсе куда-то пропадает. Некоторые ученые, стоящие на идеалистических позициях, объявили было о крушении закона сохранения энергии. Вскоре было доказано, что одновременно с электроном или позитроном ядро испускает еще одну частичку, не имеющую никакого электрического заряда, обладающую ничтожно малой массой, но летящую с огромной скоростью, равной скорости света. Новую частицу назвали нейтрино (маленький нейтрон). Она-то и уносит недостающую для точного баланса малую толику энергии.
Таким образом, превращение внутри ядра нейтрона в протон сопровождается испусканием электрона и нейтрино, а превращение протона в нейтрон — испусканием позитрона и нейтрино.
Довольно логическая и понятная картина таких превращений несколько усложнилась после того, как было установлено, что в природе фактически существует не одна, а две разновидности почти идентичных нейтрино. Одно рождается при реакциях, сопровождающихся испусканием ядром атома или какой-либо иной частицей электрона, другое — при распаде элементарной частицы — мю-мезона. Поэтому первое из них называют нейтрино электронное, второе — нейтрино мюонное (мю-мезонное) (см. Нейтрино, Мезоны).
Как измерить непредставимое и представить неизмеримое
Физики смогли определить характерный размер протона с беспрецедентной точностью
Точное измерение характерного размера протона принципиально важно для расчета уровней энергии и частот излучения атомов. Иллюстрация с сайта www.jlab.org
Журнал Nature опубликовал небольшую статью с результатами эксперимента, проведенного в лаборатории Томаса Джефферсона Министерства энергетики США «A small proton charge radius from an electron-proton scattering experiment» («Малый радиус заряда протона, полученный из эксперимента по электрон-протонному рассеянию»). Почему это важно.
Протон вместе с нейтронами входит в состав ядер всех известных химических элементов. С параметрами протона напрямую связаны некоторые фундаментальные физические постоянные. В частности, постоянная Ридберга, используемая для расчета уровней энергии и частот излучения атомов. Специальная международная комиссия CODATA отслеживает все результаты измерений фундаментальных констант. Теперь работы экспертам комиссии прибавится.
Протон почти не виден
Польскому поэту и философу Станиславу Ежи Лецу принадлежит замечательный афоризм: «И размеры Вселенной могут быть военной тайной». Недаром английский астрофизик Стивен Хокинг в 1990 году подчеркивал: «Очень трудно доказать беспредельность Вселенной, но если мы это сделаем, то сможем объяснить все во Вселенной, основываясь на гипотезе о ее беспредельности, и я думаю, что такая теория будет более экономной и более естественной». Но как минимум неменьшая тайна – размеры объектов на другом конце шкалы масштабов: атомы, не говоря уже об элементарных частицах. И квантовая физика, изучающая эти объекты, существование которых зачастую и представить можно только в виде математической формулы, тоже претендует на объяснение всего во Вселенной.
Действительно, если астрофизические события и объекты мы можем наблюдать и/или визуализировать непосредственно, хотя и с задержкой, порой в миллиарды лет, то получить изображение элементарных частиц не удается принципиально. Не удавалось…
Еще каких-то 10 лет назад можно было, не покривив против «истины» (беру в кавычки, так как абсолютная истина – это все-таки идеальная модель), сказать: «До сих пор считалось, что сфотографировать атом водорода нет никакой технической и технологической возможности. Недаром в современных учебных пособиях для студентов можно прочитать, что «…атомы лежат за пределами нашего восприятия, их нельзя ни увидеть, ни услышать. Атомистические представления не могут возникнуть и из мифа, поскольку миф всегда использует наглядные образы» (см. «НГ-науку» от 24.11.10).
Но как раз в 2010 году физики из Токийского университета сумели впервые в истории сфотографировать отдельный атом водорода. Достижение феноменальное и, казалось, предельное. Проще атома водорода вроде бы природа ничего не создала. Ядро, роль которого играет положительно заряженная элементарная частица, – протон, а вокруг «размыт» по орбите отрицательно заряженный электрон. Диаметр атома водорода примерно 10–8 см, размеры ядра – 10–13 см. Представьте себе, что электрон вращается вокруг шпиля Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова с диаметром орбиты вращения 1 км. Тогда размеры ядра атома на шпиле – не более горошины.
И вот в минувшем ноябре журнал Nature сообщает очередную порцию новостей об… устройстве этой самой «горошины».
До 2010 года измерения радиуса протона проводились двумя методами: рассеяния электронов и атомной спектроскопии. В экспериментах по рассеянию электронов радиус заряда протона определяется по изменению пути электронов после того, как они отразились или рассеялись от протона (упругое электрон-протонное рассеяние). В измерениях методом атомной спектроскопии фиксируются переходы между энергетическими уровнями электронов, вращающихся вокруг ядра водорода или дейтерия. Оба эти метода давали значение радиуса протона около 0,88 фемтометра.
|
Для постановки нового эксперимента по измерению радиуса протона пришлось существенно модернизировать ускоритель непрерывных электронных пучков CEBAF. Фото с сайта www.jlab.org |
В 2010 году физики опробовали новый вариант метода атомной спектроскопии, заменив электроны на мюоны, которые вращаются намного ближе к протону и более чувствительны к радиусу заряда последнего. Этот результат дал значение, которое было на 4% меньше: примерно 0,84 фемтометра. «…Новый метод с использованием мюонных атомов водорода обнаружил существенное расхождение по сравнению с предыдущими результатами, которые стали называться «загадкой радиуса протона», – пишут авторы статьи в Nature. – Несмотря на экспериментальные и теоретические усилия, загадка остается нерешенной. Фактически существует несоответствие между двумя самыми последними спектроскопическими измерениями, проведенными на обычном водороде».
Тогда стали писать о том, что, возможно, мюоны взаимодействуют с протонами не так, как электроны, и это открывает окно в «новую физику», а сам факт несходимости результатов измерений и назвали «головоломкой протонного радиуса». Для наглядности – хотя о какой наглядности здесь можно говорить! – один фемтометр – это 10–15 метра.
При этом протон и электрон в атоме водорода гравитационно притягиваются с силой, которая составляет всего лишь 4 х 10–40 от силы их электростатического притяжения.
А пятому – не бывать!
Надо сказать, что подготовка к новому эксперименту по разгадыванию этой головоломки заняла у американских ученых семь лет.
В 2012 году группа ученых под руководством Ашота Гаспаряна из Университета штата Северная Каролина собралась в лаборатории Томаса Джефферсона Министерства энергетики США, чтобы доработать метод рассеяния электронов. Эксперимент получил название PRad («Протонный радиус»). Специально была проведена модернизация ускорительного комплекса CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility – ускоритель непрерывных электронных пучков). Методика PRad предусматривала три нововведения.
Во-первых, был разработан новый тип мишени. Охлажденный газообразный водород направлялся прямо в поток ускоренных электронов с энергией 1,1 и 2,2 ГэВ, что позволило рассеянным электронам двигаться почти беспрепятственно в детекторы.
Во-вторых, для детектирования рассеянных электронов, возникающих в результате попадания электронов на протоны или электроны водорода, применили калориметр, а не традиционный магнитный спектрометр. Гибридный калориметр HyCal измерял энергию и положение рассеянных электронов, в то время как газовый электронный детектор GEM, специально построенный для этого эксперимента, определял позиции электронов, но с высокой точностью. Данные обоих детекторов сравнивались в реальном времени. Это дало возможность экспериментаторам понять, какое событие они обнаружили: электрон-электронное или электрон-протонное рассеяние. Понятно, что это значительно повысило точность эксперимента.
Были применены и еще некоторые, сугубо технологические, ухищрения, про которые можно сказать – искусство эксперимента.
В итоге полученный по новой методике радиус протона составляет 0,831 ± 0,007 фемтометра. Это самое точное значение на сегодняшний день. Оно меньше, чем предыдущее значение, полученное методом рассеяния электронов (0,88 фемтометра), и неплохо согласуется с результатами мюонной атомной спектроскопии (0,84 фемтометра).
«Мы рады, что годы напряженной работы нашего сотрудничества заканчиваются хорошим результатом, который поможет в решении так называемой головоломки протонного радиуса», – приводит слова Ашота Гаспаряна пресс-релиз Министерства энергетики США.
В самой статье авторы подчеркивают: «Кроме того, наш вывод согласуется с пересмотренным значением (объявленным в 2019 году. – «НГ-наука») для постоянной Ридберга – одной из наиболее точно оцененных фундаментальных констант в физике».
«Это было самое сложное измерение, которое когда-либо пыталась сделать наша лаборатория. Мы добились высочайшего уровня точности в измерении радиуса протона, – отметил ведущий автор исследования, сотрудник департамента физики и астрономии Йоркского университета Эрик Хессельс. – После восьми лет работы над этим экспериментом мы все же смогли провести такое высокоточное измерение, которое помогает решить головоломку протонного радиуса».
Поиск решения этой загадки имеет далеко идущие последствия для понимания законов физики, таких как теория квантовой электродинамики, которая описывает, как взаимодействуют свет и материя.
Опять же это важно хотя бы потому, что разброс в измерениях радиуса протона привел к появлению гипотезы о существовании некоей новой фундаментальной силы природы (отсюда и разговоры о «новой физике»), по-разному действующей на электроны и мюоны. Напомним, сегодня известны четыре фундаментальных взаимодействия в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. А пятому – не бывать! По крайней мере пока.
Тотальная визуализация
Но достижение американских физиков имеет не только сугубо естественно-научное значение – хотя, подчеркнем еще раз, даже сами по себе экспериментальная техника и методология просто удивительны, – но и мировоззренческое, философское значение.
«Человек способен понять вещи, которые он уже не в силах вообразить», – отмечал в свое время нобелевский лауреат Лев Ландау, рассуждая о квантовой механике. И все-таки перевести объекты в изображения – это неистребимая потребность физиков. Соответственно, изобразить нечто, непредставимое в образах принципиально, считалось невозможным. Вернее, эти изображения не могут нести никакого физического смысла и не соответствуют реальному физическому объекту. В общем, материя – это то, что поддается записи математическими формулами. И это – давняя философская традиция. Иммануил Кант, например, считал, что «…в любом частном учении о природе можно найти науки в собственном смысле лишь столько, сколько имеется в ней математики».
«…Начиная с середины 1980-х годов некоторые наиболее интересные и значимые изображения в науке оказываются совершенно неадекватными тем объектам, которые они пытаются репрезентировать… репрезентируют скорее породившую их математику, чем любые изображаемые объекты в пространстве, – пишет профессор Чикагского института искусств Джеймс Элкинс в эссе «Бесполезная визуализация квантовой механики» («Исследуя визуальный мир», Вильнюс, 2010). – В моем визуальном воображении нет ничего соответствующего бариону с его валентностью и морским кварком. Также я не имею ментального изображения электрона, даже оставляя в стороне дозволенные количества спиновых моментов импульсов».
И тем не менее магистральная линия в науке (не только в физике) – визуализация концептов, результатов, гипотез. Хрестоматийный пример «визуализации» непредставимого, но измеримого – ньютоновский закон всемирного тяготения. Ньютону удалось сделать главное – найти образ, который стал наглядным, а потому и запоминающимся, визуальным символом новой загадочной силы – гравитации. Этот образ и материализовался в падающем яблоке…
Вот и с электронами интересная получается картинка…
В 2011 году физики из Имперского колледжа Лондона сообщили, что им удалось определить форму электрона с точностью, которая на много порядков превосходит точность всех сделанных ранее измерений.
Электрон – элементарная частица, отвечающая за перенос электромагнитного взаимодействия. Существующие теории предполагают, что электрон должен иметь практически идеальную сферическую форму. Однако провести точные измерения этого параметра невероятно сложно. Как отмечалось в пресс-релизе Имперского колледжа Лондона, подготовка и проведение эксперимента заняли около 10 лет. С помощью лазерной системы ученые измеряли малейшие колебания, которые совершали находящиеся в молекулах фторида иттербия электроны. В итоге было установлено, что отклонения от идеальной сферической формы в электроне не превышают 10–28 см. Если увеличить размер электрона до размеров Солнечной системы, то размер отклонений окажется меньше толщины человеческого волоса.
В 2015 году международная команда исследователей из России, Дании, Бельгии и Канады под руководством Ганса Якоба Вернера из Высшей технической школы в Цюрихе смогла проследить движение электронов в молекуле с временным разрешением 100 аттосекунд и показала, что этими электронами можно управлять. (Приставка «атто» означает 10–18 с.)…
Итак, фотографию атома водорода мы уже давно имеем. Шарообразность электрона подтверждена с умопомрачительной точностью; само движение электрона отслежено с не менее обескураживающими подробностями. Возможно, нынешнее беспрецедентное измерение характерного размера протона станет тем рубежом в истории науки, пройдя который придется вообще отказаться от понятия «принципиально неизобразимый объект (явление)». Или по крайней мере значительно раздвинет пределы репрезентации физических концептов. Теперь это не только математические формулы, но и картинки. Недаром древние греки не различали понятий «видеть» и «знать».
Урок 15. фундаментальные взаимодействия в микромире — Естествознание — 10 класс
Сильное взаимодействие (ядерное взаимодействие) – самое сильное из фундаментальных взаимодействий, осуществляемое между элементарными частицами, называемыми адронами. В частности, связывает вместе протоны и нейтроны внутри ядра атома.
Слабое взаимодействие – один из четырёх типов известных фундаментальных взаимодействий между элементарными. Оно гораздо слабее сильного и электромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного. Наиболее распространённый процесс, обусловленный слабым взаимодействием — b-распад радиоактивных атомных ядер. Явление радиоактивности было обнаружено А. А. Беккерелем в 1896 году.
Нуклоны – общее название для протонов и нейтронов, частиц составляющих ядро атома
Протоны (от др. греческого πρῶτος — первый, основной) — стабильная положительно заряженная элементарная частица; величина заряда равена заряду электрона. Вместе с нейтронами образует ядра всех атомов.
Нейтроны (от лат. neuter ни тот, ни другой) – нейтральная элементарная частая с массой, близкой массе протона. Вместе с протонами нейтроны образуют атомное ядро (за исключением ядра водорода). В свободном состоянии нейтрон нестабилен и распадается на протон и электрон.
Нейтрино – лёгкая (возможно, безмассовая) электрически нейтральная частица. Представление о нейтрино введено в 1930 швейцарским физиком В. Паули. Название предложил в 1932 Э. Ферми, как уменьшительное от нейтрон.
Лептоны – (греч. λεπτός лёгкий) класс фундаментальных частиц, не участвующих в сильном взаимодействии. К ним относят, например, электрон, позитрон и др.
Адроны (от греч. hadros — тяжёлый; термин предложен советским физиком Л. Б. Окунем) — класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию и не являющихся истинно элементарными. К ним относятся, в том числе, протоны и нейтроны.
|
Протон представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в опытах Дж. Томсона (1907 г.), которому удалось измерить у нее отношение e/m. В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов. Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер.
Схема опытов Резерфорда представлена здесь.
Описание установки, с помощью которой удалось зарегистрировать нейтрон, можно посмотреть здесь.
В отличие от электронов, протоны и нейтроны подвержены действию специфических ядерных сил. Ядерные силы являются частным случаем самых интенсивных в природе сильных взаимодействий. За счет ядерных сил протоны и нейтроны могут соединяться друг с другом, образуя различные атомные ядра.
Свойства протона и нейтрона по отношению к сильным взаимодействиям совершенно одинаковы, чем, по-видимому, и объясняется близость их масс. Поэтому в ядерной физике часто используется термин нуклон, обозначающий любую частицу, входящую в состав ядра, – как протон, так и нейтрон. Можно сказать, что протон и нейтрон являются двумя состояниями одной и той же частицы – нуклона.
Атом электрически нейтрален. Поэтому число протонов в ядре атома должно равняться числу электронов в атомной оболочке, т.е. атомному номеру Z. Общее число нуклонов (т.е. протонов и нейтронов) в ядре обозначается через A и называется массовым числом. Числа Z и A полностью характеризуют состав ядра. По определению:
Для обозначения различных ядер обычно используется запись вида Z X A, где X – химический символ, соответствующий элементу с данным Z. Например, выражение 4Ве9 обозначает ядро атома бериллия с Z = 4, A = 9, имеющее 4 протона и 5 нейтронов. Левый нижний индекс не является необходимым, поскольку атомный номер Z однозначно определяется названием элемента. Поэтому часто употребляется сокращенное обозначение типа Be9 (читается «бериллий девять»).
Ядра с одним и тем же Z и разными A называются изотопами. Например, у урана (Z = 92) есть изотопы 92U236, 92U238. Иногда употребляются термины изобары (для ядер с одинаковыми A и разными Z) и изотоны (для ядер с одинаковыми N и разными Z). Для обозначения атомов определенного изотопа используется термин нуклид.
Самым тяжелым из имеющихся в природе элементов является изотоп урана 92U238. Элементы с атомными номерами больше 92 называются трансурановыми. Все они получены искусственно в результате различных ядерных реакций.
По своим чисто ядерным свойствам различные изотопы, как правило, имеют мало общего. Но в подавляющем большинстве случаев атомы различных изотопов обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами, поскольку на структуру электронной оболочки атома ядро влияет практически только своим электрическим зарядом. Поэтому выделение какого-либо изотопа, например U235 из его собственной смеси с 92U238, является сложной технологической задачей, для решения которой используются небольшие различия в скоростях испарения, диффузии и некоторых других процессов, возникающие за счет различия масс изотопов.
Атомный номер Z равен электрическому заряду ядра в единицах абсолютной величины заряда электрона. Электрический заряд является целочисленной величиной, строго сохраняющейся при любых (в том числе и при неэлектромагнитных) взаимодействиях. Совокупность имеющихся экспериментальных данных о взаимопревращениях атомных ядер и элементарных частиц показывает, что кроме закона сохранения электрического заряда существует аналогичный, строгий закон сохранения барионного заряда. Именно, каждой частице можно присвоить некоторое значение барионного заряда, причем алгебраическая сумма барионных зарядов всех частиц остается неизменной при каких угодно процессах.
Барионные заряды всех частиц целочисленные. Барионный заряд электрона и γ-кванта равен нулю, а барионные заряды протона и нейтрона равны единице. Поэтому массовое число А является барионным зарядом ядра. Закон сохранения барионного заряда обеспечивает стабильность атомных ядер. Например, этим законом запрещается выгодное энергетически и разрешенное всеми остальными законами сохранения превращение двух нейтронов ядра в пару легчайших частиц γ-квантов.
Атомные ядра могут существовать лишь в ограниченной области значений величин A, Z. Вне этой области, если соответствующее ядро и возникает, то оно мгновенно (т.е. за характерное ядерное время τ ≤ 10−21с) либо распадается на более мелкие ядра, либо испускает протон или нейтрон. Внутри области возможного существования далеко не все ядра стабильны.
|
|
В настоящее время известно более сотни различных мезонов и других частиц со странными свойствами. Их массы лежат в пределах от 200 электронных масс до масс, в несколько раз превышающих массу протона. Существование всех этих новых частиц скоротечно, ни одна из них не живет дольше нескольких микросекунд, а многие частицы распадаются примерно через 10−23 с после своего образования. Конечные продукты распадов этих частиц – обычные составные части вещества, т.е. протоны, электроны и фотоны, а также нейтрино. Необходимо отметить, что позитроны и антипротоны в свободном состоянии устойчивы, но при взаимодействии с обычным веществом они аннигилируют.
Элементарными следует называть микрочастицы, относительно которых нет доказательств, что они являются составными. Это электроны, протоны, нейтроны и многие другие частицы. Впрочем, ситуация с определением элементарности усложнилась после того, как выяснилось, что многие из этих частиц имеют внутреннюю структуру.
Несмотря на последнее обстоятельство, за этими частицами сохранили название элементарных. И это в какой-то степени оправдано: во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Они могут рождаться и превращаться друг в друга, но не расщепляться на какие-то составляющие.
Поэтому теперь в ядерной физике под термином «элементарные частицы» понимается общее название для всех субатомных частиц, отличных от атомов и атомных ядер.
Итак, частицы, которые мы называем элементарными, ведут себя как единое целое и обладают способностью к рождению и взаимопревращению. Например, распад нейтрона:
Продукты распада нейтрона возникают только в самом этом процессе. До распада их не было совсем, и они не входили в состав нейтрона.
Для элементарных частиц весьма характерна их многочисленность. В настоящее время открыто несколько сотен частиц, подавляющее большинство которых нестабильно.
Источниками заряженных частиц высоких энергий являются в основном ускорители. Вместе с детекторами они позволяют исследовать процессы в которых образуются и взаимодействуют различные элементарные частицы. Вот почему физику элементарных частиц часто называют физикой высоких энергий.
Виды фундаментальных взаимодействий
Современной науке известны четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Сильное взаимодействие осуществляется между нуклонами в атомных ядрах. Оно присуще также большому количеству элементарных частиц, так называемых адронов (протоны, нейтроны, гипероны, мезоны и др.). Электромагнитное взаимодействие осуществляется между электрическими зарядами. К электромагнитным взаимодействиям сводятся обычно воспринимаемые нами силы: химические, молекулярные, упругие, вязкие и др. Слабые взаимодействия вызывают β-распад радиоактивных ядер и вместе с электромагнитными силами присущи лептонам – элементарным частицам, не участвующим в сильных взаимодействиях и обладающих спином ½ (электрон, мюон, нейтрино и др.). Нейтральные лептоны не участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам.
Энергетика взаимодействий связана со временем их протекания. Для сравнения скоростей взаимодействий обычно берут частицы с одной и той же энергией например, принимают кинетическую энергию сталкивающихся частиц равной 1 ГэВ, характерную для физики элементарных частиц. При таких энергиях сильные взаимодействия осуществляются за времена порядка 10−23 с, электромагнитные – 10−20 с, слабые – 10−9 с.
Вид взаимодействия, присущий определенной частице, определяет и такой параметр, как длина её свободного пробега в веществе. Чем интенсивнее тип взаимодействия, тем меньше длина свободного пробега. Так нейтрино с энергией 10 МэВ может пройти слой железа толщиной 109 км. Сильные и слабые взаимодействия являются короткодействующими. Радиус действия сильных взаимодействий имеет порядок 10−13 см (1 ферми), а слабых – 2·10−16 см. Электромагнитные силы являются дальнодействующими. Их интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими частицами. Аналогичному закону подчиняются и гравитационные силы. Количественно соотношения интенсивности типов взаимодействий представлены в таблице 4.3.
Остановимся более подробно на характеристике этих взаимодействий.
Практически все элементарные частицы являются нестабильными (за исключением фотона, электрона и трех нейтрино). Время жизни таких частиц варьируется в пределах от 10−18 до 10−11 с (у так называемых резонансов еще меньше). Но в некоторых случаях оно оказывается весьма продолжительным: например, среднее время жизни свободного нейтрона составляет 11.7 мин.
Систематика элементарных частиц
Все частицы (включая и неэлементарные, и так называемые квазичастицы) подразделяют на бозоны и фермионы. Бозоны – это частицы с нулевым или целочисленным спином (фотон, мезоны и др.). Фермионы же – это частицы с полуцелым спином (электрон, мюон, таон, нейтрино, протон, нейтрон и др.).
Практически все элементарные частицы, как уже говорилось, являются нестабильными, распадаясь на другие частицы. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и т.н. резонансы. Резонансами называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия с временем жизни ~10−23 с. Нестабильные частицы с временем жизни, превышающим 10−20 с, распадаются за счет электромагнитного или слабого взаимодействия. По сравнению с характерным ядерным временем (10−23 с) время 10−20 с следует считать большим. По этой причине их и называют квазистабильными. Стабильными частицами (τ → ∞) являются только фотон, электрон, протон и нейтрино.
Это особая группа элементарных частиц, в которую входят фотоны (переносчики электромагнитного взаимодействия), родственные им W- и Z-бозоны (переносчики слабого взаимодействия), так называемые глюоны (переносчики сильного взаимодействия) и гипотетические гравитоны.
Все остальные частицы подразделяют по характеру взаимодействий, в которых они участвуют, на лептоны и адроны.
Это частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин ½. К ним относятся электроны, мюоны, таоны и соответствующие им нейтрино. Лептоны принимают участие в слабых взаимодействиях. За исключением нейтрино, лептоны участвуют и в электромагнитных взаимодействиях.
Все лептоны можно отнести к истинно элементарным частицам, поскольку у них, в отличие от адронов, не обнаружена внутренняя структура.
Так называют элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Как правило, они участвуют и в электромагнитном, и в слабом взаимодействиях. Эти частицы образуют самую многочисленную группу частиц (свыше 400). Адроны подразделяют на мезоны и барионы. Мезоны – это адроны с нулевым или целочисленным спином (т.е. бозоны). К ним относятся π-, K- и η-мезоны, а также множество мезонных резонансов, т.е. мезонов с временем жизни ~10−23 с. Барионы – это адроны с полуцелым спином (т.е. фермионы) и массами, не меньшими массы протона. К ним относятся нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны и множество барионных резонансов. За исключением протона, все барионы нестабильны. Нестабильные барионы с массами, большими массы протона, и большим временем жизни (сравнительно с ядерным ~10−23 с) называют гиперонами. Это гипероны Λ, Σ, Ξ и Ω. Все гипероны имеют спин ½, за исключением Ω, спин которого 3/2. За время τ ~10−19-10−10 с они распадаются на нуклоны и легкие частицы (π-мезоны, электроны, нейтрино, γ-кванты).
Сведем для наглядности основную систематику элементарных частиц в таблицу 4.4.
Античастицы
Существование античастиц является универсальным свойством элементарных частиц. Каждой частице соответствует своя античастица: например, электрону e− – позитрон e+, протону p+ – антипротон p−, нейтрону n – антинейтрон и т.д. Позитрон и антипротон отличаются от электрона и протона прежде всего знаком электрического заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента.
В общем случае античастица отличается от частицы только знаками так называемых зарядов (электрического, барионного, лептонного, странности), с которыми связаны определенные законы сохранения.
Такие же характеристики как масса, спин, время жизни у них одинаковы.
В некоторых случаях античастица совпадает со своей частицей, т.е. все свойства частицы и античастицы одинаковы. Такие частицы называют истинно нейтральными. К ним относятся, например, фотон γ, π0-мезон и η0-мезон.
Понятия частицы и античастицы относительны. Электрон считают частицей, а позитрон – античастицей только потому, что во Вселенной преобладают именно электроны, а позитроны более экзотические частицы. Условившись считать электрон и протон частицами, далее с помощью законов сохранения можно однозначно установить, чем является каждая элементарная частица – частицей или античастицей.
При встрече электрона с позитроном происходит их аннигиляция, т.е. превращение их в γ-кванты, например так:
Заметим, что один γ-квант при этом излучиться не может: в этом случае нарушался бы закон сохранения импульса. Это легко понять, если рассмотреть процесс в Ц-системе, где суммарный импульс электрона и позитрона равен нулю.
Существует процесс, обратный аннигиляции – рождение пар: γ-квант может породить пару e−e+. Для этого необходимо, чтобы энергия γ-кванта была не меньше собственной энергии пары 2·mec2. Этот процесс может происходить только в поле атомного ядра, иначе нарушался бы закон сохранения импульса. В самом деле, в Ц-системе суммарный импульс образовавшейся пары был бы равен нулю, тогда как импульс породившего ее γ-кванта отличен от нуля. При наличии атомного ядра импульс γ-кванта будет восприниматься ядром без нарушения закона сохранения импульса.
Аннигилируют не только электрон с позитроном, но и любая другая частица со своей античастицей. Однако при аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают преимущественно π-мезоны (доля γ-квантов весьма мала). Это обусловлено проявлением различных типов взаимодействий: аннигиляция электрона с позитроном вызывается электромагнитным взаимодействием, тогда как аннигиляция более тяжелых частиц – адронов – сильным взаимодействием.
Более подробную информацию можно скачать здесь (ресурс корпоративной сети ТПУ) или здесь (ресурс корпоративной сети ТПУ).
Некоторые проблемы эволюции Вселенной, нуклеосинтеза и космохронологии с точки зрения физики ядра и элементарных частиц, представлены в книге Ю.Э. Пенионжкевич «Ядерная Астрофизика». В этой работе проводится сравнение процессов, происходящих во Вселенной, с механизмами образования и распада ядер, а также их взаимодействия при высоких энергиях, еаны примеры, показывающие возможности методов ядерной физики в исследовании Вселенной.
| ||||
Распады нейтрона указали на существование темной материи
B. Fornal & B. Grinstein / Phys. Rev. Lett.
Физики из Калифорнийского университета в Сан-Диего предложили объяснить с помощью темной материи расхождение между «бутылочными» и «пучковыми» экспериментами по определению времени жизни свободного нейтрона. Для этого около одного процента распадов нейтронов должно содержать в качестве конечного продукта частицу темной материи, масса которой практически совпадает с массой протона. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
В связанном состоянии (внутри атомного ядра) нейтроны могут жить неограниченно долго, однако свободные нейтроны быстро распадаются. Как правило, продуктами такого распада выступает протон, электрон и электронное антинейтрино n → p + e− + νe* (так называемый бета-распад), хотя Стандартная модель разрешает и более экзотические процессы, например, радиативный бета-распад или распад с образованием атома водорода. Теоретические оценки на время жизни свободного нейтрона, распадающегося по такому каналу, существенно зависят от величины константы связи аксиального вектора с обычным (axial-vector to vector coupling ratio), которая измерена с относительной погрешностью около 0,2 процента. Это мешает точно оценить время жизни нейтрона. В настоящее время теоретические расчеты предсказывают продолжительность жизни от 875 до 891 секунды, то есть порядка 15 минут.
С другой стороны, время жизни нейтрона можно измерить напрямую, причем сразу двумя легко реализуемыми на практике способами. В первом типе экспериментов ученые охлаждают частицы до низкой температуры, помещают их в гравитационную ловушку, напоминающую по своей форме вытянутую бутылку, и измеряют, как число нейтронов в ловушке N зависит от времени. Сравнивая затем измеренную экспериментально зависимость с экспоненциальным законом N ~ exp(−t/τ), можно найти характерное время жизни нейтрона τ = τбутылка. Во втором типе экспериментов физики получают пучок нейтронов и измеряют, сколько в нем содержится протонов, образовавшихся в результате бета-распада. Это позволяет определить скорость распада, а следовательно, и его характерное время, совпадающее со временем жизни нейтрона τ = τпучок.
Проблема заключается в том, что результаты измерений, выполненных различными способами, отличаются почти на десять секунд — в то время как бутылочные эксперименты дают значение τ = 879,6±0,6 секунд, эксперименты с пучками приводят к заметно большему значению τ = 888±2 секунды. Таким образом, расхождение между этими результатами достигает 4σ. Причинами подобного расхождения могут быть как систематические ошибки, упущенные из виду сразу несколькими группами экспериментаторов, так и фундаментальные механизмы, указывающие на физику за пределами Стандартной модели.
Физики Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein) предлагают объяснить расхождение между результатами различных экспериментов с помощью темной материи. В самом деле, в «пучковом» способе предполагается, что в результате распада сто процентов нейтронов превращается в протоны плюс еще какие-нибудь менее массивные частицы (фотоны, нейтрино и так далее). Если же небольшая часть этих распадов будет происходить по «невидимому» каналу, то есть будет содержать в качестве конечных продуктов частицу темной материи, очень слабо взаимодействующую с веществом, то скорость распада и рассчитанное на ее основе время жизни надо будет немного подкорректировать. Грубо говоря, при наличии «невидимого» канала скорость распада занижается, и экспериментаторам кажется, будто нейтроны живут немного дольше. Если точнее, истинное время жизни можно восстановить, если умножить время τпучок на отношение Br между числом реакций с участием частиц Стандартной модели и полным числом реакций (физики называют такое отношение «коэффициентом ветвления», branching ratio). Чтобы увязать результаты «бутылочных» и «пучковых» экспериментов, отношение должно быть примерно равно Br ≈ 0,99, то есть около одного процента распадов должны идти по «невидимому» каналу.
Ученые предлагают два возможных канала распада с участием частиц темной материи. Один из них «невидим» полностью (включает в качестве конечных продуктов только частицы темной материи), а другой «невидим» только частично, то есть помимо массивной частицы темной материи содержит сравнительно легкие частицы Стандартной модели — фотоны, электроны, позитроны и так далее. К сожалению, при введении в теорию подобных каналов становится возможным распад протона, который на практике не наблюдается; тем не менее, физики показали, что такие распады будут запрещены, если масса «невидимой» частицы будет лежать в диапазоне от 937,9 до 939,6 мегаэлектронвольт. Кроме того, дальнейший распад частицы с образованием протона будет невозможен, если ее масса будет меньше, чем 938,8 мегаэлектронвольт. При таком условии время жизни образовавшейся частицы будет довольно большим, что делает ее хорошим кандидатом на роль частицы темной материи.
«Невидимый» распад нейтрона на частицы темной материи
B. Fornal & B. Grinstein / Phys. Rev. Lett.
«Частично невидимый» распад нейтрона на частицу темной материи и фотон
B. Fornal & B. Grinstein / Phys. Rev. Lett.
Наконец, физики более подробно изучили каждый из двух возможных каналов и уточнили параметры частиц, которые в них образуются. Так, например, энергия фотонов, которые рождаются наряду с долгоживущими частицами темной материи в «частично невидимом» канале, лежит в диапазоне от 0,782 до 1,664 мегаэлектронвольт, причем фотоны должны быть монохроматичны (то есть их энергия во всех распадах одинакова). Если же требование долгого времени жизни с частицы снять, нижняя граница на энергию фотонов исчезнет.
Хотя статья физиков в Physical Review Letters вышла только на прошлой неделе, на сайте препринтов arXiv.org она была опубликована еще 3 января 2018 года. Поэтому несколько групп ученых уже успели применить идеи Форнала и Гринштейна в своей работе. В частности, группа исследователей из Америки и Франции уже попытались обнаружить фотоны, которые рождаются в результате «частично невидимых» распадов нейтронов, просканировав диапазон энергий от 0.782 до 1.664 мегаэлектронвольт, — однако им так и не удалось зарегистрировать заметного сигнала, что исключает образование долгоживущих частиц темной материи в ходе распадов. Другие группы рассмотрели, как «невидимые» распады будут сказываться на эволюции нейтронных звезд — оказалось, что если бы такие распады действительно происходили, масса звезд быстро бы уменьшалась. Это противоречит наблюдениям астрономов; следовательно, в нейтронных звездах «невидимые» распады должны быть запрещены. Наконец, еще одна группа ученых показала, что аномально высокое содержание атомов 10Be в продуктах распада 11Be можно объяснить с помощью тех же самых механизмов, что и при распаде нейтрона.
Пока что ученым так и не удалось поймать в прямом эксперименте частицы темной материи, так что все свидетельства в пользу ее существования носят исключительно гравитационный характер. Вместо этого физики установили очень жесткие ограничения на сечение взаимодействия вимпов с веществом — так, наибольшее возможное значение этого сечения оценивается сейчас величиной порядка 10−45 квадратных сантиметров. Тем не менее, исследователи не теряют надежды на успех — продолжают совершенствовать существующие экспериментальные установки, разрабатывают новые типы детекторов, ищут частицы темной материи других видов (например, аксионы или темные фотоны), а также предлагают альтернативные способы детектирования частиц.
Дмитрий Трунин
Студенческий микроспутник поймал в радиационных поясах Земли «неуловимые» электроны
Когда заряженная частица натыкается на магнитный щит Земли, её траектория искривляется. Незваная гостья оказывается обречённой циркулировать в одном из радиационных поясов Земли на высоте от 500 до 40000 километров.
Источником частиц, попавших в плен этих поясов, в основном является Солнце. Их поставляет как спокойный солнечный ветер, так и выбросы корональной массы, о которых «Вести.Наука» (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали. Именно свойство магнитного поля захватывать вещество таких выбросов помогает Земле не потерять атмосферу, а человечеству – не погибнуть от радиации.
Но есть в радиационных поясах и другие частицы. Например, во внутреннем поясе много протонов с высокой энергией (от десятков до сотен мегаэлектронвольт). Вскоре после того как этот факт был обнаружен шесть десятилетий назад, учёные выдвинули гипотезу об источнике этих протонов.
Предполагалось, что дело в космических лучах. Достигая верхних слоёв атмосферы, они врезаются в нейтральные атомы, и в ядерных реакциях образуются нейтроны.
Свободный (не входящий в состав атомного ядра) нейтрон – нестабильная частица. Его характерное время жизни – около 15 минут. По истечении этого срока он распадается на протон и электрон.
Вот эти-то протоны, по мысли учёных, и попадают во внутренний радиационный пояс. Они «забирают себе» большую часть энергии нейтронов, а на долю образовавшегося электрона остаётся менее одного мегаэлектронвольта. Впрочем, для такой лёгкой частицы, как электрон, и такая энергия довольно велика. Как явствует из названия, энергию в один мегаэлектронвольт электрон приобрёл бы, если бы его ускоряло электрическое поле с разностью потенциалов в миллион вольт. Скорость частицы при этом будет сравнима со скоростью света.
Однако если протоны во внутреннем поясе появляются из-за распада нейтронов, то где-то рядом должны быть и образовавшиеся электроны. Где же они? Вообще-то электронов поблизости много, даже очень. Столько, что все они явно не могут образоваться в описанном процессе – не хватит интенсивности космических лучей. Тем более что последняя должна быть примерно постоянной, а количество электронов во внутреннем поясе, как показывают измерения, сильно варьируется.
Так происходит всё-таки этот распад нейтронов или нет? Может быть, протоны берутся из какого-то другого источника? Ответа не было. В частности, потому что не удавалось обнаружить электроны с теми самыми околосветовыми скоростями, которые должны образовываться в такой реакции.
Так было, пока не начал работу спутник CSSWE. Он был создан на стандартной платформе для микроспутников CubeSat, о которой мы тоже подробно рассказывали. В его создании принимали участие более 65 студентов Колорадского университета в Боулдере. Как это обычно и бывает с «кубсатами», аппарат вышел недорогим. Но это как раз тот случай, когда ценность измеряется не деньгами.
Аппаратура спутника обнаружила те самые быстрые электроны, которые ускользали от учёных 60 лет. Находятся они почти над самой атмосферой, вблизи внутреннего края внутреннего же радиационного пояса. Более того, измерения позволили оценить плотность нейтронов в околоземном пространстве, распад которых порождает эти электроны. Она оказалась равна 2×10-9 частиц на кубический сантиметр. Такой результат хорошо согласуется с теоретическими оценками для процесса рождения нейтронов из взаимодействия космических лучей с атомами воздуха.
«Это действительно прекрасный результат и большой прогресс в понимании, полученный благодаря удивительно недорогому студенческому спутнику», – цитирует пресс-релиз слова одного из авторов исследования Даниэля Бейкера (Daniel N. Baker).
Научная статья с результатами исследования вышла в журнале Nature.
К слову, мы недавно писали о другом открытии, связанном с космическими лучами в околоземном пространстве. Речь идёт об избытке позитронов, который не удалось объяснить деятельностью нейтронных звёзд. В итоге первым кандидатом на роль их источника стала загадочная тёмная материя.
2.1 Электроны, протоны, нейтроны и атомы — Физическая геология
Вся материя, включая минеральные кристаллы, состоит из атомов, и все атомы состоят из трех основных частиц: протонов, , нейтронов, и электронов, . Как показано в Таблице 2.1, протоны заряжены положительно, нейтроны не заряжены, а электроны заряжены отрицательно. Отрицательный заряд одного электрона уравновешивает положительный заряд одного протона. И протоны, и нейтроны имеют массу 1, а электроны почти не имеют массы.
| Элементарная частица | Заряд | Масса |
|---|---|---|
| Протон | +1 | 1 |
| нейтрон | 0 | 1 |
| Электрон | -1 | ~ 0 |
Элемент водород состоит из простейших атомов, каждый из которых состоит только из одного протона и одного электрона.Протон образует ядро, а электрон вращается вокруг него. У всех других элементов в ядре есть нейтроны, а также протоны, такие как гелий, как показано на рис. 2.2. Положительно заряженные протоны имеют тенденцию отталкиваться друг от друга, а нейтроны помогают удерживать ядро вместе. Число протонов — это атомный номер , а число протонов плюс нейтроны — это атомная масса . Для водорода атомная масса равна 1, потому что есть один протон и нет нейтронов.Для гелия это 4: два протона и два нейтрона.
Для большинства из 16 легчайших элементов (до кислорода) количество нейтронов равно количеству протонов. Для большинства остальных элементов нейтронов больше, чем протонов, потому что дополнительные нейтроны необходимы, чтобы удерживать ядро вместе, преодолевая взаимное отталкивание растущего числа протонов, сосредоточенных в очень маленьком пространстве. Например, в кремнии 14 протонов и 14 нейтронов. Его атомный номер 14, а атомная масса 28.Самый распространенный изотоп урана состоит из 92 протонов и 146 нейтронов. Его атомный номер 92, а атомная масса 238 (92 + 146).
Рисунок 2.2 Изображение атома гелия.
Точка посередине — это ядро, а окружающее облако обозначает, где два электрона могут быть в любой момент. Чем темнее оттенок, тем больше вероятность того, что там будет электрон. Ангстрем (Å) составляет 10 -10 м. Фемтометр (фм) 10 -15 м. Другими словами, электронное облако атома гелия примерно в 100 000 раз больше его ядра.
Электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, расположены в оболочках, также известных как «энергетические уровни». Первая оболочка может содержать только два электрона, а следующая оболочка может содержать до восьми электронов. Последующие оболочки могут содержать больше электронов, но самая внешняя оболочка любого атома вмещает не более восьми электронов. Электроны в самой внешней оболочке играют важную роль в связи между атомами. Элементы с полной внешней оболочкой инертны в том смысле, что они не вступают в реакцию с другими элементами с образованием соединений.Все они появляются в крайнем правом столбце периодической таблицы: гелий, неон, аргон и т. Д. Для элементов, не имеющих полной внешней оболочки, самые внешние электроны могут взаимодействовать с самыми внешними электронами соседних атомов, создавая химические связи. Конфигурации электронных оболочек 29 из первых 36 элементов перечислены в таблице 2.2.
| Число электронов в каждой оболочке | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Элемент | Условное обозначение | Атомный № | Первая | Второй | Третий | Четвертый |
| Водород | H | 1 | 1 | |||
| Гелий | He | 2 | 2 | |||
| Литий | Li | 3 | 2 | 1 | ||
| Бериллий | Be | 4 | 2 | 2 | ||
| Бор | B | 5 | 2 | 3 | ||
| Углерод | С | 6 | 2 | 4 | ||
| Азот | N | 7 | 2 | 5 | ||
| Кислород | O | 8 | 2 | 6 | ||
| фтор | F | 9 | 2 | 7 | ||
| Неон | Ne | 10 | 2 | 8 | ||
| Натрий | Na | 11 | 2 | 8 | 1 | |
| Магний | мг | 12 | 2 | 8 | 2 | |
| Алюминий | Al | 13 | 2 | 8 | 3 | |
| Кремний | Si | 14 | 2 | 8 | 4 | |
| фосфор | P | 15 | 2 | 8 | 5 | |
| сера | S | 16 | 2 | 8 | 6 | |
| Хлор | Класс | 17 | 2 | 8 | 7 | |
| Аргон | Ар | 18 | 2 | 8 | 8 | |
| Калий | К | 19 | 2 | 8 | 8 | 1 |
| Кальций | Ca | 20 | 2 | 8 | 8 | 2 |
| Скандий | SC | 21 | 2 | 8 | 9 | 2 |
| Титан | Ti | 22 | 2 | 8 | 10 | 2 |
| Ванадий | В | 23 | 2 | 8 | 11 | 2 |
| Хром | Cr | 24 | 2 | 8 | 13 | 1 |
| Марганец | Мн | 25 | 2 | 8 | 13 | 2 |
| Утюг | Fe | 26 | 2 | 8 | 14 | 2 |
| . | . | . | . | . | . | . |
| Селен | SE | 34 | 2 | 8 | 18 | 6 |
| Бром | руб. | 35 | 2 | 8 | 18 | 7 |
| Криптон | Кр | 36 | 2 | 8 | 18 | 8 |
Атрибуции
Рисунок 2.2
Атом гелия от Yzmo находится под CC-BY-SA-3.0
Как элементы распадаются на протоны, электроны и нейтроны?
Это объяснение предоставлено командой Стивена Рекрофта и Джона Д. Суэйна, профессоров факультета физики Северо-Восточного университета.
Сначала, вероятно, неплохо было бы рассмотреть, из чего состоит атом. По сути, он содержит ядро, содержащее некоторое количество (назовем его N) положительно заряженных протонов, которое окружено облаком (N) отрицательно заряженных электронов.Сила, удерживающая электроны и протоны вместе, — это электромагнитная сила. Число N говорит вам, какой у вас элемент: для водорода N равно 1, для гелия 2 и так далее.
Одна и та же электромагнитная сила, которая притягивает противоположно заряженные электроны и протоны, пытается оттолкнуть протоны (которые все имеют одинаковый заряд) друг от друга. Чтобы избежать этого разделения, в ядре задействуется другая частица: нейтрон. Подобно протону по массе, но без электрического заряда, нейтрон необходим для удержания ядра вместе.На коротких расстояниях (то есть внутри ядра) очень сильная сила, более мощная, чем электромагнетизм, захватывает и притягивает протоны и нейтроны. Для большинства элементов существует несколько возможностей относительно того, сколько нейтронов может поместиться в ядро, и каждый выбор соответствует разному изотопу этого элемента.
Предположим, вы хотите разорвать атом на части. Первое, что вам нужно сделать, это избавиться от электронов. Есть много способов сделать это. Вы можете направить свет на атом или подвергнуть его другому виду электромагнитного излучения с еще более короткой длиной волны.Кроме того, вы можете поразить его частицами, такими как электроны или другие атомы. На самом деле свет состоит из маленьких кусочков, называемых фотонами, поэтому сияющий свет на атоме — это просто особый случай столкновения его с другими частицами.
Heat тоже подойдет, но косвенно. Это заставляет атомы быстро двигаться и сталкиваться друг с другом. Первый электрон оторвется довольно легко, оставив объект с чистым положительным зарядом (так называемый ион). Каждый следующий электрон, как правило, сложнее отделить, поскольку он видит себя частью объекта с все более высоким положительным зарядом.
После того, как все электроны исчезнут, у вас останется только ядро. Поскольку сильная сила, удерживающая протоны и нейтроны вместе, сильнее электромагнитной, разрушение ядра на части требует больше энергии, чем удаление электронов. Даже в этом случае принцип тот же: поразите его либо фотонами (но теперь с теми, которые имеют гораздо больше энергии, чем фотоны видимого света), либо любым из огромного зоопарка частиц, обнаруженного физиками высоких энергий. Нейтроны особенно полезны, потому что у них нет электрического заряда.Таким образом, они могут лететь прямо в ядро, не испытывая препятствий со стороны электромагнитных сил. Обычно для того, чтобы извлечь вещество из ядра, требуется примерно в миллион раз больше энергии, чем для того, чтобы отделить электрон от атома.
Хотя мы говорили о поэтапном разделении атома на части, вы, конечно, можете чем-нибудь поразить весь атом (электроны и ядро); если ударить достаточно сильно, вы получите кучу кусочков и кусочков.
Возможно, стоит затронуть еще два момента.Во-первых, если вы достаточно сильно ударите по протонам и нейтронам, вы обнаружите, что они, в свою очередь, состоят из еще более мелких частей, называемых кварками. Кварки удерживаются вместе той же сильной силой, которая удерживает ядро вместе (хотя детали того, как это работает в двух случаях, немного отличаются). Пока что у нас нет доказательств того, что внутри электронов гремит что-то меньшее.
Второй момент заключается в том, что если вы ударяете по предметам с очень высокими энергиями, вы не просто получаете куски, но также создаете совершенно новые частицы, которых раньше не было! Теоретическая основа для описания этого процесса называется квантовой теорией поля, а область физики, которая специализируется на изучении создания и разрушения новых частиц, называется физикой высоких энергий.Есть надежда, что, достаточно глубоко заглянув внутрь материи — разбирая ее и создавая новые формы, — мы лучше поймем механизм, стоящий за вселенной, которую мы видим каждый день.
Атомы и элементы
Атомная структура
Атомы — это основные строительные блоки всего, что нас окружает. Они бывают разных видов, называемых элементами, но каждый атом имеет определенные общие характеристики. Все атомы имеют плотное центральное ядро, называемое атомным ядром. Ядро образуют частицы двух типов: протоны с положительным электрическим зарядом и нейтроны без заряда.У всех атомов есть по крайней мере один протон в их ядре, и количество протонов определяет, к какому элементу типа относится атом. Например, у атома кислорода 8 протонов. Если бы вы каким-то образом смогли изменить протонное число этого атома на 7, , даже если бы все остальное осталось прежним, , это больше не был бы атом кислорода, это был бы азот. По этой причине мы перечисляем различные элементы по их протонным или атомным номерам. Периодическая таблица элементов — это таблица всех элементов, которые были обнаружены до сих пор, в порядке их атомного номера.
Помимо протонов и нейтронов, все атомы имеют электроны, отрицательно заряженные частицы, которые перемещаются в пространстве, окружающем положительно заряженное ядро ядра. Электроны обычно изображаются на рисунках намного меньшими, чем протоны или нейтроны, потому что их масса намного меньше. На самом деле масса электрона настолько мала, что не учитывается в массе атома. Однако сила заряда отдельного электрона равна силе заряда одиночного протона, и, несмотря на свою небольшую массу, электроны важны для уравновешивания заряда атома.Если специально не указано иное, атомы всегда имеют то же количество электронов, что и протоны; следовательно, вы можете узнать номер электрона, посмотрев на атомный номер. Но в отличие от протонов, количество электронов может измениться и действительно может измениться на , не влияя на тип элемента, которым является атом!
Теперь мы знаем, как найти число протонов и число электронов для данного атома, но как насчет нейтронов? Сколько нейтронов у атомов данного элемента? Это НЕ всегда то же самое, что количество протонов и электронов.Например, у водорода есть один протон и один электрон, но у него вообще нет нейтронов! Мы определяем это, глядя на атомную массу. Несмотря на то, что атом настолько мал, что вам потребуется почти миллион, чтобы увидеть даже крошечную точку на экране вашего компьютера, каждый крошечный атом определенно имеет массу и занимает пространство. Эта масса исходит от ядра. Каждый протон и нейтрон имеют примерно одинаковую массу, измеряемую в дальтонах или атомных единицах массы (амус). Поскольку единица измерения определяется одним протоном, 1 протон = 1 нейтрон = 1 дальтон = 1 а.е.м.У электронов есть масса, но она почти в 2000 раз меньше массы протона. Ни в одном из известных нам атомов не хватает электронов, чтобы повлиять на общую массу; следовательно, полная масса равна сумме протонов и нейтронов в атоме.
Поскольку мы можем найти количество протонов и атомную массу атома, просмотрев информацию о его элементе в периодической таблице, мы можем вычислить количество нейтронов в этом атоме, вычитая количество протонов из атомной массы.
Когда количество нейтронов различно для отдельных атомов одного и того же элемента, каждый атом называется изотопом. Когда вы читаете периодическую таблицу, указанная атомная масса представляет собой среднюю атомную массу для всех изотопов этого элемента, встречающихся в природе. Например, атомная масса углерода в периодической таблице составляет 12,01. Углерод не может содержать 6,01 нейтрона, потому что у вас не может быть части нейтрона. Это значение превышает 6, потому что, хотя большинство атомов углерода имеют 6 нейтронов, некоторые атомы углерода находятся с 7 нейтронами, а другие — с 8 нейтронами.Для наших целей мы округляем атомную массу до ближайшего целого числа, чтобы вычислить количество нейтронов.
Атомная структура
Это видео показывает, как атомы и их компоненты работают вместе.
Валентные электроны
Теперь, когда у вас была возможность поработать с атомами в целом, давайте копнем немного глубже. Электроны остаются в атоме из-за их притяжения к положительному заряду протонов, но они не так тесно связаны с атомом, как протоны или нейтроны.Электроны — сложные частицы, потому что им нужно много места в атоме, и, тем не менее, они также привязаны к определенной области внутри этого атома. Хотя рисунки, с которыми мы работали, показывают ядро как видимый объект среднего размера в центре атома, на самом деле оно очень крошечное, и большая часть атома — это пространство вокруг ядра, в котором движутся электроны.
Из-за общего отрицательного заряда электроны отталкиваются друг от друга, если подходят слишком близко. В то же время электроны притягиваются к положительному заряду ядра.Детали энергии и положения электронов могут быть очень сложными, но мы сосредоточимся только на том, что нам нужно понять для изучения молекул жизни.
Электроны расположены в энергетических оболочках (также известных как электронные оболочки) вокруг ядра атома. Хотя у электронов много места, все они хотят быть как можно ближе к притягивающему их положительному заряду ядра. В то же время электроны отталкиваются друг от друга из-за своего отрицательного заряда, и лишь немногие из них могут приблизиться к ядру в любой момент времени.Фактически, только два электрона могут поместиться в трехмерном пространстве, ближайшем к ядру. Это пространство называется первой энергетической оболочкой. Если в атоме три электрона, первые два будут находиться в первой энергетической оболочке. Третий электрон должен будет обосноваться на второй энергетической оболочке, трехмерном пространстве немного дальше от ядра, где он будет один. В этом примере одинокий электрон называется валентным электроном, а внешняя энергетическая оболочка, содержащая любые электроны, называется валентной оболочкой.
Вторая энергетическая оболочка достаточно велика, чтобы удерживать до восьми электронов, сгруппированных парами внутри четырех электронных орбиталей или пространств, где электроны проводят большую часть своего времени. Это означает, что если во второй энергетической оболочке есть только один электрон, остается много дополнительного места.
Когда энергетическая оболочка заполнена не полностью, электрон (ы) в этой оболочке не так стабилен и с большей вероятностью вступит в реакцию. По этой причине атомы имеют тенденцию реагировать с другими атомами способами, которые заполняют или опустошают их валентную оболочку, чтобы получить стабильность полной внешней энергетической оболочки.Атомы могут делать это, приобретая или теряя электроны, превращаясь в ионы, или разделяя электроны с другими атомами для образования стабильных ассоциаций.
Используя число электронов и энергетические оболочки, мы можем определить количество валентных электронов для любого данного атома и его ожидаемый уровень реактивности. Работая с приведенным ниже примером, вы должны помнить, что, хотя мы рисуем энергетические оболочки в виде кругов вокруг атомного ядра, это не означает, что они представляют реальный путь электрона. Стиль концентрического круга рисования энергетических оболочек предназначен для обозначения среднего расстояния, на котором электроны в этой энергетической оболочке вращаются вокруг ядра.На самом деле электроны не движутся по круговой орбите, как показано на рисунке, а перемещаются по гораздо более сложным путям вокруг атомного ядра.
Постройте атом
Используйте это упражнение, чтобы попрактиковаться в чтении таблицы Менделеева для создания нескольких атомов.
Что такое валентность?
В этом упражнении вы рассчитаете количество валентных электронов в атомах, используя периодическую таблицу элементов.
Число протонов, нейтронов и электронов в атоме
Три части атома — это положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтроны.Выполните эти простые шаги, чтобы найти количество протонов, нейтронов и электронов в атоме любого элемента.
Ключевые выводы: количество протонов, нейтронов и электронов
- Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов.
- Протоны несут положительное электрическое изменение, электроны заряжены отрицательно, а нейтроны нейтральны.
- Нейтральный атом имеет одинаковое количество протонов и электронов (заряды нейтрализуют друг друга).
- Ион имеет неравное количество протонов и электронов.Если заряд положительный, протонов больше, чем электронов. Если заряд отрицательный, электронов в избытке.
- Вы можете найти количество нейтронов, если знаете изотоп атома. Просто вычтите количество протонов (атомный номер) из массового числа, чтобы найти оставшиеся нейтроны.
Получите основную информацию об элементах
Вам нужно будет собрать основную информацию об элементах, чтобы определить количество протонов, нейтронов и электронов.К счастью, все, что вам нужно, это таблица Менделеева.
Для любого атома нужно помнить следующее:
Число протонов = атомный номер элемента
Количество электронов = количество протонов
Количество нейтронов = массовое число — атомный номер
Найдите число протонов
Каждый элемент определяется количеством протонов, обнаруженных в каждом из его атомов. Независимо от того, сколько электронов или нейтронов имеет атом, элемент определяется количеством протонов.Фактически, действительно возможно иметь атом, состоящий только из протона (ионизированный водород). Таблица Менделеева расположена в порядке возрастания атомного номера, поэтому количество протонов — это номер элемента. Для водорода число протонов равно 1. Для цинка число протонов равно 30. Элементом атома с двумя протонами всегда является гелий.
Если вам дан атомный вес атома, вам нужно вычесть количество нейтронов, чтобы получить количество протонов. Иногда можно определить элементарный состав образца, если все, что у вас есть, — это атомный вес.Например, если у вас есть образец с атомным весом 2, вы можете быть уверены, что это водород. Почему? Легко получить атом водорода с одним протоном и одним нейтроном (дейтерий), но вы не найдете атом гелия с атомным весом 2, потому что это означало бы, что у атома гелия было два протона и ноль нейтронов!
Если атомный вес 4,001, вы можете быть уверены, что это гелий с 2 протонами и 2 нейтронами. Атомный вес ближе к 5 проблематичнее.Это литий с 3 протонами и 2 нейтронами? Это бериллий с 4 протонами и 1 нейтроном? Если вам не сообщают имя элемента или его атомный номер, трудно узнать правильный ответ.
Найти количество электронов
Для нейтрального атома количество электронов такое же, как и количество протонов.
Часто количество протонов и электронов неодинаково, поэтому атом несет положительный или отрицательный заряд. Вы можете определить количество электронов в ионе, если знаете его заряд.Катион несет положительный заряд и имеет больше протонов, чем электронов. Анион несет отрицательный заряд и имеет больше электронов, чем протонов. У нейтронов нет чистого электрического заряда, поэтому количество нейтронов не имеет значения при расчетах. Число протонов в атоме не может измениться в результате какой-либо химической реакции, поэтому вы добавляете или вычитаете электроны, чтобы получить правильный заряд. Если ион имеет заряд 2+, например Zn 2+ , это означает, что протонов на два больше, чем электронов.
30-2 = 28 электронов
Если ион имеет заряд 1 (просто написано со знаком «минус»), то электронов больше, чем протонов.Для F — количество протонов (из периодической таблицы) равно 9, а количество электронов:
9 + 1 = 10 электронов
Найдите количество нейтронов
Чтобы узнать количество нейтронов в атоме, вам нужно найти массовое число для каждого элемента. В периодической таблице перечислены атомные веса каждого элемента, которые можно использовать для определения массового числа. Например, для водорода атомный вес равен 1,008. Каждый атом имеет целое число нейтронов, но периодическая таблица дает десятичное значение, потому что это средневзвешенное количество нейтронов в изотопах каждого элемента.Итак, что вам нужно сделать, это округлить атомный вес до ближайшего целого числа, чтобы получить массовое число для ваших расчетов. Для водорода 1,008 ближе к 1, чем к 2, поэтому назовем его 1.
Количество нейтронов = массовое число — количество протонов = 1-1 = 0
Для цинка атомный вес 65,39, поэтому массовое число наиболее близко к 65.
Количество нейтронов = 65 — 30 = 35
Что такое электричество? — learn.sparkfun.com
Добавлено в избранное
Любимый
66
Текущие расходы
Как мы упоминали в начале этого урока, электричество определяется как поток электрического заряда. Заряд — это свойство материи, такое же как масса, объем или плотность. Это измеримо. Точно так же, как вы можете количественно определить, сколько у чего-то массы, вы можете измерить, сколько у него заряда. Ключевой концепцией заряда является то, что он может быть двух типов: положительный (+) или отрицательный (-) .
Чтобы переместить заряд, нам нужно носителей заряда , и именно здесь наши знания об атомных частицах — в частности, об электронах и протонах — пригодятся. Электроны всегда несут отрицательный заряд, а протоны — положительно.Нейтроны (верные своему названию) нейтральны, у них нет заряда. И электроны, и протоны несут одинаковые заряда , только другого типа.
Модель атома лития (3 протона) с обозначенными зарядами.
Заряд электронов и протонов важен, потому что он дает нам возможность воздействовать на них силой. Электростатическая сила!
Электростатическая сила
Электростатическая сила (также называемая законом Кулона) — это сила, действующая между зарядами.В нем говорится, что заряды одного типа отталкиваются друг от друга, а заряды противоположных типов притягиваются друг к другу. Противоположности притягиваются, а лайки отталкивают .
Сумма силы, действующей на два заряда, зависит от того, как далеко они находятся друг от друга. Чем ближе подходят два заряда, тем больше становится сила (сдвигающая или отталкивающая).
Благодаря электростатической силе электроны отталкивают другие электроны и притягиваются к протонам.Эта сила является частью «клея», удерживающего атомы вместе, но это также инструмент, который нам нужен, чтобы заставить электроны (и заряды) течь!
Поток начислений
Теперь у нас есть все инструменты, чтобы заставить заряды течь. Электронов в атомах может действовать как наш носитель заряда , потому что каждый электрон несет отрицательный заряд. Если мы сможем освободить электрон от атома и заставить его двигаться, мы сможем создать электричество.
Рассмотрим атомную модель атома меди, одного из предпочтительных источников элементарных зарядов.В сбалансированном состоянии медь имеет 29 протонов в ядре и такое же количество электронов, вращающихся вокруг нее. Электроны вращаются на разных расстояниях от ядра атома. Электроны, расположенные ближе к ядру, испытывают гораздо более сильное притяжение к центру, чем электроны на далеких орбитах. Крайние электроны атома называются валентными электронами , для их освобождения от атома требуется наименьшее количество силы.
Это диаграмма атома меди: 29 протонов в ядре, окруженные полосами вращающихся электронов.Электроны, расположенные ближе к ядру, трудно удалить, в то время как валентный электрон (внешнее кольцо) требует относительно небольшой энергии для выброса из атома.
Используя достаточную электростатическую силу на валентный электрон — либо толкая его другим отрицательным зарядом, либо притягивая его положительным зарядом — мы можем выбросить электрон с орбиты вокруг атома, создав свободный электрон.
Теперь рассмотрим медную проволоку: вещество, заполненное бесчисленными атомами меди. Поскольку наш свободный электрон плавает в пространстве между атомами, он тянется и подталкивается окружающими зарядами в этом пространстве.В этом хаосе свободный электрон в конце концов находит новый атом, за который он цепляется; при этом отрицательный заряд этого электрона выбрасывает другой валентный электрон из атома. Теперь новый электрон дрейфует в свободном пространстве, пытаясь сделать то же самое. Этот цепной эффект может продолжаться и продолжаться, создавая поток электронов, называемый электрическим током .
Очень упрощенная модель зарядов, протекающих через атомы для создания тока.
Электропроводность
Некоторые элементарные типы атомов лучше других выделяют свои электроны.Чтобы получить наилучший возможный поток электронов, мы хотим использовать атомы, которые не очень крепко держатся за свои валентные электроны. Проводимость элемента измеряет, насколько сильно электрон связан с атомом.
Элементы с высокой проводимостью, которые имеют очень подвижные электроны, называются проводниками . Это типы материалов, которые мы хотим использовать для изготовления проводов и других компонентов, которые способствуют электронному потоку. Металлы, такие как медь, серебро и золото, обычно являются нашим лучшим выбором в качестве хороших проводников.
Элементы с низкой проводимостью называются изоляторами . Изоляторы служат очень важной цели: они предотвращают поток электронов. Популярные изоляторы включают стекло, резину, пластик и воздух.
← Предыдущая страница
Going Atomic
Наука об электричестве — Управление энергетической информации США (EIA)
Все состоит из атомов
Для понимания электричества полезны некоторые основные сведения об атомах.Атомы — это строительные блоки вселенной. Все во Вселенной состоит из атомов — каждая звезда, каждое дерево и каждое животное. Человеческое тело состоит из атомов. Воздух и вода тоже состоят из атомов. Атомы настолько малы, что миллионы их поместятся на булавочной головке.
Атомы состоят из еще более мелких частиц
Центр атома называется ядром . Ядро состоит из частиц, называемых протонов и нейтронов . Электроны вращаются вокруг ядра в оболочках . Если бы ядро было размером с теннисный мяч, атом был бы размером со сферу диаметром около 1450 футов или размером с один из крупнейших спортивных стадионов в мире. Атомы — это в основном пустое пространство.
Если бы невооруженный глаз мог видеть атом, он был бы немного похож на крошечное скопление шаров, окруженное гигантскими невидимыми пузырями (или оболочек ). Электроны будут на поверхности пузырьков, постоянно вращаясь и перемещаясь, чтобы держаться как можно дальше друг от друга.Электроны удерживаются в своих оболочках с помощью электрической силы.
Протоны и электроны атома притягиваются друг к другу. Оба они несут электрического заряда . Протоны имеют положительный заряд (+), а электроны — отрицательный заряд (-). Положительный заряд протонов равен отрицательному заряду электронов. Противоположные заряды притягивают друг друга. Атом находится в равновесии, когда в нем равное количество протонов и электронов.Нейтроны не несут заряда, и их количество может меняться.
Число протонов в атоме определяет вид атома, или элемент , это. Элемент — это вещество, состоящее из одного типа атомов. Периодическая таблица элементов показывает элементы с их атомными номерами — количеством протонов, которые они имеют. Например, каждый атом водорода (H) имеет один протон, а каждый атом углерода (C) имеет шесть протонов.
Электричество — это движение электронов между атомами
Электроны обычно остаются на постоянном расстоянии от ядра атома в точных оболочках.Ближайшая к ядру оболочка может содержать два электрона. Следующий снаряд может вместить до восьми штук. Внешние оболочки могут вместить даже больше. Некоторые атомы с большим количеством протонов могут иметь до семи оболочек с электронами в них.
Электроны в ближайших к ядру оболочках обладают сильной силой притяжения к протонам. Иногда электроны в самых внешних оболочках атома не обладают сильной силой притяжения к протонам. Эти электроны можно вытолкнуть со своих орбит.Применение силы может заставить их переходить от одного атома к другому. Эти перемещающиеся электроны — это электричество.
В природе существует статическое электричество
Молния — это форма электричества. Молния — это электроны, перемещающиеся из одного облака в другое, или электроны, прыгающие из облака на землю. Вы когда-нибудь испытывали шок, когда дотрагивались до предмета после прогулки по ковру? От этого объекта к вам прыгнул поток электронов. Это называется статическим электричеством .
Вы когда-нибудь заставляли волосы встать дыбом, натирая их воздушным шариком? Если да, то вы стерли с воздушного шара несколько электронов. Электроны переместились в ваши волосы из воздушного шара. Электроны пытались уйти подальше друг от друга, двигаясь к кончикам ваших волос. Они толкались или отталкивались друг от друга, заставляя ваши волосы шевелиться. Подобно тому, как противоположные заряды притягиваются друг к другу, как заряды отталкиваются.
Последнее обновление: 8 января 2020 г.
Атомная структура
Атомная структура
Атомная структура
Вся материя состоит из основных строительных блоков, называемых атомами .
Атомы состоят из еще более мелких частиц, называемых протонами ,
электронов и нейтронов . Протоны и нейтроны
живут в ядре атома и практически идентичны по массе. Тем не мение,
протоны имеют положительный заряд, тогда как нейтроны не имеют заряда. Электроны
имеют отрицательный заряд и вращаются вокруг ядра в оболочках или электронах
орбитали и намного менее массивны, чем другие частицы.С
электроны в 1836 раз менее массивны, чем протоны или нейтроны, большая часть
масса атома находится в ядре, которое составляет лишь 1/100 000 размера атома.
весь атом (!).
Организация атома водорода показана ниже:
Атом водорода
Красная точка — это протон в ядре. Имеет положительный
заряд +1 ед. Синяя точка — электрон. Имеет отрицательный
заряд -1 ед. Для любого нормального атома количество электронов и
протоны равны, что означает, что электрический заряд уравновешен.Там
это только одна орбиталь для водорода. Давайте посмотрим на атом углерода большего размера.
Атом углерода
В ядре появилась новая частица — нейтрон.
(представлен белыми точками). В ядре также 6 протонов,
всего 12 частиц. Кроме того, теперь есть 6 электронов.
вращается вокруг ядра по двум орбиталям. Причина, по которой атом углерода нуждается в
Вторая орбиталь сложна и выходит за рамки этого геологического класса.
Но правила, управляющие атомами, гласят, что первая орбиталь может иметь только две
электронов, на второй орбитали разрешено восемь электронов, на третьей — только
восемь электронов и т. д. (См. стр. 27 вашего текста с номерами
электронов на каждой орбитали для первых 20 элементов.)
В природе 91 элемент. Атомы — это самые маленькие из возможных элементов, и на самом деле слово
«атом» происходит от греческого слова «томос», что означает
«не резать» — то есть вы не можете вырезать меньше, чем это.Мы
обычно представляют элементы их атомным символом. Водород представлен
буквой «H»; углерод буквой «C».
Для атомов, изменение числа протонов меняет вид
элемент . Итак, если бы я бросил дополнительный протон в
ядра атома углерода, проиллюстрированного выше, у меня больше не будет углерода — я
будет азот. Точно так же, если бы я убрал протон из углерода
атом, у меня был бы другой элемент, бор. Число протонов в
ядро атома совпадает с атомным номером этого
атом.Если сложить количество протонов и нейтронов, получится атомных
массовое число этого конкретного атома.
Быстрая викторина : Какой атомный номер показан атом водорода
над? Что это за атомное массовое число? Что такое атомный номер
и массовое атомное число указанного выше атома углерода?
Ответы : атомный номер водорода 1 (посчитайте
протоны). Атомно-массовое число водорода тоже , одно (есть
нет нейтронов!).Для углерода атомный номер 6 , а атомный номер
массовое число 12 (6 протонов плюс 6 нейтронов).
Посмотрите еще раз на изображение атома углерода. Что, если бы мы добавили
нейтрон вместо протона? Будет ли у нас такой же элемент?
Да. Но атом был бы другим. A dding или
вычитание нейтронов из ядра атома создает изотопы этого атома .
Например, давайте добавим два нейтрона к атому углерода, обозначенному зеленым
точки ниже:
Изотоп углерода
Сложение двух нейтронов меняет наш атом.Однако, поскольку
количество протонов то же самое, это все еще углерод, но теперь это изотоп
углерода. Мы представляем изотопы с помощью химического символа
(«C» для углерода) и число. Первый атом углерода только с 6
нейтроны будут называться 12 C или углерод-12. Новый с 8
нейтроны будут 14 C или углерод-14. Обратите внимание, что число
«14» также является атомным массовым числом для этого изотопа.
Химики работали над организацией элементов особым образом, называемым
Периодическая таблица.Он упорядочен так, что элементы в каждом столбце имеют
общие химические и физические свойства. Ниже приведено изображение
Периодическая таблица:
* Изображение с http://www.chemtutor.com/perich.htm
Каждый элемент имеет атомарный символ и атомный символ.
номер.
Quick Quiz: Напомним, что атомный номер — это
количество протонов в ядре. Сколько протонов в
Атом натрия (Na)? Атом кислорода (O)? Атом урана (U)?
Ответы: Натрий имеет 11 протонов, Кислород 8
протонов и урана 92 протонов.
Продолжайте и узнайте об ионах.
Вернуться в главное меню.
Вернуться на страницу вводного курса наук о Земле.
(Для получения дополнительной информации по основам химии и атомной структуре,
посетите http://www.chemtutor.com/.)
.
