Что такое нейтрон в химии: нейтрон — Химическая энциклопедия

Открытие нейтрона — Discovery of the neutron

Научная база, ведущая к открытию субатомных частиц

Открытие нейтрона и его свойства занимает центральное место в экстраординарных событий в атомной физике в первой половине 20 — го века. В начале века, Эрнест Резерфорд разработал грубую модель атома, на основе эксперимента золотой фольги в Гейгер и Эрнест Марсден . В этой модели масса и положительный электрический заряд атомов сосредоточены в очень маленьком ядре . К 1920 году химические изотопы были открыты, атомные массы были определены (приблизительно)Целые числа, кратные массе атома водорода , и атомный номер был идентифицирован как заряд ядра. На протяжении 1920-х годов ядро ​​рассматривалось как состоящее из комбинаций протонов и электронов , двух известных в то время элементарных частиц, но эта модель представляла несколько экспериментальных и теоретических противоречий.

Сущность атомного ядра была установлена ​​с открытием нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году и определением того, что это новая элементарная частица, отличная от протона.

Незаряженные нейтроны были немедленно использованы в качестве нового средства для исследования структуры ядра, что приводит к таким открытиям , как создание новых радиоактивных элементов с помощью нейтронного облучения (1934) и деления на урановые атомы нейтронов (1938). Открытие деления привело к созданию ядерной энергии и оружия к концу Второй мировой войны. И протон, и нейтрон считались элементарными частицами до 1960-х годов, когда они были определены как составные частицы, построенные из кварков .

Открытие радиоактивности

В начале 20-го века активные споры о существовании атомов еще не были разрешены. Такие философы, как Эрнст Мах и Вильгельм Оствальд, отрицали реальность атомов, рассматривая их как удобную математическую конструкцию, в то время как такие ученые, как Арнольд Зоммерфельд и Людвиг Больцманн, видели, что физические теории требуют существования атомов.

Радиоактивность была обнаружена в 1896 году французским ученым Анри Беккерелем во время работы с фосфоресцентными материалами. В 1898 году Эрнест Резерфорд из Кавендишской лаборатории выделил два типа радиоактивности, альфа-лучи и бета-лучи , которые различались своей способностью проникать или проникать в обычные объекты или газы. Два года спустя Поль Виллар открыл гамма- лучи, которые обладали еще большей проникающей способностью. Эти излучения вскоре были идентифицированы с известными частицами: в 1902 году Вальтер Кауфманн показал, что бета-лучи являются электронами ; Резерфорд и Томас Ройдс в 1907 году показали, что альфа-лучи являются ионами гелия ; и гамма-лучи были показаны как электромагнитное излучение, то есть форма света , Резерфорд и Эдвард Андраде в 1914 году. Эти излучения также были идентифицированы как исходящие от атомов, следовательно, они предоставили ключ к разгадке процессов, происходящих внутри атомов. И наоборот, излучения также были признаны инструментами, которые можно было использовать в экспериментах по рассеянию для исследования внутренней части атомов.

Эксперимент с золотой фольгой и открытие атомного ядра

Схематическое из ядра атома индикации
_{^{β—
излучение, испускание быстрого электрона из ядра (сопутствующий антинейтрино опущен). В модели ядра Резерфорда красные сферы были протонами с положительным зарядом, а синие сферы — протонами, прочно связанными с электроном без общего заряда.
На вставке показан бета-распад свободного нейтрона в его современном понимании; в этом процессе создаются электрон и антинейтрино.}}

В Манчестерском университете между 1908 и 1913 годами Резерфорд руководил Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом в серии экспериментов, чтобы определить, что происходит, когда альфа-частицы разлетаются от металлической фольги. Эти измерения, которые теперь называются экспериментом с золотой фольгой Резерфорда или экспериментом Гейгера-Марсдена, сделали необычайное открытие, что альфа-частицы иногда разлетаются под большим углом при прохождении через тонкую золотую фольгу. Рассеяние показало, что альфа-частицы отклоняются небольшой, но плотной составляющей атомов. Основываясь на этих измерениях, к 1911 году Резерфорду стало очевидно, что атом состоит из небольшого массивного ядра с положительным зарядом, окруженного гораздо большим облаком отрицательно заряженных электронов . Концентрированная атомная масса требовалась для обеспечения наблюдаемого отклонения альфа-частиц, и Резерфорд разработал математическую модель, объясняющую рассеяние.

Модель Резерфорда была очень влиятельной, мотивировав модель Бора для электронов, вращающихся вокруг ядра в 1913 году, и в конечном итоге привела к квантовой механике к середине 1920-х годов.

Открытие изотопов

Параллельно с работами Резерфорда, Гейгера и Марсдена радиохимик Фредерик Содди из Университета Глазго изучал химические проблемы радиоактивных материалов. Содди работал с Резерфордом над радиоактивностью в Университете Макгилла . К 1910 году около 40 различных радиоактивных элементов, называемых радиоэлементами , были идентифицированы между ураном и свинцом, хотя периодическая таблица допускала только 11 элементов. Содди и Казимеж Фаянс независимо друг от друга обнаружили в 1913 году, что элемент, подвергающийся альфа-распаду, будет производить элемент на два места левее в периодической системе, а элемент, подвергающийся бета-распаду, будет производить элемент на одно место правее в периодической системе. Кроме того, те радиоэлементы, которые находятся в одних и тех же местах периодической системы, химически идентичны. Содди назвал эти химически идентичные элементы изотопами . За исследования радиоактивности и открытие изотопов Содди был удостоен Нобелевской премии по химии 1921 года.

Строительство с работы Томсон на прогиб положительно заряженных атомов электрических и магнитных полей, Фрэнсис Астон построил первый масс — спектрограф в Кавендишской лаборатории в 1919 г. Его цель, которую он легко достигнуто, было разделение двух изотопов неона ,²⁰
_{Ne
^{а также 22
Ne
. Астон обнаружил, что массы всех частиц являются целыми числами ( правило целых чисел ): то есть массы всех изотопов являются целыми числами, кратными массе атома водорода . В этих измерениях Астон произвольно рассчитал свою массу относительно кислорода-16 , который, как он решил, имел массу ровно 16. (Сегодня атомная единица массы (а.е.м.) относится к углероду-12 ). По иронии судьбы, единственное исключение из этого Правилом был сам водород, масса которого составляла 1,008. Избыточная масса была небольшой, но выходила далеко за пределы экспериментальной неопределенности. Астон и другие быстро поняли, что несоответствие происходит из-за энергии связи атомов, то есть масса нескольких атомов водорода, связанных в один атом, должна быть меньше суммы масс отдельных атомов водорода. Работа Астона по изотопам принесла ему Нобелевскую премию 1922 года по химии за открытие изотопов в большом количестве нерадиоактивных элементов и за формулировку правила целых чисел. Отмечая недавнее открытие Астоном энергии связи ядра, в 1920 году Артур Эддингтон предположил, что звезды могут получать свою энергию путем слияния водорода (протонов) в гелий и что более тяжелые элементы могут образовываться в звездах.}}

Атомный номер и закон Мозли

Резерфорд и другие отметили несоответствие между массой атома, вычисленной в атомных единицах массы, и приблизительным зарядом, требуемым на ядре для работы модели Резерфорда. Требуемый заряд атомного ядра обычно составлял около половины его атомной массы.
Антониус ван ден Брук смело предположил, что требуемый заряд, обозначенный Z , не был половиной атомного веса элементов, а был в точности равен порядковому положению элемента в периодической таблице . В то время не было известно, что расположение элементов в периодической таблице имеет какое-либо физическое значение. Однако, если элементы были упорядочены на основе увеличения атомной массы, периодичность в химических свойствах проявлялась. Однако исключения из этой периодичности были очевидны, например, кобальт и никель.

В 1913 году в Манчестерском университете Генри Мозли обсуждал новую модель атома Бора с посетившим его Бором. Модель учитывала спектр электромагнитного излучения атома водорода, и Мозли и Бор задавались вопросом, будут ли спектры электромагнитного излучения более тяжелых элементов, таких как кобальт и никель, следовать их порядку по весу или положению в периодической таблице. В 1913-1914 годах Мозли проверил вопрос экспериментально, применив методы дифракции рентгеновских лучей . Он обнаружил , что наиболее интенсивная коротковолновая линия в рентгеновском спектре конкретного элемента, известный как К-альфа линия, была связана с положением элемента в периодической таблице, то есть, его атомный номер, Z . Действительно, Мозли ввел эту номенклатуру. Мозли обнаружил, что частоты излучения просто связаны с атомным номером элементов для большого числа элементов.

В течение года было отмечено, что уравнение зависимости, теперь называемое законом Мозли , можно объяснить в терминах модели Бора 1913 года с разумными дополнительными предположениями об атомной структуре в других элементах. Результат Мозли, согласно более позднему описанию Бора, не только установил атомный номер как измеримую экспериментальную величину, но и придал ему физический смысл как положительный заряд атомного ядра. Элементы могут быть упорядочены в периодической системе в порядке атомного номера, а не атомного веса. Результат соединил воедино организацию периодической таблицы, модель Бора для атома и модель Резерфорда для альфа-рассеяния на ядрах. Резерфорд, Бор и другие назвали его важным достижением в понимании природы атомного ядра.

Дальнейшие исследования в области атомной физики были прерваны началом Первой мировой войны . Мозли был убит в 1915 году в битве при Галлиполи , в то время как студент Резерфорда Джеймс Чедвик был интернирован в Германии на время войны 1914–1918 годов. В Берлине была прервана исследовательская работа Лизы Мейтнер и Отто Хана по определению цепочек радиоактивного распада радия и урана путем точного химического разделения. Мейтнер провела большую часть войны, работая радиологом и медицинским рентгенологом недалеко от австрийского фронта, в то время как Хан, химик , работал над исследованиями войны с отравляющими газами .

Атом Резерфорда

Эрнест Резерфорд

В 1920 году Резерфорд прочитал в Королевском обществе бейкерскую лекцию под названием «Ядерное строение атомов», в которой был кратко изложены результаты недавних экспериментов с атомными ядрами и выводы относительно структуры атомных ядер. К 1920 году существование электронов внутри атомного ядра было широко распространено. Предполагалось, что ядро ​​состоит из ядер водорода в количестве, равном массе атома. Но поскольку каждое ядро ​​водорода имело заряд +1, ядру требовалось меньшее количество «внутренних электронов», каждый с зарядом -1, чтобы дать ядру его правильный полный заряд. Масса протонов примерно в 1800 раз больше, чем масса электронов, поэтому масса электронов случайна в этом вычислении. Такая модель соответствовала рассеянию альфа-частиц на тяжелых ядрах, а также заряду и массе многих изотопов, которые были идентифицированы. У протон-электронной модели были и другие мотивы. Как заметил в то время Резерфорд, «у нас есть веские основания полагать, что ядра атомов содержат электроны, а также положительно заряженные тела …», а именно, было известно, что бета-излучение — это электроны, испускаемые ядром.

В этой лекции Резерфорд высказал предположение о существовании новых частиц. Было известно, что альфа-частица очень стабильна, и предполагалось, что она сохранит свою идентичность в ядре. Предполагалось, что альфа-частица состоит из четырех протонов и двух тесно связанных электронов, что дает ей заряд +2 и массу 4. В статье 1919 года Резерфорд сообщил об очевидном открытии новой двухзарядной частицы с массой 3, обозначенной X ++, интерпретируется как состоящий из трех протонов и тесно связанного электрона. Этот результат подсказал Резерфорду вероятное существование двух новых частиц: одной из двух протонов с тесно связанным электроном, а другой — из одного протона и тесно связанного электрона. Позже было установлено, что частица X ++ имеет массу 4 и является просто альфа-частицей с низкой энергией. Тем не менее Резерфорд предположил существование дейтрона, заряженной частицы +1 с массой 2, и нейтрона, нейтральной частицы с массой 1. Первое — это ядро дейтерия , обнаруженное в 1931 году Гарольдом Ури . Масса гипотетической нейтральной частицы будет мало отличаться от массы протона. Резерфорд определил, что такую ​​частицу с нулевым зарядом будет трудно обнаружить доступными методами.

К 1921 году Резерфорд и Уильям Харкинс независимо друг от друга назвали незаряженную частицу нейтроном , и примерно в то же время слово протон было принято для обозначения ядра водорода. Neutron, по-видимому, был построен из латинского корня, обозначающего нейтральный, и греческого окончания -on (путем имитации электрона и протона ). Однако упоминания слова нейтрон в связи с атомом можно найти в литературе еще в 1899 году.

Резерфорд и Чедвик немедленно начали экспериментальную программу в Кавендишской лаборатории в Кембридже по поиску нейтрона. Эксперименты безуспешно продолжались в течение 1920-х годов.

Гипотеза Резерфорда не получила широкого признания. В 1931 г. в монографии по Конституции атомного ядра и радиоактивность , Джордж Гамов , затем в Институте теоретической физики в Копенгагене, не говоря уже о нейтрон. Во время своих измерений в Париже в 1932 году, которые должны были привести к открытию нейтрона, Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио не знали об этой гипотезе.

Проблемы гипотезы ядерных электронов

На протяжении 1920-х годов физики предполагали, что ядро ​​атома состоит из протонов и «ядерных электронов». Согласно этой гипотезе, ядро азота-14 ( ¹⁴ N) будет состоять из 14 протонов и 7 электронов, так что оно будет иметь чистый заряд +7 элементарных единиц заряда и массу 14 атомных единиц массы. Это ядро ​​также будет вращаться вокруг еще 7 электронов, названных Резерфордом «внешними электронами», чтобы завершить атом ¹⁴ N. Однако вскоре стали очевидны проблемы с гипотезой.

Ральф Крониг в 1926 году указал, что наблюдаемая сверхтонкая структура атомных спектров несовместима с протон-электронной гипотезой. Эта структура вызвана влиянием ядра на динамику вращающихся электронов. Магнитные моменты предполагаемых «ядерных электронов» должны вызывать сверхтонкие расщепления спектральных линий, подобные эффекту Зеемана , но таких эффектов не наблюдалось. Казалось, что магнитный момент электрона исчезает, когда он находится внутри ядра.

В то время как на посещение Утрехтского университета в 1928 году, Крониг узнал о неожиданном аспекте вращательного спектра N ₂ ⁺ . Прецизионное измерение, сделанное Леонардом Орнштейном , директором Утрехтской физической лаборатории, показало, что спин ядра азота должен быть равен единице. Однако, если ядро азота-14 ( ¹⁴ N) состоит из 14 протонов и 7 электронов, нечетное число частиц со спином 1/2, то результирующий ядерный спин должен быть полуцелым. Поэтому Крониг предположил, что, возможно, «протоны и электроны не сохраняют свою идентичность в той степени, в которой они сохраняют свою идентичность вне ядра».

Наблюдения вращательных уровней энергии двухатомных молекул с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния с Franco Разетти в 1929 году были несовместимы со статистикой , ожидаемой от протона-электронной гипотезы. Разетти получил полосовые спектры для молекул H ₂ и N ₂ . В то время как линии для обеих двухатомных молекул демонстрировали чередование интенсивности между светлым и темным, картина чередования для H ₂ противоположна таковой для N ₂ . После тщательного анализа этих экспериментальных результатов немецкие физики Вальтер Хайтлер и Герхард Герцберг показали, что ядра водорода подчиняются статистике Ферми, а ядра азота подчиняются статистике Бозе. Однако неопубликованный тогда результат Юджина Вигнера показал, что составная система с нечетным числом частиц со спином 1/2 должна подчиняться статистике Ферми; система с четным числом частиц со спином 1/2 подчиняется статистике Бозе. Если бы ядро ​​азота имело 21 частицу, оно должно было бы подчиняться статистике Ферми, вопреки действительности. Таким образом, Гейтлер и Герцберг пришли к выводу: «электрон в ядре … теряет способность определять статистику ядра».

Клейн парадокс , обнаруженный Oskar Klein в 1928 году, представлены далее квантовой механики возражения к понятию электрона ограниченного внутри ядра. Полученный из уравнения Дирака , этот ясный и точный парадокс предполагает, что электрон, приближающийся к высокому потенциальному барьеру, имеет высокую вероятность прохождения через барьер в процессе создания пары . По-видимому, электрон не может быть удержан внутри ядра какой-либо потенциальной ямой. Значение этого парадокса в то время активно обсуждалось.

Примерно к 1930 году было общепризнано, что трудно согласовать протон-электронную модель ядер с соотношением неопределенностей Гейзенберга в квантовой механике. Это соотношение, Δ х ⋅Δ р ≥ ¹ / ₂ ħ , означает , что электрон ограничена областью размером атомного ядра , как правило , обладает кинетической энергией не менее 40 МэВ, что больше , чем наблюдаемая энергия бета — частиц испускается из ядра. Такая энергия также намного больше, чем энергия связи нуклонов, которая, как показали Астон и другие, меньше 9 МэВ на нуклон.

В 1927 году Чарльз Эллис и У. Вустер из Кавендишской лаборатории измерили энергии электронов β-распада. Они обнаружили, что распределение энергии от любого конкретного радиоактивного ядра было широким и непрерывным, что заметно контрастировало с различными значениями энергии, наблюдаемыми при альфа- и гамма-распаде. Кроме того, непрерывное распределение энергии, казалось, указывало на то, что энергия не сохраняется в процессе «ядерных электронов». Действительно, в 1929 году Бор предложил изменить закон сохранения энергии, чтобы учесть непрерывное распределение энергии. Предложение было поддержано Вернером Гейзенбергом. Такие соображения были, по-видимому, разумными, поскольку законы квантовой механики совсем недавно перевернули законы классической механики.

Хотя все эти соображения не «доказывали», что электрон не может существовать в ядре, они сбивали с толку физиков и затрудняли их интерпретацию. Было придумано много теорий, чтобы объяснить, почему приведенные выше аргументы могут быть неверными. В своей монографии 1931 года Гамов резюмировал все эти противоречия, пометив утверждения, касающиеся электронов в ядре, предупреждающими символами.

Открытие нейтрона

В 1930 году Вальтер Боте и Герберт Беккер из Гиссена , Германия, обнаружили, что если энергичные альфа-частицы, испускаемые полонием, падают на определенные легкие элементы, в частности бериллий (⁹
₄Быть
_{^{), бор (11
5B
) или лития (7
3Ли
) возникло необычно проникающее излучение. Бериллий производил наиболее интенсивное излучение. Полоний очень радиоактивен, производит сильное альфа-излучение, и в то время его обычно использовали для экспериментов по рассеянию. На альфа-излучение может влиять электрическое поле, поскольку оно состоит из заряженных частиц. Однако наблюдаемое проникающее излучение не было подвержено влиянию электрического поля, поэтому считалось, что это гамма-излучение . Излучение было более проникающим, чем любые известные гамма-лучи, и детали экспериментальных результатов было трудно интерпретировать.}}

Схематическая диаграмма эксперимента, который использовался для открытия нейтрона в 1932 году. Слева, источник полония использовался для облучения бериллия альфа-частицами, которые индуцировали незаряженное излучение. Когда это излучение попадает в парафин, происходит выброс протонов. Протоны наблюдались с помощью небольшой ионизационной камеры. По материалам Chadwick (1932).

Два года спустя Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио в Париже показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое водородсодержащее соединение, оно выбрасывает протоны очень высокой энергии (5 МэВ). Это наблюдение само по себе не противоречило предполагаемой природе гамма-излучения нового излучения, но такая интерпретация ( комптоновское рассеяние ) имела логические проблемы. С точки зрения энергии и импульса, гамма-излучение должно обладать невероятно высокой энергией (50 МэВ), чтобы рассеять массивный протон. В Риме молодой физик Этторе Майорана заявил, что способ взаимодействия нового излучения с протонами требует новой нейтральной частицы.

Узнав о результатах в Париже, ни Резерфорд, ни Джеймс Чедвик из Кавендишской лаборатории не поверили гипотезе гамма-лучей. С помощью Нормана Фезера Чедвик быстро провел серию экспериментов, показывающих, что гипотеза гамма-лучей несостоятельна. В прошлом году Чедвик, Дж.Э.Р. Констебль и Е.К. Поллард уже провели эксперименты по разложению легких элементов с использованием альфа-излучения полония. Они также разработали более точные и эффективные методы обнаружения, подсчета и регистрации выброшенных протонов. Чедвик повторил создание излучения с использованием бериллия для поглощения альфа-частиц: ⁹ Be + ⁴ He (α) → ¹² C + ¹ n. После парижского эксперимента он направил излучение на парафиновый воск, углеводород с высоким содержанием водорода, что позволило создать мишень, насыщенную протонами. Как и в парижском эксперименте, излучение энергетически рассеяло часть протонов. Чедвик измерил пробег этих протонов, а также измерил, как новое излучение влияет на атомы различных газов. Он обнаружил, что новое излучение состоит не из гамма-лучей, а из незаряженных частиц с массой примерно такой же, как у протона . Эти частицы были нейтронами. За это открытие Чедвик получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.

1932 год позже был назван » annus mirabilis » для ядерной физики в Кавендишской лаборатории, когда были открыты нейтрон, искусственный ядерный распад ускорителем частиц Кокрофта-Уолтона и позитрон .

Протонно-нейтронная модель ядра.

Модели, изображающие уровни энергии ядра и электронов в атомах водорода, гелия, лития и неона. На самом деле диаметр ядра примерно в 100 000 раз меньше диаметра атома.

Учитывая проблемы протон-электронной модели , было быстро принято, что атомное ядро ​​состоит из протонов и нейтронов, хотя точная природа нейтрона первоначально была неясна. Через несколько месяцев после открытия нейтрона Вернер Гейзенберг и Дмитрий Иваненко предложили протон-нейтронные модели ядра. Знаменательные статьи Гейзенберга подошли к описанию протонов и нейтронов в ядре с помощью квантовой механики. Хотя теория Гейзенберга для протонов и нейтронов в ядре была «важным шагом к пониманию ядра как квантово-механической системы», он все же предполагал наличие ядерных электронов. В частности, Гейзенберг предположил, что нейтрон представляет собой смесь протон-электрон, для которой нет квантово-механического объяснения. Гейзенберг не объяснил, как легкие электроны могут быть связаны внутри ядра. Гейзенберг представил первую теорию ядерных обменных сил, связывающих нуклоны. Он считал протоны и нейтроны разными квантовыми состояниями одной и той же частицы, т. Е. Нуклонами, различающимися величиной их ядерных изоспиновых квантовых чисел.

Протонно-нейтронная модель объяснила загадку диазота. Когда ¹⁴ Н была предложена состоять из 3 -х пара каждых из протонов и нейтронов, с дополнительным неспаренным нейтроном и протоном каждого вклада спина ¹ / ₂  ч в том же направлении для полного спина 1 ч, модель стала жизнеспособной. Вскоре нейтроны были использованы для естественного объяснения различий спинов во многих различных нуклидах.

Если протон-нейтронная модель ядра решила многие вопросы, она высветила проблему объяснения происхождения бета-излучения. Никакая существующая теория не могла объяснить, как электроны или позитроны могли исходить из ядра. В 1934 году Энрико Ферми опубликовал свою классическую статью, описывающую процесс бета-распада , в котором нейтрон распадается на протон, создавая электрон и (пока еще не открытое) нейтрино . В статье использовалась аналогия, согласно которой фотоны , или электромагнитное излучение, аналогичным образом создавались и разрушались в атомных процессах. Иваненко предложил подобную аналогию в 1932 году теория Ферми требует нейтрона быть спин- ⁺¹ / ₂ частицами. Теория сохранила принцип сохранения энергии, который был поставлен под сомнение из-за непрерывного распределения энергии бета-частиц. Основная теория бета-распада, предложенная Ферми, была первой, показавшей, как частицы могут создаваться и разрушаться. Он установил общую, базовую теорию взаимодействия частиц слабыми или сильными силами. Хотя эта влиятельная статья выдержала испытание временем, идеи в ней были настолько новыми, что, когда она впервые была представлена ​​в журнале Nature в 1933 году, она была отклонена как слишком умозрительная.

Природа нейтрона

Седьмая Сольвеевская конференция, 1933 г.

Вопрос о том, был ли нейтрон составной частицей протона и электрона, сохранялся в течение нескольких лет после его открытия. В 1932 году Харри Мэсси исследовал модель составного нейтрона, чтобы объяснить, например, его огромную проникающую способность через материю и его электрическую нейтральность. Проблема была унаследована от преобладающего мнения 1920-х годов о том, что единственными элементарными частицами были протон и электрон.

Природа нейтрона была главной темой обсуждения на 7-й Сольвеевской конференции, состоявшейся в октябре 1933 года, на которой присутствовали Гейзенберг, Нильс Бор , Лиз Мейтнер , Эрнест Лоуренс , Ферми, Чедвик и другие. Как сформулировал Чедвик в его Бейкерской лекции в 1933 году, основным вопросом была масса нейтрона относительно протона. Если бы масса нейтрона была меньше, чем объединенные массы протона и электрона (1.0078  u ), то нейтрон может быть протон-электронным составом из-за дефекта массы из-за энергии связи ядра . Если больше, чем объединенные массы, то нейтрон был элементарным, как протон. На этот вопрос было сложно ответить, потому что масса электрона составляет всего 0,05% от массы протона, поэтому требовались исключительно точные измерения.

Сложность измерения иллюстрируется широким диапазоном значений массы нейтрона, полученными с 1932 по 1934 год. Принятое сегодня значение 1,008 66  у . В статье Чедвика 1932 года, сообщающей об открытии, он оценил массу нейтрона как1.005  u и1,008  у . Бомбардируя бор альфа-частицами, Фредерик и Ирен Жолио-Кюри получили высокое значение1,012  ед. , В то время как команда Эрнеста Лоуренса из Калифорнийского университета измерила небольшое значение1.0006  u на новом циклотроне .

В 1935 году Чедвик и его докторант Морис Голдхабер решили проблему, сообщив о первом точном измерении массы нейтрона. Они использовали гамма-излучение таллия- ²⁰⁸ ( ²⁰⁸ Tl) с энергией 2,6 МэВ (тогда известного как торий C » ) для фотораспада дейтрона.

В этой реакции образующиеся протон и нейтрон имеют примерно одинаковую кинетическую энергию, поскольку их массы примерно равны. Кинетическая энергия образовавшегося протона могла быть измерена (0,24 МэВ), и, следовательно, могла быть определена энергия связи дейтрона (2,6 МэВ — 2 (0,24 МэВ) = 2,1 МэВ, или0,0023  ед. ). Тогда массу нейтрона можно было бы определить с помощью простого баланса масс.

м д

+

быть

знак равно

м п

+

m n

где m _{d, p, n} относятся к массе дейтрона, протона или нейтрона, а be — энергия связи. Были известны массы дейтрона и протона; Чедвик и Голдхабер использовали значения 2,0142 и 1,0081 соответственно. Они обнаружили, что масса нейтрона была немного больше массы протона.1.0084  u или1,0090  u , в зависимости от точного значения массы дейтрона. Масса нейтрона была слишком велика для протонно-электронного соединения, поэтому нейтрон был идентифицирован как элементарная частица. Чедвик и Голдхабер предсказали, что свободный нейтрон сможет распадаться на протон, электрон и нейтрино ( бета-распад ).

Нейтронная физика в 1930-е годы

Вскоре после открытия нейтрона косвенные свидетельства показали, что у нейтрона было неожиданное ненулевое значение магнитного момента. Попытки измерить магнитный момент нейтрона начались с открытия Отто Штерном в 1933 году в Гамбурге, что протон имеет аномально большой магнитный момент. К 1934 году группы под руководством Стерна, ныне находящегося в Питтсбурге , и И. И. Раби в Нью-Йорке независимо пришли к выводу, что магнитный момент нейтрона отрицателен и неожиданно велик, измеряя магнитные моменты протона и дейтрона . Значения магнитного момента нейтрона были также определены Робертом Бахером (1933) в Анн-Арборе и И. Я. Таммом и С. А. Альтшулером (1934) в Советском Союзе на основе исследований сверхтонкой структуры атомных спектров. К концу 1930-х точные значения магнитного момента нейтрона были выведены группой Раби с использованием измерений с использованием недавно разработанных методов ядерного магнитного резонанса . Большое значение магнитного момента протона и предполагаемое отрицательное значение магнитного момента нейтрона были неожиданными и вызвали много вопросов.

Открытие нейтрона немедленно дало ученым новый инструмент для исследования свойств атомных ядер. Альфа-частицы использовались в предыдущие десятилетия в экспериментах по рассеянию, но такие частицы, являющиеся ядрами гелия, имеют заряд +2. Этот заряд мешает альфа-частицам преодолевать кулоновскую силу отталкивания и напрямую взаимодействовать с ядрами атомов. Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, им не нужно преодолевать эту силу, чтобы взаимодействовать с ядрами. Почти одновременно с его открытием нейтроны были использованы Норманом Фезером , коллегой и протеже Чедвика, в экспериментах по рассеянию с помощью азота. Фезеру удалось показать, что нейтроны, взаимодействующие с ядрами азота, рассеиваются на протоны или заставляют азот распадаться с образованием бора с испусканием альфа-частицы. Поэтому Фезер был первым, кто показал, что нейтроны вызывают распад ядер.

В Риме Энрико Ферми бомбардировал более тяжелые элементы нейтронами и обнаружил, что продукты радиоактивны. К 1934 году Ферми использовал нейтроны, чтобы вызвать радиоактивность в 22 различных элементах, многие из которых имеют высокий атомный номер. Заметив, что другие эксперименты с нейтронами в его лаборатории, казалось, лучше работают на деревянном столе, чем на мраморном, Ферми заподозрил, что протоны дерева замедляют нейтроны и, таким образом, увеличивают вероятность взаимодействия нейтрона с ядрами. Поэтому Ферми пропустил нейтроны через парафин, чтобы замедлить их, и обнаружил, что радиоактивность бомбардируемых элементов увеличилась в сотни раз. Сечение взаимодействия с ядрами гораздо больше для медленных нейтронов , чем для быстрых нейтронов. В 1938 году Ферми получил Нобелевскую премию по физике «за демонстрацию существования новых радиоактивных элементов, образующихся при нейтронном облучении, а также за соответствующее открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами» .

Лиз Мейтнер и Отто Хан в своей лаборатории в 1913 году.

Деление ядра, вызванное поглощением нейтрона ураном-235. Тяжелые нуклиды распадаются на более легкие компоненты и дополнительные нейтроны.

В Берлине сотрудничество Лиз Мейтнер и Отто Хана вместе с их помощником Фрицем Штрассманном способствовало исследованию, начатому Ферми и его командой, когда они бомбардировали уран нейтронами. Между 1934 и 1938 годами Хан, Мейтнер и Штрассманн в этих экспериментах обнаружили большое количество радиоактивных продуктов трансмутации, которые они считали трансурановыми . Трансурановые нуклиды — это те, которые имеют атомный номер больше, чем уран (92), образованные в результате поглощения нейтронов; такие нуклиды не встречаются в природе. В июле 1938 года Мейтнер была вынуждена избежать антисемитских преследований в нацистской Германии после аншлюса , и она смогла обеспечить себе новую должность в Швеции. Решающий эксперимент 16-17 декабря 1938 года (с использованием химического процесса, называемого « фракционирование радий-барий-мезоторий ») дал загадочные результаты: то, что они понимали как три изотопа радия, вместо этого постоянно вел себя как барий . Радий (атомный номер 88) и барий (атомный номер 56) находятся в одной химической группе . К январю 1939 года Хан пришел к выводу, что то, что они считали трансурановыми нуклидами, было гораздо более легкими нуклидами, такими как барий, лантан , церий и легкие платиноиды . Мейтнер и ее племянник Отто Фриш сразу же правильно интерпретировали эти наблюдения как результат ядерного деления — термин, введенный Фришем.

Хан и его сотрудники обнаружили расщепление ядер урана, ставшее нестабильным из-за поглощения нейтронов, на более легкие элементы. Мейтнер и Фриш также показали, что при делении каждого атома урана выделяется около 200 МэВ энергии. Открытие деления наэлектризовало мировое сообщество физиков-атомщиков и общественность. В своей второй публикации о делении ядер Хан и Штрассманн предсказали существование и высвобождение дополнительных нейтронов в процессе деления. Фредерик Жолио и его команда доказали, что это явление является цепной реакцией в марте 1939 года. В 1945 году Хан получил Нобелевскую премию 1944 года по химии «за открытие деления тяжелых атомных ядер».

После 1939 г.

Испытание Тринити Манхэттенского проекта в 1945 году стало первой атомной бомбой.

Открытие ядерного деления в конце 1938 года ознаменовало смещение центров ядерных исследований из Европы в Соединенные Штаты. Большое количество ученых мигрировали в Соединенные Штаты, чтобы избежать проблем и антисемитизма в Европе и надвигающейся войны (см. « Еврейские ученые и Манхэттенский проект» ). Новыми центрами ядерных исследований стали университеты США, в частности Колумбийский университет в Нью-Йорке и Чикагский университет, куда переехал Энрико Ферми, а также секретный исследовательский центр в Лос-Аламосе , штат Нью-Мексико , основанный в 1942 году. из Манхэттенского проекта . Этот военный проект был сосредоточен на создании ядерного оружия , использующего огромную энергию, выделяемую при делении урана или плутония посредством цепных реакций на основе нейтронов.

Открытие нейтрона и позитрона в 1932 году положило начало открытию многих новых частиц. Мюоны были открыты в 1936 году. Пионы и каоны были открыты в 1947 году, а лямбда-частицы были открыты в 1950 году. В течение 1950-х и 1960-х годов было обнаружено большое количество частиц, называемых адронами . Схема классификации для организации всех этих частиц, независимо предложенная Мюрреем Гелл-Манном и
Джорджем Цвейгом в 1964 году, стала известна как кварковая модель . Согласно этой модели, частицы, такие как протон и нейтрон, не были элементарными, а состояли из различных конфигураций небольшого числа других действительно элементарных частиц, называемых партонами или кварками . Модель кварка получила экспериментальную проверку, начиная с конца 1960-х годов, и наконец дала объяснение аномальному магнитному моменту нейтрона.

Ролики

Примечания

Ссылки

дальнейшее чтение

• Аннотированная библиография по нейтронам из цифровой библиотеки по ядерным вопросам Алсос
• Абрахам Пайс , внутренняя граница , Оксфорд: издательство Оксфордского университета, 1986. ISBN  0198519974 .
• Хервиг Шоппер , Слабые взаимодействия и ядерный бета-распад , Издательство, Северная Голландия. Co., 1966. OCLC  644015779
• Рут Левин Сайм , Лиз Мейтнер: жизнь в физике , Беркли, Калифорнийский университет Press, 1996. ISBN  0520208609 .
• Роджер Х. Стювер , «Ядерная электронная гипотеза». В книге «Отто Хан и рост ядерной физики» , Уильям Р. Ши, изд. Дордрехт, Голландия: издательство D. Riedel Publishing Company. С. 19–67, 1983. ISBN  90-277-1584-X .
• Син-Итиро Томонага , История вращения , The University of Chicago Press, 1997. ISBN  9780226807942

Что находится внутри атомного ядра?

Протоны и нейтроны — знаменитые тяжелые частицы ядра атома. Ядро значительно меньше атома, но очень плотное и тяжелое. Электроны вращаются вокруг ядра на большом расстоянии, создавая значительное пустое пространство в атоме. Является ли тяжелое ядро компактно заполненным твердыми частицами? Нет. Ядро также имеет значительное пустое пространство внутри.

Большая часть массы атома сосредоточена в его ядре. Ядро атома окружено чрезвычайно маленькими и легкими электронами, которые вращаются в атоме, но не нарушают значительного пустого пространства между ядром и границами атома. Чтобы получить четкое изображение ядра атома, нужно сначала знать, что происходит с электронами и остальной частью атома.

Электроны вокруг ядра атома

Электроны имеют свои специфические орбиты, а именно: S, P, D, F, а затем G. Каждая орбита представляет собой сферическую оболочку, и имена выводятся из спектра испускаемого света из этих оболочек, описывающих характер спектральных линий. Другой факт об электронах заключается в том, что они находятся везде, что позволяют квантовые законы.

Электроны вращаются вокруг плотного ядра атома в облаках отрицательного заряда.

В атоме углерода, например, шесть электронов. Два из них занимают сферическую оболочку в центре атома, а остальные четыре распределены в смеси сферических оболочек и трехлопастных оболочек. Таким образом, ядро ​​окружено чем-то вроде облаков отрицательного заряда, а электроны находятся везде, где только могут быть, но не заполняют пустые пространства. Электроны помогают создавать молекулы.

Электронные связи между атомами

Если два атома углерода подходят достаточно близко, их ближайшие электроны взаимодействуют и образуют одинарную связь. Эта связь в химии называется сигма-связью. Затем облака изгибаются и соединяются, создавая «Пи-связь», которая выглядит как деревья, соединяющие верхние ветви над улицей.

Связи становятся все более и более сложными в различных ситуациях, и это выходит за рамки данной статьи. Тем не менее одна вещь остается постоянной во всех этих связях: электроны все еще рассеяны в относительно огромном облаке вокруг очень плотного ядра, и там все еще много пустого пространства. Электрические поля и электронные облака удерживают эту огромную пустоту вместе. Что же тогда находится внутри ядра атома?

Протоны и нейтроны

Ядро атома состоит из протонов, открытых в 1920 году Эрнестом Резерфордом, и нейтронов, открытых в 1932 году Джеймсом Чедвиком. И протоны, и нейтроны подобны маленьким сферам радиусом 10^-15 м, или квадриллионной метра. Обе частицы каким-то образом склеены в ядре.

Когда атом нагревается, он излучает видимый свет, но когда ядро ​​нагревается, оно испускает гамма-лучи. Гамма в 100 000 или даже в миллион раз более энергична, чем видимый свет. Многие модели пытаются описать поведение частиц ядра, но модель оболочки до сих пор была наиболее успешной. Она помещает протоны и нейтроны в различные энергетические оболочки для описания гамма-излучения. Значит ли это, что протоны и нейтроны — это твердые маленькие шарики?

Внутри протонов и нейтронов

В 1950-х годах наука поняла, что протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц. Несколько лет спустя, в 1964 году, американский физик Мюррей Гелл-Манн представил кварки. Он не знал, сколько типов кварков существует, но сегодня открыто по крайней мере шесть кварков: верхний (символ u^α), нижний (символ d^α), странный (символ s^α), очарованный (символ c^α), красивый (символ b^α) и истинный (символ t^α).

Кварки — это частицы внутри протонов и нейтронов, они бывают разных типов.

Верхние и нижние кварки находятся внутри протонов и нейтронов. Остальные четыре имеют очень короткий срок службы и их можно найти только в ускорителях частиц. Протон содержит два верхних кварка и один нижний кварк. С другой стороны, нейтрон имеет один верхний кварк и два нижних кварка. Что держит эти кварки вместе в одной фемтометрической сфере — самая сильная сила обнаружена до сих пор: сильная сила.

Если рассматривать протон как баскетбольный мяч, каждый кварк будет меньше песчинки. Следовательно, большая часть протона и нейтрона также является пустым пространством, в то время как кварки перемещаются со скоростью, близкой к скорости света.

Маленькие ядра удерживают частицы настолько малы, что наше самое мощное и самое точное оборудование не может их видеть. В то же время они обладают самой сильной силой, когда-либо существовавшей в пустых пространствах и сверхмалых частицах, называемых кварками.

Общие вопросы об атомном ядре

Вопрос: Что находится в ядре атома?
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протоны несут положительный заряд, равный электронам, вращающимся вокруг, а нейтроны не несут заряда, но весят столько же, сколько протоны.

Вопрос: Какова функция ядра атома?
Ядро атома создает силу, необходимую для того, чтобы держать атом вместе и в порядке. Это самая тяжелая часть атома и очень плотная. Размер ядра по отношению ко всему атому подобен мячу на футбольном поле.

Вопрос: Ядро атома нейтрально?
Ядро атома несет положительный электрический заряд. Однако атом нейтрален, поскольку количество электронов с отрицательным зарядом равно количеству протонов в ядре.

Вопрос: В чем разница между ядром и атомом?
Ядро атома — это плотное и тяжелое ядро атома с положительным зарядом. Оно значительно меньше атома, но намного тяжелее его остального.

15 самых интригующих фактов об атомах

Все во Вселенной — от ядра Земли до самых дальних галактик — состоит из атомов. Это фундаментальная единица элемента.

К настоящему времени было идентифицировано 118 элементов (все они перечислены в периодической таблице).

Слово «атом», означающее «неделимый», происходит от древнегреческого слова «ἄτομος». Древнегреческие философы считали, что атом невозможно разделить на что-то меньшее. Однако ученые доказали этот факт неправильно в начале 20 века, когда они открыли субатомные частицы (электроны, протоны, нейтроны).

Ниже мы перечислили некоторые из наиболее интригующих фактов об атомах, которые только сделают вас умнее. Так что давайте начнем с самого короткого и простого.

1. Состав атомов

Каждый атом содержит одно ядро ​​[в центре] и один или несколько электронов. Ядро обычно состоит из равного числа протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами.

2. Ядро содержит почти всю массу

Ядро, расположенное в центре атома, составляет более 99,9 % его массы, но занимает лишь одну триллионную его общего объема. Таким образом, большая часть пространства внутри атома пуста.

3. Электроны чрезвычайно малы

Электрон является наиболее активным компонентом атома, но он почти ничего не вносит в массу атома. Например, в атоме водорода масса электрона составляет всего 0,0005 массы ядра.

4. Атом может иметь электрический заряд

Электроны несут отрицательный заряд, протоны несут положительный заряд, а нейтроны не имеют электрического заряда. Атом электрически нейтрален, если он имеет одинаковое количество электронов и протонов.

Однако, если атом имеет меньше или больше протонов, чем электронов, он имеет общий положительный или отрицательный заряд (известный как Ион).

5. Что удерживает протоны и нейтроны вместе?

Ядерная сила удерживает протоны и нейтроны вместе в ядре атома. Электроны притягиваются к протонам другой силой, называемой электромагнитной силой, которая слабее ядерной силы.

Эта ядерная сила примерно в 1038 раз сильнее гравитационной, но действует только в очень малых масштабах.

6. 94 Атома естественного происхождения на Земле

Из 118 известных атомов 94 встречаются в природе, хотя некоторые встречаются в незначительных количествах. Остальные 24 были синтезированы только в лабораториях или ядерных реакторах.

7. Каждый атом уникален

Каждый атом содержит определенное количество протонов в ядре. Например, все атомы натрия содержат 11 протонов, а все атомы серебра содержат 47 протонов.

Изотоп элемента определяется числом нейтронов, а магнитные характеристики зависят от количества электронов в атоме.

8. Самый большой и самый маленький атом

Самым большим элементом (по размеру) является Франций, но поскольку он крайне нестабилен, предпочтение отдается Цезию. У него большая валентная оболочка и относительно менее эффективный заряд ядра.

Наименьший элемент — гелий, первый в группе благородных газов в периодической таблице. Его атомный радиус примерно в 9 раз меньше диаметра цезия.

Иллюстрация атома гелия | Предоставлено: Викимедиа.

9. Самый тяжелый и легкий атом

Оганессон — самый тяжелый элемент (по атомной массе), открытый в 2002 году. Это первый благородный газ, который удивительно химически активен и проявляет очень необычные физические и химические свойства.

Оганессон, однако, является самым тяжелым синтетическим химическим элементом. Самым тяжелым природным элементом является Уран с атомным весом 238,029.

Элемент, который имеет самый легкий атом-это водород. У него есть только один протон, обращающийся вокруг одного электрона. Его самый распространенный изотоп, известный как Протий, состоит из одного протона и нулевых нейтронов.

10. Возможно ли преобразовать один элемент в другой?

В некоторых экстремальных условиях электромагнитная сила (которая отталкивает электроны и протоны) преодолевает сильную ядерную силу, выбрасывая нуклоны из атомного ядра и оставляя после себя совершенно другой элемент. Это именно то, что происходит при делении ядер.

Однако этот процесс [распада] является дорогостоящим и опасным. Ученые пока не смогли безопасно генерировать энергию с помощью ядерного деления.

11. Атомы в человеческом теле

Тело человека весом 70 кг состоит из 7 × 10 ²⁷ атомов. Три атома (водород, кислород и углерод) составляют до 99 процентов от общего количества.

Что еще интереснее, 98 процентов этих атомов обновляются каждый год, даже не подозревая об этом. Самая быстро меняющаяся молекула — это вода: почти 50 процентов молекул воды в организме заменяются каждые 8 ​​дней.

Более того, человеческий волос — 100 нанометров в поперечнике — состоит из миллиона атомов углерода.

12. Сколько атомов существует во Вселенной?

Наблюдаемая вселенная огромна: она охватывает приблизительно 93 миллиарда световых лет. Согласно теоретической оценке, в нашей вселенной насчитывается от 10⁷⁸ до 10⁸² атомов.

Это не какой-то выдуманный номер. Расчеты основаны на достоверных данных (что мы знаем о вселенной). Однако между этими оценками существует огромная разница, что говорит о значительной степени ошибки. Более точные цифры будут доступны, когда мы узнаем больше о космосе.

13. Радиоактивные атомы

В нестабильном атоме силы неуравновешенны. В этом случае атомное ядро содержит избыток либо протонов, либо нейтронов. Атом пытается достичь стабильного состояния, выбрасывая свои дополнительные частицы или высвобождая энергию в других формах. Элементы, содержащие такие нестабильные ядра, называются радиоактивными.

Фермий, например, является радиоактивным элементом: его самый стабильный изотоп (Fm-257) имеет период полураспада 100,5 суток.

14. Видя атомы

Поскольку атомы невероятно малы по сравнению с длиной волны видимого света, их нельзя наблюдать даже с самым мощным в мире оптическим микроскопом.

Сканирующий туннельный микроскоп захватывает атомы кремния на поверхности кристаллического карбида кремния

Вот почему ученые используют микроскоп другого типа, известный как сканирующий туннельный микроскоп. Он может обеспечить боковое разрешение 0,1 нм и разрешение по глубине 0,01 нм, что достаточно для изображения отдельных атомов в материалах.

15. Квантовая природа атомных свойств

Электрон совершает мгновенный «квантовый скачок» с одного энергетического уровня на другой

Поскольку атомы чрезвычайно малы по размеру, они проявляют квантовые свойства, поэтому предсказание их поведения с применением классической физики всегда приведет к неверным результатам.

Когда электрон прыгает с одного энергетического уровня (орбиты) на другой, он не перемещается в пространстве между ними. Вместо этого он исчезает с одной орбиты, а затем сразу же появляется на другой орбите.

Чтобы лучше описать и оценить их поведение, несколько атомных моделей включили в себя законы квантовой физики.

Нейтрон — Карта знаний

• Нейтро́н (от лат. neuter — ни тот, ни другой) — тяжёлая элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрон является фермионом и принадлежит к классу барионов. Нейтроны и протоны являются двумя главными компонентами атомных ядер; общее название для протонов и нейтронов — нуклоны.

Источник: Википедия

Связанные понятия

Я́дерная фи́зика — раздел физики, изучающий структуру и свойства атомных ядер, а также их столкновения (ядерные реакции).

Бе́та-распа́д (β-распад) — тип радиоактивного распада, обусловленный слабым взаимодействием и изменяющий заряд ядра на единицу без изменения массового числа. При этом распаде ядро излучает бета-частицу (электрон или позитрон), а также нейтральную частицу с полуцелым спином (электронное антинейтрино или электронное нейтрино)

Прото́н (от др.-греч. πρῶτος — первый, основной) — элементарная частица. Относится к барионам, имеет спин 1/2 и положительный электрический заряд +1 e. Стабилен.

Мюо́н (от греческой буквы μ, использующейся для обозначения) в стандартной модели физики элементарных частиц — неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином 1⁄2. Вместе с электроном, тау-лептоном и нейтрино классифицируется как часть лептонного семейства фермионов. Так же как они, мюон, по-видимому, бесструктурен и не состоит из каких-то более мелких частиц. Как и все фундаментальные фермионы, мюон имеет античастицу с квантовыми числами (в том числе зарядом) противоположного…

Физика гиперядер — раздел физики на стыке ядерной физики и физики элементарных частиц, в котором предметом исследования выступают ядроподобные системы, содержащие кроме протонов и нейтронов другие элементарные частицы — гипероны. Также можно сказать, что предметом исследований физики гиперядер является взаимодействие низкоэнергетичных гиперонов и атомных ядер.

Упоминания в литературе

Типичная модель нейтронной звезды представляет собой слоистую луковицу: внешняя кора из электронов и ядер, внутренняя кора (сверхтекучие нейтроны, ядра с избытком нейтронов и электроны), внешнее ядро (сверхтекучие нейтроны, сверхпроводящие протоны, нормальные электроны) и внутренне ядро, около которого стоит большой знак вопроса. По некоторым данным, нейтронная материя может там превращаться в кварковую. Как известно, нейтроны и протоны состоят из кварковых триплетов. При не очень высокой плотности кварки легко удерживаются внутри нейтрона энергией сильного взаимодействия, но в центре нейтронной звезды, где плотность зашкаливает, они получают возможность проникать в соседнюю частицу, то есть начинают свободно путешествовать внутри сверхплотной области. Кварковые триплеты разваливаются, и тогда такое вещество следует рассматривать как кварковый газ или жидкость. По расчетам теоретиков, кроме обычных u– и d-кварков (верхнего и нижнего, из которых построены нуклоны – протоны и нейтроны) в таком газе обнаруживаются в большом количестве так называемые s-кварки (странные), которые входят в состав тяжелых частиц – гиперонов. Поэтому такие кварковые звезды принято называть «странными». (О субъядерных частицах, в том числе о кварках и глюонах, подробно рассказывается в главе «Кирпичи мироздания».)

Частица, называемая теперь мюоном, была одной из первых новых частиц, полученных из взаимодействия космических лучей с атмосферой. Мюон нестабилен. Он быстро распадается на другие частицы, чаще всего на электрон и два нейтрино. Нейтрино было еще одной новой частицей, существование которой было предсказано для объяснения распада нейтронов в протоны. Поскольку нейтрино почти не имеют массы и не имеют электрического заряда, они были экспериментально обнаружены лишь в 1950-х гг., но с теоретической точки зрения они были необходимы для объяснения распада как нейтронов, так и вновь найденных мюонов. Среднее время жизни мюона составляет 2,2 микросекунды, чего хватает, чтобы достаточное количество таких частиц достигло поверхности Земли не распавшись.

Нейтроны – частицы, не обладающие электрическим зарядом, масса которых примерно равна массе протонов. Нейтроны были открыты в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Они проникают в ядра атомов и вызывают ядерные реакции. Это дало возможность получить искусственные радиоактивные изотопы. В каждом ядре их ровно столько, сколько нужно, чтобы заполнить разницу между численным значением массы ядра атома и количеством протонов в нем.

Уже довольно давно известно, что они состоят из трех типов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов (см. рис. 1.1А). Протоны и нейтроны – частицы относительно массивные, любой из них примерно в 1800 раз тяжелее электрона. Из протонов и нейтронов состоит атомное ядро, а из электронов – внешняя оболочка атома, которую обычно прямо так и называют электронной оболочкой. Электроны, образующие оболочку, перемещаются вокруг ядра по чрезвычайно сложным траекториям, но, как правило, не слишком от него удаляясь.

Более сложный тип распада связан с испусканием ядром альфа-частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов. При альфа-распаде, таким образом, массовое число уменьшается на четыре, а атомное – на два. Атом переходит в химический элемент, находящийся на две позиции позади в периодической таблице. Примером такого распада может служить превращение радиоактивного изотопа уран-238 (92 протона, 146 нейтронов) в торий-234 (90 протонов, 144 нейтрона).

Связанные понятия (продолжение)

Взаимодействие нейтронов с веществом — физические процессы, происходящие при попадании нейтронов различных энергий в вещество. Среди различных типов взаимодействия нейтронов с веществом наиболее характерны ионизация, упругое и неупругое рассеяние и ядерные реакции.

Это список частиц в физике элементарных частиц, включающий не только открытые, но и гипотетические элементарные частицы, а также составные частицы, состоящие из элементарных частиц.

А́том (от др.-греч. ἄτομος «неделимый, неразрезаемый») — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Антиге́лий — антивещество, аналогичное гелию, с заменой всех элементарных частиц на античастицы. Иными словами, атом антигелия содержит в своём ядре два антипротона, его ядро имеет зарядовое число Z = −2. Поскольку существует два стабильных изотопа обычного гелия, различающихся числом нейтронов (гелий-3 и гелий-4), то должны существовать два стабильных изотопа антигелия, различающиеся количеством антинейтронов: антигелий-3 (3He, содержит один антинейтрон и два антипротона) и антигелий-4 (4He, содержит…

Прото́ний — связанная квантовомеханическая система (экзотический атом), состоящая из протона и антипротона.

Позитро́н (от англ. positive «положительный» + electron «электрон») — античастица электрона. Относится к антивеществу, имеет электрический заряд +1, спин 1/2, лептонный заряд −1 и массу, равную массе электрона. При аннигиляции позитрона с электроном их масса превращается в энергию в форме двух (и гораздо реже — трёх и более) гамма-квантов.

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον — янтарь) — стабильная отрицательно заряженная элементарная частица. Считается фундаментальной (не имеющей, насколько это известно, составных частей) и является одной из основных структурных единиц вещества. Классифицируется как фермион (обладает спином, равным ½) и как лептон. Единственный (наравне со своей античастицей — позитроном) из известных заряженных лептонов, являющийся стабильным. Электроны образуют электронные оболочки атомов, строение которых определяет…

Барио́ны (от греч. βαρύς — тяжёлый) — семейство элементарных частиц: сильно взаимодействующие фермионы, состоящие из трёх кварков. В 2015 году было также доказано существование аналогичных частиц из 5 кварков, названных пентакварками.

Сла́бое взаимоде́йствие — фундаментальное взаимодействие, ответственное, в частности, за процессы бета-распада атомных ядер и слабые распады элементарных частиц, а также нарушения законов сохранения пространственной и комбинированной чётности в них. Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики и физики высоких энергий (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвёртого…

Аннигиля́ция (лат. annihilatio — уничтожение, полное уничтожение, отмена) — реакция превращения частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных.

Нейтро́нная фи́зика — раздел физики элементарных частиц, занимающийся исследованием нейтронов, их свойств и структуры (времени жизни, магнитного момента и др.), методов получения, а также возможностями использования в прикладных и научно-исследовательских целях.

Нейтро́нный захва́т — вид ядерной реакции, в которой ядро атома соединяется с нейтроном и образует более тяжёлое ядро…

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые на практике невозможно расщепить на составные части.

Спектр нейтронов — функция, описывающая распределение нейтронов по энергии. В реакторной технике и ядерной физике, выделяют несколько областей спектра энергии нейтронов…

Радиоакти́вный распа́д (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный», через фр. radioactif, букв. — «радиоактивность») — спонтанное изменение состава (заряда Z, массового числа A) или внутреннего строения нестабильных атомных ядер (нуклидов) путём испускания элементарных частиц, гамма-квантов и/или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоакти́вностью, а соответствующие нуклиды — радиоактивными (радионуклидами). Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные…

Антиа́том — атом антивещества (стабильный или радиоактивный), ядро которого состоит из антинуклонов, к которым относятся антипротоны и антинейтроны. Вокруг ядра такого атома обращаются позитроны, формирующие позитронное облако.

Дейтро́н (дейто́н) — ядро изотопа водорода — дейтерия — с массовым числом A=2. Обозначается 2H, D или d.

Тепловые нейтроны или медленные нейтроны — свободные нейтроны, кинетическая энергия которых близка к средней энергии теплового движения молекул газа при комнатной температуре (примерно 0,025 эВ).

Фундамента́льная части́ца — бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. На сегодняшний день термин применяется преимущественно для лептонов и кварков (по 6 частиц каждого рода, вместе с античастицами, составляют набор из 24 фундаментальных частиц) в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий).

Антипрото́н — античастица по отношению к протону. Имеет отрицательный электрический заряд и отрицательное барионное число, прочие свойства совпадают со свойствами протона. Впервые открыт в 1955 году на ускорителе протонов в Калифорнийском университете в Беркли. Результаты были опубликованы в журнале Phys. Rev., а сама работа принесла её авторам Нобелевскую премию по физике за 1959 год.

Ядерная энергия (атомная энергия) — энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях и радиоактивном распаде.

Нейтро́нная о́птика — раздел нейтронной физики, в рамках которого изучается взаимодействие медленных нейтронов со средой и с электромагнитным и гравитационным полями.

Позитро́ний — связанная квантовомеханическая система (экзотический атом), состоящая из электрона и позитрона. В зависимости от взаимного направления спинов электрона и позитрона различают ортопозитроний (спины сонаправлены, суммарный спин S = 1) и парапозитроний (спины противоположно направлены, суммарный спин S = 0). Позитроний, как и атом водорода, представляет собой систему двух тел, и его поведение и свойства точно описываются в квантовой механике. Он был впервые экспериментально идентифицирован…

Лепто́ны (греч. λεπτός — лёгкий) — фундаментальные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии. Наряду с кварками и калибровочными бозонами лептоны составляют неотъемлемую часть Стандартной модели.

Антивещество́ — вещество, состоящее из античастиц, стабильно не образующееся в природе (наблюдательные данные не свидетельствуют об обнаружении антивещества в нашей Галактике и за ее пределами).

Пио́н, пи-мезо́н (греч. πῖ — буква пи и μέσον — средний) — три вида субатомных частиц из группы мезонов. Обозначаются π0, π+ и π−. Имеют наименьшую массу среди мезонов.

Я́дерная реа́кция — это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, который может сопровождаться изменением состава и строения ядра. Последствием взаимодействия может стать деление ядра, испускание элементарных частиц или фотонов. Кинетическая энергия вновь образованных частиц может быть гораздо выше первоначальной, при этом говорят о выделении энергии ядерной реакцией.

Составное ядро — теоретическая модель ядерной реакции при захвате ядром атома нейтрона, которая была разработана Нильсом Бором в 1936 году на основании исследований Энрико Ферми искусственной радиоактивности и легла в основу предложенной Яковом Френкелем капельной модели ядра. В своей революционной работе «Захват нейтрона и строение ядра» Бор написал…

Аномальный магнитный момент — отклонение величины магнитного момента элементарной частицы от значения, предсказываемого квантовомеханическим релятивистским уравнением движения частицы. В квантовой электродинамике аномальный магнитный момент электрона и мюона вычисляется методом радиационных поправок (пертурбативным методом), в квантовой хромодинамике магнитные моменты сильно взаимодействующих частиц (адронов) вычисляются методом операторного разложения (непертурбативным методом).

Атом водорода — физико-химическая система, состоящая из атомного ядра, несущего элементарный положительный электрический заряд, и электрона, несущего элементарный отрицательный электрический заряд. В состав атомного ядра как правило входит протон или протон с одним или несколькими нейтронами, образуя изотопы водорода. Электрон преимущественно находится в тонком концентрическом шаровом слое вокруг атомного ядра, образуя электронную оболочку атома. Наиболее вероятный радиус электронной оболочки атома…

Квантовая химия — это направление химии, рассматривающее строение и свойства химических соединений, реакционную способность, кинетику и механизм химических реакций на основе квантовой механики. Разделами квантовой химии являются: квантовая теория строения молекул, квантовая теория химических связей и межмолекулярных взаимодействий, квантовая теория химических реакций и реакционной способности и др. Квантовая химия находится на стыке химии и квантовой физики (квантовой механики). Она занимается рассмотрением…

Внутренняя конве́рсия (от лат. conversio — обращение, вращение, превращение, изменение) — физическое явление, заключающееся в том, что переход атомного ядра из возбуждённого изомерного состояния в состояние с меньшей энергией (или основное состояние) осуществляется путём передачи высвобождаемой при переходе энергии непосредственно одному из электронов этого атома. Таким образом, в результате этого явления испускается не γ-квант, а так называемый конверсионный электрон, кинетическая энергия которого…

Тео́рия оболо́чечного строе́ния ядра́ — одна из ядерно-физических моделей, объясняющих структуру атомного ядра, аналогично теории оболочечного строения атома. В рамках этой модели протоны и нейтроны заполняют оболочки атомного ядра, и, как только оболочка заполнена, значительно повышается стабильность ядра.

Мгновенные нейтроны — это нейтроны, испускаемые осколками деления практически мгновенно после деления составного ядра, в отличие от запаздывающих нейтронов, испускаемых продуктами деления через некоторое время после этого. Испускание нейтронов осколками деления — одна из важнейших особенностей процесса деления тяжёлых ядер. Именно она позволяет создать при определённых условиях цепную реакцию деления. Количество нейтронов, испускаемых в одном акте деления — случайная величина, распределённая примерно…

Адронная струя образуется несколькими элементарными частицами, летящими в одном направлении в узком конусе. Физическая причина образования струи — адронизация кварка или глюона с большой энергией (намного большей, чем масса пиона). В природе адронные струи образуются только искусственным образом, в экспериментах в физике высоких энергий.

Быстрые нейтроны — свободные нейтроны, кинетическая энергия которых больше некоторой величины, конкретное значение которой зависит от контекста, в котором используется термин.

Си́льное ядерное взаимоде́йствие (цветово́е взаимоде́йствие, я́дерное взаимоде́йствие) — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике.

Подробнее: Сильное взаимодействие

Протон-протонный цикл — совокупность термоядерных реакций, в ходе которых водород превращается в гелий в звёздах, находящихся на главной звездной последовательности; основная альтернатива CNO-циклу. Протон-протонный цикл доминирует в звёздах с массой порядка массы Солнца или меньше, на него приходится до 98% выделяемой энергии.

Мюонный коллайдер — класс проектов установок со встречными пучками мюонов (μ+μ−) высокой энергии. Эксперименты на мюонных коллайдерах были предложены впервые в начале 1970-х годов А. Н. Скринским и D. Neuffer.

Нейтри́но (итал. neutrino — нейтрончик, уменьшительное от neutrone — нейтрон) — общее название шести нейтральных фундаментальных частиц с полуцелым спином, участвующих только в слабом и гравитационном взаимодействиях и относящихся к классу лептонов.

Антинейтрон — античастица по отношению к нейтрону. Как и нейтрон, антинейтрон имеет нулевой электрический заряд. Масса антинейтрона равна массе нейтрона, а магнитные моменты их одинаковы по величине, но противоположны по знаку.

Изотопи́ческий спин (изоспи́н) — одна из внутренних характеристик (квантовое число), определяющая число зарядовых состояний адронов. В частности, протон и нейтрон (общее наименование этих элементарных частиц — нуклоны) различаются значением проекции изоспина, тогда как абсолютные значения их изоспина одинаковы. Последнее выражает свойство изотопической инвариантности сильного взаимодействия. Понятие изотопического спина было введено Гейзенбергом в 1932 г.Изоспин сохраняется во всех процессах, обусловленных…

Нейтрониза́ция — процесс захвата электронов ядрами при высоких плотностях в недрах звёзд на завершающих этапах их эволюции. Нейтронизация играет ключевую роль в образовании нейтронных звёзд и вспышках сверхновых.

Исто́чник нейтро́нов — любое устройство, излучающее нейтроны, независимо от механизма их генерации. Нейтронные источники используются в физике, технике, медицине, ядерном оружии, разведке нефти, биологии, химии и ядерной энергетике.

Гиперо́ны — семейство элементарных частиц, барионы, содержащие минимум один s-кварк, но не содержащие более тяжёлых кварков (c и b). Таким образом, у всех гиперонов ненулевая странность, но нулевые очарование и прелесть.

Упоминания в литературе (продолжение)

После расширения плотность высвобожденной распространившейся энергии стала меньше, но этого было достаточно для образования материи. Энергия может превращаться в материю согласно известному уравнению Эйнштейна: E = mc², где E – энергия, m – превращенная масса, а c – скорость света. Первоначальная материя представляла собой «суп» из субатомных частиц, так называемых кварков – строительного материала для протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, составляют ядро атома. Однако после расширения осталось еще много чистой энергии в форме фотонов и группы легких частиц – лептонов (электронов – отрицательно заряженных частиц, обращающихся вокруг атомного ядра и отвечающих за протекание электрического тока в проводниках, и нейтрино – обладающих практически нулевой массой частиц, которые прямо сейчас пролетают сквозь ваше тело совершенно незамеченными). Лептоны рассматриваются отдельно от более тяжелых частиц, так как они не могут собраться вместе и составить атомное ядро.

Кроме этих частиц, существуют более тяжелые частицы – протоны и нейтроны, входящие в состав ядер. Их масса также примерно одинакова (в 1840 раз больше массы электрона), но в то время, как протон заряжен положительным электричеством, нейтрон не несет в себе никакого заряда.

Например, если бы сильное ядерное взаимодействие (сила, определяющая степень притяжения протонов и нейтронов в ядре атома) было всего на 2 % слабее существующего, то протоны и нейтроны не смогли бы удержаться вместе и во Вселенной существовал бы только один элемент. Это был бы водород, ядро атома которого состоит из одного протона, а нейтрона не имеет. Если бы, наоборот, сильное ядерное взаимодействие было всего на 0,3 % сильнее существующего, то протоны и нейтроны притягивались бы друг к другу с такой силой, что во Вселенной не было бы водорода. Жизнь без водорода невозможна и она также невозможна, если единственным элементом является водород. А если бы, например, протоны оказались тяжелее нейтронов, то они превратились бы в нейтроны, но без протонов было бы невозможным существование атомов и молекул. Соотношение между количеством протонов и электронов должно быть точным – галактики, звезды и планеты никогда бы не образовались, если бы количество протонов не равнялось количеству электронов.

Помните, мы говорили, что нейтрон и протон имеют практически одинаковую массу? Их масса различается практически на один электрон. Иными словами, нейтрон тяжелее протона всего лишь на массу одного электрона. Нейтрон как бы состоит из протона и электрона в одном флаконе. Но именно «как бы», поскольку он является самостоятельной солидной частицей со своими свойствами, и никакого электрона «внутри» нейтрона не содержится, электрон образуется в момент распада, в результате распадной реакции.

В свою очередь атомное ядро состоит из двух основных строительных кирпичиков Вселенной – протонов и нейтронов или, как их еще называют, нуклонов. Электрон и протон – заряженные частицы. Причем величина заряда каждого из них одинакова; с той лишь разницей, что протон всегда заряжен положительно, а электрон – отрицательно. Нейтрон не несет электрического заряда, зато имеет очень большую проницаемость.

Как мы знаем, все тела состоят из атомов и молекул. Атомы, мельчайшие компоненты вещества, обладают ядром, окруженным электронными оболочками. Ядро мы будем представлять в виде сферы, состоящей из тяжелых элементарных частиц: положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Суммарный заряд протонов (т. е. заряд ядра) определяет конкретный элемент: ядро с одним протоном – водород, с двумя – гелий, с тремя – литий, с двадцатью шестью – железо, с девяносто двумя – уран. Нейтронов в ядре обычно больше, чем протонов: у урана – 146 нейтронов, у железа – 30, у лития – 4 и т. д. Исключения – самые легкие элементы – водород и гелий: у гелия два протона и два нейтрона, а ядро водорода в большинстве случаев – это один-единственный протон. Однако количество нейтронов в ядре может колебаться, и по этой причине каждый элемент известен нам в виде нескольких изотопов, стабильных или нестабильных, то есть склонных к радиоактивному распаду. Выше были перечислены стабильные изотопы водорода, гелия и других элементов – их в земной коре и водах подавляющее большинство. Но есть и другие изотопы, например у водорода: дейтерий D – в ядре протон и нейтрон, тритий T – в ядре протон и два нейтрона.

Ученые продолжают изучение атома и открывают в нем еще и другие частицы. В настоящее время их насчитывается более 20. Кроме нейтронов, протонов и электронов, в атоме обнаружены позитроны, нейтрино, мезоны, гипероны и другие составные части. Пока остается неясным, как они взаимодействуют с главными составными частями атома.

Слабое взаимодействие властвует над лептонами – в это семейство входят электроны, мюоны, таулептоны и все разновидности нейтрино. В сильном взаимодействии участвуют адроны, среди которых наиболее известны нам протон и нейтрон, плюс еще несколько сотен уже известных физикам элементарных частиц. Электромагнитной силе подвластны все электрически заряженные частицы. Гравитации подчиняется все на свете.

Поскольку явление радиации было связано с расщеплением атома, его изучение давало надежду пролить свет на структуру атома. Ирен Кюри изучала флуктуацию, наблюдаемую в ряде альфа-частиц, выбрасываемых, как правило, с чрезвычайно высокой скоростью во время распада атомов полония. На альфа-частицы, которые состоят из 2 протонов и 2 нейтронов и, следовательно, представляют собой ядра гелия, как на материал для изучения атомной структуры впервые указал английский физик Эрнест Резерфорд. В 1925 году за исследование этих частиц Ирен Кюри была присуждена докторская степень.

Эти нейтроны и протоны находятся в непрерывном движении. Обладая, как и электроны, квантовой природой, нейтроны реагируют на ограничение в пространстве увеличением скорости вращения, а так как им отводится более ограниченный объем, чем электронам, их скорость очень высока – около 100 тысяч км/с.

Четвертой основной характеристикой элементарных частиц является время их жизни: частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни – 10–10–10–24 сек, т. е. несколько микросекунд. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10–10 сек. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансами. Время их жизни составляет от 10–24 до 10–26 сек.

Современным последователем идей А. Г. Гурвича считается немецкий ученый Ф.-А. Попп, активно развивающий свою теорию биофотонов – световых частиц, испускаемых клеткой под влиянием полученной извне солнечной энергии. В целом же представление о взаимодействии веществ в организме (а также организма с окружающей вселенной) как об энергетическом обмене называется квантовой физикой. Квантовая физика противопоставляет себя «обычной» молекулярной физике на основании того, что последняя рассматривает те же процессы очень близко к химии. То есть видит в них результат изменений в структуре протонов, нейтронов, электронов, самих атомов и прочих мельчайших частиц любой молекулы. Естественно, при таком подходе усвоение клетками ультрафиолетовых фотонов нужно полагать чем-то на грани чуда! Да еще с последующим применением их для митоза (деления) и собственного свечения!

Углерод-13 снова взаимодействует с протоном с образованием азота-14 и фотона. Азот-14 взаимодействует с протоном, порождая кислород-15 и фотон. В ядре 15O один из протонов в результате бета-распада превращается в нейтрон. Возникает азот-15, и, как во всяком бета-распаде протона, вылетают позитрон и электронное нейтрино. Наконец, азот-15 взаимодействует с протоном с образованием углерода-12 и альфа-частицы. Цикл завершен. Как видим, ядро 12C, использованное в самом начале цикла, возникло снова, а четыре протона превратились в ядро 4He.

Но тут уместно вспомнить поучительное мнение выдающегося немецкого физика Вернера Гейзенберга, одного из основателей квантовой механики. Когда студенты стали спрашивать его про внутреннее устройство элементарных частиц, Гейзенберг попросил их взглянуть в окно, смотрящее на здание бассейна, и ответить на вопрос: люди, выходящие из здания одетыми в пальто, в самом бассейне плавают тоже в пальто? Гейзенберг правильно понимал, что элементарные частицы как таковые не существуют. Они возникают лишь в результате взаимодействия. Если перенести его точку зрения с элементарных частиц на атом, то можно сказать, что никаких электронов, протонов и нейтронов в атоме нет. Он из них не состоит. Они возникают лишь в момент взаимодействия атомов с электромагнитным полем или иным излучением, которое исследователь направляет на них. Такой взгляд позволяет обойтись без гипотезы Бора о фиксированных внутриатомных орбитах, по которым вращаются электроны. Бору пришлось постулировать, что отрицательно заряженный электрон может вращаться вокруг положительно заряженного ядра. Этот парадокс, противоречащий закону Кулона о притягивании разноименных зарядов, невозможно преодолеть ни моделью электрона в виде частицы, крутящейся по орбите вокруг ядра, ни моделью о размытой траектории в виде электронного облака. Но, если стать на позицию Гейзенберга, парадокс исчезает. Хотя Гейзенберг по сути прав, но модель Бора более наглядна и удобна для применения.

Захватывая нейтроны n, U-235 превращается в крайне неустойчивый U-236, который расщепляется на 2-3 осколка более легких элементов (бром Br, иод I, криптон Kr, барий Ba и другие). Образующийся «дефект массы» вызывает выделение большого количества энергии и рождение новых двух-трех нейтронов, обеспечивающих дальнейшее протекание ядерной реакции. Эти новые n обладают огромной скоростью (около 20000 км/с) и начальной энергией в несколько млн. электрон-вольт. Захват нейтронов n ядрами U-235 эффективен, если движение нейтронов n в реакторе замедлить до 2 км/с. При этом появляется возможность управлять цепной реакцией в реакторе. Замедление «быстрых» нейтронов n происходит с помощью тяжелой воды или графита.

Такая температура и давление инициируют новый феномен, называемый ядерным синтезом. В этих экстремальных условиях ядра двух атомов водорода (каждое из них содержит по одному протону) сталкиваются с такой силой, что ядра сливаются и один из протонов превращается в нейтрон – образуется тяжелый атом водорода. После ряда таких столкновений образуются ядра гелия с двумя протонами. Поразительно, что получившийся в результате атом гелия примерно на 1 % легче исходных четырех атомов водорода, из которых он образовался. По мере обогащения звезды гелием за счет водорода она «воспламеняется», излучая энергию в окружающее пространство.

Второй путь перехода скрытой энергии, эквивалентной массе, в энергию доступную состоит в распаде атомных ядер. Давний известный пример этого – распад атома радия. Однако этот естественный процесс происходит чрезвычайно редко, он не может служить источником значительных количеств энергии. Важнейшим шагом вперед в вопросе использования распада атомного ядра как источника энергии было открытие распада изотопа атома урана с атомным весом 235, входящего в количестве 0,7 % в обычный уран, под действием медленных нейтронов. Главное преимущество этого процесса состоит в том, что он имеет цепной характер. В результате распада ядра возникают снова нейтроны, в свою очередь вызывающие распад, и т. д. Получается цепь распадающихся ядер, причем каждое звено этой цепи сопровождается выделением значительной энергии. На основе этого явления построена вся техника освобождения атомной энергии сегодняшнего дня. Для Солнца этот процесс, по-видимому, не имеет значения; внутри Солнца, на основании весьма правдоподобных теоретических представлений, ядер тяжелых атомов урана и других нет.

Третья деталька называется нейтрон. По весу и размеру он практически такой же, как протон, только у нейтрона нет электрического заряда. Поэтому он так и называется – нейтрон, от слова «нейтральный».

При столкновении частицы не изменятся, однако испустят заряд энергии: нейтральный, лишенный массы фотон, пульсирующий на высоких частотах гамма-излучения. Фотон полетит своим путем, оторвавшись от вновь образовавшегося ядра «легкого» гелия, ибо до нормальной структуры ему недостает одного нейтрона.

Внутри у наших суперобъектов все тоже страшно интересно. Кроме сверхплотного вещества, там может быть сверхтекучесть протонов, нейтронов, разные экзотические состояния, новые элементарные частицы. Это чрезвычайно любопытные для исследователя объекты.

Качество 9 Большого Аркана на молекулярном уровне соответствует нейтронам в атоме. В биохимии следует рассматривать совокупность нейтронов и их конфигурацию в организме.

Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составлял ничтожную миллиардную долю от их общего числа. Именно этих избыточных протонов и нейтронов хватило на то, чтобы сформировать вещество современной Метагалактики. Так наш мир не превратился в антимир.

Температуры и плотности остывшей Вселенной было уже недостаточно, чтобы выпекать кварки, поэтому все они расхватали партнеров по танцам, создав крепкую новую семью тяжелых частиц под названием адроны (от древнегреческого «хадрос» – «густой», «толстый»). Переход от кварков к адронам вскоре привел к появлению протонов и нейтронов, а также других, не таких знаменитых тяжелых частиц, которые состоят из всевозможных сочетаний кварков разных видов. В Швейцарии (вернемся на Землю) коллаборация физиков-ядерщиков (Европейский центр ядерных исследований, больше известный под аббревиатурой ЦЕРН) построила большой ускоритель, чтобы сталкивать потоки адронов в попытке воссоздать условия, существовавшие через миллионную долю секунды после Большого взрыва. Эта самая большая машина на свете называется, что логично, Большой адронный коллайдер.

В ходе расширения и остывания первовселенной происходит образования физических структур – микрочастиц, протонов, нейтронов, электронов, формирование из них атомов.

Но такой путь эволюции могут проделать только звезды, у которых массы, оставшиеся после сброса оболочки, не слишком велики, например не больше 1,2 солнечной массы. Звезды, у которых оставшаяся масса находилась в пределах 1,2–2,5 солнечных масс, как показывают надежные теоретические расчеты, не могут образовать устойчивую конфигурацию белого карлика. Они катастрофически быстро сжимаются до ничтожных размеров порядка 10 км, причем их средняя плотность достигает 1015 г/см3, что превышает плотность атомного ядра. Как показывают специальные теоретические исследования, вещество таких звезд состоит из чрезвычайно плотно «упакованных» нейтронов, ибо свободные электроны как бы «вдавливаются» в протоны. Именно поэтому такие объекты получили название «нейтронных звезд». Расчеты показывают, что первоначальная температура поверхности у нейтронных звезд около 1 млрд К. В дальнейшем нейтронная звезда будет быстро остывать, а температура ее поверхности – быстро падать.

«… третьим методом облучения нейтронами является создание нейтронов в самой бомбе искусственными космическими лучами. От этих лучей, при достаточной их энергии, бомба не может быть защищена…»

Во время четвертой эры, эры излучения, протоны начинают захватывать нейтроны; образуются ядра бериллия и лития, а плотность Вселенной уменьшается примерно в 5–6 раз. Из-за уменьшения плотности Вселенной начинают образовываться первые атомы.

Полоний применяют для исследования воздействия α-излучения на различные вещества. Сплав полония с бериллием используют как удобный источник нейтронов: 9Be + α→ 12C + n. Такие компактные источники нейтронов используют для определения состава различных материалов методом нейтронно-активационного анализа (нейтроны наводят в веществе радиоактивность, по которой можно судить о составе вещества).

Проведен анализ современной литературы по проблемам нанотехнологий. В последнее время все большее значение приобретают инструментальные методы исследования in situ процессов формирования наноматериалов. Так методами дифракции на синхротронном излучении и малоугловой дифракции поляризованных нейтронов исследованы процессы образования пористой оксидной пленки анодированного алюминия, а также темплатированных мезопористых образцов диоксида кремния с упорядоченной системой ферромагнитных нитей, находящихся в порах. Большое значение имеют спектральные методы анализа, в частности спектроскопия комбинационного рассеяния, активно используемая для анализа углеродных и неуглеродных нанотрубок, сверхрешеток квантовых точек.

Подобный источник нейтронов, в том числе, может использоваться и как простой инициатор для портативного ядерного заряда.

Объявленные в январе 1941 года выводы о применении графита на самом деле были ошибочными. Около семи месяцев назад ответственный за вычисление ядерной константы для графита физик проделал простой эксперимент и определил длину диффузии[10] для термальных нейтронов в углероде как 61 сантиметр. Профессор Боте искренне верил в то, что после удаления из материала примесей эту цифру удастся увеличить до более чем 70 сантиметров. Все это доказывало, что чистый графит в силу своей дешевизны и широкого распространения был идеальным материалом для использования в качестве замедлителя в урановом реакторе. Управлением вооружений армии был подготовлен контракт на поставку в рамках ядерной программы значительного количества углерода высочайшей чистоты.

1) корпускулярное, т. е. вызываемое нейтронами, протонами, бета– и гамма-лучами и ядерными у частицами;

Нейтрон — Справочник химика 21

    Поскольку протон — единственная положительно заряженная частица, обнаруженная в ядре, то порядковый номер элемента равен числу протонов ядра. В ядре алюминия, порядковый номер которого 13, должно содержаться 13 протонов, но так как его атомная масса равна 27, то в его ядре, как было установлено позднее, должно содержаться еще 14 нейтронов. Нейтроны изменяют массу ядра, но не влияют на его заряд. В ядре атома натрия, порядковый номер которого 11, атомная масса 23, должно сод жаться 11 протонов и 12 нейтронов. (И протоны, и нейтроны находятся в ядре, поэтому их называют нуклонами . ) [c.157]








    Дефект массы характеризует устойчивость атомных ядер и энергию связи нуклонов в ядре. Дефект массы соответствует энергии, которая выделяется при образовании ядра из свободных протонов и нейтронов и может быть вычислена из соотношения Эйнштейна Е — тс , где Е — энергия т — масса, с — скорость света в вакууме (с = 3-10 м/с). [c.9]

    Рентгеновские лучи, гамма-лучи, поток нейтронов и другие излучения большой энергии также вызывают в веществе глубокие физикохимические изменения и инициируют разнообразные реакции. Так, при действии ионизирующих излучений кислород образует озон алмаз превращается в графит оксиды марганца выделяют кислород из смеси азота и кислорода или воздуха образуются оксиды азота в присутствии кислорода ЗОг переходит в 50з происходит разложение радиолиз) воды, в результате которого образуются молекулярные водород, кислород и перекись водорода. Возникающие при радиолизе свободные радикалы (-Н, -ОН, -НОз) и молекулярные ионы ( НзО , -НзО ) способны вызывать различные химические превращения растворенных в воде веществ. [c.203]

    В дифракционных методах исследования структуры используются рентгеновские лучи, поток электронов или нейтронов с длиной волны того же порядка, что и расстояния между атомами в молекулах или между атомами, ионами и молекулами в кристаллах. Поэтому, проходя через вещество, эти лучи дифрагируют. Возникающая при этом дифракционная картина строго соответствует структуре исследуемого вещества. Рентгеновские лучи (рентгенография) чаще всего применяют для исследования структуры кристаллов, электроны (электронография) — для исследования газов и кристаллов нейтроны (нейтронография) — для исследования жидкостей и твердых гел. [c.150]

    Различные изотопы данного элемента имеют одинаковые заряды ядер, но разные массовые числа. Следовательно, в ядрах различных изотопов содержится одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. У неона-20, неона-21 и неона-22 по 10 протонов в ядре, порядковый номер всех этих изотопов 10, и электроны распределены по оболочкам так 2, 8. Однако в ядре неона-20 содержится 10 протонов плюс 10 нейтронов, в ядре неона-21 —10 протонов плюс 11 нейтронов, а в ядре неона-22—10 протонов плюс [c.168]

    Когда атомное ядро поглощает нейтрон, оно необязательно становится новым элементом при этом может образоваться просто более тяжелый изотоп. Так, если кислород-16 приобретает нейтрон (массовое число 1), то он становится кислородом-17. Однако, присоединяя нейтрон, элемент может превратиться в радиоактивный изотоп. В этом случае элемент обычно распадается с излучением бета-частицы, а согласно правилу Содди, это означает, что он становится элементом, занимающим более высокое место в периодической таблице. Таким образом, если кислород-18 получает нейтрон, то он превращается в радиоактивный кислород-19. Этот изотоп излучает бета-частицу и становится стабильным фтором-19. Таким образом, бомбардируя кислород нейтронами, его можно превратить во фтор, [c.175]

    В результате успешного проведения первых ядерных реакций были получены уже известные, встречающиеся в природе изотопы. Однако полученные таким образом нейтронно-протонные комбинации могли отличаться от комбинаций, характерных для природных изотопов. Ведь первые органические молекулы, синтезированные химиками, отличались от молекул природных соединений (см. гл. 6). Нейтронно-протонные комбинации нового типа были получены в 1934 г. французскими физиками супругами Фредериком Жолио-Кюри (1900—1958) и Ирен Жолио-Кюри (1897—1956) (дочь известных физиков супругов Кюри, прославившихся открытием радия, см. гл. 13). [c.172]

    Но фосфор, встречающийся в природе, имеет только одну разновидность атомов — фосфор-31 (15 протонов плюс 16 нейтронов), следовательно, фосфор-30 — искусственный изотоп. Причина, по которой этот изотоп не встречается в природе, очевидна период полураспада фосфора-31 составляет всего 14 дней. Излучение именно этого изотопа и наблюдали супруги Жолио-Кюри. [c.173]

    Атом представляет собой сложную микросистему находящихся в движении элементарных-частиц. Он состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Носителем положительного заряда ядра является п ротон. В ядра атомов всех элементов, за исключением ядра легкого изотопа водорода, входят протоны и н е й тр о к ы. Основные характеристики электрона, протона и нейтрона приведены в табл. 1. [c.8]

    Пытаясь обнаружить этот более тяжелый изотоп водорода, Юри начал медленно выпаривать четыре литра жидкого водорода. И в последнем кубическом сантиметре водорода Юри действительно нашел несомненные признаки присутствия водорода-2 — изотопа, ядро которого содержит один протон и один нейтрон. Водород-2 был назван дейтерием. [c.169]

    Человек научился с помощью обычных химических реакций по своему усмотрению перестраивать молекулы. Почему бы не попытаться перестраивать ядра атомов, используя ядерные реакци

Определение нейтрон общее значение и понятие. Что это такое нейтрон

Первое, что нужно сделать, — это определить этимологическое происхождение слова нейтрон, которое сейчас нас занимает. Таким образом, мы должны были бы уточнить, что оно происходит от латинского и, более конкретно, от слова Neuer, которое состоит из двух разных частей: префикс ne -, который эквивалентен отрицанию, и uter, который можно перевести как «one u другой «.

Нейтрон — это массивная частица без электрического заряда . Это барион (субатомная частица, состоящая из трех кварков), образованная двумя кварками внизу и одним кварком сверху. Нейтроны и протоны являются ядрами атомов .

Нейтрон имеет период полураспада около 15 минут вне атомного ядра, когда он испускает электрон и антинейтрон, чтобы стать протоном. Нейтроны, масса которых аналогична протонам, необходимы для стабильности атомных ядер (за исключением водорода).

Физик и химик новозеландец Эрнест Резерфорд был тем, кто в 1920 году провозгласил существование нейтрона. Таким образом он объяснил, почему ядра не распадаются из-за электромагнитного отталкивания протонов.

Нейтроны действуют на ядерные реакции, которые происходят, когда нейтрон управляет делением атома и генерирует большее количество нейтронов, что, в свою очередь, вызывает новые деления. В зависимости от того, как происходит эта реакция, мы можем говорить о контролируемой реакции (замедлитель ядерного реактора используется для использования ядерной энергии) или неконтролируемой реакции (образуется критическая масса ядерного топлива).

В дополнение ко всему вышесказанному, нам пришлось бы прояснить существование еще одной серии терминов, которые также основаны на использовании слова, которое сейчас нас занимает. Это было бы в случае медленног

Что такое электрон?

Электрон — это единица вещества с отрицательным электрическим зарядом. (Энн Хелменстин)

Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Из этих трех частиц электрон имеет наименьшую массу. Вот определение электрона, а также его словесное происхождение, история и интересные факты.

Определение электрона

Электрон — это стабильная субатомная частица с отрицательным электрическим зарядом. Каждый электрон несет одну единицу отрицательного заряда (1.602 x 10 ^-19 кулонов) и имеет очень маленькую массу по сравнению с массой нейтрона или протона. Масса электрона 9,10938 x 10 ^-31 кг. Это примерно 1/1836 массы протона.

Обычный символ для электрона — e ^— . Античастица электрона, несущая положительный электрический заряд, называется позитроном или антиэлектроном. Позитрон обозначается символом e ⁺ или β ⁺ . Когда электрон и позитрон сталкиваются, обе частицы аннигилируют, и энергия выделяется в виде гамма-лучей.

Где найти электроны

Электроны бывают свободными по своей природе (свободные электроны) и связаны внутри атомов. Электроны ответственны за отрицательно заряженный компонент атома. В атоме электроны вращаются вокруг положительно заряженного атомного ядра.

В твердых телах электроны являются основным средством проведения тока. Это потому, что протоны связаны внутри ядра, поэтому они не такие подвижные, как электроны. В жидкостях носителями тока чаще являются ионы. Взаимодействие между электронами атомов и молекул вызывает химические реакции.Химические связи образуются, когда электроны распределяются между атомами.

История и происхождение слова

Возможность появления электронов была предсказана Ричардом Лэмингом (1838–1851), ирландским физиком Дж. Джонстоном Стоуни (1874) и другими учеными. Термин «электрон» был впервые предложен Стони в 1891 году, хотя электрон был открыт только в 1897 году британским физиком Дж. Дж. Дж. Томсон.

Хотя электронная наука относится к 19 и 20 векам, слова «электрон» и «электричество» восходят к древним грекам.Древнегреческое слово для обозначения янтаря было электроном. Греки заметили, что натирание меха янтарем заставляет янтарь привлекать мелкие предметы. Это самый ранний зарегистрированный эксперимент с электричеством. Английский ученый Уильям Гилберт придумал термин «электрик» для обозначения этого привлекательного свойства.

Электронные факты

• Электроны считаются одним из видов элементарных частиц, потому что они не состоят из более мелких компонентов. Это тип частиц, принадлежащих к семейству лептонов, и они имеют наименьшую массу любого заряженного лептона или другой заряженной частицы.
• В квантовой механике электроны считаются идентичными друг другу, потому что никакие внутренние физические свойства не могут использоваться для их различения. Электроны могут меняться местами друг с другом, не вызывая заметных изменений в системе.
• Протоны и электроны имеют одинаковые, но противоположные заряды. Электроны притягиваются к положительно заряженным частицам, например протонам.
• Имеет ли вещество чистый электрический заряд или нет, определяется балансом между числом электронов и положительным зарядом атомных ядер.Если электронов больше, чем положительных зарядов, материал считается заряженным отрицательно. Если есть избыток протонов, объект считается заряженным положительно. Если количество электронов и протонов сбалансировано, материал называется электрически нейтральным.
• Электроны в металле ведут себя так, как если бы они были свободными электронами, и могут двигаться, создавая чистый поток заряда, называемый электрическим током. Когда электроны (или протоны) движутся, создается магнитное поле.
• Электроны обладают свойствами как частиц, так и волн.Они могут дифрагировать, как фотоны, но могут сталкиваться друг с другом и другими частицами, как другая материя.
• Теория атома описывает электроны как окружающие протон / нейтронное ядро ​​атома оболочками. Эти оболочки — области вероятности. Некоторые из них имеют сферическую форму, но встречаются и другие формы. Хотя теоретически возможно найти электрон в атомном ядре, наибольшая вероятность его обнаружения находится внутри его оболочки.
• Электрон имеет спин или собственный угловой момент 1/2.
• Ученые способны изолировать и удерживать один электрон в устройстве, которое называется ловушкой Пеннинга.
• Изучая отдельные электроны, исследователи обнаружили, что наибольший радиус электрона составляет 10 ^-22 метров. Поскольку электроны очень малы, с ними обращаются как с точечными зарядами, то есть электрическими зарядами без физических размеров.
• Материи во Вселенной гораздо больше, чем антивещества, но когда-то могло быть равное количество электронов и позитронов.Согласно теории Большого взрыва, фотоны набрали достаточно энергии в течение первой миллисекунды взрыва, чтобы реагировать друг с другом с образованием электронно-позитронных пар. Эти пары аннигилировали друг с другом, испуская фотоны. По неизвестным причинам пришло время, когда электронов было больше, чем позитронов, и больше протонов, чем антипротонов. Выжившие протоны, нейтроны и электроны начали реагировать друг с другом, образуя атомы.
• Электроны используются во многих практических приложениях. К ним относятся электричество, электронные лампы, фотоэлектронные умножители, электронно-лучевые трубки, пучки частиц для исследований и сварки, а также лазер на свободных электронах.

Ссылки

• Buchwald, J.Z .; Уорвик, А. (2001). Истории электрона: рождение микрофизики . MIT Press. С. 195–203. ISBN 978-0-262-52424-7.
• Томсон, Дж. Дж. (1897). «Катодные лучи». Философский журнал . 44 (269): 293–316. doi: 10.1080 / 14786449708621070

Связанные сообщения

GCSE ХИМИЯ — Что такое атом? — Что такое протон? — Что такое нейтрон? — Что такое электрон? — Что такое ядро? — Как устроен атом?

GCSE CHEMISTRY — Что такое атом? — Что такое протон? — Что такое нейтрон? — Что такое электрон? — Что такое ядро? — Как устроен атом? — ОБУЧЕНИЕ НАУКА.

gcsescience.com

1

gcsescience.com

Атомная структура

Что такое атом?

Атом — это самый маленький кусочек элемента
это может
существовать.
Все
состоит из атомов.
Атомы очень маленькие.
7 миллионов атомов соединены вместе
в
прямая линия
будет о
1 мм в длину.

Что такое структура
атома?

Все
атомы имеют ядро ​​(большой
немного посередине).
Ядро содержит протоны и нейтроны.

Все
у атомов есть электроны.
Электроны в оболочках
вокруг ядра.
Для любого атома количество протонов
это
в
то же, что и количество электронов.
Если атом теряет или приобретает
электронов это называется
ион.

Ниже приведено изображение
атом натрия.
В нем 11 протонов, 11 электронов и 12 нейтронов.

Электрон
структура 2,
8, 1.

Каждый протон имеет электрическую
заряд +1.
Каждый электрон имеет электрический заряд
из -1.
У нейтрона нет заряда (он
нейтральный).

В атоме одинаковое количество протонов и электронов
так что общий заряд равен нулю (нейтрален).

Масса нейтрона и
протон
тем же.
Электрон намного меньше,
примерно 1 ÷ 2000
в
раз больше протона
хотя он имеет равный и противоположный электрический заряд.

Электроны, хотя и крошечные, занимают большую часть
пространство атома.
Это означает, что большая часть
пространство, которое заполняет атом
, почти не содержит
масса. Атом — это в основном пустое пространство
, в котором почти все
масса с центром в ядре.

Сводка

нейтронная звезда | Определение, размер, плотность, температура и факты

Нейтронная звезда , любая из класса чрезвычайно плотных, компактных звезд, которые, как считается, состоят в основном из нейтронов.Нейтронные звезды обычно имеют диаметр около 20 км (12 миль). Их масса в 1,18–1,97 раза больше массы Солнца, но большинство из них в 1,35 раза больше массы Солнца. Таким образом, их средняя плотность чрезвычайно высока — примерно в 10 ¹⁴ раз больше плотности воды. Это приблизительно соответствует плотности внутри атомного ядра, и в некотором смысле нейтронную звезду можно представить себе как гигантское ядро. Точно неизвестно, что находится в центре звезды, где давление наибольшее; теории включают гипероны, каоны и пионы.Промежуточные слои состоят в основном из нейтронов и, вероятно, находятся в «сверхтекучем» состоянии. Внешний 1 км (0,6 мили) твердый, несмотря на высокие температуры, которые могут достигать 1000000 К. Поверхность этого твердого слоя, где давление самое низкое, состоит из чрезвычайно плотной формы железа.

Пульсар Геминга, полученный в рентгеновском диапазоне с помощью рентгеновской обсерватории XMM-Newton, находящейся на орбите Земли. Пара ярких рентгеновских «хвостов» очерчивает края конусообразной ударной волны, создаваемой пульсаром, когда он движется в пространстве почти перпендикулярно лучу зрения (снизу справа вверх слева на изображении).

Европейское космическое агентство

Британская викторина

Тест по астрономии и космосу

Что делает планету карликовой планетой? Сколько миль в световом году? Что такое квазар? Отправляйтесь в другие миры, проверяя свои знания о космосе, небесных телах и Солнечной системе.

Другой важной характеристикой нейтронных звезд является наличие очень сильных магнитных полей, превышающих 10 ¹² гаусс (магнитное поле Земли равно 0.5 гаусс), что вызывает полимеризацию поверхностного железа в виде длинных цепочек атомов железа. Отдельные атомы сжимаются и вытягиваются в направлении магнитного поля и могут связываться вместе встык. Под поверхностью давление становится слишком высоким для существования отдельных атомов.

Открытие пульсаров в 1967 году дало первое свидетельство существования нейтронных звезд. Пульсары — это нейтронные звезды, которые испускают импульсы излучения один раз за оборот. Излучаемое излучение обычно представляет собой радиоволны, но также известно, что пульсары излучают в оптических, рентгеновских и гамма-лучах.Очень короткие периоды, например, пульсаров Краб (NP 0532) и Вела (33 и 83 миллисекунды соответственно) исключают возможность того, что они могут быть белыми карликами. Импульсы возникают в результате электродинамических явлений, вызванных их вращением и их сильными магнитными полями, как в динамо-машине. В случае радиопульсаров нейтроны на поверхности звезды распадаются на протоны и электроны. Когда эти заряженные частицы высвобождаются с поверхности, они попадают в сильное магнитное поле, окружающее звезду, и вращаются вместе с ней.Ускоренные до скорости, приближающейся к скорости света, частицы испускают электромагнитное излучение за счет синхротронного излучения. Это излучение испускается в виде интенсивных радиолучей от магнитных полюсов пульсара.

Vela Pulsar

Пульсар Vela, видимый рентгеновской обсерваторией Чандра.

NASA / CXC / PSU / G.Pavlov et al.

Многие двойные источники рентгеновского излучения, такие как Hercules X-1, содержат нейтронные звезды. Космические объекты такого типа излучают рентгеновские лучи за счет сжатия материала звезд-компаньонов, аккрецирующих на их поверхности.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего 1768 First Edition с подпиской.
Подпишитесь сегодня

Нейтронные звезды также рассматриваются как объекты, называемые вращающимися радиопереходными процессами (RRAT), и как магнитары. RRAT — это источники, которые излучают одиночные радиовсплески, но с нерегулярными интервалами от четырех минут до трех часов. Причина явления RRAT неизвестна. Магнитары — это нейтронные звезды с высокой степенью намагниченности, которые имеют магнитное поле от 10 ¹⁴ до 10 ¹⁵ гаусс.

Большинство исследователей полагают, что нейтронные звезды образуются в результате взрыва сверхновой, при котором коллапс центрального ядра сверхновой останавливается ростом нейтронного давления по мере увеличения плотности ядра примерно до 10 ¹⁵ граммов на кубический см. Однако, если коллапсирующее ядро ​​будет более массивным, чем примерно три массы Солнца, нейтронная звезда не может образоваться, и ядро, вероятно, станет черной дырой.

Протоны, нейтроны и электроны MCQ Вопросы и ответы

Протоны, нейтроны и электроны MCQ, протоны, нейтроны и электроны викторины ответы PDF для изучения онлайн-курса химии уровня O.Изучите структуру атома с множественным выбором вопросов и ответов (MCQ), вопросы викторины «Протоны, нейтроны и электроны» и ответы на практический тест GRE. Изучите изотопы: количество нейтронов, валентных электронов, количество протонов и нуклонов, протонов, нейтронов и электронов, подготовка к экзаменам SAT.

«В периодической таблице число периода указывает количество» вопросов с множественным выбором (MCQ) по протонам, нейтронам и электронам с выбором нейтронов, протонов, электронов и фотонов для практического теста GRE.Практический тест на получение стипендии, вопросы викторины по протонам, нейтронам и электронам онлайн-обучения для конкурсных экзаменов по специальностям химия для двухлетних программ на получение степени.

MCQ по протонам, нейтронам и электронам Скачать книгу в формате PDF

MCQ: В периодической таблице номер периода указывает число

.

1. нейтронов
2. протонов
3. электронов
4. фотонов

MCQ: Химические свойства элемента во многом определяются

1. Позиция в таблице Менделеева
2. протонное число элемента
3. нуклонное число элемента
4. количество валентных электронов

MCQ: Что правильно насчет электронов?

1. имеют незначительную массу
2. они имеют относительный заряд -1
3. их заряд противоположен и равен протону
4. все вышеперечисленное

MCQ: Масса электрона

1. ¹ ⁄ ₁₈₄₀ только протона
2. ¹ ⁄ ₁₈₄₀ только нейтрона
3. 1860 раз протона
4. ¹ ⁄ ₁₈₄₀ протона и нейтрона

MCQ: Гелий (He) не является инертным газом, поскольку в нем содержится

1. только более высокая химическая активность
2. половина оболочки только валентных электронов
3. нет электронов
4. более высокая химическая активность и полуоболочка из валентных электронов

Nuclear Magic Numbers — Chemistry LibreTexts

Ядерная стабильность — это концепция, которая помогает определить стабильность изотопа.Двумя основными факторами, определяющими ядерную стабильность, являются отношение нейтрон / протон и общее количество нуклонов в ядре.

Введение

Изотоп — это элемент, который имеет тот же атомный номер, но другую атомную массу по сравнению с периодической таблицей. У каждого элемента есть протон, нейтрон и электрон. Число протонов равно атомному номеру, а число электронов равно протонам, если только это не ион. Чтобы определить количество нейтронов в элементе, вы вычитаете атомный номер из атомной массы элемента.Атомная масса представлена ​​как (\ (A \)), атомный номер представлен как (\ (Z \)), а нейтроны представлены как (\ (N \)).

\ [A = N + Z \ label {1} ​​\]

Основным фактором для определения стабильности ядра является отношение нейтронов к протонам . Элементы с (\ (Z <20 \)) легче, а ядра этих элементов имеют соотношение 1: 1 и предпочитают иметь одинаковое количество протонов и нейтронов.

Пример \ (\ PageIndex {1} \): изотопы углерода

Углерод состоит из трех изотопов, которые обычно используются учеными: \ (\ ce {^ 12C} \), \ (\ ce {^ 13C} \), \ (\ ce {^ 14C} \). 12_8O} \)?

Элементы с атомными номерами от 20 до 83 являются тяжелыми элементами, поэтому соотношение другое.Отношение составляет 1,5: 1, причина этой разницы в силе отталкивания между протонами: чем на сильнее, чем на сила отталкивания, тем на больше, чем на нейтронов, необходимых для стабилизации ядер.

Нейтроны помогают отделить протоны друг от друга в ядре, так что они не ощущают такой силы отталкивания друг от друга.

Изотопная стабильность

График стабильных элементов обычно называют полосой (или поясом) стабильности .График состоит из нейтронов, отмеченных по оси ординат, по оси абсцисс, обозначенных протонами, и ядер. На верхнем конце (вверху справа) полосы стабильности находятся радионуклиды, которые распадаются через альфа-распад, внизу — эмиссия позитронов или захват электронов, вверху — бета-эмиссии, а элементы с атомным номером за пределами 83 являются только нестабильными радиоактивными элементами. Стабильные ядра с атомными номерами примерно до 20 имеют соотношение нейтрон: протон примерно 1: 1 (сплошная линия).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): разрешение из Википедии.

Отклонение от линии \ (N: Z = 1 \) на поясе стабильности происходит из-за отличного от единицы отношения \ (N: Z \), необходимого для полной стабильности ядер. То есть требуется больше нейтронов для стабилизации сил отталкивания от меньшего числа протонов в ядре (то есть \ (N> Z \)).

Пояс стабильности позволяет легко определить, где происходит альфа-распад, бета-распад и испускание позитронов или захват электронов.

• Альфа \ (\ alpha \) Распад : Альфа-распад расположен в верхней части нанесенной линии, потому что альфа-распад уменьшает массовое число элемента, чтобы поддерживать стабильность изотопа.+ \) излучение и захват электронов — это когда изотоп получает больше нейтронов. Эмиссия позитронов и захват электронов находятся ниже диапазона стабильности, потому что соотношение изотопа имеет больше протонов, чем нейтронов, подумайте об этом, поскольку существует слишком мало протонов для количества нейтронов, и поэтому оно ниже полосы стабильности (желтый изотопы на рисунке \ (\ PageIndex {1} \)).

Как и все пути распада, если дочерние нуклиды не находятся в Поясе, то последующие пути распада будут происходить до тех пор, пока дочерние ядра не окажутся на Поясе.

Магические числа

Правило Октета было сформулировано на основе наблюдения, что атомы с восемью валентными электронами были особенно стабильными (и обычными). Аналогичная ситуация применима к ядрам в отношении числа нейтронов и протонов, которые генерируют стабильные (нерадиоактивные) изотопы. Эти «магические числа» естественным образом встречаются в особенно стабильных изотопах. Таблица 1 список чисел протонов и нейтронов; изотопы, которые имеют эти числа, присутствующие в протоне или нейтроне, стабильны.В некоторых случаях изотопы могут состоять из магических чисел как для протонов, так и для нейтронов; они будут называться двойными магическими числами . Двойные числа встречаются только для более тяжелых изотопов из-за отталкивания сил между протонами. Магические числа:

• протонов: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114
• нейтронов: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184

Также существует концепция, согласно которой изотопы, состоящие из комбинации четно-четного, четно-нечетного, нечетно-четного и нечетно-нечетного, являются стабильными.Есть больше нуклидов, которые имеют комбинацию четно-четное, чем нечетно-нечетное. Так же, как существуют нарушения правила октетов, многие изотопы без магических чисел нуклонов стабильны.

Примечание

Хотя и редко, но существуют четыре стабильных нечетно-нечетных нуклида: \ (\ ce {^ 2_1H} \), \ (\ ce {^ {6} _3Li} \), \ (\ ce {^ {10} _5B} \) , \ (\ ce {^ {14} _7N} \)

Нестабильный или стабильный

Вот простая диаграмма, которая поможет вам решить, является ли элемент стабильным. {210} _ {84} Po} \)

Ответ

Добавьте сюда тексты.Не удаляйте сначала этот текст.

Упражнение \ (\ PageIndex {2} \)

Если изотоп находится выше полосы стабильности, то какой это тип радиоактивности? а если бы он был внизу?

Ответ

Основание ремня устойчивости:

1. Стабильный, потому что этот изотоп Са содержит 20 нейтронов, что является одним из магических чисел
2. Нестабильно из-за нечетного числа (25 и 29) протонов и нейтронов
3. Альфа-излучатель, потому что Z = 84, что соответствует правилу / первому шагу на диаграмме

Упражнение \ (\ PageIndex {3} \)

Углерод стабильный

Ответ

Углерод стабильный

Упражнение \ (\ PageIndex {4} \)

Назовите один из изотопов, состоящих из нечетно-нечетных комбинаций в ядрах?

Ответ

Водород-2, Литий-6, Бор-10, азот-14

Список литературы

1. Олмстед III, Джон и Грегори М. Уильям. Химия четвертое издание. John Wiley and Sons Inc: Нью-Джерси, 2006 г.
2. Петруччи, Ральф Х., Уильям С. Харвуд, Ф. Джеффри Херринг, Джеффри Д. Мадура. Общая химия. Pearson Education Inc: Нью-Джерси, 2007 г.

3.4: Атомная масса и атомный номер

Результаты обучения

• Определите атомные и массовые числа.
• Определите количество протонов, нейтронов и электронов в атоме.
• Определите заряд и относительную массу субатомных частиц.
• Обозначьте расположение субатомных частиц в атоме.
• Определите массу атома на основе его субатомных частиц.
• Запись A / Z и массового символа для атома.

Атомы являются фундаментальными строительными блоками всей материи и состоят из протонов, нейтронов и электронов. Поскольку атомы электрически нейтральны, количество положительно заряженных протонов должно быть равно количеству отрицательно заряженных электронов. Поскольку нейтроны не влияют на заряд, количество нейтронов не зависит от количества протонов и будет варьироваться даже среди атомов одного и того же элемента.

Атомный номер

Атомный номер (обозначается буквой Z) элемента — это количество протонов в ядре каждого атома этого элемента . Атом можно классифицировать как конкретный элемент исключительно на основании его атомного номера. Например, любой атом с порядковым номером 8 (его ядро ​​содержит 8 протонов) является атомом кислорода, а любой атом с другим числом протонов будет другим элементом. Таблица Менделеева (см. Рисунок ниже) отображает все известные элементы и расположена в порядке возрастания атомного номера.В этой таблице атомный номер элемента указан над символом элемента. Водород в верхнем левом углу таблицы имеет атомный номер 1. Каждый атом водорода имеет в своем ядре один протон. Следующим на столе идет гелий, атомы которого имеют в ядре два протона. Атомы лития имеют три протона, атомы бериллия — четыре и так далее.

Поскольку атомы нейтральны, количество электронов в атоме равно количеству протонов. У всех атомов водорода есть один электрон, занимающий пространство за пределами ядра.Гелий с двумя протонами будет иметь два электрона. В химическом классе количество протонов всегда будет эквивалентно атомному номеру атома. Это значение не изменится, если ядро ​​не распадется или не подвергнется бомбардировке (ядерная физика).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Периодическая таблица элементов. (CC BY-SA 4.0 International; DePiep через Википедию).

Массовое число

Экспериментальные данные показали, что подавляющая часть массы атома сосредоточена в его ядре, которое состоит из протонов и нейтронов.Массовое число (обозначается буквой A) определяется как общее количество протонов и нейтронов в атоме. Рассмотрим таблицу ниже, в которой показаны данные из первых шести элементов периодической таблицы.

Рассмотрим элемент гелий.Его атомный номер 2, значит, в его ядре два протона. Его ядро ​​также содержит два нейтрона. Поскольку \ (2 + 2 = 4 \), мы знаем, что массовое число атома гелия равно 4. Наконец, атом гелия также содержит два электрона, поскольку количество электронов должно быть равно количеству протонов. Этот пример может заставить вас поверить, что атомы имеют одинаковое количество протонов и нейтронов, но дальнейшее изучение приведенной выше таблицы покажет, что это не так. Литий, например, имеет три протона и четыре нейтрона, что дает ему массовое число 7.

Зная массовое число и атомный номер атома, вы можете определить количество нейтронов, присутствующих в этом атоме, путем вычитания.

\ [\ text {Число нейтронов} = \ text {округленное массовое число} — \ text {атомный номер} \]

Атомы элемента хрома \ (\ left (\ ce {Cr} \ right) \) имеют атомный номер 24 и массовое число 52. Сколько нейтронов находится в ядре атома хрома? Чтобы определить это, вы должны вычесть, как показано:

\ [52 — 24 = 28 \: \ text {нейтроны в атоме хрома} \]

Состав любого атома можно проиллюстрировать сокращенной записью, называемой форматом A / Z.{52} _ {24} Cr} \]

Другой способ обозначить конкретный атом — написать массовое число атома после имени, разделенное дефисом. Формат «символ-масса» для указанного выше атома будет записан как Cr-52. В этом обозначении атомный номер не включен. Вам нужно будет обратиться к периодической таблице для значений протонов.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Вычислите каждую из трех субатомных частиц и дайте конкретные названия групп или периодов для каждого атома.

1. ртуть
2. платина
3. бром

Решения

1. Hg (переходный металл) — имеет 80 электронов, 80 протонов и 121 нейтрон
2. Pt (переходный металл) — 78 электронов, 78 протонов и 117 нейтронов
3. Br (галоген) — имеет 35 электронов, 35 протонов и 45 нейтронов

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Запишите форматы A / Z и массы символа для атомов в примере \ (\ PageIndex {1} \).{80} _ {35} Бр} \) и Бр-80

Пример \ (\ PageIndex {3} \)

Определите элементы на основании приведенных ниже утверждений.

1. У какого элемента 25 протонов?
2. У какого элемента 0 нейтронов?
3. У какого элемента 83 электрона?

Решения

а. марганец

г. водород

г. висмут

Нужна дополнительная практика?

• Перейдите к разделу 3.E настоящего ООР и ответьте на вопросы №1- №2, №4 и №8.

Авторы и авторство

• Фонд CK-12 Шарон Бьюик, Ричард Парсонс, Тереза ​​Форсайт, Шонна Робинсон и Жан Дюпон.

• Эллисон Султ, Ph.D. (Химический факультет Университета Кентукки)

.