Физика в школе 867
Электрический заряд
Электризация тел
Еще в глубокой древности было известно, что если потереть янтарь о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Позднее это же свойство было обнаружено у других веществ (стекло, эбонит и др.). Это явление называют электризацией, а тела, способные притягивать к себе после натирания другие предметы, наэлектризованными. Явление электризации объяснялось на основании гипотезы о существовании зарядов, которые приобретает наэлектризованное тело.
Объяснить, почему тела электризуются при трении, стало возможно лишь после открытия электрона и изучения строения атома. Как известно, тела состоят из атомов; атомы в свою очередь состоят из протонов, нейтронов и электронов.
Виды зарядов
Все заряды делятся на два вида: положительные (обозначаются +) и отрицательные (обозначаются -). Обладателями отрицательных зарядов являются электроны, положительных зарядов — протоны.
Таким образом, электризация тела есть избыток частиц какого-либо заряда (например, при избытке электронов тело будет иметь отрицательный заряд).
Любой заряд кратен элементарному заряду e = 1,6*10 -19 Кл. Это означает, что любой заряд q можно представить таким образом (N — некоторое целое число):
Заряд электрона qe = — e, заряд протона qп = e.
Закон сохранения электрического заряда
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов постоянна.
Закон Кулона
Как уже известно, разноименно заряженные заряды притягиваются друг к другу, а одноименно — отталкиваются. Сила, с которой это происходит, если заряды неподвижны и точечны, определяется законом Кулона:
Здесь q1 и q2 — заряды, r — расстояние между центрами зарядов (в случае, если заряды точечны — расстояние между ними, если же заряды сферические — расстояние между их центрами). В случае вакуума k = 9*10 9 Н*м2/Кл2.
При расположении зарядов в воздухе также можно пользоваться этим значением.
Если заряды находятся не в вакууме и не в воздухе
Часто k записывают в другом виде:
Здесь π ≈ 3,14 это число Пи, а ε0 ≈ 8,85*10 -12 Кл2/Н*м2 — магнитная постоянная.
Также можно, в случае ε ≠ 1, просто поделить k на ε, получив тот же результат. Более подробную запись k стоит использовать лишь для дополнительных сокращений — например, если F домножается на 4π.
Газы
| Вещество | ε |
|---|---|
| Азот | 1,0058 |
| Водород | 1,00026 |
| Воздух | 1,00057 |
| Вакуум | 1 |
| Водяной пар (t = 100 °С) | 1,006 |
| Гелий | 1,00007 |
| Кислород | 1,00055 |
| Углекислый газ | 1,00099 |
Жидкие тела
| Вещество | ε |
|---|---|
| Азот жидкий (t = -198,4 °С) | 1,4 |
| Бензин | 1,9-20 |
| Вода | 81 |
| Водород жидкий (t = -252,9 °С) | 1,2 |
| Гелий жидкий (t = -269 °С) | 1,05 |
| Глицерин | 43 |
| Кислород жидкий | 1,5 |
| Масло трансформаторное | 2,2 |
| Спирт | 26 |
| Эфир | 4,3 |
Твердые тела
| Вещество | ε |
|---|---|
| Алмаз | 5,7 |
| Бумага парафинированная | 2,2 |
| Дерево сухое | 2,2-3,7 |
| Лед (t = -10 °С) | 70 |
| Парафин | 1,9-2,2 |
| Резина | 3-6 |
| Слюда | 5,7-7,2 |
| Стекло | 6-10 |
| Титан бария | 1200 |
| Фарфор | 4,4-6,8 |
| Янтарь | 2,8 |
Электрическое поле
Напряженность
Напряженность электрического поля — векторная характеристика поля, сила, действующая на единичный покоящийся в данной системе отсчета электрический заряд.
Направление вектора E̅ совпадает с направлением силы F̅, действующей на положительный заряд и противоположно направлению силы, действующей на отрицательный заряд.
Модуль напряженности заряда q0 на расстоянии r от другого заряда (величина заряда неважна):
Принцип суперпозиции полей
Если несколько зарядов создают в данной точке напряженности E̅1, E̅2…, то результирующая напряженность в этой точке равна:
Заметьте, что здесь сумма векторных величин — важно не только числовое значение, но и направление вектора.
С примерами расчета векторной суммы вы можете ознакомиться в разделе Динамики в подразделе Силы.
Потенциал электрического поля
Потенциал электростатического поля в данной точке численно равен работе, которую нужно затратить, чтобы переместить заряд из этой точки поля в бесконечность (такую точку в пространстве, где напряжение поля настолько мало, что его можно считать равным 0).
Из курса динамики вспомним, что работа равна изменению механической энергии тела (в нашем случае заряда). В изначальной точке заряд имеет потенциальную энергию Eп1, на бесконечности — Eп2 = 0. Кинетическая энергия в обеих точках равна 0, ведь заряд в обеих точках неподвижен. Таким образом, изменение энергии численно равно потенциальной энергии в изначальной точке:
Разность потенциалов
Разностью потенциалов (напряжение) между двумя точками поля называют отношение работы поля по перемещению заряда из начальной точки в конечную к величине заряда:
Однородное поле
В однородном электрическом поле напряженность E во всех точках одинакова, и работа A по перемещению заряда q параллельно E̅ на расстояние d (в электростатике расстояние иногда обозначают таким образом) между двумя точками с потеницалами φ1 и φ2 равна:
Выразив напряжение, получим:
Таким образом, напряженность прямо пропорциональна напряжению (разности потенциалов) и направлена в сторону уменьшения потенциала.
Поэтому положительный заряд будет двигаться в сторону уменьшения потенциала, а отрицательный — в сторону его увеличения.
Электрический ток
Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.
Условия существования электрического тока
- Наличие в теле носителей тока (свободных частиц).
- Наличие электрического поля внутри проводника, создающее между концами проводника разность потенциалов U = φ1 — φ2, заставляющее носителей заряда двигаться в заданном направлении.
Сила тока
Сила тока — величина, численно равная количеству заряда Δq, проходящему поперечное сечение проводника за единицу времени.
Законы постоянного тока
Постоянный ток не изменяется по величине (I = const) и направлению.
Закон Ома для участка цепи
Сила тока на участке цепи равна отношению напряжения на этом участке цепи к его сопротивлению.
Электрическое сопротивление
Электрическое сопротивление характеризует противодействие проводника или электрической цепи электрическому току.
Сопротивление однородного (полностью состоящего из одного материала) проводника зависит от удельного сопротивления проводника p (которое в свою очередь зависит от материала проводника), его длины l и поперечного сечения S:
Удельное сопротивление проводника численно равна сопротивлению проводника из данного материала единичной длины и единичной площадью поперечного сечения.
Удельное сопротивление проводника измеряется либо в Ом/м2, либо в мОм/м2, в зависимости от размерности других величин. Например, если длина дана в …
Исследуя прохождение α-частицы через тонкую золотую фольгу (см. п. 6.2), Э. Резерфорд пришёл к выводу о том, что атом состоит из тяжёлого положительного заряженного ядра и окружающих его электронов. Ядром В Заряд ядра В настоящее время известны ядра с Z Число нуклонов в ядре A Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом , где X Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. где R Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ. Протоны и нейтроны являются фермионами Ядро атома имеет собственный момент импульса
где I Число I Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон Здесь e Ядерный магнетон в m p Между спином ядра и его магнитным моментом имеется соотношение: где γ яд – ядерное гиромагнитное отношение Нейтрон имеет отрицательный магнитный момент μ n Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра
где b Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке: |
Открытие нейтрона. Вклады неравны. Модель атома в виде положительно заряженного шара. Викторина. Обозначение ядра атома. Атом имеет ядро. Ядерные силы. В космических глубинах. Представления о строении атома. Теория ядра. Ядро атома состоит из нуклонов. Протонно-нейтронная модель ядра атома.
Протоны являются носителями элементарного положительного заряда, нейтроны – электрически нейтральны.
Законы сохранения. Элементарные частицы – частицы, ведущие себя как безструктрурные. Синтез трансурановых химических элементов. Спектр?-излучения – дискретный.
Радиусы орбит растут пропорционально квадрату номера орбиты. На первой орбите атома водорода (n=1; Z=1) скорость равна ≈ 2,2·106 м/с, то есть примерно в сотню раз меньше скорости света с=3·108 м/с.) и массу электрона (она почти в 2000 раз меньше массы атома водорода).
При наложении бесчисленного множества таких фотографий получилась бы картина электронного облака с наибольшей плотностью там, где этих точек будет больше всего.
Оно характеризует энергию электронов, занимающих данный энергетический уровень. Наименьшей энергией обладают электроны первого энергетического уровня, наиболее близкого к ядру.
Подуровни в свою очередь образованы орбиталями. Каждому значению
Электроны обозначают e — .
Химические свойства изотопов большинства химических элементов совершенно одинаковы. Однако изотопы водорода сильно различаются по свойствам из-за резкого кратного увеличения их относительной атомной массы; им даже присвоены индивидуальные названия и химические знаки.
е. элементы, у которых идет заполнение соответственно 4f- и 5f-подуровней третьего снаружи электронного слоя.
Электронами заполняется р-подуровень внешнего уровня атома; к р-элементам относятся элементы главных подгрупп III- VIII групп.
Если на орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным, если два, то это спаренные электроны, т. е. электроны с противоположными спинами. На рисунке показана схема подразделения энергетических уровней на подуровни и очередность их заполнения.
Сформулировано Фридрихом Хундом в 1925 году.
Физически это означает, что в водородоподобном атоме (в отсутствие межэлектронного отталкивания) орбитальная энергия электрона определяется только пространственной удаленностью зарядовой плотности электрона от ядра и не зависит от особенностей его движения в поле ядра.
Ещё Э. Резерфорд, анализируя свои опыты, показал, что размер ядра примерно равен 10 –15 м (размер атома равен 10 –10 м). Существует эмпирическая формула для расчета радиуса ядра:
Ядра с нечетными
Его направление совпадает с направлением спина протона.
Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z — порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е — величина элементарного электрического заряда.
Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны
Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.
), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е — элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 -10 эл.-ст. ед.), и Z — атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А-Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов.
При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются:
Опыты показали, что микрочастицы — электроны, протоны, атомы и т. д.,- кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии.
Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е 0 , в какое-либо из возбужденных состояний E i происходит при поглощении определенной порции энергии Е i — Е 0 . Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= E i — Е k где h — постоянная Планка (6,62·10 -27 эрг·сек), v — частота света.Как физики изучают элементарные частицы? — ФПФЭ
Игорь Иванов,
кандидат физико-математических
наук,
Институт математики СО РАН (Новосибирск) и Льежский
университет (Бельгия)
Земная
материя
Почему кварки не
бывают свободными
Что такое
эксперимент в физике элементарных частиц
Мощнейший в
мире ускоритель
Практика перевода
с английского на русский
Ох, нелегкая
это работа.
..
Сто тысяч
миллионов
По мнению
ученых…
И снова о
материи
В декабре 2006 года по лентам научных информагентств и СМИ
прошло странное сообщение об открытии «свободных топ-кварков»
в эксперименте DZero на коллайдере Тэватрон и о том, как это открытие
приводит к «еще лучшему пониманию свойств материи» . На самом деле
речь идет об изучение процесса одиночного рождения топ-кварка (без
сопровождающего его антикварка), а самый достойный для широкого освещения
аспект этого исследования заключается в том, как проводилось это
исследование (см. подробности в заметке Умные алгоритмы
помогли совершить открытие в физике элементарных частиц).
Подавляющее большинство сообщений СМИ об этой работе изобилуют
фактическими ошибками и неправильно расставленными акцентами.
Но главное
даже не это. Беда в том, что эти сообщения представляют
в совершенно искаженном виде то, как работают физики, то,
что именно они в конце концов получают, и то, зачем они этим
занимаются. В этой статье на примере подробного анализа полного текста
новости Ученые приблизились к пониманию строения земной материи
я постараюсь объяснить, в чем именно заключаются ошибки, и рассказать, как
всё обстоит на самом деле. (Эта конкретная новость не выделяется чем-то
особенным из всего множества сообщений, а, скорее, служит
их типичным представителем.) Начнем с заголовка.
Земная материя
Ученые приблизились к пониманию строения
земной материи
Заголовок, конечно, крайне неудачен. «Строение земной
материи» навевает мысли о геологии, но никак не о физике микромира.
Чуть-чуть улучшить его можно было бы, убрав или заменив слово «земная», и в
первой строчке заметки так и сделано.
Однако эта замена всё равно ситуацию не
исправляет просто потому, что получившаяся фраза совершенно
никак не характеризует то, что же, собственно,
сделано.
На самом деле, суть работы состоит в том, что наконец-то
обнаружен редкий процесс в столкновении элементарных частиц. Если
быть честными, то надо признать, что это в общем-то рутинный
результат, который сам по себе ни к какому большому открытию не привел
(хотя, в принципе, может — для этого надо будет улучшить
точность эксперимента). Однако в этой истории есть два важных
момента: во-первых, эта реакция очень интересует теоретиков, которые
надеются с ее помощью проверить некоторые свои построения,
а во-вторых, это был исключительно трудоемкий анализ, поэтому-то
коллаборация так гордится результатом.
Я пока повременю с объяснением, что же на самом деле означает фраза
«…на шаг приблизились к окончательному пониманию строения и свойств
.
.. материи», и перейду непосредственно к описанию эксперимента.
Почему кварки не бывают свободными
| « | Физикам-экспериментаторам из | » |
Крамольное слово «свободные» моментально превращает текст
новости в фарс. Переводчик (вероятно, из ИТАР-ТАСС) лихо перевел
«single top-quark production» как «рождение свободного топ-кварка», вскрыв
тем самым целый пласт недопониманий, вот уже десятки лет сопровождающих
эту тему.
Поясню подробно, в чём тут дело.
Почти вся масса любого атома сосредоточена в |
Сначала — краткий экскурс в современную теорию строения
вещества. Всё вещество состоит из атомов, а они состоят из
компактного ядра и электронов, сидящих на своих электронных оболочках на
большом (по сравнению с ядерными масштабами) удалении от ядра. Ядро,
в свою очередь, — это набор протонов и нейтронов, крепко
связанных друг с другом за счет ядерного взаимодействия.
Ядерное взаимодействие очень сильное, во много раз сильнее
электромагнитного взаимодействия, ответственного за химические
связи — достаточно сравнить энергию обычного, химического взрыва и
ядерного взрыва.
Однако у ядерных сил, связывающих протоны и
нейтроны, и электромагнитных сил, связывающих отдельные атомы
в молекулы, есть общая черта — они ослабевают при
удалении частиц друг от друга. Именно поэтому можно получить
свободный атом — то есть атом, отделенный от всех
остальных атомов (манипулировать отдельными атомами с помощью скрещенных
лазерных лучей физики научились уже давно). Можно также получить
отдельный, свободный протон или нейтрон — они, например, вылетают из
некоторых радиоактивных ядер.
Для того, чтобы изучить сильные взаимодействия, физики разгоняют
элементарные частицы, например протоны, и сталкивают их друг
с другом. Если энергия частиц невелика, то они просто упруго
отскакивают друг от друга без какого-либо изменения. Если же энергия
достаточно велика, то в столкновении протонов рождаются новые
нестабильные частицы. Реакции первого типа относятся, скорее,
к ядерной физике, а настоящая физика элементарных частиц занимается
изучением реакций второго типа.
Это, кстати, дало второе название физике
элементарных частиц — физика высоких энергий.
Многочисленные эксперименты по столкновению частиц при высокой энергии
навели физиков на мысль, что и протоны и нейтроны не элементарны,
а состоят из других, более фундаментальных частиц — кварков.
Семейство адронов — то есть частиц, состоящих из кварков, —
очень велико: протоны, нейтроны, пи-мезоны, К-мезоны и т. д.
(Отдельный кварк адроном не является.) Все они, за исключением
протона, — нестабильны, распадаются на другие частицы. Например,
нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино; K-мезон
распадается на два пи-мезона, которые далее распадаются на мюон и нейтрино
и т. п.
Однако ни разу ни в каком распаде никакого адрона не
наблюдались свободные кварки. То есть адроны состоят из кварков, но
распадаются не на них, а на группки кварков, а если кварков
в исходном адроне для этого не хватает, то квантовые флуктуации
породят столько кварк-антикварковых пар, сколько нужно.
Глюонные силы, связывающие кварки в протоне, |
Такая неожиданная особенность поведения кварков связана со свойствами
сильного
взаимодействия — глюонного поля, которое связывает кварки внутри
адронов.
В отличие от гравитационных или электрических сил, и даже
в отличие от ядерных сил между протонами и нейтронами, сила
взаимодействия, связывающего кварки, не уменьшается с удалением их
друг от друга. В результате какую бы энергию мы ни передали
отдельному кварку, он не сможет удалиться от своего соседа на какое-то
экспериментально измеряемое расстояние. Более того, кварки, разлетевшиеся
уже на несколько фемтометров (1 фм примерно равен размеру протона),
обладают такой большой потенциальной энергией глюонного поля, что она тут
же тратится на рождение других кварк-антикварковых пар. Иными словами,
передав любому адрону достаточно большую энергию, мы дестабилизируем его,
заставляем его тут же распадаться на другие адроны.
Чем дальше кварки удаляются друг от |
org)В этом смысле по-настоящему свободный кварк — то есть кварк,
сильно отдаленный от всех иных кварков, — создать невозможно.
Кварки существуют только в связанном состоянии, и явление, отвечающее
за это вечное пленение кварков, называется конфайнмент. Это
неизбежный вывод в рамках квантовой хромодинамики — единственной известной на
сегодня теории, которая может описать все свойства адронов и их
столкновений. (Несмотря на многочисленные попытки, никакой альтернативной
теории, способной описать всю совокупность данных, так и не
построено.)
Конечно, это всё очень непохоже на те силы, с которыми мы
сталкиваемся в повседневной жизни (что неудивительно — ведь все
они, в конечном счете, сводятся к электромагнитным взаимодействиям и
гравитации). Поэтому людям, которые считают, что все физические явления
должны объясняться в простых, интуитивных, общепонятных терминах,
здесь видится какой-то обман.
Некоторые из них прямо говорят, что кварки
вместе с их пленением — это всё выдумки теоретиков, которые попросту
запутались в описании микромира. Либо частицы существуют — и
тогда их можно выделить, либо они не существуют.
Разумеется, кварки существуют, этому имеется множество экспериментальных доказательств, которых
ниспровергатели попросту не понимают, но речь тут даже не об этом. Речь
о том, что заявление «обнаружены свободные кварки», прошедшее
по многим СМИ и подкрепленное ссылками на пресс-релизы и научные статьи
(да только кто же их читать будет, на буржуйском-то языке), попросту дает
в руки «альтернативщикам» новую «дубинку». «Так, значит, кварки
существуют в свободном виде, так что ж нам физики голову-то морочили!
Вот и вскрылся обман, теперь-то им никуда не деться!»
В результате физикам приходится делать лишнюю работу, устраняя
негативные последствия этих ошибочных сообщений, объяснять, что же на
самом деле имелось в виду в этих «научных» новостях.
Журналисты
должны понимать, что такими безответственными сообщениями они не просто
дезинформируют читателей, но и наносят удар по престижу современной физики
и науки вообще.
Возвращаясь к утверждению о том, что кварки не существуют
в свободном виде, замечу, точности ради, что и это еще не вся правда.
Как раз топ-кварки отличаются от всех других кварков тем, что они —
в некотором смысле! — всегда свободны. Дело в том,
что конфайнмент начинает сказываться на движении кварка, лишь когда он
отлетит от точки рождения на расстояния порядка 1 фм
(10–15 м). Однако топ-кварк обладает столь малым временем
жизни, что такую «большую» дистанцию он просто не успевает пролететь.
В результате рождение и распад топ-кварка можно описывать без учета
эффектов конфайнмента — то есть не обращая внимания на то, что
кварки связаны в адроны.
Наконец, стоит заметить, что называть топ-кварки «верхними» кварками не
стоит.
Термин «верхний кварк» уже давно закрепился за самым легким среди
всех кварков — u-кварком (up-кварком). (Интересно отметить, что некоторые СМИ
допустили тут двойную ошибку и прямо написали об «открытии свободного
u-кварка». На самом деле, u-кварк — это самый обычный кварк, который
наряду с d-кварком входит в состав протонов и нейтронов.)
Причина такого не самого удачного выбора имен в том, что с точки
зрения слабых взаимодействий кварки объединяются в пары (то есть
шесть кварков надо представлять себе как три пары). В таких парах
одну частицу принято называть «верхней», а другую «нижней»
(математически, такие пары похожи на два состояния спина электрона —
спин вверх и спин вниз). Когда открыли первую пару кварков, то названия
up «верхний» и down «нижний» напрашивались сами собой;
названия для второй пары кварков — «странный» и «очарованный» —
возникли по иным мотивам, а когда речь зашла про кварки третьей пары,
то физики для своего удобства придумали синонимы английским словам
up и down («верхний» и «нижний») — top и
bottom; а в русском языке таких синонимов не нашлось (и up,
и top на русский переводятся одним словом — «верхний»).
Впрочем, у третьей пары есть и альтернативные названия — true
и beauty, «истинный» и «прелестный» кварки.
Вся эта чехарда с именами особого значения не имеет, однако путаться
в терминологии не стоит.
Что такое эксперимент в физике элементарных частиц
| « | Этого уникального результата | » |
Эта фраза создает у читателя совершенно неверное представление
о том, как вообще протекают эксперименты в физике элементарных
частиц. Никакого отдельного эксперимента, поставленного исключительно для
поиска одиночного топ-кварка, не было.
Ускоритель и детекторы такой
стоимости, такого уровня сложности и таких трудозатрат строятся для того,
чтобы одновременно изучать огромное количество самых разнообразных
процессов.
| Современные гигантские ускорители строятся вовсе не для того, чтобы провести всего лишь какой-то один опыт над элементарными частицами. В современном эксперименте изучается сразу всё, что может произойти с исходными частицами, фактически проводятся сразу десятки и сотни параллельных экспериментов. На этой фотографии показан момент установки одного из тысяч сверхпроводящих магнитов в туннеле коллайдера LHC. (Фото с сайта lhc-machine-outreach.web.cern.ch) |
Изучение какого-то конкретного процесса на современном ускорителе
выглядит примерно так.
Ускоритель работает на протяжении одного-двух
десятков лет — не непрерывно, конечно, а по нескольку месяцев
в году (остальное время тратится на обслуживание, модернизацию,
устранение неполадок или просто пережидание холодного времени года, чтоб
не тратить дорогую электроэнергию). У физиков-ускорительщиков есть
даже условная единица измерения — «стандартный ускорительный год»,
равный 10 миллионам секунд (физики любят подчеркивать, что это
примерно в π раз меньше, чем длительность календарного года).
В течение всего этого времени регулярно, с частотой
в миллионы раз в секунду, сталкиваются сгустки частиц. Кстати,
сгусток (bunch) и пучок (beam) частиц — это
не одно и то же. Частицы в кольцевом ускорителе летают,
удерживаемые магнитным полем, вдоль одной и той же орбиты. Весь этот поток
частиц образует пучок (а точнее, два встречных пучка, которые
движутся по двум разным пересекающимся орбитам).
Однако этот пучок не
сплошной, а разбит на компактные кучки — сгустки, —
следующие друг за другом на одинаковом расстоянии. В результате
в точке пересечения двух встречных пучков частицы сталкиваются
не непрерывно, а через строго определенные промежутки времени;
а вокруг этой точки стоят многослойные детекторы элементарных частиц,
который пытаются уловить всё, что рождается в столкновениях.
Частицы в пучке на ускорителе собраны |
В каждом сгустке обычно собраны многие миллиарды частиц.
Кстати,
сгустки — это вовсе не «шарики» или «облачка» частиц, а длинные
и тонкие «иглы» толщиной несколько десятков микрон и длиной порядка метра.
(И вот этими летающими на встречных курсах «иглами» надо управлять
так, чтобы в месте встречи они точь-в-точь пронзали друг друга!)
Однако плотность частиц в сгустках не так велика, как может вначале
показаться: плотность атомов в обычном веществе гораздо больше.
В результате, когда два сгустка сталкиваются, то из всех миллиардов
миллиардов «попыток» реально сталкивается лишь очень небольшое число
частиц — одна-две, иногда несколько. Каждое такое столкновение
у физиков называется громким словом «событие».
В подавляющем большинстве столкновений сгустков происходят какие-нибудь
«неинтересные» события: например, небольшое отклонение одного из протона
под действием электрических сил встречных частиц. Неинтересные они потому,
что физики и так давным-давно знают всё, что происходит в этом
процессе.
Реже, но все-таки довольно часто, много раз в секунду,
происходят и более интересные события — например, рождение и распад
тяжелой нестабильной частицы, или рождение более стабильных частиц,
которые уже долетают до детекторов и оставляют там свои следы (чуть позже
я расскажу вкратце, как именно детектируются частицы, какой именно след
они оставляют в детекторе). Вот это уже считается интересным
событием, и такие события «в сыром виде» записываются для дальнейшей
обработки. И уж совсем редко (раз в минуту, в час,
в день — в зависимости от типа события) происходят очень
интересные события — например рождение очень редких частиц или
проявление очень слабых сил взаимодействия между частицами. Именно за
такими очень интересными, но редкими событиям и охотятся физики. Именно
они позволяют узнать то, что не было изучено в предыдущих
экспериментах и над чем ломают головы теоретики.
Всё. Этот сбор «интересных» событий (как говорят физики, накопление
статистики) — и есть эксперимент, проводящийся на данном
детекторе.
Самое интересное начинается дальше…
Так выглядит типичное «интересное» событие в |
Самое интересное начинается дальше, на стадии обработки
эксперимента.
Из всей коллаборации выделяется группа в несколько (или
в несколько десятков) человек, которой поручается извлечение
какого-то определенного процесса из всей сырой статистики, накопленной,
скажем, за 2002-2005 год. Например, поиск событий рождения одиночного
топ-кварка. Или измерение массы какого-то конкретного мезона. Или попытки
найти проявления некоторых экзотических моделей, которые в данное
время в моде у теоретиков.
Экспериментаторы, порасспросив теоретиков и почитав статьи, изучают,
что говорит теория по поводу нужной реакции, а также всех тех
иных реакций, которые могут оказаться похожими на нее по своим следам
в детекторе (такие реакции, которые присутствуют, но в данном
анализе напрямую физиков не интересуют, называются «фоновыми процессами»).
Результатом этого анализа становится список критериев, которым должна
удовлетворять искомая реакция: например, столько-то частиц такой-то
энергии, углы отклонения от оси не больше такой-то величины
и т.
д. Затем перебираются все записанные сырые данные и
извлекаются те, которые удовлетворяют нужным критериям.
Это первый, самый простой шаг. После него уже начинается тщательнейший
анализ выбранных событий: строятся распределения по импульсами и энергиям,
зачастую многомерные, пишутся и многократно перепроверяются специальные
программы моделирования, оцениваются многочисленные погрешности как самого
детектора, так и методики обработки, и многое другое. Каждый шаг
многократно обсуждается и перепроверяется, регулярно проводятся рабочие
встречи группы, на которых отслеживается прогресс в каждом из
компонентов этого анализа.
На эту работу уходят минимум месяцы, часто — годы, так что
участвующие в обработке студенты успевают защитить диссертации и
стать полноправными учеными. Однако на масштабе всей коллаборации
одновременно идут десятки таких анализов разных процессов, и потому свежие
результаты коллаборации появляются регулярно.
Возвращаясь к фразе из заметки, становится понятно, что никакой
эксперимент не закончился 8 декабря. В этот день был представлен
лишь окончательный доклад группы, которая занималась выделением сигнала
одиночного топ-кварка, всем остальным членам коллаборации. Препринт об
этом исследовании, hep-ex/0612052, появился 21 декабря, но сам
эксперимент продолжает свою работу и по сей день.
Кстати, стоит подчеркнуть, что соавторами каждой такой статьи
становятся все участники коллаборации, а не только непосредственно те
люди, которые занимались обработкой данных и поиском нужного сигнала. Это
стандартная политика, которой придерживаются все большие коллаборации
в физике элементарных частиц, и потому приписывать честь открытия
только группе из 50 человек под руководством Энн Хейнсон (Ann Heinson),
которые непосредственно анализировали события, было бы пренебрежением к
«кодексу чести» физиков-экспериментаторов.
В этом вопросе СМИ тоже не избежали ошибок. Тут и тут, например, утверждается, что Энн Хейнсон является
руководителем всей коллаборации DZero и что именно под ее руководством был
поставлен эксперимент. На самом деле руководят коллаборацией DZero другие
люди, и насчитывает она не 50, а более 500 исследователей.
(Это число изменяется со временем; см. график численности исследователей и их базовых
организаций.)
Ясно также, что не завершения эксперимента ждали физики 12 лет.
Они ждали, когда статистики накопится достаточно много, а методы ее
обработки станут достаточно «прозорливыми», чтобы углядеть искомый сигнал
на нужном уровне статистической значимости. Развитие ситуации было вовсе
не столь прямолинейное: закончился эксперимент — и сразу открытие. На
самом деле нужные события время от времени регистрировались на протяжении
последних лет, и постепенно росла уверенность, что действительно
наблюдается искомый сигнал, а не проявление фоновых процессов.
Были и
более ранние публикации этой же группы, посвященные поиску одиночного
топ-кварка, в которых сообщалось, что статистика пока не позволяет
сделать выводы о существовании этого процесса, но и не противоречит ему.
Сейчас же произошло лишь одно: вероятность «случайного совпадения» стала
настолько малой, что физики уже имели право сказать: в нашем
эксперименте действительно есть указание на существование искомого
процесса. Поскольку эксперимент продолжается, то через год-полтора стоит
ожидать новую публикацию по этой теме, с более точным результатом
измерения вероятности процесса одиночного рождения топ-кварка.
Интересно, кстати, заметить, что разница между собственно экспериментом
и его обработкой становится наиболее явной по окончании работы какого-то
большого эксперимента. Иногда даже складывается такая парадоксальная
ситуация. Эксперимент, скажем, за пять своих последних лет работы накопил
столько статистики, что ее просто некому стало обработать.
Молодежь уже на
этот эксперимент не идет — ведь он закончился! — группа редеет,
все заняты подготовкой нового эксперимента, заниматься обработкой старого
уже недосуг. В результате сырые данные со всеми своими возможными
открытиями так и лежат, пылятся, никто за них и не берется. Эксперимент
проведен, но остался не расшифрован.
Мощнейший в мире ускоритель
| « | Исследования проводились на | » |
Эпитет «мощнейший» неудачен. Что мощнее — самолет-истребитель
или товарный поезд из 100 вагонов? Разумеется, надо сравнивать не
некую фиктивную «мощность», а те ключевые параметры, которые
характеризуют физическую установку.
Для коллайдера это полная
энергия, светимость и, если хотите, скорость разогнанных
частиц.
По всем этим параметрам Тэватрон не лидер. Энергия протонов
в Тэватроне составляет около 1 ТэВ
(1012 электронвольт, эВ), но на коллайдере
ультрарелятивистских ионов RHIC ядра золота разгоняются аж до 20 ТэВ. Правда,
эта энергия распределена поровну между всеми 197 нуклонами, из
которых состоит ядро золота, так что на каждый из них приходится только
0,1 ТэВ. Кстати, летящий по комнате комар тоже обладает примерно
такой же кинетической энергией — в несколько
(десятков) ТэВ, только распределена эта энергия между всеми его
1022 атомами.
Скорость протонов, разогнанных на Тэватроне, больше, чем на RHIC,
это верно. Однако практически любой электрон-позитронный коллайдер легко
переплюнет Тэватрон и по этому параметру. Дело в том, что
скорость ультрарелятивистских частиц (то есть частиц, движущихся со
скоростью, близкой к скорости света c) зависит не столько
от самой энергии, сколько от отношения энергии разогнанных частиц к
энергии покоя, то есть к массе.
Это отношение называется
гамма-фактором, и скорость частицы вычисляется по формуле
(v/c)2 = 1 – 1/γ2.
На коллайдере RHIC γ составляет около 100, а на Тэватроне —
1000, поэтому и скорости будут равны, соответственно, 0,99995 и
0,9999995 c. Кстати, видно, что скорость протонов
в Тэватроне превышает скорость ядер в RHIC всего на
15 км/сек — мелочи по сравнению со скоростью света. На довольно
скромном электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2М в Новосибирске, верой и правдой отслужившем
не один десяток лет, электроны разгонялись до энергии всего
0,7 ГэВ (0,7 × 109 эВ). Однако этой
небольшой энергии соответствует гамма-фактор 1400, а значит,
скорость 0,99999975 c, что на 75 м/с превышает скорость
протонов в Тэватроне.
Скромный ускоритель ВЭПП-2М (слева) в |
(Фото с сайтовВсе эти числа подчеркивают одну простую мысль: сравнение скоростей
ультрарелятивистских частиц не имеет особого смысла, так что слова про
«огромную скорость» протонов по большому счету пустые, но даже по этому
параметру Тэватрон вовсе не лидер.
Остается светимость — величина, показывающая насколько
эффективен коллайдер, то есть как часто удается провести
реакции нужного типа. Эта величина зависит от многих параметров
ускорителя: от частоты столкновения сгустков, от количества частиц
в каждом сгустке и от того, насколько плотно они сфокусированы
в месте столкновения. Так вот, светимость электрон-позитронных
коллайдеров KEKB в Японии и PEP-II в США, в Стэнфорде (на
этих двух ускорителях работают так называемые b-фабрики)
в сто раз превосходит светимость Тэватрона.
Так почему же Тэватрон умудряется делать открытия, недоступные другим
коллайдерам? По какому параметру он лидер?
Он лидер по концентрации энергии, то есть по энергии,
приходящейся на одну частицу. Когда на RHIC сталкиваются друг
с другом два ядра, то самые жесткие реакции протекают не на уровне
цельных ядер, а на уровне отдельных протонов. Именно поэтому на
Тэватроне с энергией 1 ТэВ на протон идут те реакции, которые
невозможны (а точнее, теоретически возможны, но обладают бесполезно
малой вероятностью) на RHIC с его энергией 20 ТэВ на ядро и
уж тем более — в столкновении двух комаров с той же
энергией.
Практика перевода с английского на русский
| « | Признаки существования | » |
Эта наукообразная фраза даже не неправильна, она просто
бессмысленна. Причина этого — сразу несколько смысловых ошибок,
вызванных неправильным переводом исходной фразы из пресс-релиза.
Цитата из текста новости по искажению смысла |
Во-первых, подчеркну, что в описываемом эксперименте вовсе не
«впервые обнаружены топ-кварки». Эти кварки были открыты еще
в 1995 году, однако до сих пор надежно был изучен только процесс
парного рождения топ-кварка и его антикварка.
Так что в этой работе
изучались не «признаки существования» топ-кварка, а признаки его
одиночного рождения.
Слово «оттенены», может быть, и красивое, но использовано оно не к
месту. Это слово наводит на мысль, что «другие процессы» подчеркивают,
делают более выразительным искомый процесс. На самом деле, ситуация
совершенно противоположная: другие процессы слишком похожи по своим
проявлениям на рождение одиночного топ-кварка и мешают его выделению из
накопленной статистики. В англоязычной литературе в этой
ситуации используют слово «mimic», что на русский можно более точно
перевести как «имитируют», «маскируют», в крайнем случае —
«затмевают собой»: посторонние, фоновые процессы затмевают собой искомый
сигнал.
Далее, ясно что никакие процессы «на уровне атомов» тут не могут
играть никакой роли. Атомные и молекулярные явления протекают на
расстояниях в миллионы раз больших, временах в миллиарды раз
больших, и при энергиях в десятки миллиардов раз меньших, чем те, на
которых происходит рождение и распад топ-кварка.
Напомню, что жизнь
топ-кварка столь быстротечна, что он ничего не успевает узнать даже про
атомные ядра, не говоря уж об атомах! Процессы, которые маскируют
одиночное рождение топ-кварка, это тоже субъядерные процессы, которые
никаким боком к атомным явлениям не относятся. В пресс-релизе
использован термин «субатомные процессы», который, конечно, тоже не очень
точен, но, по крайней мере, осмыслен.
Наконец, оборот речи «…которые происходят на более высоких
уровнях» возник из фразы «…that occur at much higher rates»,
что означает всего лишь «… которые происходят с более высокой
частотой».
Итак, процитированная фраза на самом деле означает следующее:
«Проявления рождения одиночного топ-кварка легко теряются на фоне
гораздо большего числа похожих на него посторонних процессов.»
Ох, нелегкая это работа…
| « | Чтобы вычленить существование | » |
На первой стадии они выбрали примерно 1400 процессов,
Замечу, во-первых, что во фразе «пришлось применять чрезвычайные
сложные критерии отбора» и заключена основная суть описываемой
новости. Именно это есть то, чем так гордятся авторы этой работы. Более
подробно об этом можно прочитать в заметке Умные алгоритмы
помогли совершить открытие в физике элементарных частиц.
Второе замечание более тонкое. Если начало фразы «На первой стадии
они выбрали примерно 1400 событий…» верное (разумеется, после
исправления «процессов» на «событий»), то окончание —
«… удалось выявить 62 случая рождения одиночных
топ-кварков» — совершенно неверное (даже после исправления другой
ошибки «свободных» на «одиночных»).
Эта фраза подразумевает,
что после кропотливого анализа физики разделили все 1400 событий на
две «кучки»: вот те 62 события, которые нас интересуют, а вот
остальные 1338 событий, которые нас не интересуют. Так вот, такое
разделение в данном анализе попросту невозможно! На этом моменте
стоит остановиться подробнее, потому что он иллюстрирует одну из важных
трудностей в анализе сложных процессов элементарных частиц.
Начну с аналогии. Представьте себе директора кинотеатра, который
недоволен посещаемостью своего заведения — статистика за последний
год говорит ему, что продается в среднем по 20-30 билетов на
сеанс. Обычно это или случайные посетители, или завсегдатаи, взявшие
в привычку ходить на все новые фильмы подряд. Для того чтобы привлечь
побольше публики, директор перед очередным показом провел массированную
рекламную кампанию, и в результате на следующий сеанс было продано аж
60 билетов!
Можно ли примерно оценить эффект от рекламной кампании? Да, конечно;
она привела 30-40 новых человек.
Для более точного анализа надо
сначала нарисовать график посещаемости нескольких последних сеансов и
выяснить тенденцию изменения посещаемости до рекламной кампании.
Затем эту тенденцию нужно экстраполировать на сегодняшний сеанс, вычислить
ожидаемое количество посетителей без рекламы и, сравнив его с фактической
продажей билетов, получить рекламный эффект.
Хорошо, но можно ли в этом случае сказать что-то определенное про
конкретного посетителя, купившего билет, скажем, за
номером 45? Привела ли его реклама или же это был «постоянный
клиент»? Не расспросив его, этого узнать нельзя — факт продажи билета
никак не различает эти две возможности. То есть, сравнивая статистику
«раньше» и «сейчас», мы можем узнать примерное количество людей
в целом, пришедших благодаря рекламе, однако в каждом
конкретном случае, про каждого конкретного посетителя мы не можем
сказать ничего достоверного.
Этот рисунок иллюстрирует ту порой скучную и |
В случае оценки вероятности одиночного рождения топ-кварка ситуация
ровно такая же.
Один и тот же набор частиц, долетевших до детекторов, мог
получиться как в результате рождения и распада топ-кварка, так и без
него. Указать, какие конкретно события среди этих 1400 событий
получились за счет топ-кварка, — невозможно. Максимум, что можно
оценить — это вероятность того, что данное событие получилось
за счет топ-кварка. Однако это не мешает ученым выяснить на основании
статистического анализа всей выборки в целом, каков в среднем
процент топ-кварковых событий.
Для этого физики — по аналогии с графиком посещаемости
кинотеатра — строят график распределения событий по кинематическим
параметрам — например, по энергиям зарегистрированных частиц или
по углам их разлета друг относительно друга. В таких распределениях
искомые события, вызванные рождением и распадом топ-кварка, выглядят как
небольшой «бугорок» на плавном фоне гораздо большего числа событий,
вызванных иными процессами.
Сравнив количество событий непосредственно на
пике и вдали от него, можно примерно оценить количество топ-кварковых
событий.
Стоит, впрочем, подчеркнуть, что в данном анализе этот бугорок был
столь маленький, что просто так его и не заметишь. Именно для этого
пришлось строить несколько десятков разных распределений и использовать
умные алгоритмы, натренированные на распознавание таких сигналов.
Возвращаясь к процитированной фразе, поясню напоследок, откуда
появилось это загадочное число 62. Всё очень просто:
62 ± 13 — примерно столько событий предсказывалось на
основании Стандартной модели. Кстати, в пресс-релизе всё написано
четко: «Of these [1400] candidates, only about 60 single-top
events were expected…» То есть «ожидалось, что среди этих
кандидатов должно быть около 60 событий рождения одиночного
топ-кварка», но никто не утверждает, что эти конкретные события были
однозначно выделены.
Количество топ-кварковых событий, действительно
наблюдавшихся в эксперименте, можно оценить лишь очень приближенно, и
эта оценка не противоречит ожидаемым значениям.
Сто тысяч миллионов
| « | Для этого им пришлось | » |
Здесь есть любопытный момент: разные СМИ написали тут совершенно
разные числа. Например, Газета.ру, цитируя ИТАР-ТАСС, вначале сообщила о «…миллионах миллиардов столкновений
элементарных частиц», а затем в подробной заметке написала про «… миллионы миллионов столкновений
частиц».
Числа, приведенные в пресс-релизе, тоже могут сбить с толку. Вначале
говорится о миллионах миллиардов протон-антипротонных столкновений,
а затем уже про два миллиарда событий, зарегистрированных
с 2002 года.
Какие же из этих чисел верны и что они обозначают
на самом деле?
Давайте сначала сделаем простую оценку, используя известные параметры
коллайдера. (Краткую информацию об основных параметрах всех современных
ускорителей можно найти в сводке High-energy collider parameters, Pdf, 80 Кб.)
Протонные сгустки на Тэватроне сталкиваются каждые 400 нс,
то есть 2,5 миллиона раз в секунду. В течение
стандартного ускорительного года произойдет несколько десятков триллионов
(миллионов миллионов) столкновений сгустков. Далее, в каждом
столкновении сгустков может произойти несколько (обычно не более 10)
независимых столкновений отдельных элементарных частиц. Умножая на четыре
года, получаем примерно не более одного миллиона миллиардов столкновений
отдельных элементарных частиц.
Однако, как уже говорилось, в подавляющем большинстве случаев эти
события совершенно неинтересны. Кроме того, у экспериментаторов
просто нет возможности записывать абсолютно все события, оставившие
хоть какой-то след в детекторе.
Поток данных в этом случае
составил бы сотни гигабайт в секунду, или многие петабайты
(петабайт — это миллион гигабайт) в сутки, а такие
емкости — при всём уважении к достижениям хайтека — пока
недостижимы. Поэтому без отсева событий не обойтись, и тут интересно
поговорить о том, как детектор — в данном случае DZero на
Тэватроне — умудряется справиться с такой лавиной данных.
Обычно после каждого столкновения какие-то частицы рождаются, пролетают
сквозь детектор и оставляют в нём свой след. Например,
высокоэнергетические заряженные частицы ионизируют вещество на своем
пути — выбивают электроны из атомов. Эти бездомные электроны быстро
оседают на расположенных поблизости электродах, электроды передают заряд
преобразователю, который дает сигнал на выходе из детектора: «электрод
номер такой-то собрал столько-то заряда». Если же частица поглощается
в детекторе без остатка, то часть ее энергии выделяется в видимом
свете.
Этот свет собирают фотоумножителями, и на выходе появляется сигнал:
«фотоумножитель номер такой-то собрал столько-то фотонов». Из набора таких
сигналов и складывается суммарный первичный отклик всего
детектора.
| Современные детекторы элементарных частиц напичканы сложнейшей электроникой. На фото: центральная часть детектора CMS, одного из детекторов, готовящихся к работе на коллайдере LHC. Внимательно рассмотреть этот прибор на снимке, сделанном 39-мегапиксельной камерой, можно здесь (3 Мб) и (42 Мб). |
Весь набор электроники, которая решает, нужно ли на эти сигналы
обращать внимание или их можно проигнорировать, называется триггер.
По сути дела, триггер — это «диспетчерская», работающая месяцами
без остановки в режиме жесточайшего цейтнота.
Сырые данные, которые детектор выдает при каждом столкновении,
то есть несколько миллионов раз в секунду, поступают вначале на
триггер первого уровня — электронную схему, которая должна
увидеть в этих разрозненных данных какие-нибудь объекты.
Например, если несколько соседних электродов, расположенных
по цепочке, сообщили об осевшем на них заряде — то это
хорошо, это значит, тут прослеживается трек — кусочек
траектории какой-то частицы. Если таких треков набралось несколько, значит
это событие может оказаться интересным и его стоит проанализировать
подробнее. Триггер первого уровня пропускает его дальше.
Компоненты триггеров первого уровня здесь , 700 Кб). |
Триггер первого уровня работает в очень суровых условиях — на
всё про всё ему выделено несколько микросекунд! Слишком долго думать
нельзя — иначе буфер переполнится, и те события, которые идут следом,
просто потеряются. Поэтому триггер первого уровня работает на алгоритмах,
встроенных в микросхемы — без какого-либо программного
обеспечения или операционной системы, исключительно на уровне
«железа».
Событий, отобранный триггером первого уровня, уже намного меньше, чем
изначальных — около 2 тысяч в секунду. Они поступают на
триггер второго уровня, у которого две задачи: во-первых, полностью
оцифровать все сигналы, а во-вторых, выяснить, что за частицы
пролетели, сколько их было. Этот триггер делает первый набросок общей
картины того, что же «увидел» детектор. С этой задачей триггер должен
справиться за 100 микросекунд, и если событие удовлетворяет заранее
введенным критериям, передать его дальше.
Эти события, примерно тысяча в секунду, поступают на триггер третьего
уровня, а точнее на целую «фабрику» таких триггеров, которые работают
параллельно. Каждому такому триггеру дается в тысячу раз больше
времени — целая десятая доля секунды! — и за это время он должен
полностью разобраться с тем, что это было за событие. Ему надо вычислить
углы вылета частиц, их импульсы и энергии, инвариантные массы, проверить
суммарный баланс импульса и энергии и т. д. Именно на этой
стадии из всех событий, в которых было хоть что-то нетривиальное,
выделяются события, которые считаются интересными с точки
зрения физики. Таких событий получается около 50 в секунду, и
вот они-то и записываются на ленту. (Да-да, сырые данные на Тэватроне
записываются не на жесткие диски, а на магнитную ленту.)
Сколько же таких зарегистрированных событий наберется за
4 стандартных ускорительных года? 50 записанных событий в
секунду, полмиллиарда событий в год, 2 миллиарда событий за
4 года.
Это и есть тот исходный массив данных, из которого группа и
начала выбирать события с рождением одиночного топ-кварка.
Читателю, заинтересовавшемуся работой триггеров и — более
широко — front-end электроникой, используемой на детекторах
элементарных частиц, можно для первого знакомства порекомендовать
классическую книгу Клауса Групена «Детекторы элементарных частиц». Подробности про
реализацию триггеров на детекторе DZero можно узнать из обзорной статьи The Upgraded D0
detector или из подборки статей по различным компонентам триггера
на DZero.
По мнению ученых…
| « | Считается, что кварки находились | » |
д.
Этот абзац, в целом, правильный. Небольшого комментария
заслуживает только фраза «… после так называемого «Большого взрыва»,
с которого, как предполагают ученые…».
Я понимаю, что этот пассаж покажется журналисту вполне невинным, даже
в какой-то мере «честным», отражающим беспристрастность
журналиста — «я лишь передаю мнение ученых». Пикантность
этой ситуации состоит в том, что совсем недавно, в феврале
2006 года, в NASA разразился административно-политический
скандал, как раз связанный со статусом
факта / теории / гипотезы Большого взрыва.
Суть, вкратце, такова. В октябре 2005 года администрация
Джорджа Буша назначила человека из своего окружения — некоего Джорджа
Дойча (George Deutsch), 24-летнего молодого человека
с неоконченным журналистским образованием — специалистом NASA
по связям с общественностью.
Его первыми шагами стала попытка
заменить во всей публичной информации NASA все слова «Большой взрыв»
на слова «теория Большого взрыва». Мотивация состояла в том, что
Большой взрыв — это не факт, это мнение ученых, а значит,
необходимо постоянно подчеркивать, что это есть только мнение. Более того,
Дойч утверждает, что вопрос о происхождении мира не столько научный,
сколько религиозный, а значит, нельзя подрастающему молодому
поколению говорить о Большом взрыве как факте.
Заявление |
(ИзображениеРеакция сотрудников NASA и научного сообщества в целом была
бурной, и в течение нескольких дней Дойч уволился. Подробности этого
скандала можно узнать, например, в блоге CosmicVariance или Bad Astronomy. Суть же можно сформулировать так: есть
вещи, серьезное сомнение в которых эквивалентно шагу обратно
в средневековье. Звезды — вовсе не дырки в хрустальном
небосводе; вся материя действительно состоит из атомов; эволюция Вселенной
действительно началась со сверхплотной и сверхгорячей фазы много
миллиардов лет назад. Всем этим — формально — гипотезам есть
столько объективных подтверждений, что их необходимо считать
фактами, несмотря на то, что вы никогда не долетите до звезд, не
пощупаете руками отдельные атомы и не сможете обратить время вспять (вот,
например, подробный список наблюдательных данных, подтверждающих
теорию Большого взрыва).
Серьезное обсуждение в популярной литературе
возможности, что это всё неверно, приведет к прямому вреду для
молодежи.
И снова о материи
| « | Ученые утверждают, что полученный | » |
Вот здесь самое место объяснить, почему и в каком смысле эта работа
приближает ученых «… к окончательному пониманию строения и свойств
окружающей нас материи». Тут есть сразу два повода для разговора.
Стандартная модель физики элементарных частиц |
Не все процессы, протекающие в столкновениях элементарных частиц,
одинаково интересны. Реакция рождения одиночного топ-кварка более
интересна, чем рождение кварк-антикварковой пары, потому что позволяет
проверить предположения, сделанные при построении теории электрослабых
взаимодействий. Эта теория является ключевым элементом современной Стандартной
модели элементарных частиц, но экспериментально она еще проверена не
полностью. Не исключено, что есть новые, еще не открытые тяжелые частицы,
которые влияют на рождение топ-кварка. Не исключено также, что свойства
хиггсовского бозона (кстати, бозон по-английски пишется с одним
«s» — boson), за которым физики охотятся уже не первый
десяток лет, более экзотические, чем считается сейчас, и тоже могут
изменить вероятность одиночного рождения топ-кварка.
Так или иначе, есть
сразу несколько разных теорий, в которых свойства этого процесса
отличаются от предсказаний Стандартной модели, потому-то его изучение
очень полезно.
Второй момент состоит в том, что на том же Тэватроне продолжаются
поиски и процесса прямого рождения хиггсовского бозона — последнего
недостающего «кирпичика» Стандартной модели (подробное обсуждение роли
хиггсовского бозона в теории выходит за рамки этой статьи;
в качестве введения можно порекомендовать статью Николая Никитина Время искать
Хиггс). Хватит ли у Тэватрона чувствительности для обнаружения
хиггсовского бозона — вопрос сложный. Так же, как и одиночное
рождения топ-кварка, рождение хиггсовского бозона — очень редкий
процесс, и выделить его из всех фоновых процессов будет чрезвычайно
трудной задачей. Однако история с одиночным топ-кварком внушает оптимизм:
умные алгоритмы действительно существенно повышают «прозорливость» ученых
в этой задаче.
На топ-кварке физики отточили технологию и алгоритмы
поиска, и теперь готовы применить их к накапливающейся статистике
хиггсовских событий.
Напоследок я хочу еще раз подчеркнуть одну простую мысль. Не будет
преувеличением сказать, что крупные эксперименты в современной физике
элементарных частиц — это одни из самых сложных успешно
реализованных технологических задач, которые человечество когда-либо
ставило перед собой. Из-за этой сложности — как в мотивации, так
и в исполнении — популярный рассказ о них тоже становится
трудным занятием, требующим от рассказчика хорошего понимания предмета.
Без этого понимания из-под пера журналиста появляется не просто
неправильный, но и вредный текст: крупное достижение науки
превращается в бессмыслицу.
В заключение я предлагаю читателям проанализировать текст аналогичных
новостей на сайтах других СМИ и самим найти
встречающиеся в них «вредные»
ошибки.
Оригинал статьи читайте на популярном сайте о фундаментальной науке «Элементы».
Из чего состоит протон нейтрон и электрон. Элементарные частицы
Поговорим о том, как найти протоны, нейтроны и электроны. В атоме существует три вида элементарных частиц, причем у каждой есть свой элементарный заряд, масса.
Строение ядра
Для того чтобы понять, как найти протоны, нейтроны и электроны, представим Оно является основной частью атома. Внутри ядра располагаются протоны и нейтроны, именуемые нуклонами. Внутри ядра эти частицы могут переходить друг в друга.
Например, чтобы найти протоны, нейтроны и электроны в необходимо знать его порядковый номер. Если учесть, что именно этот элемент возглавляет периодическую систему, то в его ядре содержится один протон.
Диаметр атомного ядра составляет десятитысячную долю всего размера атома. В нем сосредоточена основная масса всего атома. По массе ядро превышает в тысячи раз сумму всех электронов, имеющихся в атоме.
Характеристика частиц
Рассмотрим, как найти протоны, нейтроны и электроны в атоме, и узнаем об их особенностях. Протон — это которая соответствует ядру атома водорода. Его масса превышает электрон в 1836 раз. Для определения единицы электричества, проходящего через проводник с заданным поперечным сечением, используют электрический заряд.
У каждого атома в ядре располагается определенное количество протонов. Оно является постоянной величиной, характеризует химические и физические свойства данного элемента.
Как найти протоны, нейтроны и электроны в атоме углерода? Порядковый номер данного химического элемента 6, следовательно, в ядре содержится шесть протонов. Согласно планетарной вокруг ядра по орбитам движется шесть электронов. Для определения количество нейтронов из значения углерода (12) вычитаем количество протонов (6), получаем шесть нейтронов.
Для атома железа число протонов соответствует 26, то есть этот элемент имеет 26-й порядковый номер в таблице Менделеева.
Нейтрон является электрически нейтральной частицей, нестабильной в свободном состоянии. Нейтрон способен самопроизвольно превращаться в положительно заряженный протон, испуская при этом антинейтрино и электрон. Средний период его полураспада составляет 12 минут. Массовое число — это суммарное значение количества протонов и нейтронов внутри ядра атома. Попробуем выяснить, как найти протоны, нейтроны и электроны в ионе? Если атом во время химического взаимодействия с другим элементом приобретает положительную степень окисления, то число протонов и нейтронов в нем не изменяется, меньше становится только электронов.
Заключение
Существовало несколько теорий, касающихся строения атома, но ни одна из них не была жизнеспособной. До версии, созданной Резерфордом, не было детального пояснения о расположении внутри ядра протонов и нейтронов, а также о вращении по круговым орбитам электронов. После появления теории планетарного строения атома у исследователей появилась возможность не только определять количество элементарных частиц в атоме, но и предсказывать физические и химические свойства конкретного химического элемента.
Как уже отмечалось, атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклон, в ядре они могут превращаться друг в друга. Ядро простейшего атома — атома водорода — состоит из одной элементарной частицы — протона.
Диаметр ядра атома равен примерно 10-13 — 10-12 см и составляет 0,0001 диаметра атома. Однако, практически вся масса атома (99,95-99,98%) сосредоточена в ядре. Если бы удалось получить 1 см3 чистого ядерного вещества, масса его составила бы 100-200 млн.т. Масса ядра атома в несколько тысяч раз превосходит массу всех входящих в состав атома электронов.
Протон
— элементарная частица, ядро атома водорода. Масса протона равна 1,6721 х 10-27 кг, она в 1836 раз больше массы электрона. Электрический заряд положителен и равен 1,66 х 10-19 Кл. Кулон — единица электрического заряда, равная количеству электричества, проходящему через поперечное сечение проводника за время 1с при неизменной силе тока 1А (ампер).
Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное число протонов. Это число постоянное для данного элемента и определяет его физические и химические свойства. То есть от количества протонов зависит, с каким химическим элементом мы имеем дело. Например, если в ядре один протон — это водород, если 26 протонов — это железо. Число протонов в атомном ядре определяет заряд ядра (зарядовое число Z) и порядковый номер элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (атомный номер элемента).
Нейтрон
— электрически нейтральная частица с массой 1,6749 х 10-27кг, в 1839 раз больше массы электрона. Нейрон в свободном состоянии — нестабильная частица, он самостоятельно превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Период полураспада нейтронов (время, в течение которого распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Однако в связанном состоянии внутри стабильных атомных ядер он стабилен. Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называют массовым числом (атомной массой — А).
Число нейтронов, входящих в состав ядра, равно разности между массовым и зарядовым числами: N = A — Z.
Электрон
— элементарная частица, носитель наименьшей массы — 0,91095х10-27г и наименьшего электрического заряда — 1,6021х10-19 Кл. Это отрицательно заряженная частица. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре, т.е. атом электрически нейтрален.
Позитрон
— элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Масса электрона и позитрона равны, а электрические заряды равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку.
Различные типы ядер называют нуклидами. Нуклид — вид атомов с данными числами протонов и нейтронов. В природе существуют атомы одного и того же элемента с разной атомной массой (массовым числом):
, Cl и т.д. Ядра этих атомов содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядер, но различное массовое число, называются изотопами
.
Обладая одинаковым количеством протонов, но различаясь числом нейтронов, изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, т.е. очень близкие химические свойства и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов.
Обозначают символом соответствующего химического элемента с расположенным сверху слева индексом А — массовым числом, иногда слева внизу приводится также число протонов (Z). Например, радиоактивные изотопы фосфора обозначают 32Р, 33Р или Р и Р соответственно. При обозначении изотопа без указания символа элемента массовое число приводится после обозначения элемента, например, фосфор — 32, фосфор — 33.
Большинство химических элементов имеет по несколько изотопов. Кроме изотопа водорода 1Н-протия, известен тяжелый водород 2Н-дей-терий и сверхтяжелый водород 3Н-тритий. У урана 11 изотопов, в природных соединениях их три (уран 238, уран 235, уран 233). У них по 92 протона и соответственно 146,143 и 141 нейтрон.
В настоящее время известно более 1900 изотопов 108 химических элементов.
Из них к естественным относятся все стабильные (их примерно 280) и естественные изотопы, входящие в состав радиоактивных семейств (их 46). Остальные относятся к искусственным, они получены искусственным путем в результате различных ядерных реакций.
Термин «изотопы» следует применять только в тех случаях, когда речь идет об атомах одного и того же элемента, например, углерода 12С и 14С. Если подразумеваются атомы разных химических элементов, рекомендуется использовать термин «нуклиды», например, радионуклиды 90Sr, 131J, 137Cs.
Атом — это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z — порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е — величина элементарного электрического заряда.
Электрон
— это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд.
Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К — оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.
Атомное ядро
(центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц — протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны
— это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента — водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон
— это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона.
Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А — Z, где А — массовое число данного изотопа (см. ). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.
В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.
Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).
Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны — .
Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.
Атом (греч. atomos — неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е — элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 -10 эл.-ст. ед.), и Z — атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А.
Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А-Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются:
Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 -8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа.
Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).
Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы — электроны, протоны, атомы и т. д.,- кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона.
Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е 0 , в какое-либо из возбужденных состояний E i происходит при поглощении определенной порции энергии Е i — Е 0 . Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= E i — Е k где h — постоянная Планка (6,62·10 -27 эрг·сек), v — частота света.
Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.
А также составить электронную формулу. Для этого потребуется только периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева, которая является обязательным справочным материалом.
Таблица Д.И. Менделеева разделена на группы (располагаются вертикально), которых всего восемь, а также на периоды, расположенные горизонтально. Каждый имеет свой порядковый и относительную атомную массу, что указано в каждой периодической таблицы. Количество протонов
(р) и электронов (ē) численно совпадает с порядковым номером элемента. Для определения числа нейтронов
(n) необходимо из относительной атомной массы (Ar) вычесть номер химического элемента.
Пример № 1. Вычислите количество протонов
, электронов и нейтронов
атома химического элемента № 7.Химический элемент № 7 – это азот (N). Сначала определите количество протонов
(р). Если порядковый номер 7, значит, будет 7 протонов
. Учитывая, что это число совпадает с количеством отрицательно заряженных частиц, электронов (ē) тоже будет 7.
Для определения числа нейтронов
(n) из относительной атомной массы (Ar (N) = 14) вычтите порядковый номер азота (№ 7). Следовательно, 14 – 7 = 7. В общем виде вся информация выглядит таким образом:р = +7;ē = -7;n = 14-7 = 7.
Пример № 2. Вычислите количество протонов
, электронов и нейтронов
атома химического элемента № 20.Химический элемент № 20 – это кальций (Са). Сначала определите количество протонов
(р). Если порядковый номер 20, следовательно, будет 20 протонов
. Зная, что это число совпадает с количеством отрицательно заряженных частиц, значит электронов (ē) тоже будет 20. Для определения числа нейтронов
(n) из относительной атомной массы (Ar (Са) = 40) вычтите порядковый номер (№ 20). Следовательно, 40 – 20 = 20. В общем виде вся информация выглядит таким образом:р = +20;ē = -20;n = 40-20 = 20.
Пример № 3. Вычислите количество протонов
, электронов и нейтронов
атома химического элемента № 33.Химический элемент № 33 – это мышьяк (As).
Сначала определите количество протонов
(р). Если порядковый номер 33, значит, будет 33 . Учитывая, что это число совпадает с количеством отрицательно заряженных частиц, электронов (ē) тоже будет 33. Для определения числа нейтронов
(n) из относительной атомной массы (Ar (As) = 75) вычтите порядковый номер азота (№ 33). Следовательно, 75 – 33 = 42. В общем виде вся информация выглядит таким образом:р = +33;ē = -33;n = 75 -33 = 42.
Обратите внимание
Относительную атомную массу, указанную в таблице Д.И. Менделеева, необходимо округлять до целого числа.
Источники:
- протон и нейтроны составляют ответ
Колбу отставьте в сторону для остывания. Достаточно полторы-две минуты. В противном случае образуется нерастворимый осадок.
Лейте по стенке воду, промывая ею воронку. Взболтайте до полного смешивания, подогревая колбу при необходимости.
Соберите , присоедините приемник. В приемник пустите 10 мл 0,01 н. раствора серной кислоты.
Внесите одну или две капли метилрота. После соединения всех ингредиентов, пристройте водоструйный насос к приемнику.
По истечении десяти минут перегонку прекратите. Закройте кран водоструйного , откройте пробку приемника, смойте серную кислоту с конца холодильной трубки. Замените другим приемником с таким же объемом 0,01 н. раствора серной кислоты, сделайте вторую перегонку.
Вывод: 1 мл 0,01 н. серной кислоты или едкого натрия соответствует 0,14 мг .
Разность между количеством серной кислоты, помещенной в приемник, и количеством едкого натрия, взятого при титровании, произведенная на 0,14 мг, равна количеству остаточного азота в исследуемом 1 мл крови. Чтоб показать количество азота в — , надо умножить на 100.
Валентность
— это способность химических элементов удерживать определенное количество атомов других элементов. В то же самое время, это число связей, образуемое данным атомом с другими атомами. Определить валентность достаточно просто.
Инструкция
Примите к сведению, что валентность атомов одних элементов постоянна, а других — переменна, то есть, имеет свойство меняться.
Например, водород во всех соединениях одновалентен, поскольку образует только одну . Кислород способен образовывать две связи, являясь при этом двухвалентным. А вот у может быть II, IV или VI. Все зависит от элемента, с которым она соединяется. Таким образом, сера — элемент с переменной валентностью.
Заметьте, что в молекулах водородных соединений вычислить валентность очень просто. Водород всегда одновалентен, а этот показатель у связанного с ним элемента будет равняться количеству атомов водорода в данной молекуле. К примеру, в Cah3 кальций будет двухвалентен.
Запомните главное правило определения валентности: произведение показателя валентности атома какого-либо элемента и количества его атомов в какой-либо молекуле произведению показателя валентности атома второго элемента и количества его атомов в данной молекуле.
Посмотрите на буквенную формулу, обозначающую это равенство: V1 x K1 = V2 x K2, где V — это валентность атомов элементов, а К — количество атомов в молекуле.
С ее помощью легко определить показатель валентности любого элемента, если известны остальные данные.
Рассмотрите пример с молекулой оксида серы SО2. Кислород во всех соединениях двухвалентен, поэтому, подставляя значения в пропорцию: Vкислорода х Кислорода = Vсеры х Ксеры, получаем: 2 х 2 = Vсеры х 2. От сюда Vсеры = 4/2 = 2. Таким образом, валентность серы в данной молекуле равна 2.
Видео по теме
Электрон
– самая легкая электрически заряженная частица, которая участвует практически во всех электрических явлениях. Он, благодаря своей малой массе, наиболее вовлечен в развитие квантовой механики. Эти быстрые частицы нашли широкое применение в области современной науки и техники.
Слово ἤλεκτρον — греческое. Именно оно дало имя электрону. Переводится это как «янтарь». В времена греческие естествоиспытатели проводили различные эксперименты, которые заключались в шерстью кусков янтаря, которые затем начинали притягивать к себе разные мелкие предметы.
Электрон
ом названа отрицательно заряженная частица, которая является одной из основных единиц, составляющих структуру вещества. Электрон
ные оболочки атомов состоят из электронов, при этом их положение и число являются определяющими химических свойств вещества.О числе электронов в атомах различных веществ можно узнать из таблицы химических элементов, составленной Д.И. Менделеевым. Число протонов в ядре атома всегда равно числу электронов, которое должно быть в электронной оболочке атома данного вещества. Электрон
ы вращаются вокруг ядра с огромной скоростью, и поэтому они не « » на ядро. Это наглядно сравнимо Луной, которая не падает, несмотря на то, что Земля ее притягивает.Современные представления физики элементарных частиц свидетельствуют о бесструктурности и неделимости . Движение этих частиц в полупроводниках и разрешает легко переносить и управлять энергией. Это свойство повсеместно используется в электронике, быту, промышленности, и связи. Несмотря на то, что в проводниках скорость движения электронов очень маленькая, электрическое поле способно распространяться со скоростью света.
Благодаря этому ток по всей цепи устанавливается моментально.Электрон
ы, помимо корпускулярных, обладают еще и волновыми свойствами. Они участвуют в гравитационном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Устойчивость электрона следует из законов энергии и сохранения заряда. Эта частица – самая легкая из заряженных, и поэтому не может ни на что распасться. Распад на частицы более легкие законом сохранения заряда, а на более тяжелые, чем частицы запрещен законом сохранения энергии. О точности, с которой выполнен закон сохранения заряда, судить можно по тому, что электрон, по крайней мере, за десять лет, своего заряда не теряет.
Видео по теме
→
Многим со школы хорошо известно, что все вещества состоял из атомы. Атомы в свою очередь состоят из протонов и нейтронов образующих ядро атомы и электронов, расположенных на некотором расстоянии от ядра. Многие также слышали, что свет тоже состоит из частиц – фотонов. Однако на этом мир частиц не ограничивается. На сегодняшний день известно более 400 различных элементарных частиц.
Попробуем понять, чем элементарные частицы отличаются друг от друга.
Существует множество параметров, по которым можно отличить элементарные частицы друг от друга:
- Масса.
- Электрический заряд.
- Время жизни. Почти все элементарные частицы имеют конечное время жизни по истечении которого они распадаются.
- Спин. Его можно, весьма приближенно считать как вращательный момент.
Еще несколько параметров, или как их принято называть в науке квантовых чисел. Эти параметры не всегда имеют понятный физический смысл, но они нужны для того, чтобы отличать одни частицы от других. Все эти дополнительные параметры введены как некоторые величины, сохраняющиеся во взаимодействии.
Массой обладают почти все частицы, кроме фотоны и нейтрино (по последним данным нейтрино обладают массой, но столь малой, что часто ее считают нулем). Без массовые частицы могут существуют только в движении. Масса у всех частиц различна. Минимальной массой, не считая нейтрино, обладает электрон.
Частицы, которые называются мезонами обладают массой в 300-400 раз большей массы электрона, протон и нейтрон почти в 2000 раз тяжелее электрона. Сейчас уже открыты частицы, которые почти в 100 раз тяжелее протона. Масса,(или ее энергетический эквивалент по формуле Эйнштейна:
сохраняется во всех взаимодействиях элементарных частиц.
Электрическим зарядом обладают не все частицы, а значит что не все частицы способны участвовать в электромагнитном взаимодействии. У всех свободно существующих частиц электрический заряд кратен заряду электрона. Кроме свободно существующих частиц существуют также частицы, находящие только в связанном состоянии, о них мы скажем чуть позже.
Спин, как и другие квантовые числа у различных частиц различны и характеризуют их уникальность. Некоторые квантовые числа сохраняются в одних взаимодействиях, некоторые в других. Все эти квантовые числа определяют то, какие частицы взаимодействуют с какими и как.
Время жизни также очень важная характеристика частицы и ее мы рассмотрим наиболее подробно.
Начнем с замечания. Как мы уже сказали в начале статьи – все что нас окружает состоит из атомов (электронов, протонов и нейтронов) и света (фотонов). А где же тогда еще сотни различных видов элементарных частиц. Ответ прост – всюду вокруг нас, но мы из не замечаем по двум причинам.
Первая из них – почти все остальные частицы живут очень мало, примерно 10 в минус 10 степени секунд и меньше, и потому не образовывают таких структур как атомы, кристаллические решетки и т.п. Вторая причина касается нейтрино, эти частицы хоть и не распадаются, но они подвержены только слабому и гравитационному взаимодействию. Это значит, что эти частицы взаимодействуют на столько незначительно, что обнаружить из почти невозможно.
Представим наглядно в чем выражается то, на сколько частица хорошо взаимодействуем. Например поток электронов можно остановить довольно тонким листом стали, порядка нескольких миллиметров. Это произойдет потому, что электроны сразу начнут взаимодействовать с частицами листа стали, будут резко менять свой направления, излучать фотоны, и таким образом довольно быстро потеряют энергию.
С потоком нейтрино все не так, они почти без взаимодействий могут пройти насквозь Земного Шара. И потому обнаружить их очень тяжело.
Итак, большинство частиц живут очень короткое время, по истечении которого она распадаются. Распады частиц- наиболее часто встречающиеся реакции. В результате распада одна частица распадается на несколько других меньшей массы, а те в свою очередь распадаются дальше. Все распады подчиняются определенным правилам – законам сохранения. Так, например, в результате распада должен сохраняться электрический заряд, масса, спин и еще ряд квантовых чисел. Некоторые квантовые числа в ходе распада могут меняться, но тоже подчиняясь определенным правилам. Именно правила распада говорят нам о том, что электрон и протон это стабильные частицы. Они уже не могут распадаются подчиняясь правилам распада, и потому именно ими заканчиваются цепочки распада.
Здесь хочется сказать несколько слов о нейтроне. Свободный нейтрон тоже распадается, на протон и электрон примерно за 15 минут.
Однако когда нейтрон находится в атомном ядре это не происходит. Этот факт можно объяснить различными способами. Например так, когда в ядре атома появляется электрон и лишний протон от распавшегося нейтрона, то тут же происходит обратная реакция – один из протонов поглощает электрон и превращается в нейтрон. Такая картина называется динамическим равновесием. Она наблюдалась в вселенной на ранней стадии ее развития вскоре после большого взрыва.
Кроме реакций распада есть еще реакции рассеяния – когда две или более частиц вступают во взаимодействие одновременно, и в результате получается одна или несколько других частиц. Также есть реакции поглощение, когда из двух или более частиц получается одна. Все реакции происходят в результате сильного слабого или электромагнитного взаимодействия. Реакции идущие за счет сильного взаимодействия идут быстрее всего, время такой реакции может достигать 10 в минус 20 секунды. Скорость реакций идущих за счет электромагнитного взаимодействия ниже, тут время может быть порядка 10 в минус 8 секунды.
Для реакций слабого взаимодействия время может достигать десятков секунд а иногда и годы.
В завершении рассказа про частицы расскажем про кварки. Кварки – это элементарные частицы, имеющие электрический заряд кратный трети заряда электрона и которые не могут существовать в свободном состоянии. Их Взаимодействие устроено так, что они могут жить только в составе чего либо. Например комбинация из трех кварков определенного типа образуют протон. Другая комбинация дает нейтрон. Всего известно 6 кварков. Их различные комбинации дают нам разные частицы, и хотя далеко не все комбинации кварков разрешены физическими законами, частиц, составленных из кварков довольно много.
Здесь может возникнуть вопрос, как можно протон называть элементарным если он состоит из кварков. Очень просто – протон элементарен, так как его невозможно расщепить на составные части – кварки. Все частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии состоят из кварков, и при этом являются элементарными.
Понимание взаимодействий элементарных частиц очень важно для понимания устройства вселенной.
Все что происходит с макро телами есть результат взаимодействия частиц. Именно взаимодействием частиц описываются рост деревьев на земле, реакции в недрах звезд, излучение нейтронных звезд и многое другое.
| Вероятности и квантовая механика | > |
Строение атомного ядра (протон, нейтрон, электрон). Строение атома: ядро, нейтрон, протон, электрон
Протон — стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода.
Трудно сказать, какое событие следует считать открытием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906—1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фотографии следов протона, подтвердив открытие искусственного превращения элементов.
В этих опытах?-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.
Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер данного элемента. Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностью до 10-21. Масса протона mp = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ~ 1,6-10-24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом -1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами — глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электронов на протонах, действительно свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров.
Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры ~ 10-13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.Протон, как и все адроны, участвует в каждом из фундаментальных взаимодействий. Так. сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимодействия — протоны и электроны в атомах. Примерами слабых взаимодействий могут служить бета-распад нейтрона или внутриядерное превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино (для свободного протона такой процесс невозможен в силу закона сохранения и превращения энергии, так как нейтрон имеет несколько большую массу). Спин протона равен 1/2. Адроны с полуцелым спином называются барионами (от греческого слова, означающего «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, различные гипероны (?, ?, ?, ?) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большинство из которых еще не открыто.
Для характеристики барионов введено особое число — барионный заряд, равный 1 для барионов, — 1 — для антибарионов и О — для всех прочих частиц. Барионный заряд не является источником барионного поля, он введен лишь для описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях с частицами. Эти закономерности выражаются в виде закона сохранения барионного заряда: разность между числом барионов и антибарионов в системе сохраняется в любых реакциях. Сохранение барионного заряда делает невозможным распад протона, ибо он легчайший из барионов. Этот закон носит эмпирический характер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте. Точность закона сохранения барионного заряда характеризуется стабильностью протона, экспериментальная оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 1032 лет.
В то же время в теориях, объединяющих все виды фундаментальных взаимодействий, предсказываются процессы, приводящие к нарушению барионного заряда и к распаду протона. Время жизни протона в таких теориях указывается не очень точно: примерно 1032±2 лет.
Это время огромно, оно во много раз больше времени существования Вселенной (~ 2*1010 лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образование химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни. Однако поиски распада протона представляют сейчас одну из важнейших задач экспериментальной физики. При времени жизни протона ~ 1032 лет в объеме воды в 100 м3 (1 м3 содержит ~ 1030 протонов) следует ожидать распада одного протона в год. Остается всего лишь зарегистрировать этот распад. Открытие распада протона станет важным шагом к правильному пониманию единства сил природы.
Нейтрон — нейтральная частица, относящаяся к классу адронов. Открыт в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Вместе с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд нейтрона qn равен нулю. Это подтверждается прямыми измерениями заряда по отклонению пучка нейтронов в сильных электрических полях, показавшими, что |qn|
Нейтроны устойчивы лишь в составе стабильных атомных ядер.
Свободный нейтрон — нестабильная частица, распадающаяся на протон (р), электрон (е-) и электронное антинейтрино. Время жизни нейтрона составляет (917 ?14) с, т. е. около 15 мин. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше вследствие сильного поглощения их ядрами. Поэтому они возникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерных реакций.
По энергетическому балансу различных ядерных реакций определена величина разности масс нейтрона и протона: mn-mp(1,29344 ±0,00007) МэВ. Из сопоставления ее с массой протона получим массу нейтрона: mn = 939,5731 ± 0,0027 МэВ; это соответствует mn ~ 1,6-10-24.Нейтрон участвует во всех видах фундаментальных взаимодействий. Сильные взаимодействия связывают нейтроны и протоны в атомных ядрах. Пример слабого взаимодействия — бета-распад нейтрона.
Участвует ли эта нейтральная частица в электромагнитных взаимодействиях? Нейтрон обладает внутренней структурой, и в нем при общей нейтральности существуют электрические токи, приводящие, в частности, к появлению у нейтрона магнитного момента.
Иными словами, в магнитном поле нейтрон ведет себя подобно стрелке компаса. Это лишь один из примеров его электромагнитного взаимодействия. Большой интерес приобрели поиски дипольного электрического момента нейтрона, для которого была получена верхняя граница. Здесь самые эффективные опыты удалось поставить ученым Ленинградского института ядерной физики АН СССР; поиски дипольного момента нейтронов важны для понимания механизмов нарушения инвариантности относительно обращения времени в микропроцессах.
Гравитационные взаимодействия нейтронов наблюдались непосредственно по их падению в поле тяготения Земли.
Сейчас принята условная классификация нейтронов по их кинетической энергии:
медленные нейтроны (
быстрые нейтроны (105?108эВ), высокоэнергичные (> 108эВ).
Весьма интересными свойствами обладают очень медленные нейтроны(10-7эВ), которые получили название ультрахолодных. Оказалось, что ультрахолодные нейтроны можно накапливать в «магнитных ловушках» и даже ориентировать там их спины в определенном направлении.
С помощью магнитных полей специальной конфигурации ультрахолодные нейтроны изолируются от поглощающих стенок и могут «жить» в ловушке, пока не распадутся. Это позволяет проводить многие тонкие эксперименты по изучению свойств нейтронов. Другой метод хранения ультрахолодных нейтронов основан на их волновых свойствах. Такие нейтроны можно просто хранить в замкнутой «банке». Эта идея была высказана советским физиком Я. Б. Зельдовичем в конце 1950-х гг., и первые результаты были получены в Дубне в институте ядерных исследований спустя почти десятилетие.
Недавно ученым удалось построить сосуд, в котором ультрахолодные нейтроны живут до своего естественного распада.
Свободные нейтроны способны активно взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции. В результате взаимодействия медленных нейтронов с веществом можно наблюдать резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т. п. Благодаря этим своим особенностям нейтроны широко используются в ядерной физике и физике твердого тела.
Они играют важную роль в ядерной энергетике, в производстве трансурановых элементов и радиоактивных изотопов, находят практическое применение в химическом анализе и в геологической разведке.
Размеры и массы атомов малы. Радиус атомов составляет 10 -10 м, а радиус ядра – 10 -15 м. Масса атома определяется делением массы одного моль атомов элемента на число атомов в 1 моль (N A = 6,02·10 23 моль -1). Масса атомов изменяется в пределах 10 -27 ~ 10 -25 кг. Обычно массу атомов выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За а.е.м. принята 1/12 массы атома изотопа углерода 12 С.
Основными характеристиками атома являются заряд его ядра (Z) и массовое число (А). Число электронов в атоме равно заряду его ядра. Свойства атомов определяются зарядом их ядер, числом электронов и их состоянием в атоме.
Основные свойства и строение ядра (теория состава атомных ядер)
1. Ядра атомов всех элементов (за исключением водорода) состоят из протонов и нейтронов.
2.Число протонов в ядре определяет значение его положительного заряда (Z). Z
— порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева.
3. Суммарное число протонов и нейтронов — значение его массы, так как масса атома в основном сосредоточена в ядре (99, 97% массы атома). Ядерные частицы — протоны и нейтроны — объединяются под общим названием нуклоны
(от латинского слова nucleus, что означает “ядро”). Общее число нуклонов соответствует — массовому числу, т.е. округленной до целого числа его атомной массе А.
Ядра с одинаковыми Z
, но различными А
называются изотопами
. Ядра, которые при одинаковом А
имеют различные Z
, называются изобарами
. Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов
4. Число нейтронов в ядре N
может быть найдено по разности между массовым числом (А
) и порядковым номером (Z
):
5.
Размер ядра характеризуется радиусом ядра
, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра.
Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.
Протонно-нейтронная теория позволила разрешить возникшие ранее противоречия в представлениях о составе атомных ядер и о его связи с порядковым номером и атомной массой.
Энергия связи ядра
определяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.
При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов.
Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Если W
св- величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса Dm, равная
называется дефектом массы
и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов. Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии
(а.е.э.): а.е.э.=931,5016 МэВ.
Удельной энергией связи ядра w
свназывается энергия связи, приходящаяся на один нуклон: w
св= . Величина w
свсоставляет в среднем 8 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает.
Критерием устойчивости атомных ядер
является соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре для данных изобаров. (А
= const).
Ядерные силы
1. Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах существуют особые ядерные силы
, не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных).
2. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м. Длина (1,5ј2,2)10-15 мназывается радиусом действия ядерных сил
.
3. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость
: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов — протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи в зеркальных ядрах
. Так называются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом. Например, ядра гелия тяжелого водорода трития — .
4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел (А). Практически полное насыщение ядерных сил достигается у a-частицы, которая является очень устойчивым образованием.
Радиоактивность, g -излучение, a и b — распад
1. Радиоактивностью
называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц, ядер или жесткого рентгеновского излучения. Естественной радиоактивностью
называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью
называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.
2. Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гамма-излучения — жесткого, коротковолнового электроволнового излучения. Гамма-излучение является основной формой уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским
; возникающее дочернее
ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием g-фотона.
3. Альфа-распадом
называется испускание ядрами некоторых химических элементов a — частиц. Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами А
>200 и зарядами ядер Z
>82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных a-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов, т.е. образуется атом элемента, смещенного в таблице периодической системы элементов Д.И. Менделеева (ПСЭ) на две клеточки влево от исходного радиоактивного элемента с массовым числом меньшим не 4 единицы
(правило Содди – Фаянса):
4. Термином бета-распад обозначают три типа ядерных превращений: электронный
(b-) и позитронный
(b+) распады, а также электронный захват
.
b- распад происходит преимущественно у сравнительно богатых нейтронами ядер. При этом нейтрон ядра распадается на протон, электрон и антинейтрино () с нулевым зарядом и массой.
При b- распаде массовое число изотопа не изменяется, так как общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд увеличивается на 1.
Поэтому, атом образовавшегося химического элемента смещается ПСЭ на одну клеточку вправо от исходного элемента, а его массовое число не изменяется
(правило Содди – Фаянса):
b+- распад происходит преимущественно у относительно богатых протонами ядер. При этом протон ядра распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино ().
.
При b+- распаде массовое число изотопа не изменяется, так как общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд уменьшается на 1. Поэтому, атом образовавшегося химического элемента смещается ПСЭ на одну клеточку влево от исходного элемента, а его массовое число не изменяется
(правило Содди – Фаянса):
5. В случае электронного захвата превращение заключается в том, что исчезает один из электронов в ближайшем к ядру слое. Протон, превращаясь в нейтрон, как бы “захватывает” электрон; отсюда произошел термин ”электронный захват”. Электронный захват в отличие от b±-захвата сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.
6. b—распад происходит у естественно-радиоактивных, а также искусственно-радиоактивных ядер; b+-распад характерен только для явления искусственной радиоактивности.
7. g- излучение: при возбуждении ядро атома испускает электромагнитное излучение с малой длиной волны и высокой частотой, обладающее большой жесткостью и проникающей способностью, чем рентгеновское излучение. В результате энергия ядра уменьшается, а массовое число и заряд ядра остаются не низменными. Поэтому превращение химического элемента в другой не наблюдается, а ядро атома переходит в менее возбужденное состояние.
Атом — это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z — порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е — величина элементарного электрического заряда.
Электрон
— это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К — оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.
Атомное ядро
(центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц — протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны
— это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента — водорода.
Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон
— это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А — Z, где А — массовое число данного изотопа (см. ). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.
В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.
Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).
Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны — . Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.
Атом (греч. atomos — неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е — элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 -10 эл.-ст. ед.), и Z — атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см.
Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А-Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются:
Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 -8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу..PNG)
Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).
Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы — электроны, протоны, атомы и т. д.,- кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т.
е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е 0 , в какое-либо из возбужденных состояний E i происходит при поглощении определенной порции энергии Е i — Е 0 . Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= E i — Е k где h — постоянная Планка (6,62·10 -27 эрг·сек), v — частота света.
Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.
§1. Знакомьтесь: электрон, протон, нейтрон
Атомы — мельчайшие частицы вещества.
Если увеличить до размеров Земного шара яблоко средней величины, то атомы станут размером всего лишь с яблоко. Несмотря на столь малые размеры, атом состоит из еще более мелких физических частиц.
Со строением атома вы должны быть уже знакомы из школьного курса физики. И все-таки напомним, что в составе атома есть ядро и электроны, которые вращаются вокруг ядра так быстро, что становятся неразличимыми — образуют «электронное облако», или электронную оболочку атома.
Электроны
принято обозначать так: e
−
. Электроны e
− очень легкие, почти невесомые, но зато имеют отрицательный
электрический заряд. Он равен −1.
Электрический ток, которым все мы пользуемся — это поток электронов, бегущий в проводах.
Ядро атома
, в котором сосредоточена почти вся его масса, состоит из частиц двух сортов — нейтронов и протонов.
Нейтроны
обозначают так: n
0
, а протоны
так: p
+
.
По массе нейтроны и протоны почти одинаковы — 1,675 · 10 −24 г и 1,673 · 10 −24 г.
Правда, считать массу таких маленьких частиц в граммах очень неудобно, поэтому ее выражают в углеродных единицах
, каждая из которых равна 1,673 · 10 −24 г.
Для каждой частицы получают относительную атомную массу
, равную частному от деления массы атома (в граммах) на массу углеродной единицы. Относительные атомные массы протона и нейтрона равны 1, а вот заряд у протонов положительный и равен +1, в то время как у нейтронов заряда нет.
. Загадки про атом
Атом можно собрать «в уме» из частиц, как игрушку или машинку из деталей детского конструктора.
Надо только при этом соблюдать два важных условия.
- Первое условие
: каждому виду атомов соответствует свой собственный набор
«деталей» — элементарных частиц
. Например, в атоме водорода обязательно будет ядро с положительным зарядом +1, значит, в нем непременно должен быть один протон (и не больше).
В атоме водорода могут быть и нейтроны. Об этом — в следующем параграфе .
Атом кислорода (порядковый номер в Периодической системе равен 8) будет иметь ядро, заряженное восемью
положительными зарядами (+8), — значит, там восемь протонов. Поскольку масса атома кислорода равна 16 относительных единиц, чтобы получить ядро кислорода, добавим еще 8 нейтронов. - Второе условие
состоит в том, чтобы каждый атом оказался электронейтральным
. Для этого в нем должно быть электронов столько, чтобы уравновесить заряд ядра. Иначе говоря, число электронов в атоме равно числу протонов
в его ядре, а также порядковому номеру этого элемента в Периодической системе
.
Как только случается встретиться с неизвестным предметом, так обязательно возникает меркантильно-житейский вопрос — а сколько это весит. А вот если это неизвестное — элементарная частица, что тогда? А ничего, вопрос остается прежним: какая же масса этой частицы. Если бы кто-то занялся подсчетом затрат, понесенных человечеством для удовлетворения своего любопытства на исследования, точнее, измерения, массы элементарных частиц, то мы бы узнали, что, например, масса нейтрона в килограммах с умопомрачительным количеством нулей после запятой, обошлось человечеству дороже, чем самое дорогое строительство с таким же количеством нулей до запятой.
А начиналось все очень буднично: в руководимой Дж. Дж.Томсоном лаборатории в 1897 г. проводились исследования катодных лучей. В результате была определена универсальная константа для Вселенной — величина отношения массы электрона к его заряду. До определения массы электрона осталось совсем немного — определить его заряд. Через 12 лет сумел это сделать.
Он проводил эксперименты с падающими в электрическом поле капельками масла, и ему удалось не только уравновесить их вес величиной поля, но и провести необходимые и чрезвычайно тонкие измерения. Их результат — численное значение массы электрона:
me = 9,10938215(15) * 10-31кг.
К этому времени относятся и исследования структуры где первопроходцем был Эрнест Резерфорд. Именно он, наблюдая за рассеянием заряженных частиц, предложил модель атома с внешней электронной оболочкой и положительным ядром. Частица, которой в была предложена роль ядра простейшего атома, получалась при бомбардировке азота Это была первая ядерная реакция, полученная в лаборатории — в ее результате из азота получался кислород и ядра будущих названных протонами. Однако, альфа-лучи состоят из сложных частиц: кроме двух протонов они содержат еще два нейтрона. Масса нейтрона почти равна и общая масса альфа-частицы получается вполне солидной для того, чтоб разрушить встречное ядро и отколоть от него «кусочек», что и случилось.
Поток положительных протонов отклонялся электрическим полем, компенсируя его отклонение, вызываемое В этих экспериментах определить массу протона уже не составляло труда. Но самым интересным был вопрос о том, какое соотношение имеют масса протона и электрона. Загадка была тут же решена: масса протона превышает массу электрона чуть больше, чем 1836 раз.
Итак, первоначально, модель атома предполагалась, по Резерфорду, как электронно-протонный комплект с одинаковым числом протонов и электронов. Однако совсем скоро оказалось, что первичная ядерная модель не полностью описывает все наблюдаемые эффекты по взаимодействиям элементарных частиц. Только в 1932 году подтвердил гипотезу о дополнительных частицах в составе ядра. Их назвали нейтронами, нейтральными протонами, т.к. они не имели заряда. Именно это обстоятельство обуславливает их большую проникающую способность — они не расходуют свою энергию на ионизацию встречных атомов. Масса нейтрона совсем незначительно превышает массу протона — всего примерно на 2,6 электронных массы больше.
Химические свойства веществ и соединений, которые образуются данным элементом, определяются числом протонов в ядре атома. Со временем подтвердилось участие протона в сильных и других фундаментальных взаимодействиях: электромагнитном, гравитационном и слабом. При этом, несмотря на то, что заряд нейтрона отсутствует, при сильных взаимодействиях протон и нейтрон рассматривают как элементарную частицу нуклон в различных квантовых состояниях. Отчасти сходство поведения этих частиц объясняется и тем, что масса нейтрона очень мало отличается от массы протона. Стабильность протонов позволяет использовать их, предварительно ускорив до высоких скоростей, в качестве бомбардирующих частиц для осуществления ядерных реакций.
Глава 26. Элементы квантовой физики и специальной теории относительности. Атомная и ядерная физика
В программу ЕГЭ по физике входит достаточно большой круг вопросов по атомной и ядерной физике, фотоэлектрическому эффекту, основам специальной теории относительности.
Тем не менее, эти вопросы касаются, в основном, только фактического материала, не требуют его глубокого осмысления и поэтому их достаточно легко выучить. Кратко рассмотрим этот материал.
Фотоэлектрическим эффектом (или просто фотоэффектом) называют явление испускания электронов поверхностью металла под действием света. Экспериментально было установлено, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте и не зависит от интенсивности излучения. При частоте света, меньшей некоторого значения (которое называется красной границей фотоэффекта и является характеристикой каждого металла), фотоэффект прекращается. От интенсивности излучения зависит число электронов, испускаемых поверхностью металла в единицу времени, но не их энергия.
Впервые фотоэффект изучали с помощью вакуумного фотоэлемента или вакуумного фотодиода, который представляет собой стеклянный баллон с откачанным из него воздухом и впаянными электродами. Фотодиод включается в электрическую цепь, как показано на рисунке.
Естественно, в цепи нет электрического тока, поскольку в баллоне нет свободных носителей электрического заряда. Однако когда электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника (катод) освещается светом, в цепи возникает электрический ток, что свидетельствует о появлении между катодом и анодом свободных зарядов. По величине тока в цепи (фототока) можно сделать вывод о количестве вырванных с поверхности катода зарядов. Если же поменять полярность источника, то приложенное напряжение будет тормозить фотоэлектроны. Напряжение, при котором фототок в цепи прекращается, называется задерживающим (или запирающим). Очевидно, что фототок в цепи полностью прекращается, когда максимальная кинетическая энергия электронов становится меньше модуля работы электрического поля, совершаемой над электронами между катодом и анодом
(26.1) |
где — масса электрона, — элементарный заряд, — задерживающее напряжение.
Таким образом, измеряя задерживающее напряжение, можно измерить максимальную кинетическую энергию электронов.
Для объяснения фотоэффекта А. Эйнштейн предположил, что свет представляет собой поток частиц — фотонов, движущихся со скоростью света. Каждый из них обладает энергией, зависящей от частоты (или длины волны) света
(26.2) |
и импульсом
(26.3) |
Фотон, как и любая частица, может поглощаться или излучаться только как единое целое. В формулах (26.2)-(26.3) Дж • с — постоянная, которая называется постоянной Планка, — скорость света в вакууме, — частота света, — длина волны. Поглощая один фотон, свободный электрон в металле увеличивает свою энергию на величину (26.2) и может вылететь с поверхности металла, если его новая энергия достаточна для этого, т.е. превосходит работу , которую необходимо совершить, чтобы покинуть металл.
Эта работа называется работой выхода электрона из металла и является характеристикой каждого металла. В результате закон сохранения энергии дает для кинетической энергии вылетевшего электрона
(26.4) |
В формуле (26.4) пренебрегается начальной энергией электрона. Кроме того, возможны дополнительные потери энергии, связанные со столкновениями с другими электронами, поэтому формула (26.4) определяет максимальную кинетическую энергию электронов. Формула (26.4) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна (26.4) следует, что энергия фотоэлектронов зависит от частоты света, но не зависит от его интенсивности, которая определяется количеством фотонов в световом потоке. От интенсивности света зависит количество фотоэлектронов, поскольку, чем больше фотонов падает на металл, тем большее количество электронов покидает поверхность металла. Из уравнения (26.4) также следует, что при частоте света , где
(26. |
5)(или при длине волны , где ) фотоэффект не имеет место. Поскольку для большинства металлов эта частота лежит в области красного света, ее назвали красной границей фотоэффекта.
Рассмотрим теперь вопросы, связанные со строением атома. Атомы состоят из частиц трех типов: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны имеют близкие массы, и входят в состав атомного ядра — очень маленького образования, расположенного внутриатома1. Протоны имеют положительный заряд, нейтроны не заряжены. Поэтому и атомное ядро заряжено положительным электрическим зарядом. Электроны — отрицательно заряженные элементарные частицы — движутся по определенным орбитам вокруг атомного ядра. Количество электронов в атоме равно количеству протонов, а поскольку заряды этих частиц равны по величине, то атомы в целом не заряжены. Поскольку масса протона и нейтрона примерно в 2000 раз больше массы электрона, то практически вся масса атома сосредоточена в атомном ядре.
Атомы обозначаются следующим образом. Во-первых, указывается химический символ элемента, например, (водород), (гелий), (кислород), (железо), (свинец) и т.д. Во-вторых, перед символом элемента в виде нижнего индекса указывают количество электронов (или протонов) в данном атоме. Например, , , , , и т.д. Поскольку количество электронов в атоме (или количество протонов) полностью определяет его химические свойства, атомы, имеющие разное количество электронов (и протонов) — это атомы разных химических элементов. Поэтому нижний индекс и символ химического элемента однозначно связаны друг с другом. Слева вверху от символа химического элемента указывается суммарное число протонов (или электронов) и нейтронов в ядре этого атома. Например, символ
обозначает атом урана, содержащий 92 электрона и 238 протонов и нейтронов в ядре, из которых 92 протона и 146 = 238 – 92 нейтронов. Существуют атомы, которые имеют одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов.
Такие атомы имеют близкие химические свойства и потому относятся к одному и тому же химическому элементу. Они называются изотопами. Например, изотопами являются атомы свинца , , , , в состав которых входят соответственно 124, 125, 126 и 127 нейтронов.
Электроны в атоме могут совершать переходы с одних орбит на другие с излучением или поглощением фотона. Такое излучение имеет место, в частности, при нагревании парóв любого химического элемента до высокой температуры. При переходе электрона из состояния с энергией в состояние с меньшей энергией , электрон излучает фотон с частотой , которая определяется соотношением
(26.6) |
где — постоянная Планка. Для перехода на орбиту с большей энергией электрон должен поглотить фотон с энергией, равной разности энергий конечной и начальной орбит. А поскольку в каждом атоме существует только небольшое количество электронных орбит с определенными энергиями, атом каждого вещества излучает свет с небольшим числом разных частот, что означает, что спектр излучения атомов является линейчатым1.
На индивидуальности спектров каждого элемента основан метод определения химического состава вещества, который называется спектральный анализ
Некоторые атомы могут самопроизвольно испускать определенные частицы (в результате чего атомы одних элементов превращаются в атомы других). Такое явление называется радиоактивностью. Существует несколько видов радиоактивности, которые получили название -, — и -радиоактивности. Альфа-излучение представляет собой поток ядер атомов гелия, состоящих их двух протонов и двух нейтронов. Альфа-частицы формируются внутри ядра распадающегося атома из его «собственных» протонов и нейтронов, а затем вылетают из ядра. После этого атом теряет два внешних электрона и становится электрически нейтральным атомом элемента, у которого меньше на два нейтрона и два протона. Этот процесс можно схематически записать в виде уравнения, которое называется уравнением ядерной реакции:
(26.7) |
Здесь и — химические символы распадающегося и образовавшегося элементов (например, при -распаде уран превращается в торий ), и — число нейтронов и протонов в распадающемся атоме, — символ -частицы.
При -распаде атом излучает электрон, причем электрон вылетает из атомного ядра. А поскольку «собственных» электронов в ядре нет, то в процессе -распада происходит превращение одного из нейтронов ядра в протон и электрон, протон остается в ядре, а электрон улетает. Этот процесс можно записать в виде уравнения
(26.8) |
Обратим внимание читателя на то, что в процессе -распада суммарное число нейтронов и протонов не изменяется. На самом деле в процессе -распада образуется еще одна частица — антинейтрино, которая имеет очень маленькую или вообще нулевую (это пока неизвестно) массу. Эта частица очень слабо взаимодействует с веществом и потому долгое время ее не могли обнаружить экспериментально.
При -распаде атомное ядро излучает кванты электромагнитного излучения (-частицы или -кванты), т.е. частицы той же физической природы, что и фотоны. Однако -частицы имеют очень большую частоту (и малую длину волны) по сравнению с фотонами видимого света и даже рентгеновским излучением (частота -лучей порядка 1020 Гц).
Из-за очень малой длины волны -излучение практически не проявляет волновых свойств, а ведет себя как поток частиц. Поскольку при -распаде из атома не вылетают электроны, протоны или нейтроны, атом остается структурно тем же самым, но с меньшей энергией, поскольку часть энергии уносит -квант.
При радиоактивных распадах зависимость количества распадающихся атомов от времени подчиняется следующему закону: количество атомов данного радиоактивного вещества уменьшается в два раза за некоторое фиксированное время независимо от их первоначального количества. Это время называется периодом (или временем) полураспада данного вещества. Например, если в некоторый момент времени имеется 1000 атомов радиоактивного вещества с периодом полураспада 1 год, то через год останется 500 атомов. А если бы в начальный момент имелось 10000 атомов этого вещества, то через год их осталось бы 5000. Такая зависимость количества распавшихся атомов от времени свидетельствует о том, что, во-первых, распад каждого атома происходит независимо от других, а во-вторых, имеет вероятностный характер. Поэтому приведенный выше закон распада выполняется приближенно, причем тем точнее, чем большее количество атомов вещества распадется.
Последней темой, которая рассматривается в школьном курсе физики, является специальная теория относительности. Надо сказать, что это рассмотрение является весьма поверхностным, и потому в программу ЕГЭ по физике входит очень небольшое количество вопросов по данной теме. Мы нашли в опубликованных вариантах раздела «А» ЕГЭ прошлых лет всего три вопроса, которые с минимальными вариациями повторяются из года в год. Можно утверждать со значительной вероятностью, что именно эти вопросы будут повторяться и в будущем. Итак, дадим краткий обзор необходимого минимума сведений по теории относительности, входящих в школьный курс физики.
Специальная теорияотносительности1 рассматривает вопросы, связанные с механикой и электродинамикой тел, движущихся со скоростями, близкими к скорости света в вакууме. Оказалось, что физические законы, управляющие поведением таких тел, значительно отличаются от законов физики Ньютона, которую в этом контексте принято называть классической.
Экспериментальной основой теории относительности является опыт Майкельсона, который с помощью прямых измерений доказал, что скорость света в вакууме не зависит от скорости наблюдателя или источника. Этот факт Эйнштейн взял в качестве одного изпостулатов2 своей теории. Второй постулат называется принципом относительности и говорит о том, что все уравнения и законы физики имеют один и тот же вид во всех инерциальных системах отсчета, и, следовательно, все физические явления протекают во всех инерциальных системах отсчета одинаково (аналогичное утверждение, касающееся только механических явлений, называется принципом относительности Галилея). Опираясь только на эти два постулата, Эйнштейн доказал целый ряд удивительных утверждений. Оказалось, в частности, что интервалы времени и длины отрезков зависят от системы отсчета, т.е. являются, как говорят, относительными величинами. Кроме того, для тел, движущихся с большими скоростями, изменяются ряд физических законов (в частности, законы Ньютона), выражения для некоторых физических величин (энергии, импульса и др.
). Эйнштейн получил и новый закон сложения скоростей, который при малых скоростях переходит в «обычный» закон сложения скоростей Галилея, а при больших скоростях тел приводит к постоянству скорости света во всех инерциальных системах отсчета.
Рассмотрим теперь приведенные в первой части книги задачи.
Как это описывалось во введении к настоящей главе, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит только от частоты падающего света, но не зависит от интенсивности излучения (задача 26.1.1 — ответ 1).
От интенсивности излучения зависит количество фотоэлектронов. Поэтому если уменьшить интенсивность света без изменения его частоты (задача 26.1.2), то уменьшится количество фотоэлектронов, но никак не изменится их максимальная скорость.
Электрон, поглощая фотон с энергий 1,5 эВ (задача 26.1.3), приобретает именно такую энергию и не сможет покинуть металл, если работа выхода электрона из металла составляет 2 эВ.
Поэтому при данных условиях фотоэффект идти не будет (ответ 3).
Согласно формуле (26.5) работа выхода электрона из данного металла равна энергии фотона, отвечающего красной границе фотоэффекта для данного металла. Поэтому правильный ответ в задаче 26.1.4 — 3.
Максимальную энергию фотоэлектронов , которую они приобретают при освещении цезия фотонами с энергией 2,1 эВ (задача 26.1.5) найдем по уравнению Эйнштейна для фотоэффекта (26.4): эВ. Отсюда следует, что для увеличения энергии фотоэлектронов вдвое (до величины 0,4 эВ) нужно увеличить энергию фотонов до 2,3 эВ, т.е. на 0,2 эВ (ответ 2).
Из уравнения Эйнштейна следует, что максимальная кинетическая энергия электронов в задаче 26.1.6 равна 1 эВ. Величину задерживающего напряжения можно найти по формуле (26.1). Вычислительно это процедура является очень простой, если для измерения энергии электрона используется внесистемная единица «электрон-вольт» (эВ).
По определению 1 электрон-вольт — это кинетическая энергия, которую приобретает электрон, пройдя ускоряющее напряжение 1 Вольт (В). И наоборот, электроны с кинетической энергией 1 эВ будут остановлены задерживающим напряжением 1 В и фотоэффект полностью прекратится. Таким образом, правильный ответ в этой задаче — 3.
Согласно правилам обозначения атомов нижний индекс указывает число протонов в ядре и электронов на орбитах. Поэтому число электронов в атоме (задача 26.1.7) равно 26 (ответ 2).
Импульс фотона связан с его энергией формулой (26.3) (задача 26.1.8 — ответ 1).
Электрон в атоме излучает фотон, совершая переход и состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. При этом по закону сохранения энергии разность начальной и конечной энергий электрона уносится фотоном. Используя формулу, связывающую энергию и частоту фотона (26.2), находим (задача 26.1.9):
(26. |
8)(ответ 1).
Как указывалось во введении к настоящей главе, спектры излучения парóв химических элементов являются линейчатыми, причем характер расположения линий излучения в спектре уникален для каждого элемента. Поэтому если в образце имеется какой-то элемент, в спектре излучения парóв этого образца будут обязательно представлены спектральные линии, характерные для этого элемента. Спектр излучения неизвестного образца в задаче 26.1.10 содержит все линии спектра стронция, не содержит ни одной линии спектра кальция и содержит ряд дополнительных линий. Это значит, что неизвестный образец содержит стронций и не содержит кальция (ответ 4). Кроме того, этот образец содержит еще какой-то элемент, который и дает лишние (по сравнению с линиями стронция) линии в спектре.
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (задача 26.2.1 — ответ 2).
Согласно правилам обозначения атомов нижний индекс у символа химического элемента представляет число протонов, верхний — сумму числа протонов и нейтронов.
Поэтому в ядре (задача 26.2.2) содержится 30 = 56 − 26 нейтронов (ответ 2).
Из уравнения (26.7) для -распада находим, что при -распаде ядра радона (задача 26.2.3) образуется ядро полония (ответ 4).
Из уравнения (26.8) для -распада находим, что при -распаде ядра тория (задача 26.2.4) образуется ядро протактиния (ответ 3).
При поглощении нейтрона (задача 26.2.5) число нейтронов в ядре увеличивается на единицу, число протонов не изменяется. Поэтому получится ядро свинца (ответ 1).
При двух -распадах тория (задача 26.2.6) два нейтрона в ядре превращаются в два протона. Поэтому получается ядро урана . При его -распаде число нейтронов и число протонов уменьшаются на две единицы каждое. В результате образуется ядро тория, но с другим по сравнению с начальным ядром количеством нейтронов (ответ 2).
За время, равное одному периоду полураспада (задача 26.
2.7), количество атомов распадающегося вещества уменьшится вдвое и станет равным . Еще за один период полураспада вдвое уменьшится и это количество атомов, поэтому останется атомов вещества. А за еще один период полураспада (т.е. за время после начала наблюдения) вдвое уменьшится и это количество. Поэтому через время после начала наблюдения останется атомов вещества (ответ 3).
Постулатами теории относительности являются (см. введение к настоящей главе): утверждение о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета и равноправность всех инерциальных систем для описания любых физических явлений (принцип относительности). Поэтому правильный ответ в задаче 26.2.8 — 2.
Скорость света во всех инерциальных системах одинакова. Поэтому скорость фотонов, излученных фарами первого автомобиля в системе отсчета, связанной со вторым автомобилем (задача 26.2.9), равна = 3 • 108 м/с (ответ 3).
Как отмечалось во введении к настоящей главе, интервалы времени между событиями и длины отрезков меняются при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой.
Как и в классической физике при переходе к другим системам отсчета меняются импульсы тел. Поэтому из перечисленных в задаче 26.2.10 величин не меняется только скорость света (ответ 4).
Электрический заряд: положительный, отрицательный. Элементарный, дискретность, электрон, протон, точечный. Модель атома. Закон сохранения
Тестирование онлайн
Электрический заряд. Основные понятия
Электрический заряд
Нам приходится буквально отлеплять одну от другой свежевыстиранные и доставаемые из сушилки вещи, или когда мы никак не можем привести в порядок наэлектризованные и буквально встающие дыбом волосы. А кто не пробовал подвесить воздушный шарик к потолку, после трения его о голову? Подобное притяжение и отталкивание является проявлением статического электричества. Подобные действия называются электризацией.
Статическое электричество объясняется существованием в природе электрического заряда.
Заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц. Заряд, который возникает на стекле при трении его о шелк, условно называют положительным, а заряд, возникающий на эбоните при трении о шерсть, — отрицательным.
Рассмотрим атом. Атом состоит из ядра и, летающих вокруг него, электронов (на рисунке синие частицы). Ядро состоит из протонов (красные) и нейтронов (черные).
.
Носителем отрицательного заряда является электрон, положительного — протон. Нейтрон — нейтральная частица, не имеет заряда.
Величина элементарного заряда — электрона или протона, имеет постоянное значение и равна
Весь атом нейтрально заряжен, если количество протонов соответствует электронам. Что произойдет, если один электрон оторвется и улетит? У атома станет на один протон больше, то есть положительных частиц больше, чем отрицательных. Такой атом называют положительным ионом. А если присоединится один электрон лишний — получим отрицательный ион. Электроны, оторвавшись, могут не присоединятся, а некоторое время свободно перемещаться, создавая отрицательный заряд.
Таким образом, в веществе свободными носителями заряда являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.
Для того, чтобы имелся свободный протон, необходимо, чтобы разрушилось ядро, а это означает разрушение атома целиком. Такие способы получения электрического заряды мы рассматривать не будем.
Тело становится заряженным, когда оно содержит избыток одних или иных заряженных частиц (электронов, положительных или отрицательных ионов).
Величина заряда тела кратна элементарному заряду. Например, если в теле 25 свободных электронов, а остальные атомы являются нейтральными, то тело заряжено отрицательно и его заряд составляет . Элементарный заряд не делим — это свойство называется дискретностью
Одноименные заряды (два положительных или два отрицательных) отталкиваются, разноименные (положительный и отрицательный) — притягиваются
Точечный заряд — это материальная точка, которая имеет электрический заряд.
Закон сохранения электрического заряда
Замкнутая система тел в электричестве — это такая система тел, когда между внешними телами нет обмена электрическими зарядами.
Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц остается постоянной при любых процессах, происходящих в электрически замкнутой системе.
На рисунке пример закона сохранения электрического заряда. На первой картинке два тела разноименного заряда. На втором рисунке те же тела после соприкосновения. На третьем рисунке в электрически замкнутую систему внесли третье нейтральное тело и тела привели во взаимодействие друг с другом.
В каждой ситуации алгебраическая сумма заряда (с учетом знака заряда) остается постоянной.
Главное запомнить
1) Элементарный электрический заряд — электрон и протон
2) Величина элементарного заряда постоянна
3) Положительный и отрицательный заряды и их взаимодействие
4) Носителями свободных зарядов являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы
5) Электрический заряд дискретен
6) Закон сохранения электрического заряда
Структура атома — Атомный номер, массовое число и изотопы — GCSE Chemistry (Single Science) Revision — Other
wss8nk6bb4.0.0.0.1:0.1.0.$0.$1.$0″> Модель ядраАтомы содержат три субатомных частицы , называемые протонами, нейтронами и электронами.
Протоны и нейтроны находятся в ядре в центре атома. Ядро намного меньше атома в целом. Электроны располагаются в оболочках вокруг ядра.
Свойства подматозных частиц
0.0.0.1:0.1.0.$0.$2.$1.$2.$0″>
wss8nk6bb4.0.0.0.1:0.1.0.$0.$2.$1.$2.$2.$2″> -1Количество электронов в атоме всегда равно количеству протонов, поэтому атомы в целом электрически нейтральны.
Атомы могут терять или приобретать электроны. При этом они образуют заряженные частицы, называемые ионами :
- если атом теряет один или несколько электронов, он становится положительно заряженным ионом
- a отрицательно заряженный ион
2.
1 Электроны, протоны, нейтроны и атомы – физическая геология
Стивен Эрл
Вся материя, включая минеральные кристаллы, состоит из атомов, а все атомы состоят из трех основных частиц: протонов , нейтронов, и электронов .Как показано в таблице 2.1, протоны заряжены положительно, нейтроны не заряжены, а электроны заряжены отрицательно. Отрицательный заряд одного электрона уравновешивает положительный заряд одного протона. И протоны, и нейтроны имеют массу 1, а электроны почти не имеют массы.
| Элементарная частица | Зарядка | Масса |
|---|---|---|
| Протон | +1 | 1 |
| Нейтрон | 0 | 1 |
| Электрон | −1 | ~0 |
Элемент водорода состоит из простейших атомов, каждый из которых имеет только один протон и один электрон.
Протон образует ядро, а электрон вращается вокруг него. Все остальные элементы имеют в своем ядре нейтроны, а также протоны, например, гелий, изображенный на рис. 2.2. Положительно заряженные протоны имеют тенденцию отталкиваться друг от друга, а нейтроны помогают удерживать ядро вместе. Количество протонов равно атомному номеру , а количество протонов плюс нейтронов равно атомной массе . Для водорода атомная масса равна 1, потому что есть один протон и нет нейтронов.Для гелия это 4: два протона и два нейтрона.
У большинства из 16 легчайших элементов (вплоть до кислорода) число нейтронов равно числу протонов. Для большинства оставшихся элементов нейтронов больше, чем протонов, потому что дополнительные нейтроны необходимы, чтобы удерживать ядро вместе, преодолевая взаимное отталкивание увеличивающегося числа протонов, сосредоточенных в очень маленьком пространстве. Например, кремний имеет 14 протонов и 14 нейтронов. Его атомный номер 14, а атомная масса 28. Самый распространенный изотоп урана имеет 92 протона и 146 нейтронов. Его атомный номер 92, а атомная масса 238 (92 + 146).
Рис. 2.2. Изображение атома гелия.
Точка в середине — это ядро, а окружающее его облако показывает, где в любой момент могут находиться два электрона. Чем темнее оттенок, тем больше вероятность, что там будет электрон. Ангстрем (Å) равен 10 -10 м . Фемтометр (фм) равен 10 -15 м. Другими словами, электронное облако атома гелия примерно в 100 000 раз больше, чем его ядро.
Электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, расположены в оболочках, также известных как «энергетические уровни». Первая оболочка может содержать только два электрона, а следующая оболочка может содержать до восьми электронов. Последующие оболочки могут содержать больше электронов, но самая внешняя оболочка любого атома содержит не более восьми электронов. Электроны на внешней оболочке играют важную роль в образовании связей между атомами. Элементы с полной внешней оболочкой инертны в том смысле, что они не реагируют с другими элементами с образованием соединений.
Все они появляются в крайнем правом столбце периодической таблицы: гелий, неон, аргон и т. д. Для элементов, которые не имеют полной внешней оболочки, самые внешние электроны могут взаимодействовать с самыми внешними электронами соседних атомов, создавая химические связи. Конфигурации электронных оболочек для 29 из первых 36 элементов перечислены в таблице 2.2.
| Число электронов в каждой оболочке | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Элемент | Символ | Атомный номер | Первый | Второй | Третий | Четвертый |
| Водород | Х | 1 | 1 | |||
| Гелий | Он | 2 | 2 | |||
| Литий | Ли | 3 | 2 | 1 | ||
| Бериллий | Быть | 4 | 2 | 2 | ||
| Бор | Б | 5 | 2 | 3 | ||
| Углерод | С | 6 | 2 | 4 | ||
| Азот | Н | 7 | 2 | 5 | ||
| Кислород | О | 8 | 2 | 6 | ||
| Фтор | Ф | 9 | 2 | 7 | ||
| Неон | Не | 10 | 2 | 8 | ||
| Натрий | На | 11 | 2 | 8 | 1 | |
| Магний | мг | 12 | 2 | 8 | 2 | |
| Алюминий | Ал | 13 | 2 | 8 | 3 | |
| Кремний | Си | 14 | 2 | 8 | 4 | |
| Фосфор | Р | 15 | 2 | 8 | 5 | |
| Сера | С | 16 | 2 | 8 | 6 | |
| Хлор | Кл | 17 | 2 | 8 | 7 | |
| Аргон | Ар | 18 | 2 | 8 | 8 | |
| Калий | К | 19 | 2 | 8 | 8 | 1 |
| Кальций | Са | 20 | 2 | 8 | 8 | 2 |
| Скандий | Sc | 21 | 2 | 8 | 9 | 2 |
| Титан | Ти | 22 | 2 | 8 | 10 | 2 |
| Ванадий | В | 23 | 2 | 8 | 11 | 2 |
| Хром | Кр | 24 | 2 | 8 | 13 | 1 |
| Марганец | Мн | 25 | 2 | 8 | 13 | 2 |
| Железо | Фе | 26 | 2 | 8 | 14 | 2 |
. | . | . | . | . | . | . |
| Селен | Se | 34 | 2 | 8 | 18 | 6 |
| Бром | Бр | 35 | 2 | 8 | 18 | 7 |
| Криптон | Кр | 36 | 2 | 8 | 18 | 8 |
Атрибуции
Рис. 2.2
Helium Atom от Yzmo находится под лицензией CC-BY-SA-3.0
Chem4Kids.com: Атомы: Структура
Атомы являются основой химии. Они являются основой всего во Вселенной. Как известно, материя состоит из атомов. Твердые тела состоят из плотно упакованных атомов, в то время как газы имеют разбросанные атомы.
Мы рассмотрим основы, такие как атомная структура и связи между атомами. Когда вы узнаете больше, вы можете перейти к страницам реакций и биохимии и посмотреть, как атомы образуют соединения, которые помогают биологическому миру выжить.
Существуют ли частицы материи, которые меньше атомов? Конечно есть. Сверхмалые частицы можно найти внутри кусочков атомов. Эти субатомные частицы включают нуклонов и кварков . Химики-ядерщики и физики работают вместе на ускорителях частиц , чтобы обнаружить присутствие этих крошечных, крошечных, крошечных частиц материи. Однако наука основана на атоме, потому что это мельчайшая отдельная единица материи.
Несмотря на то, что существует множество сверхмалых атомных частиц, вам нужно запомнить только три основные части атома: электроны, протоны и нейтроны.Что такое электроны, протоны и нейтроны? Электроны — самые маленькие из трех частиц, из которых состоят атомы. Электроны находятся в оболочках или орбиталях, окружающих ядро атома.
Протоны и нейтроны находятся в ядре . Они группируются в центре атома. Это все, что вам нужно помнить. Три легких произведения!
В периодической таблице насчитывается почти 120 известных элементов. (117, пока мы это пишем) Химики и физики каждый день пытаются создавать новые в своих лабораториях.Атомы разных элементов имеют разное количество электронов, протонов и нейтронов. Каждый элемент уникален и имеет атомный номер. Это число говорит вам о количестве протонов в каждом атоме элемента. Атомный номер также называют числом протона.
Вы можете видеть, что каждая часть атома помечена знаком «+», «-» или «0». Эти символы относятся к заряду частицы. Вы когда-нибудь слышали о том, что вас может ударить током от розетки, статического электричества или молнии? Все это связано с электрическими зарядами.Заряды также обнаруживаются в мельчайших частицах материи.
Электрон всегда имеет «-» или отрицательный заряд. Протон всегда имеет «+» или положительный заряд.
Если заряд всего атома равен «0» или нейтральному, количество положительных и отрицательных зарядов равно. Нейтральные атомы имеют одинаковое количество электронов и протонов. Третья частица – нейтрон. Он имеет нейтральный заряд, также известный как нулевой заряд.
Поскольку количество протонов в атоме не меняется, меньшее количество или дополнительные электроны могут создать особый атом, называемый ионом. Катионы имеют меньше электронов и имеют положительный заряд. Анионы имеют дополнительные электроны, которые создают отрицательный заряд.
Самое маленькое письмо в мире (видео Стэнфордского университета)
Видео с вопросами
: Чтение количества электронов, протонов и нейтронов по атомному номеру и массовому числу
Стенограмма видео
Атом алюминия имеет атомный номер 13 и массовое число 27.
Сколько протонов в атоме алюминия?
Алюминий является элементом. Атом алюминия состоит из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженным электронным облаком. Внутри ядра находятся положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. Наш первый вопрос: сколько протонов в атоме алюминия? Как я только что сказал, эти протоны находятся в ядре. Этот вопрос дал нам два свойства атома алюминия, которые могут помочь: атомный номер и массовое число.
Атомный номер атома — это число протонов в ядре этого атома. Для этого атома алюминия и вообще для всех атомов алюминия атомный номер равен 13. Следовательно, количество протонов в атоме алюминия равно 13. Я просто сохраню это значение, потому что оно пригодится позже.
Сколько нейтронов в атоме алюминия?
Как и протоны, нейтроны можно найти в ядре атома алюминия. Чтобы ответить на эту часть вопроса, нам понадобится массовое число.Массовое число – это количество протонов и нейтронов в ядре атома. Для этого конкретного атома алюминия массовое число равно 27. Следовательно, в этом конкретном атоме алюминия количество протонов и нейтронов равно 27. Таким образом, мы можем рассчитать количество нейтронов, отняв количество протонов от числа протоны и нейтроны. Следовательно, количество нейтронов равно 27 протонов и нейтронов минус 13 протонов, что мы можем упростить до 27 минус 13, что дает нам 14 нейтронов.Это то же самое число, которое мы получили бы, если бы убрали атомный номер из массового числа. Итак, этот конкретный атом алюминия имеет 14 нейтронов.
Теперь последняя часть этого вопроса.
Сколько электронов в атоме алюминия?
Электроны атома алюминия находятся в пространстве вокруг его ядра. Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужны три бита информации. Первая часть информации заключается в том, что атомы в этом контексте в целом нейтральны.Говорят, что отдельные протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. Нейтроны вообще не имеют заряда. Поэтому нам не нужно включать их в эту часть вопроса. Общий заряд атома или иона всегда равен общему заряду протонов плюс общий заряд электронов.
В данном случае у нас 13 протонов. Таким образом, заряд протонов равен 13, умноженному на заряд, приходящийся на один протон, положительный. Общий заряд наших электронов неизвестен, потому что мы не знаем количество электронов.Но если бы мы это сделали, общий заряд электронов был бы равен числу электронов, умноженному на заряд, приходящийся на один электрон, отрицательный. В этом случае мы знаем, что общий заряд равен нулю. Немного покачнувшись, мы можем увидеть, что количество протонов равно количеству электронов от нейтральной частицы. Следовательно, для атома алюминия внутри него 13 электронов.
Итак, мы продемонстрировали, что атом алюминия с атомным номером 13 и массовым числом 27 содержит 13 протонов, 14 нейтронов и 13 электронов.
Где находятся протоны и электроны в нейтронной звезде? (Средний)
Что происходит с частицами в звезде, когда она коллапсирует, образуя нейтронную звезду. Я читал, что наперсток материи нейтронной звезды может весить тысячи тонн. Этот факт действительно трудно уложить в голове. Означает ли это, что все нейтроны в атомах сжимаются вместе. Если да, то что происходит с протонами и электронами?
Нейтронные звезды — увлекательный полигон для всех видов экстремальной физики, и изучение деталей их внутреннего строения по-прежнему является активной областью исследований.Причина, по которой я упоминаю об этом, состоит в том, чтобы просто сказать, что то, что происходит с протонами и электронами, сложно. Короткий ответ: они превращаются в нейтроны.
Вот немного более длинный ответ. Нейтроны в атомных ядрах очень стабильны, но свободные нейтроны вне ядра распадаются на протон и электрон (и технически нейтрино) примерно через 15 минут посредством бета-распада. Другими словами, нейтроны = электроны + протоны. Причина, по которой нормальная материя не состоит полностью из нейтронов, заключается в давлении вырождения электронов.Если вы когда-нибудь изучали химию, вы знакомы с принципом запрета Паули, который определяет, где электрон может находиться в оболочке атома. Сокращенная версия: два электрона не могут занимать одно и то же место, поэтому они упорядоченно заполняют себя в оболочках. Если вы попытаетесь сжать материю по-настоящему плотно, то способность находиться в одном и том же месте в одно и то же время будет действовать как сила, удерживающая атомы вместе. Это называется давлением вырождения электронов, и именно оно удерживает белого карлика вместе против гравитации.
В нейтронной звезде гравитация преодолела давление вырождения электронов, позволив протонам и электронам объединиться в нейтроны. Теперь сила, удерживающая звезду от гравитации, — это давление вырождения нейтронов. Нейтроны, как и электроны, являются фермионами, и два нейтрона могут не находиться в одном и том же состоянии, и это скопление нейтронов создает поддерживающую силу против интенсивного гравитационного давления. Как я упоминал выше, детали более сложны, но можно с уверенностью сказать, что мы, вероятно, никогда не сможем смоделировать состояния материи в нейтронной звезде на Земле.
Отредактировано Майклом Ламом 29 августа 2015 г. : Чтобы добавить ответ на заглавный вопрос, внутри находится некоторое количество протонов, порядка 10%. Остальное считается в основном нейтронами. Кора состоит в основном из ядер железа, окруженных свободно движущимися электронами. Когда формируется нейтронная звезда, большинство протонов и электронов объединяются вместе, образуя нейтроны, как описано выше.
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка браузера на прием файлов cookie
Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере. - Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie
потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.
Протоны и нейтроны
Более подробная диаграмма распада нейтрона идентифицирует его как превращение одного из нижних кварков нейтрона в верхний кварк.Это пример кварковых превращений, которые участвуют во многих ядерных процессах, включая бета-распад. |
Распад нейтрона — хороший пример наблюдений, которые привели к открытию нейтрино. Анализ энергетики распада может быть использован для иллюстрации дилемм, с которыми столкнулись первые исследователи этого процесса.
Используя понятие энергии связи и представляя массы частиц через их энергии массы покоя, выход энергии от распада нейтрона можно рассчитать по массам частиц.Выход энергии традиционно обозначается символом Q. Поскольку энергия и импульс должны сохраняться при распаде, будет показано, что более легкий электрон унесет большую часть кинетической энергии. При кинетической энергии такой величины необходимо использовать выражение релятивистской кинетической энергии. |
На данный момент мы предполагаем (ошибочно), что в распаде участвуют только протон и электрон как продукты. Тогда выход энергии Q будет разделен между протоном и электроном.Электрон получит большую часть кинетической энергии и будет релятивистским, а протон нерелятивистским. Энергетический баланс тогда
В системе покоя нейтрона для сохранения импульса требуется
пк электрон = — пк протон
и pc электрон можно выразить через кинетическую энергию электрона
Энергетический баланс становится равным
.
Когда вы подставляете числа для этого значения Q, вы видите, что член KE e 2 пренебрежимо мал, поэтому можно рассчитать требуемую кинетическую энергию электрона.Требуемая кинетическая энергия электрона для этой двухчастичной схемы распада составляет
Обратите внимание, что максимальная кинетическая энергия отталкивающегося протона составляет всего около 0,4 кэВ, поэтому энергии отдачи других ядер, испустивших бета-частицы, очень малы по сравнению с энергиями электронов.
Аналогичным образом, импульс электрона для этого двухчастичного распада ограничен значением
Импульс и энергия двухчастичного распада ограничены этими значениями, но это а не поведение природы.Наблюдаемые распределения импульса и энергии для электрона показаны ниже.
Тот факт, что электроны, образовавшиеся при распаде нейтрона, имели непрерывное распределение энергии и импульса, был ясным признаком того, что наряду с электроном и протоном испускалась другая частица. Это должна была быть нейтральная частица, и в некоторых случаях распада она несла почти всю энергию и импульс распада. Это не было бы столь необычным, если бы не тот факт, что, когда электрон имел максимальную кинетическую энергию, он составлял 90 862 всю 90 863 энергию Q, доступную для распада.Таким образом, не осталось энергии, чтобы объяснить энергию массы другой испущенной частицы. Первые экспериментаторы столкнулись с дилеммой частицы, которая могла нести почти всю энергию и импульс распада, но не имела ни заряда, ни массы!
Таинственная частица была названа нейтрино, но прошло двадцать пять лет, прежде чем Коуэн и Рейнс сделали однозначное экспериментальное наблюдение нейтрино. Нынешнее понимание распада нейтрона составляет
Этот распад иллюстрирует некоторые законы сохранения, управляющие распадом частиц.
