Нейтроны протоны электроны это: столпотворение внутри материи / Хабр

Пора посмотреть правде в глаза

Вадим Прибытков, постоянный корреспондент Терры
Инкогнита.

Нейтроны состоят из протонов и электронов.

Резерфорд считал, что возможно существование нейтральной частицы с массой протона, вокруг которой вращается на близкой орбите электрон. Таким образом, честь открытия нейтрона, во всяком случае, теоретическая, принадлежит Резерфорду. В 1932 г.

Д. Чедвик, которого в настоящее время считают первооткрывателем нейтронов, подтвердил, что излучение, открытое в 1930 г. Боте и Беккером, состоит из нейтронов.

Важная роль электронов в строении нейтронов заключается в том, что они принимают непосредственное участие в строении ядра и обеспечивают совместно с протонами создание нейтральных частиц, без которых построение ядер невозможно. Соединение в одном ядре протона и нейтрона наиболее отчетливо можно представить на примере ядра дейтерия. Чтобы объединить протон с протоном должна быть обратная сила, такой силой является электрон.

То, что нейтрон представляет сложное образование, видно из того, что нейтрон, находящийся в свободном состоянии, распадается на протон и электрон. Силы, действующие в ядре дейтерия между протоном и нейтроном—все те же электрические силы взаимного притяжения и отталкивания.

Присутствие электрона на орбите вокруг протона делает такой протон отличным от обычного протона. Отличным в такой степени, что нейтрон воспринимается в ядре как противоположность протону. И это действительно так. Протоны и нейтроны играют в ядрах разную роль из-за отличия в наружных силах притяжения, и протоны связываются между собой в ядре через нейтроны, а нейтроны через протоны.

Из стабильных ядер только ядро водорода-I не содержит в себе нейтрона. В остальных стабильных ядрах нейтронов или столько же, сколько протонов, или больше. Однако это не дает права утверждать, что половина массы вещества заключена в нейтронах. Если говорить точно, то вся масса вещества заключена в протонах, электронах и электромагнитных квантах в пропорциях их масс. Крупнейшие процессы движения и превращения вещества во Вселенной связаны с превращением атомных ядер и составляющих их протонов и электронов, единственных аккумуляторов энергии.

Свойства атомных ядер и характер их превращений определяются силами взаимодействия протонов и нейтронов. Эти силы взаимодействия хорошо известны—это все те же электрические силы, как это наглядно видно на ядрах водорода, действующие как в ядрах, так и в атомах. Поэтому свойства атомных ядер можно предсказать с таким же успехом, как и свойства атомов, потому что между процессами и силами взаимодействия (за исключением их величин) имеется определенное сходство.

Считается, что ядерные силы не являются центральными и не могут быть описаны простой функцией расстояния, как, например, электрические или гравитационные силы, хотя атом водорода опровергает подобное мнение. По существующей схеме на внутриядерных расстояниях действуют какие-то особые ядерные силы, которые потом почему-то пропадают, хотя они и являются самыми мощными, а вместо них неизвестно откуда возникают электрические силы, а потом силы тяготения, распространяющиеся на гигантские расстояния, хотя они и являются из них самыми слабыми. Это неверно. В действительности существуют лишь электрические силы: это силы взаимодействия между протонами и электронами, силы отталкивания между одноименно заряженными частицами.

Согласно существующей теории тяжелые элементы образовались в природе из более легких путем последовательного захвата нейтронов. Но откуда при этом взялись нейтроны—умалчивается.

Этому противоречит радиоактивность свободного нейтрона, имеющего период полураспада в 12 минут. В действительности нейтроны образуются в ядрах путем захвата ближайшего к ядру электрона (К-захват).

Понимание сил, действующих внутри ядра, как сил электрического притяжения и отталкивания, дает возможность построить модели ядер любых элементов и их изотопов. Это также несовместимо с многочисленными гипотезами относительно возможности существования «нейтронной жидкости», «нейтронной материи» и т.д.

Почему мы говорим о том, что электрические силы являются единственными в природе? Как уже говорилось, об этом свидетельствует ядро водорода—протон. Протон располагает одной единственной силой—электрическим отталкиванием по отношению к другому протону и электрическим притяжением по отношению к электрону. Но ведь водород составляет 70-80 процентов у всех видимых звезд. Следовательно, 70-80 процентов видимой материи заведомо располагает только электрическими силами. Но ведь и остальная материя состоит из протонов и электронов. Значит и она подчиняется тем же закономерностям.

Характерно, что в составе первичных частиц космического излучения нейтронов нет. Это также говорит о том, что нейтрон является типичной внутриядерной структурой, рождается в ядрах и существует в устойчивом состоянии также только в ядрах.

Резерфорд предсказал существование и строение нейтрона.

Как мы видим, он был намного дальновиднее последующих теоретиков, утверждавших, что в составе ядер электронов быть не может. Это противоречит строению ядер атомов. Пора посмотреть правде в глаза.

Протоны, нейтроны, электроны и атомы

    Масса нейтрона равна 1,008665 а. е.м., а масса протона и электрона в электронном облаке, нейтрализующего заряд протона, равна 1,007825 а. е. м. (В таблицах обычно приводятся массы нейтральных атомов, а не массы их ядер.) Указанный изотоп ртути имеет 80 протонов и 200 — 80 = 120 нейтронов. Суммарная масса всех элементарных частиц, из которых состоит этот атом, должна быть  [c.407]









    Основные характеристики элементарных частиц, образующих атом,— протона, нейтрона и электрона — приведены в таблице 1. [c.7]

    Атомные массы отдельных изотопов несколько отступают от целых чисел. Это объясняется выделением огромной энергии при образовании атомных ядер из протонов и нейтронов, что согласно уравнению (196) сопровождается изменением массы. Разность между атомной массой изотопа и суммой масс элементарных частиц, образующих его атом (протонов, нейтронов, электронов), называется дефектом массы и является мерой энергии, выделившейся при образовании сложного атома из элементарных частиц.  [c.708]

    Сколько протонов, нейтронов и электронов содержится в атоме серы-32 Как записать атомный символ этого изотопа, указав верхний и нижний индексы Во что превратился бы этот атом, если бы из его ядра был удален один нейтрон, и как это должно было повлиять на число имеющихся электронов Что случилось бы, если вместо этого из ядра был удален один протон и как это повлияло бы на число имеющихся у атома электронов  [c.58]

    Современная химия установила, что и атом не предел делимости. Атом сам состоит из еще более простых частиц. Эти элементарные частицы названы протонами, нейтронами, электронами. Протоны и нейтроны составляют ядро атома, а вокруг ядра вращаются электроны. Например, атом водорода состоит из одного протона, вокруг которого двигается один электрон. Атом второго элемента из периодической системы элементов Д. И. Менделеева — гелия, сложнее, атом его состоит из 2 протонов, из 2 нейтронов и из 2 электронов. Атом углерода еще сложней. Ядро его состоит из 6 протонов,, из 6 нейтронов, вокруг ядра двигается 6 электронов. Последний элемент таблицы уран имеет очень сложное строение. Ядро его состоит из 92 протонов, 146 нейтронов и двигающихся вокруг ядра 92 электронов. [c.12]

    Электрон сокращенно обозначается в , позитрон — е+, нейтрон — ап а протон — р. Например, атом гелия сокращенно обозначают гНе , где нижняя цифра — величина заряда ядра (число протонов в ядре), верхняя — масса атома. [c.41]

    Необходимо отметить, что схема, согласно которой атом образуется из элементарных частиц только трех типов, является упрощенной. Однако при рассмотрении структуры химической организации материи такое упрощение вполне оправданно — свойства атома и характер его взаимодействия с другими атомами можно однозначно объяснить только тремя параметрами числом протонов, нейтронов и электронов, содержащихся в нем. [c.6]

    Полная масса атома называется его атомной массой и приблизительно равна сумме масс всех протонов, нейтронов и электронов, входящих в состав атома. Когда из протонов, нейтронов и электронов образуется атом, часть их массы превращается в энергию, которая выделяется в окружающую среду. (Этот дефект массы и есть источник энергии в реакциях ядерного синтеза). Поскольку атом невозможно разделить на составляющие его элементарные частицы, не подводя к нему извне энергию, которая эквивалентна исчезнувшей массе, эта энергия называется энергией связи атомного ядра. [c.18]

    На этом пути, идя снизу вверх, я выхожу и на систематизацию видов атомов (химических элементов), следуя генеалогической родословной материи. Такое переворачивание вектора познания влечет за собой и переворачивание дефиниций некоторых естественнонаучных понятий. Раньше атом определялся как «частица вещества микроскопических размеров (микрочастица), наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойства». В новом подходе «атом — это частица вещества, качественная определенность которой характеризуется определенным числом протонов и нейтронов в ядре и определенным числом электронов (равным числу протонов) в электронной оболочке».  [c.83]

    Наличие у материальных частиц волновых свойств было подтверждено экспериментально. В 1927 г. американские физики Дэвиссон и Джермер и англичанин Томсон с помощью пучка электронов получили дифракционную картину, подобную той, что была известна с 1912 г. для рентгеновских лучей. Позднее появились экспериментальные доказательства наличия волновых свойств у таких материальных объектов, как протон, нейтрон, атом гелия, молекула водорода. Таким образом, было доказано, что описание поведения микрообъектов должно обязательно учитывать их волновые свойства. [c.162]

    Все химические вещества состоят из частиц, классификация которых в химии (и физике ) достаточно сложна химические превращения связывают прежде всего с такими частицами, как атом, молекула, ядро, электрон, протон, нейтрон, атомные и молекулярные ионы, радикалы. Принято считать, что атом — это наименьшая химическая частица вещества, хотя, как мы знаем, каждый атом состоит из так называемых элементарных частиц. В следующем разделе будет показано, что свойства атома и характер его взаимодействия с другими атомами доста- [c.5]

    Рассмотрим основные свойства образующих атом частиц — электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны (нуклоны) образуют атомное ядро. Масса одного протона составляет 1,673-10 г. Нейтрон близок по массе протону. Электрон приблизительно в 1820 раз легче протона (нейтрона), масса электрона 9,108-10 г. Таким образом, основная масса атома сосредоточена в атомном ядре. Поскольку оперировать со столь малыми величинами масс не всегда удобно, массы атомных ядер, атомов, молекул чаще всего выражают не в граммах, а в специальных атомных единицах массы (а. е. м.). За атомную единицу массы принята углеродная единица, т. е. /12 массы атома основного изотопа углерода, ядро которого образовано из шести протонов и шести нейтронов 1 а. е. м.= ], 66057-кг. [c.22]

    Рассмотрим строение атома какого-нибудь элемента, например натрия, с позиций протонно-нейтронной теории. Порядковый номер натрия в периодической системе 11, массовое число 23. В соответствии с порядковым номером заряд ядра натрия равен 11+. Следовательно, в атоме натрия имеется И электронов, сумма зарядов которых равна положительному заряду ядра. Если атом натрия потеряет один электрон, то положительный заряд ядра будет на единицу больше суммы отрицательных зарядов электронов (10), и атом натрия станет ионом с зарядом 1+. Заряд ядра атома равен сумме зарядов 11 протонов, находящихся в ядре, масса [c.41]

    Атом-это наименьшая химическая частица вещества. При разрушении атом распад , ется на более мелкие ( элементарные ) физические частицы, из которых и построены любые атомы, но число пих частиц у разных атомов различное. Физические частицы — это электрон е», протон р и нейтрон. Любой атом — электронейтральная химическая частица его ядро включает некоторое число протонов и нейтронов (заряжено положительно), а на периферии атома- в электронной оболочке находится некоторое число электронов, обязательно равное числу протонов в ядре. Так, разные агомы могут содержать  [c.8]

    Изучение строения вещества приводит к открытию все более тонких деталей его структуры, постепенно углубляет и расширяет наши знания о нем. Такие частицы, как электрон, протон, нейтрон, которые несколько десятилетий назад принято было считать элементарными (простейшими), оказались сложными и делимыми. Подтвердилось гениальное предвидение В. И. Ленина, писавшего в 1908 г., что электрон так же неисчерпаем, как атом. [c.21]

    Частицы, которые могут находиться в элементарной ячейке только по одной. К ним применен принцип Паули. Это частицы с полуцелым суммарным спином электроны, протоны, нейтроны. Из сложных частиц можно привести в качестве примера атом азота, который состоит из 14 нуклонов и 7 электронов. [c.214]

    Известно (разд. 1.1), что атомы состоят из нейтронов, протонов и электронов. Химический элемент построен из атомов, имеющих одинаковое число протонов атом, состоящий из электрона и протона, соответствует химическому элементу водороду независимо от числа нейтронов, входящих в состав водорода. Атом, содержащий шесть протонов и шесть нейтронов, соответствует химическому элементу углероду. Если вещество образовано одинаковыми атомами, то оно называется простым веществом газ, образованный молекулами водорода Нг, одноатомный неон N6, металлический натрий — все это простые вещества. [c.90]

    Химический элемент — это совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Носителем положительного заряда ядра являются протоны. Их число определяет величину аряда ядра, и следовательно, атомный (порядковый) номер химического элемента. Основные характеристики частиц, образующих атом — протона, нейтрона и электрона, приведены в табл. 1. Масса электрона почти в 1840 раз меньше массы протона и нейтрона. Поэтому масса атома практически равна массе ядра — сумме масс нуклонов (протонов и нейтронов). [c.6]

    Захватом называется ядерная реакция, при которой /С-электрон, первоначально находящийся в атоме, но за пределами его ядра, поглощается (захватывается) ядром. Запишите уравнение этого процесса, основываясь на нейтронно-протонной теории. Какой атом образуется прп /С-захвате, происходящем в изотопе Т  [c.86]

    Все химические вещества состоят из частиц, классификация которых в химии (и физике ) достаточно сложна химические превращения связывают прежде всего с такими частицами, как атом, молекула, ядро, электрон, протон, нейтрон, атомные и молекулярные ионы,радикалы. [c.4]

    Многие химические и физические процессы могут быть объяснены с помощью простых моделей строения атома, предложенных Резерфордом, Бором и другими учеными. Каждая из таких моделей, чем-то отличаясь, тем не менее предполагает, что каждый атом состоит из трех видов субатомных частиц протонов, нейтронов и электронов. Это далеко не полная картина, но для наших целей этого пока достаточно. Протоны и нейтроны образуют ядро атомов. Ядро намного тяжелее электронов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома, но ядро занимает лишь ничтожную часть объема. Электроны движутся (часто говорят вращаются ) вблизи ядра по определенным законам. Ядро может быть описано всего лишь двумя числами — порядковым номером атома в периодической системе элементов (его называют атомным номером и обозначают символом ) и массовым числом символ А). [c.15]

    Ч-электрон), за тщ следует D-атом (протон + нейтрон + электрон) и Т-атом (протон + 2 нейтрона + электрон). Далее идет атом Пе (2 протона + 2 нейтрона + 2 электрона) и т.д. Благодаря обменным взаимодействиям, происходящим при обркзовании ядра атома (комбинация протонов и нейтронов), выделяющаяся при этом энергия очень велика. Соответственно для разрушения ядра необходимо затратить такое же количество энергии. Например, для расщепления ядра дейтерия на протон и нейтрон нужно сообщить ядру энергию, равную 2,14 10 кДж- моль Ч При химических реакциях такое количество энергии никогда не выделяется, вследствие чего атомные ядра в химических превращениях выступают как неизменяющаяся комбинация протонов и нейтронов. Напротив, при объединении протона с электроном в атом водорода выделяется всего лишь 1310 кДж моль- . Такая же энергия необходима и для расщепления атома водорода на протон и электрон потенциал ионизации), причем эта величина имеет тот же порядок, что и количество энергии, выделяющееся в результате химических реакций. То же самое можно сказать и о величине энергии, необходимой для взаимодействия атома водорода с электроном, равной 72 кДж-моль срод- [c.50]

    Примером процесса с первоначальным упорядоченным распределением компонентов А я В служит процесс отжига радиационных дефектов. При бомбардировке электронами, протонами, нейтронами, а-частицами и т. д. атомы решетки смешаются из своих нормальных положений в междоузлия, в результате каждой вакансии в узле решетки соответствует атом, занимающий междоузлие. После бомбардировки при низких температурах вещество нагревают, чтобы диффузия проходила с такой скоростью, которая позволила бы наблюдать процесс рекомбинации междоузлий с вакансиями. Некоторая упорядоченность первоначального распределения объясняется тем, что в положениях каждого из компонентов в парах вакансия —междоузлие имеется значительная корреляция вследствие того, что при бомбардировке междоузельные атомы недалеко удаляются от своих вакантных узлов. Эта упорядоченность приводит к большей вероятности того, что атом в междоузлии рекомбинирует при отжиге с вакансией, находящейся именно в том узле решетки, откуда он вышел. Например, опыты на германии показали, что примерно на 70% процесс отжига протекает за счет упорядоченных пар вакансия —междоузельный атом. [c.120]

    К уменьшению заряда ядра на единицу при сохранении массового числа атома приводит не только Р+-распад, но и электронный захват, при котором один из электронов ато.мной электронной оболочки захватывается ядром взаимодействие этого электрона с одним пз содержащихся в ядре протонов приводит к образованию нейтрона  [c.108]

    Атомы. Последним известным в настоящее время пределом делимости вещества являются элементарные частицы — протоны, нейтроны и др. За последние десятилетия благодаря появлению мощных ускорителей и тщательному исследованию состава космических лучей стало известно около 200 элементарных частиц. Теперь ставится вопрос об их (строении в связи с этим вместо термина элементарные частицы иногда пользуются выражением фундаментальные частицы . Атомами называются наиболее простые электрически нейтральные системы, состоящие из элементарных частиц. Более сложные системы — молекулы— состоят из нескольких атомов. Химикам приходится иметь дело с атомами, образующим вещества, — атомами химических элементов они представляют наименьшие частицы химических элементов, являющиеся носителями их химических свойств. Атом химического элемента состоит з положительного ядра, содержащего протоны и нейтроны, и движущихся вокруг ядра электронов . Многие из этих атомов устойчивы, они могут существовать сколь угодно долго. Известно также больщое число радиоактивных атомов, которые спустя некоторое время превращаются в другие атомы в результате изменений, происходящих в ядре.  [c.5]

    Структура нейтрона и атомного ядра. Когда открыли нейтрон, то считали его комбинацией электрона и протона в одной частице в этом случае он должен был бы иметь массу меньше массы водородного атома на величину энергии связи протона и электрона внутри нейтрона. Масса последнего, однако, или равна или больше массы водородного атома. Согласно современной квантовой механике атом водорода является, кроме того, единственной возможной комбинацией протона и электрона, поэтому теперь общепринято считать нейтрон индивидуальной и основной частицей, не состоящей из других известных единиц. [c.13]

    Углерод в периодической системе Д. И. Менделеева расположен в четвертой группе. Его порядковый номер равен 6, а атомная масса 12,011. Ядро атома состоит из шести протонов и шести нейтронов. Нейтральный атом углерода содержит шесть электронов. [c.5]

    Атомы и молекулы являются сложными динамическими образованиями. Каждый атом состоит из ядра ( 10-13 см), в котором сосредоточена почти вся его масса, и из электронной оболочки (- 10 см), окружающей ядро. Составные части атомных ядер (нуклоны) — протоны и нейтроны — имеют примерно одинаковую массу, превосходящую массу электрона в 1840 раз. Протоны и электроны имеют электрические заряды, равные по величине, но противоположные по знаку (протоны имеют положительный заряд, электроны — отрицательный), нейтроны не имеют электрического заряда. Помимо массы и электрического заряда протоны, нейтроны и электроны имеют собственные моменты количества движения, называемые их спинами, которые равны по вели- [c.191]

    Атомы состоят из определенного числа протонов, нейтронов и электронов (атомы водорода обычно не содержат нейтронов). Специальные обозначения показывают количество частиц каждого типа в атоме. Так, Н обозначают атом водорода с атомным номером [c.29]

    Строение атома и валентность. Как известно, атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного электронной оболочкой с отрицательным зарядом. Первоначально предполагали, что атом можно представить себе в виде миниатюрной солнечной системы, в которой ядро играет роль солнца, а вокруг него движутся планеты — электроны. Однако вскоре выяснилось, что законы кв1антовой механики, действующие в микромире — мире элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и др.) — существенно отличаются от привычных обычных физических законов. [c.19]

    Электронная оболочка атома. Благодаря успехам химии и физики в настоящее время знают, что химические явления связаны с процессами, происходящими в электронной оболочке атомов. Электронное строение атомов должно быть известно из курсов физики и неорганической химии здесь мы лишь кратко на- -помним о нем. Как известно, атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного электронной оболочкой с отрицательным зарядом. Первоначально предполагали, что атом можно представить себе в виде миниатюрной солнечной системы, в которой ядро играет роль солнца, а вокруг него движутся планеты — электроны. Однако вскоре выяснилось, что законы квантовой механики, действующие в мире элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов и др.), сущестьенно отличаются от привычных обычных физических законов.  [c.25]

    Атом состоит из положительно заряженного ядра, которое окружено таким числом отрицательно заряженных электронов, что в целом атом оказывается электрически нейтральным. Ядро в свою очередь состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов масса каждой из этих частиц пpибJ изитeльнo равна 1 а.е.м. Масса электрона приблизительно равна 1/1836 части массы протона заряд электрона равен по величине, но противоположен по знаку заряду протона. Суммарное число протонов в ядре (и электронов в нейтральном атоме) называется атомным номером 2. Суммарное число протонов и нейтронов в атоме называется [c.51]

    В зависимости от того, является ли спин частицы целым или полу-целым, частицы делятся на два класса частицы с целым или нулевым спином носят название частиц Бозе или бозонов частицы с полуцелым спином носят название частиц Ферми или фермионов. К бозонам из элементарных частиц относятся фотон (з 1), я- и К-мезоны (я 0). Большинство элементарных частиц (электроны, протоны, нейтроны, позитроны и др. ) имеет спин 5 = 1/2 является фермиоиами. Принадлежность сложной частицы к тому или другому классу определяется ее суммарным спином. Если сложная частица составлена из четного числа фермионов (Н, Нг, Не), она является бозоном сложная частица является фермионом, если суммарное число фермионов в ней нечетное (атом дейтерия, молекула НО). [c.158]

    В литературе еще встречается смешивание понятий нуклид и изотоп, хотя в 1950 г. было принято международное соглашение, по которому к изотопам следует относить различные виды атомов (точнее, ядер) талько одного элемента (2 — сопз ), а различные не только по числу нейтронов, но также по числу протонов и электронов ядра и атомы следует называть нуклидами. Например, атом углерода с 12 нуклонами в ядре, атом кобальта с 59 нуклонами и атом урана в 235 нуклонами — это нуклиды, т. е) конкретные виды атомов различных элементов, а три разных атома углерода с 12. 13 и 14 нуклоиами в их ядрах — это изотопы (изотопные нуклиды) лемента углерод. Таким образом, нуклид—это более широкое понятие, чем изотоп, так как каждый изотоп есть нуклид, но только нуклиды одного элемента являются изотопами. [c.81]

    О составе атомных ядер и энергии их образования. Изучение явления радиоактивности первоначально привело к предположению, что ядра различных атомов построены из протонов и электронов. Эта гипотеза долгое время была общепризнанной. Однако последующее изучение ядерных реакций, открытие нейтронов Чедвиком и выявившаяся возможность выделения нейтронов из любых атомных ядер (кроме протона) привели к отказу от ранее принятой гипотезы. Д. Д. Иваненко и Е.Н. Га-пон (1932) и Гейзенберг (в том же году) высказали и обосновали положение, что атомные ядра состоят 8 88 90 92 9 из протонов и нейтронов, и предложили протонно-нейтронную теорию Рис. 8. Энергетические уровни 5/ атомных ядер и 6 -подуровией электронов в ато- [c.51]

    Ядро атома В. содержит только один протон. Ядра дейтерия и трития вк. пючают, кроме того, один и два нейтрона соответственно. Атом В. имеет один электрон энергия ионизации Н° — Н+, 13,595 эв. Сродство к электрону Н° — Н 0,78 эв. Основное электронное состояние (см. Атом) отвечает нахождению. электрона на низшем энергетич. уровне, соответствующем значению квантовых чисел га = 1, 1 = 0, т = Q. Магнитный момент атома В. в основном состоянии равен одному боровскому магнетону, т. о. 9,23-10 «1 GSM. Квантовая механика позволяет рассчитать все возможные энергетич. уровни ато.ма В., а следовательно дать полную интерпретацию атомного спектра. Рассчитано также распредс.ленне вероятностен нахожден яя электрона по различным направлениям от ядра и на различных расстояниях от него. Атом В. используется в качестве модельного [c.310]

    Атом каждого химического элемента состоит из ядра и элеК тронов, а ядро, в свою очередь, — из протонов и нейтронов. Протон— элементарная частица, тождественная атому водорода, по-терявщему электрон. Заряды протона и электрона равны по величине и противоположны по знаку. Нейтрон — нейтральная элементарная частица чуть тяжелее протона. [c.135]

    Изотопы, атом, молекула. Природный К. состоит из смеси 3 стабильных изотопов О (99,759%), О (0,037%) и 0 (0,204%). Кроме того, искусственно получены три радиоактивных изотопа К. О (Т , = = 76,5 сек), 0 (Г1 = 2,1 мин) и 0 (Г /» = = 29,5 сек). Ядра изотонов К. состоят из 8 протонов и соответственно для О , 01 , Oi , 0 и 0 из 6, 7, 8, 9, 10 и 11 нейтронов. Электронная оболочка атома К. состоит из 2 внутренних и 6 внешних электронов и выражается фор.мулой Is 2s 2р 2ру 2р. (см. Атом). Два непарных электрона обусловливают [c.286]

    По ядерной модели наиболее просто устроен атом водорода. Его ядро несет один э чементарный положительный заряд и в поле ядра движется один электрон. Ядро атома водорода называют протоном. В любом процессе протоны и электроны участвуют как неделимое целое, поэтому они причисляются к элементарным частицам. Существует ряд других элементарных частиц. К ним относится нейтрон, имеющий почти такую же массу, как и протон, но не несущий электрического заряда. Нейтроны вместе с протонами входят в состав сложных атомных ядер. Так, ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов, следовательно, оно несет два полол ительных заряда и массу почти в четыре раза большую, чем масса протона. Третий по сложности — атом лития имеет [c.66]

Нейтрон — это… Что такое Нейтрон?

Нейтро́н (от лат. neuter — ни тот, ни другой) — элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрон является фермионом и принадлежит к классу барионов. Атомные ядра состоят из нейтронов и протонов.

Открытие

Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Дж. Чедвику, за это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.

В 1930 г. В. А. Амбарцумян и Д. Д. Иваненко показали, что ядро не может, как считалось в то время, состоять из протонов и электронов, что электроны, вылетающие из ядра при бета-распаде, рождаются в момент распада, и что кроме протонов, в ядре должны присутствовать некие нейтральные частицы. ^[3][4]

В 1930 Вальтер Боте и Г. Бекер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием-210, попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это — гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи, и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в 1932 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 году английский физик Джеймс Чедвик провёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и произвёл серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами от латинского корня neutral и обычного для частиц суффикса on (он). В том же 1932 г. Д. Д. Иваненко^[5] и затем В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

Основные характеристики

Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральной частицей. Античастицей нейтрона является антинейтрон, который не совпадает с самим нейтроном.

Строение и распад

кварковая структура нейтрона

Считается надёжно установленным, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков (кварковая структура udd). Близость значений масс протона и нейтрона обусловлена свойством приближённой изотопической инвариантности: в протоне (кварковая структура uud) один d-кварк заменяется на u-кварк, но поскольку массы этих кварков очень близки, такая замена слабо сказывается на массе составной частицы.

Поскольку нейтрон тяжелее протона, то он может распадаться в свободном состоянии. Единственным каналом распада, разрешённым законом сохранения энергии и законами сохранения электрического заряда, барионного и лептонного квантовых чисел, является бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино (а также, возможно, гамма-квант). Поскольку этот распад идёт с образованием лептонов и изменением аромата кварков, то он обязан происходить только за счёт слабого взаимодействия. Однако, ввиду специфических свойств слабого взаимодействия, скорость этой реакции аномально мала из-за крайне малого энерговыделения (разности масс начальных и конечных частиц). Именно этим объясняется тот факт, что нейтрон является настоящим долгожителем среди элементарных частиц: его время жизни, приблизительно равное 15 минутам, примерно в миллиард раз больше времени жизни мюона — следующей за нейтроном метастабильной частице по времени жизни.

Кроме того, разница масс между протоном и нейтроном около 1,3 МэВ невелика по меркам ядерной физики. В результате, в ядрах нейтрон может находиться в более глубокой потенциальной яме, чем протон, и потому бета-распад нейтрона оказывается энергетически невыгодным. Это приводит к тому, что в ядрах нейтрон может быть стабильным. Более того, в нейтроно-дефицитных ядрах происходит распад протона в нейтрон (с захватом орбитального электрона или вылетом позитрона).

Другие свойства

Изоспины нейтрона и протона одинаковы (1/2), но их проекции противоположны по знаку. Проекция изоспина нейтрона по соглашению в физике элементарных частиц принимается равной −1/2, в ядерной физике +1/2 (поскольку в большинстве ядер нейтронов больше, чем протонов, это соглашение позволяет избегать отрицательных суммарных проекций изоспина).

Нейтрон — единственная^{[источник не указан 574 дня]} из имеющих массу покоя элементарных частиц, для которой непосредственно наблюдалось гравитационное взаимодействие — искривление в поле земного тяготения траектории хорошо коллимированного пучка холодных нейтронов. Измеренное гравитационное ускорение нейтронов в пределах точности эксперимента совпадает с гравитационным ускорением макроскопических тел.

При огромном давлении внутри нейтронной звезды нейтроны могут деформироваться вплоть до того, что приобретают форму куба^[11].

Направления исследований в физике нейтронов

Фундаментальные исследования:

• возможность существования тетранейтронов и иных связанных состояний из одних только нейтронов
• поиск возможных нейтрон-антинейтронных осцилляций
• поиск электрического дипольного момента нейтрона
• изучение свойств сильно нейтроно-избыточных лёгких ядер

Прикладные исследования:

• получение и хранение холодных нейтронов
• влияние потоков нейтронов на живые ткани и организмы
• влияние сверхмощных потоков нейтронов на свойства материалов
• изучение распространения нейтронов в различных средах
• изучение различных типов структуры в физике конденсированных сред
• нейтронно-дифракционный анализ
• нейтронно-активационный анализ

См. также

Примечания

Литература

Ссылки

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 14 мая 2011.

Физики впервые заглянули в «пустоту» между протонами и нейтронами в ядрах атомов — Наука

ТАСС, 26 февраля. Ученые впервые напрямую измерили так называемые «сильные» ядерные взаимодействия, которые соединяют протоны и нейтроны внутри атомов, а также субатомные частицы внутри нуклонов. Ученые считают, что эти замеры помогут раскрыть природу самых плотных скоплений материи во Вселенной. Описание их работы опубликовал научный журнал Nature.

«Мы впервые детально изучили то, как работают сильные ядерные взаимодействия на очень небольших расстояниях. Эти замеры имеют огромное значение для науки, особенно для изучения нейтронных звезд и понимания того, как устроены ядра атомов в целом», – рассказал о об исследовании один из его авторов, доцент Массачусетского технологического института (MIT) Ор Хэн.

Все элементарные частицы состоят из небольших объектов – кварков и глюонов. Протоны, нейтроны и прочие «тяжелые» частицы, барионы, содержат в себе три кварка. Их меньшие «собратья» – мезоны – состоят из двух подобных компонентов, кварка и антикварка, основной частицы антиматерии.

Кварки и антикварки связаны между собой мощнейшими силами, так называемыми сильными ядерными взаимодействиями, за перенос которых, как предполагают ученые, отвечают глюоны. В «чистом виде», то есть вне элементарных частиц, кварки и глюоны не существуют, так как для того, чтобы их «освободить» нужны огромные значения температуры и энергии, которые существовали только в момент Большого взрыва.

Эта особенность материи, которую физики называют конфайнмент кварков, пока является главным препятствием для того, чтобы изучить структуру элементарных частиц. Более того, ученые не понимают и то, как на сверхмалых расстояниях работают сами сильные ядерные взаимодействия. Дело в том, что они не могут обойти конфайнмент и создать теории, которые позволяли бы просчитать эти взаимодействия математически.

Недавно физики из MIT выяснили, что внутрь атомов и элементарных частиц можно заглянуть непрямым способом, не воссоздавая Большой взрыв. Это можно сделать, наблюдая за тем, как электроны «отскакивают» от кварков внутри свободных протонов и нейтронов. Используя эту методику, ученые измерили давление внутри протона и выяснили, что структура этих частиц крайне необычна, ее не предсказывает ни одна теория.

«Суп» из кварков и глюонов

В своей новой работе Хэн и его коллеги провели аналогичные замеры, проследив за взаимодействиями не кварков, а самих протонов и нейтронов, которые тесно взаимодействуют друг с другом внутри ядер атомов.

С помощью ускорителя CEBAF в Национальной ускорительной лаборатории имени Томаса Джефферсона (США) ученые наблюдали за тем, как электроны, разогнанные до сверхвысоких энергий, отскакивали от протонов и нейтронов. В отличие от других экспериментов, эти замеры не зависели от теоретических допущений и прочих побочных факторов, которые могут искажать результаты наблюдений.

Эти столкновения, как отмечают исследователи, приводят к двум типам последствий. Чаще всего электроны выбивают из атомов одиночные протоны или нейтроны, а в некоторых случаях ядро покидает сразу два нуклона (это общий термин для протонов и нейтронов). Соотношение одиночных и парных частиц, по словам физиков, зависит от структуры ядра и характера взаимодействий между нуклонами. Благодаря этому ученые могут напрямую измерить их силу и заглянуть в «пустоту» между нуклонами внутри атома.

Ученые проанализировали данные, которые установка CEBAF и подключенный к ней детектор CLAS собирали в ходе наблюдений за столкновениями электронов и ядер углерода, алюминия, железа и свинца.

Замеры и расчеты показали, что поведение нуклонов лучше всего описывают модели, которые предполагают, что характер взаимодействий протонов друг с другом и с нейтронами на очень малых расстояниях, где частицы отталкивают друг друга, примерно одинаков. При этом он сильно отличается для более значительных дистанций, сопоставимых с теми, на которые удалены друг от друга нуклоны в ядрах атомов.

Эти выкладки показывают, что материя нейтронных звезд не похожа на густой однородный «суп» из кварков и глюонов, как считают некоторые теоретики, а напоминает множество обособленных нейтронов, которые можно четко отделить друг от друга. Благодаря этому просчитать свойства материи этих «мертвых» светил можно будет гораздо проще и ученые смогут больше узнать об их внутреннем устройстве. Первые данные такого рода физики планируют получить уже в этом году, когда CEBAF возобновит работу, подытожил Хэн.

Нахождение числа нейтронов, протонов и электронов в атоме

Нахождение числа нейтронов, протонов и электронов в атоме .

Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг ядра электронов.

Ядро состоит из протонов и нейтронов

  
Протон- положительно заряженная частица

масса протона равна единице, заряд протона равен единице

Нейтрон-нейтральная частица

масса нейтрона равна единице, заряд нейтрона равен нулю

Электрон- отрицательно заряженная частица

Заряд электрона равен -1, а масса электрона равна нулю

Порядковый номер элемента в таблице Менделеева указывает на число электронов в атоме

Количество протонов в атоме равно количеству электронов , так как атом электрически нейтрален

Масса атома складывается из числа протонов и числа нейтронов, масса электрона не учитывается

Рассмотрим фрагмент таблицы Менделеева и найдем количество протонов, нейтронов и электронов
в атоме водорода


После чего начертим модель атома водорода

  

Порядковый номер атома водорода равен единице, значит атом имеет:
1 электрон
1 протон

Для нахождения количества нейтронов нужно из массы вычесть число протонов

Масса атома водорода равна единице

Количество нейтронов=1-1=0

В атоме водорода нет нейтронов

Модель атома водорода:

Рассмотрим фрагмент таблицы Менделеева и найдем количество протонов, нейтронов и электронов
в атоме гелия

После чего начертим модель атома гелия



  

Порядковый номер атома гелия равен 2, значит атом имеет:
2 электрона
2 протона

Для нахождения количества нейтронов нужно из массы вычесть число протонов

Масса атома гелия равна 4

Количество нейтронов=4-2=2

В атоме гелия 2 нейтрона

Модель атома гелия:

Задача 1.

С помощью фрагмента таблицы Менделеева найти количество протонов, нейтронов и электронов в атоме лития

Массу атома округлить до 7.

  

Показать ответ
Показать решение
Видеорешение

Ответ: 3 протона      3 электрона     4 нейтрона

Протонов 3

электронов 3

Нейтронов=M-Z=7-3=4

Ответ: 3 протона      3 электрона     4 нейтрона

Задача 2.

С помощью фрагмента таблицы Менделеева найти количество протонов, нейтронов и электронов в атоме углерода.



  

Показать ответ
Показать решение
Видеорешение

Ответ: 6 протонов      6 электронов     6 нейтронов

Протонов 6

электронов 6

Нейтронов=M-Z=12-6=6

Ответ: 6 протонов      6 электронов     6 нейтронов

Задача 3.

С помощью фрагмента таблицы Менделеева найти количество протонов, нейтронов и электронов в атоме азота.



  

Показать ответ
Показать решение
Видеорешение

Ответ: 7 протонов      7 электронов     7 нейтронов

Протонов 7

электронов 7

Нейтронов=M-Z=14-7=7

Ответ: 7 протонов      7 электронов     7 нейтронов

Задача 4.

С помощью фрагмента таблицы Менделеева найти количество протонов, нейтронов и электронов в атоме кислорода.

Атомную массу округлить до 16.

  

Показать ответ
Показать решение
Видеорешение

Ответ: 8 протонов      8 электронов     8 нейтронов

Протонов 8

электронов 8

Нейтронов=M-Z=16-8=8

Ответ: 8 протонов      8 электронов     8 нейтронов

Как мы видим в таблице Менделеева выше стоит порядковый номер, то есть заряд, который равен числу протонов
и электронов , а под ним расположена атомная масса. {18}\textrm{O} \)

можно ли разобрать Вселенную как конструктор «Лего» — T&P

Космолог, профессор MIT Макс Тегмарк сравнивает устройство Вселенной с «Лего». Все на свете — от кроликов до звезд — по сути, построено из небольшого конструктора, в котором 80 деталей (стабильных атомов периодической таблицы). Вся разница сводится к тому, сколько взяли деталей каждого типа и как их расположили. В ноябре издательство Corpus выпустило его книгу «Наша математическая вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности». T&P публикуют отрывок, в котором Тегмарк объясняет, почему атомы могут находиться в нескольких местах одновременно, а человек, который из них состоит, — не может.

Все, что мы называем реальным, состоит из вещей, которые не могут рассматриваться как реальные.

Нильс Бор

«Нет, это какая-то ерунда! Здесь где-то ошибка», — я один в комнате подруги в стокгольмском общежитии готовлюсь к первому экзамену по квантовой механике. В учебнике говорится: малые объекты, вроде атомов, могут находиться в нескольких местах одновременно, а крупные объекты, вроде людей, — не могут. «Как бы не так! — говорю я себе. — Люди состоят из атомов, и если те могут быть в нескольких местах сразу, то и мы, конечно, тоже!» Там также сказано, что всякий раз, когда некто наблюдает, где находится атом, тот случайным образом прыгает в одно из тех мест, где он ранее пребывал. Но я не нашел ни одного уравнения, описывающего, что именно полагается считать наблюдением. «Может ли робот считаться наблюдателем? А отдельный атом?» В книге говорилось лишь, что любая квантовая система изменяется детерминистическим образом согласно уравнению Шредингера. Но разве это логически совместимо с подобными случайными прыжками?

Я набрался смелости и постучался в дверь нашего крупнейшего эксперта, профессора физики из Нобелевского комитета. Двадцать минут спустя я вышел из кабинета в полном недоумении, убежденный, что я умудрился вообще ничего не понять. Так началось мое долгое и до сих пор не подошедшее к концу путешествие к квантовым параллельным вселенным. Лишь пару лет спустя, перебравшись для работы над диссертацией в Беркли, я понял, что это было вовсе не мое непонимание. Выяснилось, что многие знаменитые физики горячо спорят о проблемах квантовой механики, и я получил немало удовольствия от сочинения собственных статей на эту тему. […]

Атомное «лего»

* Существует 80 типов стабильных атомов, содержащих все числа протонов от 1 (водород) до 82 (свинец), за исключением 43 (технеций) и 61 (прометий) — они радиоактивны и нестабильны. Многие из этих атомов имеют несколько стабильных разновидностей (изотопов) с разным числом нейтронов. Общее число стабильных изотопов составляет 257. В природе встречается около 338 изотопов, включая около 30 с периодом полураспада более 80 лет и около 50 менее долгоживущих.

Когда в прошлый раз я спросил Александра, своего сына, какой подарок он желает получить ко дню рождения, он ответил: «Удиви меня! Подойдет все, что угодно, если это будет «Лего»». Я тоже люблю «Лего», и, мне кажется, наша Вселенная — тоже: все в ней состоит из одинаковых «строительных блоков» (рис. 7.1). По-моему, замечательно, что один набор космического конструктора (80 стабильных атомов периодической таблицы*) может служить для создания вообще всего на свете — от камней до кроликов, от звезд до стереосистем, — и вся разница сводится к тому, сколько нужно деталей каждого типа и как они расположены.

Рис. 7.1. Карандашный грифель сделан из графита, который состоит из слоев ато- мов углерода (здесь дано изображение, полученное сканирующим туннельным микроскопом), которые состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны состоят из кварков, которые могут, в свою очередь, оказаться колеб- лющимися струнами. Сменный грифель, который я покупаю для работы, содер- жит около 2 × 1021 атомов, так что вы могли бы разрезать его пополам 71 раз.

Идея конструктора «Лего» — использование неделимых строительных блоков — имеет, конечно, долгую историю, причем самим термином «атом» мы обязаны древним грекам: это слово означает «неделимый». Платон в диалоге «Тимей» доказывал, что четыре основных элемента, признаваемых в то время (земля, вода, воздух и огонь), состоят из атомов четырех типов. Атомы представляют собой крошечные невидимые математические объекты — соответственно кубы, икосаэдры, октаэдры и тетраэдры, — четыре из пяти правильных многогранников, называемых в честь древнегреческого философа платоновыми телами (рис. 7.2). Платон писал, что острые углы тетраэдра обуславливают боль, причиняемую огнем, округлая форма икосаэдра обеспечивает текучесть воды, а уникальной способностью кубов к плотной укладке объясняется твердость Земли.

Рис. 7.2. Платоновы тела: тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр. Лишь до- декаэдр не вошел в платоновскую атомистическую теорию.

Хотя эта очаровательная теория в итоге была опровергнута наблюдением, некоторые ее аспекты устояли, и среди них предположение о том, что каждый химический элемент состоит из определенного типа атомов, а свойства вещества определяются свойствами его атомов. […]

Для становления современной атомной теории понадобилось два тысячелетия, а знаменитый австрийский физик Эрнст Мах еще в начале XX века отказывался верить в реальность атомов. Его, безусловно, впечатлили бы наши возможности получения изображений отдельных атомов (рис. 7.1) и даже манипулирования ими.

Ядерное «лего»

Огромный успех атомной гипотезы привел к вопросу, не ошибочно ли атом назван атомом, неделимым: если все макроскопические объекты состоят из «кубиков», которые мы называем атомами, те, возможно, тоже делятся на еще меньшие «кубики», которые могут переупорядочиваться?

Мне кажется невероятно элегантным то, что атомы сложены всего из трех типов меньших «кубиков» — их даже меньше, чем в платоновской теории. На рис. 7.1 видно, как «кубики» этих трех типов (протоны, нейтроны и электроны) компонуются наподобие миниатюрной планетной системы, где электроны обращаются вокруг компактного сгустка протонов и нейтронов — атомного ядра. В то время как Земля удерживается на орбите вокруг Солнца силой гравитации, электроны удерживаются в атомах электрическим взаимодействием, которое притягивает их к протонам (электроны имеют отрицательный заряд, протоны заряжены положительно, а противоположные заряды притягиваются). Поскольку электроны также чувствуют притяжение протонов других атомов, они помогают атомам соединяться друг с другом в более крупные структуры, называемые молекулами. Если атомные ядра и электроны перетасовываются без изменения их числа и типа, мы называем это химической реакцией, независимо от того, происходит ли это быстро, как лесной пожар (при котором в основном атомы углерода и водорода, входящие в состав древесины и листьев, соединяются с кислородом воздуха, образуя молекулы углекислого газа и воды), или медленно, как рост дерева (который в основном представляет собой обратную реакцию, протекающую под воздействием энергии солнечного света).

Столетиями алхимики пытались превратить атомы одного типа в другие: как правило, дешевые, например свинец, в более дорогие, такие как золото. Почему эти попытки терпели неудачу? Типы и названия атомов связаны с числом входящих в них протонов (1 = водород, 79 = золото и т. д.), так что алхимики просто не смогли поиграть в «лего» с протонами, перемещая их из одного атома в другой. Почему им это не удалось? Мы теперь знаем, что неудача постигла алхимиков не потому, что они брались за невозможное, а в основном потому, что у них было недостаточно энергии! Поскольку электрические силы заставляют одинаковые заряды отталкиваться, протоны в ядрах разлетелись бы, если бы их не удерживала вместе еще более могучая сила. Она вполне обоснованно получила название сильного ядерного взаимодействия и работает как своего рода застежка-липучка, удерживающая вместе и протоны, и нейтроны, если они сойдутся достаточно близко. Лишь чудовищное усилие способно преодолеть это взаимодействие: если столкновение двух молекул водорода (каждая из двух атомов) на скорости 50 км/с разрушит их так, что атомы разделятся, то два ядра гелия (каждое из двух протонов и двух нейтронов) понадобится столкнуть с головокружительной скоростью 36 тыс. км/с, чтобы иметь шанс разделить нейтроны и протоны. Указанная скорость составляет около 12% скорости света (за десятую долю секунды можно добраться от Нью-Йорка до Сан-Франциско).

В природе такие зубодробительные столкновения происходят при очень высоких температурах — миллионах градусов. Когда Вселенная была молода, в ней не было иных атомов, кроме водорода (одиночных протонов), но, поскольку она была чрезвычайно горячей, протоны и нейтроны слипались, а более тяжелые атомы разбивались на части. В процессе расширения и охлаждения Вселенной был период длительностью несколько минут, когда столкновения еще были достаточно сильны, чтобы преодолевать электрическое отталкивание между протонами, но их силы уже не хватало на то, чтобы разъединять «липучки» сильного взаимодействия, которые соединяли протоны и нейтроны в ядра гелия. То был период гамовского первичного нуклеосинтеза. В ядре Солнца температура близка к магическому диапазону, в котором атомы водорода могут сливаться, образуя атомы гелия.

Законы экономики говорят нам, что атомы дороги, когда они редки, а законы физики говорят, что они редки, когда для их синтеза требуются необычайно высокие температуры. Распространенные атомы, вроде углерода, азота и кислорода (на них вкупе с водородом приходится до 96% веса человеческого тела), очень дешевы. Обычные звезды, например Солнце, выбрасывают их во время смертельной агонии, после чего из них формируются новые планетные системы в ходе своего рода космической переработки отходов. Золото, напротив, образуется, когда жизнь звезды оканчивается взрывом сверхновой, событием редким и столь мощным, что на доли секунды ее энерговыделение становится таким же, как у всех звезд в наблюдаемой Вселенной вместе. Неудивительно, что получение золота оказалось алхимикам не по плечу.

«Лего» элементарных частиц

*Английские названия кварков таковы: up, down, strange, charm, bottom/beauty и top/true. Два последних названия еще не устоялись. В русской традиции предпочтение отдается beauty (прелестный) и true (истинный), поскольку, во-первых, от них легко образуются существительные, во-вторых, для bottom (самый нижний) и top (самый верхний) нет удобного перевода, отличающего их от верхнего и нижнего кварков. — Прим. пер.

Если вещи вокруг нас сложены из атомов, а атомы из еще меньших частиц (нейтронов, протонов и электронов), то не состоят ли эти последние, в свою очередь, из еще меньших деталей? История научила нас, как отвечать на такие вопросы экспериментально: столкните мельчайшие из известных «строительных блоков» по-настоящему сильно и проверьте, распадутся ли они. Эта процедура производилась на всех крупных коллайдерах, и все-таки не похоже, что электроны состоят из меньших частиц, хотя в ЦЕРНе их сталкивали на скорости, составляющей 99,999999999% скорости света. С другой стороны, столкновения протонов показали, что и они, и нейтроны состоят из меньших частиц, называемых верхними и нижними кварками. Два верхних и один нижний кварк составляют протон (рис. 7.1), а два нижних и один верхний дают нейтрон. Более того, в этих столкновениях было получено множество прежде неизвестных частиц (рис. 7.3).

Все эти новые частицы с экзотическими названиями — пионы, каоны, сигма- и омега-гипероны, мюоны, таоны, W- и Z-бозоны — нестабильны и за доли секунды распадаются на более знакомые объекты. Тщательная детективная работа позволила выяснить, что все они, за исключением последних четырех, состоят из кварков — не только из верхнего и нижнего, но еще из четырех новых нестабильных типов, называемых странными, очарованными, прелестными и истинными*.

Рис. 7.3. Стандартная модель физики элементарных частиц.

Оказалось, что W- и Z-бозоны отвечают за передачу слабого взаимодействия, обусловливающего радиоактивность, и являются братьями фотона, частицы света, которая переносит электромагнитное взаимодействие. Дополнительные члены семейства бозонов называются глюонами. Они как клей, связывающий кварки в более крупные частицы. А недавно обнаруженный бозон Хиггса наделяет другие частицы массой. Кроме того, открыты стабильные призрачные частицы — электронные нейтрино, мюонные нейтрино и таунейтрино. Они почти не взаимодействуют с иными частицами: если нейтрино врезается в Землю, то обычно пролетает ее насквозь, не меняя свою траекторию, и улетает в космос. Наконец, почти все эти частицы имеют «злых близнецов» — античастицы. При столкновении пара «близнецов» может аннигилировать друг друга с выбросом чистой энергии.

До сих пор нет признаков того, чтобы какая-либо частица из всех этих бозонов, кварков, лептонов (общее название для электрона, мюона, таона и соответствующих нейтрино) или их античастиц состояла из меньших или более фундаментальных частиц. Однако с учетом кварков как «строительных блоков» в иерархии нашего «лего» (рис. 7.1) получается три полных уровня. И не надо быть Шерлоком Холмсом, чтобы задаться вопросом, нет ли еще уровней, которые мы не можем открыть просто потому, что наши ускорители частиц не дают достаточной энергии. В самом деле, теория струн предполагает, что так и есть. Если бы мы могли сталкивать частицы с гораздо (возможно, в 10 трлн раз) большей энергией, чем сегодня, то открыли бы, что все состоит из крошечных колеблющихся струн и что различные типы колебаний одинаковых фундаментальных струн могут соответствовать различным типам частиц (подобно тому, как колебания гитарной струны соответствуют разным нотам). Конкурирующая теория, известная как петлевая теория гравитации, предполагает, что все состоит не из струн, а из спиновой сети квантованных петель возбужденных гравитационных полей. Это труднопроизносимо, и если вы не вполне понимаете, что это значит, не беспокойтесь: и среди самых активных разработчиков теории струн и петлевой квантовой гравитации найдутся те, кто не скрывают, что не до конца понимают собственные теории… Так из чего же все состоит? Основываясь на современных экспериментальных данных, ответим: мы этого еще не знаем, но есть серьезные основания предполагать, что все, с чем мы были знакомы — включая саму ткань пространства-времени, — в конечном счете состоит из более фундаментальных «строительных блоков».

Математическое «лего»

* Импульс объекта характеризует глубину воронки, которую тот может образовать, врезавшись в препятствие. Более строго — это время, которое потребуется, чтобы остановить объект, умноженное на среднюю силу, которую для этого придется прикладывать. Импульс p объекта с массой m, движущегося со скоростью v, — вычисляется как p = mv (в случае, если v много меньше скорости света).

Несмотря на то, что мы пока не знаем окончательного ответа на вопрос, из чего все состоит, мы получили очень интригующий намек. Лично мне кажется безумием, что, сталкивая два протона на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, мы можем получить Z-бозон, который весит в 97 раз больше протона. Я привык думать, что масса сохраняется. Ну не очевидно ли, что столкнув два «Феррари», вы не получите круизный лайнер — ведь он весит больше, чем два автомобиля? Однако если вам кажется, что образование подобных новых частиц — это мошенничество наподобие финансовой пирамиды, то вспомните, что, как учил нас Эйнштейн, энергия E может превращаться в массу m по формуле E = mc2, где c — скорость света. Так что если при столкновении частиц у вас в распоряжении есть огромный запас энергии движения, то доли этой энергии действительно позволено пойти на образование новых частиц. Иными словами, полная энергия сохраняется, но столкновение частиц «переупаковывает» эту доступную энергию по-новому, что может приводить к превращению ее доли в новые частицы, которых в исходный момент не существовало. То же самое происходит с импульсом*: полная его величина сохраняется, но он перераспределяется в ходе столкновения так же, как в бильярде, когда биток, отправляя прежде неподвижный шар в лузу, замедляется.[…]

Я помню шутку времен холодной войны: на Западе все, что не запрещено, то разрешено, а на Востоке все, что не разрешено, то запрещено. Физика частиц, по-видимому, предпочитает первую формулу, и любая реакция, которая не запрещена (из-за нарушения одного из законов сохранения), похоже, в природе действительно происходит. Это значит, что о фундаментальном «лего» физики частиц можно думать не как о собственно частицах, а как о сохраняющихся величинах. Тогда физика частиц — это просто перераспределение новым способом энергии, импульса, заряда и других сохраняющихся величин. […]

Так из чего состоят квантовые числа вроде энергии и заряда? Ни из чего — это просто числа! У кота тоже есть энергия и заряд, но у него, помимо этих чисел, есть много других свойств, например кличка, запах и характер, так что нельзя сказать, будто кот — чисто математический объект, полностью описываемый двумя числами. А вот наши друзья из мира элементарных частиц полностью описываются своими квантовыми числами и, по-видимому, помимо этих чисел свойств не имеют. В этом смысле мы завершили полный круг и возвратились к Платону: наимельчайшие «кубики», из которых состоит все остальное, кажутся чисто математическими, не имеющими никаких свойств, кроме математических.[…]

Подводя итог, скажем, что природа сродни конструктору с иерархическим устройством. Если мой сын играет со своим «лего», полученным ко дню рождения, то все, что он может перестраивать, — фабричные «кубики». Если бы он играл в атомное «лего» — поджигал, погружал в кислоту или иным способом перестраивал их атомы, — он занимался бы химией. Если бы он играл с нуклонным «лего», перегруппируя нейтроны и протоны в другие типы атомов, это была бы ядерная физика. Если бы он сталкивал детали друг с другом на околосветовой скорости, реорганизуя энергию, импульс, заряд и т. д. составляющих их нейтронов, протонов и электронов в новые частицы, он бы занимался физикой элементарных частиц. Детали «лего» самого глубокого уровня, по-видимому, являются чисто математическими объектами.

Фотонное «лего»

Но не только «грубая материя» состоит из «строительных блоков», подобных деталям «Лего». Свет также состоит из частиц, фотонов, что было показано Эйнштейном в 1905 году.

Четырьмя десятилетиями ранее Джеймс Клерк Максвелл открыл, что свет — это электромагнитные волны, разновидность электрического возмущения. Если вы научитесь точно измерять напряжение между двумя точками в световом луче, то обнаружите, что оно колеблется во времени. Частота f этих колебаний (сколько раз они повторяются за секунду) определяет цвет света, а сила колебаний (максимальные значения в вольтах) — интенсивность света. Мы, люди, даем электромагнитным волнам названия в зависимости от их частоты (в порядке увеличения частоты мы называем их радиоволнами; микроволнами; инфракрасным излучением; красным, оранжевым, желтым, зеленым, голубым, синим и фиолетовым светом; ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-излучением), но все они представляют собой формы света и состоят из фотонов. Чем больше фотонов испускает объект каждую секунду, тем ярче он кажется.

Эйнштейн понял, что количество энергии E в фотоне определяется его частотой f по формуле E = hf, где h — постоянная Планка. Постоянная h очень мала, поэтому типичный фотон содержит очень мало энергии. Если я одну секунду лежу на пляже, меня согревают около секстиллиона (10 в 21-й степени) фотонов. Вот почему это воспринимается как непрерывный поток света. Однако если у моих друзей есть солнечные очки, поглощающие 90% света, я смогу надеть 21 пару сразу и только один из всех исходных фотонов будет доходить до меня каждую секунду. Это можно подтвердить с помощью высокочувствительного детектора.

Эйнштейн удостоился Нобелевской премии за то, что он использовал эту идею для объяснения фотоэлектрического эффекта: как выяснилось, способность света выбивать электроны из металла зависит лишь от частоты (энергии фотонов), но не от интенсивности (числа фотонов). Низкочастотные фотоны не обладают достаточной энергией для выполнения этой задачи. Фотоэлектрический эффект связан с процессами, используемыми в современных солнечных батареях и светочувствительных матрицах цифровых камер.

Макс Планк получил в 1918 году Нобелевскую премию за демонстрацию того, что идея фотона позволила разрешить другую знаменитую загадку: почему расчеты теплового излучения горячего тела прежде не давали правильного результата. Радуга демонстрирует спектр солнечного света, то есть количество содержащегося в нем света разных частот. Физики знали, что температура T тела является некоей мерой того, насколько быстро движутся его частицы, и что обычная энергия E движения частиц описывается формулой E = kT, где k — число, называемое постоянной Больцмана. Когда частицы на Солнце сталкиваются, энергия их движения в количестве примерно kT превращается в энергию света. К сожалению, точное предсказание вида радуги наталкивалось на так называемую ультрафиолетовую катастрофу: интенсивность излучения бесконечно возрастала на правом краю (в направлении высоких частот), как будто при взгляде на любое теплое тело вы должны были ослепнуть от его гамма-излучения. Вас спасает то, что свет состоит из частиц: Солнце может испускать световую энергию только по одному фотону за раз, а характерная энергия kT, доступная для образования фотонов, не дотягивает до энергии hf, необходимой для испускания даже одного гамма-кванта.

Выше закона?

Если все состоит из частиц, каким физическим законам они подчиняются? Если мы знаем, что делают в данный момент все частицы во Вселенной, то по каким уравнениям можно рассчитать, как они будут себя вести в будущем? Если такие уравнения существуют, то мы можем надеяться, что они позволят — по крайней мере, в принципе — предсказывать будущее исходя из знания настоящего: от траектории только что поданного бейсбольного мяча до победителей Олимпийских игр 2048 года — только выясните, что будут делать все эти частицы, и получите ответ.

Хорошая новость состоит в том, что, похоже, действительно существует почти то самое уравнение, которое нам нужно. Это уравнение Шредингера (рис. 7.4). Однако оно не предсказывает точно, как поведут себя частицы. Даже почти сто лет спустя после того, как Эрвин Шредингер его записал, физики продолжают спорить об его смысле.

Рис. 7.4. Эрвин Шредингер умер, но его уравнение живет. С 1996 г., когда я сделал этот снимок, шрифт надписи загадочно изменился. Может, и вправду квантовые причуды никогда не заканчиваются?

* Электрон, прежде чем он столкнется с протоном, совершает около 1/8πα3 ~ ~ 105 витков, где α ≈ 1/137,03599968 — безразмерная сила электромагнитного взаимодействия, называемая также постоянной тонкой структуры. Замечательный расчет смертельной спирали см. здесь: http://www.physics.princeton.edu/ ~mcdonald/examples/orbitdecay.pdf.

Все согласны с тем, что микроскопические частицы не подчиняются классическим законам физики, которые мы изучаем в школе. Поскольку атом напоминает планетную систему (рис. 7.1), естественно предположить, что электроны обращаются вокруг ядра по законам Ньютона, как и планеты вокруг Солнца. В самом деле, если выполнить расчеты, идея сначала выглядит многообещающей. Игрушку йо-йо можно раскрутить над головой за шнурок. Если он оборвется, йо-йо начнет двигаться по прямой с постоянной скоростью, так что сила, с которой вы ее тянете, требуется для отклонения ее от прямолинейного движения и вывода на круговое. В Солнечной системе эту силу обеспечивает тяготение Солнца, а в атоме — сила электрического притяжения со стороны атомного ядра. Если сделать расчет для орбиты размером с атом водорода, получится, что электрон вращается практически с той же скоростью, которая измерена в лаборатории — настоящий теоретический триумф! Однако для большей точности в расчеты надо включить еще один эффект: электрон, который испытывает ускорение (изменение скорости или направления движения), будет излучать энергию — в вашем мобильном телефоне колебания электронов внутри антенны используются, чтобы испускать радиоволны. Поскольку энергия сохраняется, излучаемая энергия должна откуда-то браться. В телефоне она поступает из аккумулятора, а в атоме водорода — из движения электрона. Она заставляет его опускаться все ближе к атомному ядру, подобно тому, как сопротивление воздуха в верхних слоях атмосферы заставляет спутники на низких околоземных орбитах терять энергию движения и, в конце концов, падать. Это означает, что электрон крутится не по орбите, а по смертельной спирали: примерно после 100 тыс. оборотов он врежется в протон, то есть произойдет коллапс атома водорода, долгая и счастливая жизнь которого длится около 0,02 нс*.

Это плохо. Очень плохо. Здесь речь не о небольшом, скажем на 1%, расхождении теории с экспериментом, а о предсказании того, что все атомы водорода (а также все прочие атомы) в нашей Вселенной коллапсируют за миллиардную долю того времени, которое вы тратите на то, чтобы прочесть последнее слово в этом предложении. С учетом того, что в действительности большинство атомов водорода существует около 14 млрд лет, они уже прожили на 28 порядков величины дольше, чем предсказывает классическая физика. Данный расчет был худшим количественным предсказанием в физике, пока сомнительный рекорд не был превзойден расхождением на 123 порядка величины между предсказанной и измеренной плотностью темной энергии.

Физики, считавшие, что элементарные частицы подчиняются законам классической физики, сталкивались и с иными проблемами. Например, количество энергии, требуемой для нагревания очень холодных предметов, оказалось меньше, чем предсказывалось. Проблемы можно перечислять и дальше, но послание Природы и так ясно: микроскопические частицы нарушают законы классической физики.

Что же, микрочастицы ставят себя выше закона? Нет, они подчиняются другому закону — шредингеровскому. […]

Протоны и нейтроны — Физика в школе

Протоны и нейтроны

Все
окружающие нас предметы состоят из молекул, которые, в свою очередь,
образуются из атомов, то есть мельчайших частиц химических элементов.
Несмотря на исключительно малые размеры, атомы представляют собой
весьма сложные образования, включающие центральное тяжелое ядро и
легкую оболочку из электронов, число которых обычно равно порядковому
номеру элемента в менделеевской периодической системе. В ядре
сосредоточена почти вся масса атома. Оно также имеет очень сложное
строение. Основными «кирпичиками», из которых построены ядра, являются
протоны и нейтроны.

Протон — это ядро атома водорода, самого легкого химического
элемента, занимающего в таблице Д. И. Менделеева первое место и в
соответствии с этим имеющего в электронной оболочке всего лишь один
электрон. Если ионизовать атом водорода, то есть удалить его
единственный электрон, то останется ядро, которое из-за отсутствия
оболочки можно назвать «голым» ядром и которое как раз и будет протоном
(от греческого слова «протос» — первый).

Протон — положительно заряженная частица, причем заряд его по
величине в точности равен заряду электрона. Масса протона выражается
цифрой в 1,6-10^-24грамма.
Это значит, что масса тысячи миллионов протонов в 10 тысяч раз меньше
одной стомиллионной доли миллиграмма. И все же эта «элементарная»
частица относится к разряду «тяжелых», ибо масса ее в 1836,6 раза
больше массы электрона.
Очень невелики и размеры протона: его диаметр в 100 тысяч раз меньше
диаметра атома, равного примерно одной стомиллионной сантиметра.
Вследствие этого плотность вещества протона, несмотря на его ничтожно
малую массу, огромна. Если бы кубик с ребром в 1 миллиметр удалось
наполнить этими частицами так, чтобы они целиком заняли весь объем,
касаясь друг друга, то такой кубик весил бы 120 тысяч тонн! Конечно, в
действительности осуществить подобный эксперимент нельзя. Протоны,
будучи одноименно заряженными частицами, отталкиваются друг от друга, и
нужны колоссальные силы, чтобы сблизить их. Однако есть звезды, на
которых существуют условия, благоприятные для сравнительно близкого
подхода протонов друг к другу. Эти звезды (например, звезда ванн -
Маанена в созвездии Рыб) отличаются чрезвычайно высокой плотностью
вещества, хотя она, разумеется, в миллионы раз меньше, чем в
рассмотренном нами случае кубика, состоящего из одних протонов.

Тот факт, что в состав атомных ядер входят протоны, был доказан в
результате опытов, проведенных в 1919 году английским физиком
Резерфордом. В этих опытах он использовал поток быстрых альфа — частиц
(то есть ядер атомов гелия), образующихся в процессе радиоактивного
распада радия С. При бомбардировке альфа — частицами ядер азота
обнаружилось, что последние испускали какие-то быстрые частицы с
одновременным вылетом в противоположном направлении медленных тяжелых
частиц. При изучении этого явления в камере Вильсона было установлено,
что быстрые частицы представляют собой протоны, а медленные — ядра
кислорода. Выяснилось, что ядро азота, захватывая одну альфа — частицу,
преобразуется в ядро кислорода с испусканием одного протона.
Бомбардировка альфа — частицами ядер атомов других элементов
подтвердила наличие протонов и в этих ядрах.

Однако ядра (за исключением ядра водорода) не могут состоять
только из одних протонов. Действительно, ядро атома гелия, занимающего
второе место в таблице Д. И. Менделеева, имеет заряд, равный заряду
двух протонов, а его масса больше массы протона в четыре раза. Точно
так же заряд ядра кислорода равен восьми зарядам протона, а масса этого
ядра в шестнадцать раз больше массы протона. Объяснение такого
расхождения было найдено после открытия новой «элементарной» частицы -
так называемого нейтрона.

В 1930 году ученые установили, что при бомбардировке
альфа-частицами некоторых элементов (бериллия, бора и других)
появляется излучение из незаряженных частиц, способное проникать через
слой свинца сравнительно большей толщины (до 5 сантиметров). В 1931
году французские физики Ирэн и Фредерик Жолио — Кюри обнаружили, что
если на пути этого излучения поместить вещество, молекулы которого
содержат большое число водородных атомов (например, парафин), то из
него начинают вылетать протоны.

Можно было бы предположить, что вновь открытое излучение состоит
из фотонов. Однако для того, чтобы иметь возможность выбивать из
парафина протоны, эти фотоны должны были бы обладать энергией около 50
миллионов электрон вольт. В последнем случае они проникали бы через
значительно большие толщи свинца, чем наблюдалось на опыте (для
прохождения фотона через 5 сантиметров свинца нужна энергия всего лишь
в 5 миллионов электрон — вольт). Возникшее противоречие было решено в
результате работ английского ученого Чадвика. Он показал, что
вылетающие из парафина протоны, а также ядра, испускаемые под
воздействием неизвестного излучения другими атомами, движутся так,
будто они выбиты не фотоном, а тяжелой частицей, масса которой
приблизительно равна массе протона.
Таким образом, усилиями ряда физиков было установлено существование
незаряженной тяжелой частицы — нейтрона.
Масса нейтрона в 1839 раз больше массы электрона, но в отличие от
протона (и электрона) его заряд равен нулю. Именно поэтому нейтроны
обладают способностью проникать через толстые слои свинца.
Незаряженная
частица может попасть внутрь атома, не испытывая ни отталкивания, ни
притяжения со стороны заряженных частиц (электронов и ядра) и не тратя
своей энергии на преодоление действия электрических сил, на ионизацию
атомов. Отсюда и путь нейтрона, в каком — либо веществе при прочих
равных условиях длиннее, чем, например, протона. Вследствие
неспособности нейтрона производить ионизацию его очень трудно заметить,
что явилось причиной сравнительно позднего обнаружения этой частицы.

Открытие нейтрона позволило понять, почему вес атомных ядер
превышает вес содержащихся в них протонов. Советские ученые Д. Д.
Иваненко и Е. Д. Гапон выдвинули идею о протоно — нейтронном строении
ядер, которая ныне является общепринятой. Согласно этой точке зрения, в
ядре гелия находятся, кроме двух протонов, еще два нейтрона, и поэтому
его заряд равен двум, а масса в четыре раза больше массы протона (или
почти равной ей массы нейтрона). Точно так же и в других ядрах, помимо
протонов, присутствуют нейтроны. При ядерных расщеплениях, вызываемых,
например, попаданием в ядро быстрой альфа-частицы, может происходить
испускание нейтронов. Этот процесс как раз и послужил первым указанием
на существование последних.

Не имеющий заряда нейтрон легко может проникать не только внутрь
атома, но даже и внутрь ядра. Попадание нейтрона в тяжелое ядро
приводит в ряде случаев к разрушению последнего, в результате чего
образуются более легкие ядра и выделяется весьма значительное
количество внутриядерной энергии. Свойство нейтронов производить
ядерные расщепления используется для получения атомной (правильнее было
бы сказать — ядерной) энергии.

Большая проникающая способность нейтронов, наряду со способностью
разрушать ядра, обусловливает их опасное действие на живые существа.
Достаточно мощный поток нейтронов, попав во внутренние части организма,
выбивает из ядер быстрые протоны и другие заряженные частицы, которые,
ионизуя встречающиеся на их пути атомы сложных органических молекул,
способствуют разложению последних и тем самым нарушению
жизнедеятельности растения или животного. Однако разрушительные
свойства нейтронов можно использовать для блага людей. Ведь именно с
помощью этих частиц ученые открыли прежде недоступные природные
кладовые внутриядерной энергии: Разбивая ядра, нейтроны высвобождают
эту энергию, которую у нас в Советском Союзе уже применяют в мирных
целях. Кроме того, некоторые химические элементы после бомбардировки
нейтронами превращаются в искусственные радиоактивные вещества,
находящие все более широкое распространение в медицине, при изучении
жизнедеятельности организмов методом меченых атомов, в технике и т. п.

В настоящее время существует много способов получения нейтронов,
необходимых для проведения различных исследований в области ядерной
физики и для ряда практических применений. Самым
старым из этих способов является изготовление так называемого радий -
бериллиевого источника. Стеклянный или металлический сосудик заполняют
порошком бериллия в смеси с какой-либо солью радия (например, бромистым
радием). При радиоактивном распаде из ядер радия вылетают
альфа-частицы, которые, взаимодействуя с ядрами бериллия, выбивают из
них нейтроны.
Последние благодаря большой проникающей способности свободно проходят
через стенки сосуда.

После изобретения специальных устройств — ускорителей
(циклотронов, фазотронов, синхрофазотронов и других), сообщающих
заряженным частицам большие энергии, появилась возможность получать
нейтроны искусственным путем. Для этого пучок ускоренных в циклотроне
или другой подобной машине заряженных тяжелых частиц, скажем, дейтронов
(ядер тяжелого водорода), направляют на мишень, сделанную из
определенного вещества (например, из лития). В результате из ядер
атомов мишени выбиваются нейтроны. Меняя энергию бомбардирующих мишень
«снарядов», можно получать нейтроны различной энергии.

Еще одним мощным источником тяжелых незаряженных частиц являются
ядерные реакторы (котлы), в которых осуществляются цепные реакции
деления тяжелых ядер. При этом образуется большое число нейтронов,
выходящих из котла наружу.

Нейтроны, как и другие «элементарные» частицы (электроны,
протоны), обладают волновыми свойствами. Пучок нейтронов, подобно свету
(потоку фотонов) 3, испытывает отражение, дифракцию, поляризуется и т.
п. Поэтому тяжелые незаряженные частицы можно использовать для изучения
строения кристаллов (путем их просвечивания нейтронным пучком) так же,
как используются рентгеновские лучи. Некоторую трудность представляет
регистрация нейтронов, ибо они не производят ионизации и потому нельзя
заметить их прохождения через камеру Вильсона, счетчик, ионизационную
камеру я другие приборы, применяющиеся обычно для обнаружения и счета
заряженных частиц. Не оставляют следов нейтроны и в фотоэмульсиях.
Однако свойство нейтронов разрушать ядра, вызывать ядерные реакции дает
нам в руки способ для регистрации этих частиц. В обычный счетчик или
ионизационную камеру добавляют газ, содержащий ядра бора. Нейтроны
расщепляют эти ядра, при этом вылетают альфа-частицы, создающие разряды
в счетчике или ионизационный ток в камере, что позволяет фиксировать
поток нейтронов. Можно воспользоваться для обнаружения нейтронов
фотоэмульсиями, к которым подмешаны соли лития или бара. При попадании
нейтрона в ядро атома какого — либо из этих элементов происходит
расщепление ядра с вылетом быстрой заряженной частицы, след которой
виден в фотоэмульсии.
Несмотря на то, что между протонами и нейтронами имеется
существенное различие, заключающееся в отсутствии заряда у последних, в
других отношениях они очень похожи друг на друга. Массы этих частиц
почти в точности равны, а их поведение внутри ядра (величина и характер
ядерных сил, действующих между протонами, между нейтронами и между теми
и другими) также примерно одинаково. Дело в том, что протоны, как
одноименно заряженные частицы, должны отталкиваться в ядре друг от
друга. Поскольку все же ядра существуют в виде устойчивых образований,
очевидно, что протоны удерживаются в них какими-то силами, превышающими
электростатические силы отталкивания. Оказалось, что эти специфические
ядерные силы действуют не только между протонами и между нейтронами, но
и связывают друг с другом частицы обоих этих видов. Это значит, что
протоны и нейтроны ядра определенным образом взаимодействуют друг с
другом (хотя физическая природа такого взаимодействия еще далеко не
выяснена).
Учеными было также обнаружено, что обе частицы могут превращаться друг
в друга. Так, в ядре происходит превращение нейтрона в протон с
испусканием отрицательно заряженного электрона и еще одной незаряженной
легкой частицы -нейтрино (масса нейтрино меньше 1:400 массы электрона).
Имеет место и другой процесс: протон в ядре переходит в нейтрон с
вылетом положительно заряженного электрона (позитрона) и нейтрино. Все
эти явления, наблюдаемые при распаде некоторых радиоактивных ядер,
получили одно общее название бета — распада.

С точки зрения теории бета — распада, нейтрон и протон ничем не
различаются: и тот и другой хорошо превращаются друг в друга. По этой
причине обе частицы нередко называют просто нуклонами. Следует, правда,
подчеркнуть, что если в ядре все нуклоны ведут себя по отношению к
бета- распаду одинаково, то в свободном состоянии, вне ядра, протоны и
нейтроны проявляют различные свойства. Протон сам по себе — устойчивая,
или, как говорят иначе, стабильная частица, в то время как свободный
нейтрон самопроизвольно распадается с периодом полураспада примерно в
20 минут. При этом он превращается в протон и испускает, как и при
распаде внутри ядра, электрон и нейтрино.

Различие между протоном и нейтроном в свободном состоянии
обусловлено рядом причин. Одной из них является то, что для превращения
протона в нейтрон нужно затратить значительную энергию (во всяком
случае большую, чем 1,9 миллиона электрон — вольт). Поскольку свободному
протону неоткуда позаимствовать эту энергию, он и представляет собой
стабильную частицу. Что же касается нейтрона, то он обладает большей
массой, чем протон, и, следовательно, большим запасом энергии. При
превращении нейтрона в протон выделяется приблизительно 800 тысяч
электронвольт энергии. Поэтому свободные нейтроны отличаются свойством
радиоактивности.

Протоны, нейтроны, нейтрино, так же как фотоны и электроны,
встречаются в космических лучах. В частности, протоны составляют так
называемую первичную компоненту космического излучения, то есть
приходят на Землю из межзвездного пространства. Разумеется, нейтроны,
которые в свободном состоянии превращаются в протоны, не могут
присутствовать в первичном излучении. Однако они образуются в атмосфере
при столкновении первичных протонов (и более тяжелых ядер) с ядрами
атомов азота, кислорода и других газов воздушной оболочки нашей
планеты. Протоны космических лучей обладают колоссальной энергией и
поэтому могут, несмотря на наличие положительного заряда, легко
проникать в ядра атомов. При столкновении нуклонов, обладающих такой
гигантской энергией, происходят процессы, которые не наблюдаются при
взаимодействии нуклонов меньшей энергии. Например, при таких
столкновениях происходит рождение новых частиц — мезонов различных
масс.

Описанные выше факты взаимодействия нуклонов в ядре совсем не
означают, будто нейтрон состоит из протона и электрона или, наоборот,
протон содержит в себе нейтрон и позитрон. Суть бета — распада
заключается именно в том, что нейтрон превращается в три другие частицы
(протон, электрон, нейтрино) или протон превращается в нейтрон,
позитрон и нейтрино. Эти процессы происходят при строгом соблюдении
законов сохранения энергии, массы, количества движения, заряда и т. п.
и убедительно свидетельствуют об изменчивости «элементарных» частиц и
наличии глубокой связи между ними.

4.4: Свойства протонов, нейтронов и электронов

Цели обучения

• Опишите расположение, заряды и массы трех основных субатомных частиц.
• Определите количество протонов и электронов в атоме.
• Определите атомную единицу массы (а. е.м.).

Атомная теория Далтона многое объяснила о материи, химических веществах и химических реакциях. Тем не менее, это не было полностью точным, потому что вопреки тому, что полагал Дальтон, атомы на самом деле могут быть разбиты на более мелкие субъединицы или субатомные частицы.Мы очень подробно говорили об электроне, но нас интересуют еще две частицы: протоны и нейтроны. Мы уже узнали, что Дж. Дж. Томсон открыл отрицательно заряженную частицу, названную электроном . Резерфорд предположил, что эти электроны вращаются вокруг положительного ядра. В последующих экспериментах он обнаружил, что в ядре есть положительно заряженная частица меньшего размера, называемая протоном . Существует также третья субатомная частица, известная как нейтрон.

Электронов

Электроны — это один из трех основных типов частиц, из которых состоят атомы. В отличие от протонов и нейтронов, которые состоят из более мелких и простых частиц, электроны являются элементарными частицами, которые не состоят из более мелких частиц. Они представляют собой тип элементарных частиц, называемых лептонами. Все лептоны имеют электрический заряд \ (- 1 \) или \ (0 \). Электроны очень маленькие. Масса электрона составляет всего около 1/2000 массы протона или нейтрона, поэтому электроны практически ничего не вносят в общую массу атома.Электроны имеют электрический заряд \ (- 1 \), который равен, но противоположен заряду протона, который равен \ (+ 1 \). Все атомы имеют такое же количество электронов, что и протоны, поэтому положительный и отрицательный заряды «уравновешиваются», делая атомы электрически нейтральными.

В отличие от протонов и нейтронов, которые находятся внутри ядра в центре атома, электроны находятся вне ядра. Поскольку противоположные электрические заряды притягиваются друг к другу, отрицательные электроны притягиваются к положительному ядру.Эта сила притяжения заставляет электроны постоянно перемещаться через пустое пространство вокруг ядра. На приведенном ниже рисунке показан общий способ представления структуры атома. Он показывает электрон как частицу, вращающуюся вокруг ядра, подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Однако это неверная точка зрения, поскольку квантовая механика показывает, что электроны более сложны.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Электроны намного меньше протонов или нейтронов. Если бы электрон был массой с пенни, протон или нейтрон имели бы массу большого шара для боулинга!

Протоны

Протон — одна из трех основных частиц, составляющих атом.{-15} \) метров.

Как вы уже догадались по названию, нейтрон нейтрон. Другими словами, он совершенно не заряжен и поэтому не привлекается и не отталкивается от других объектов. Нейтроны есть в каждом атоме (за одним исключением), и они связаны вместе с другими нейтронами и протонами в атомном ядре.

Прежде чем мы продолжим, мы должны обсудить, как различные типы субатомных частиц взаимодействуют друг с другом. Что касается нейтронов, ответ очевиден.Поскольку нейтроны не притягиваются к объектам и не отталкиваются от них, они на самом деле не взаимодействуют с протонами или электронами (кроме связывания в ядре с протонами).

Хотя электроны, протоны и нейтроны — все типы субатомных частиц, они не все одинакового размера. Когда вы сравниваете массы электронов, протонов и нейтронов, вы обнаруживаете, что электроны имеют чрезвычайно малую массу по сравнению с протонами или нейтронами. С другой стороны, массы протонов и нейтронов довольно похожи, хотя технически масса нейтрона немного больше массы протона.Поскольку протоны и нейтроны намного массивнее электронов, почти вся масса любого атома исходит от ядра, которое содержит все нейтроны и протоны.

Таблица \ (\ PageIndex {1} \): Свойства субатомных частиц

Частица	Символ	Масса (а.е.м.)	Относительная масса (протон = 1)	Относительный заряд	Расположение
протон	п. +	1	1	+1	внутри ядра
электрон	e —	5.45 × 10 −4	0,00055	-1	вне ядра
нейтрон	n 0	1	1	0	внутри ядра

Таблица \ (\ PageIndex {1} \) дает свойства и расположение электронов, протонов и нейтронов. В третьем столбце показаны массы трех субатомных частиц в «атомных единицах массы».»Атомная единица массы (\ (\ text {amu} \)) определяется как одна двенадцатая массы атома углерода-12. Атомные единицы массы (\ (\ text {amu} \)) полезны , потому что, как вы можете видеть, масса протона и масса нейтрона в этой системе единиц почти точно равна \ (1 \).

Отрицательный и положительный заряды равной величины нейтрализуют друг друга. Это означает, что отрицательный заряд электрона идеально уравновешивает положительный заряд протона. Другими словами, нейтральный атом должен иметь ровно один электрон на каждый протон.Если у нейтрального атома 1 протон, у него должен быть 1 электрон. Если у нейтрального атома 2 протона, у него должно быть 2 электрона. Если у нейтрального атома 10 протонов, у него должно быть 10 электронов. Вы уловили идею. Чтобы быть нейтральным, атом должен иметь одинаковое количество электронов и протонов.

Сводка

• Электроны — это разновидность субатомных частиц с отрицательным зарядом.
• Протоны — это субатомные частицы с положительным зарядом. Протоны связаны вместе в ядре атома в результате сильного ядерного взаимодействия.
• Нейтроны — это тип субатомных частиц без заряда (они нейтральны). Подобно протонам, нейтроны связаны с ядром атома в результате сильного ядерного взаимодействия.
• Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу, но оба они намного массивнее электронов (примерно в 2000 раз массивнее электрона).
• Положительный заряд протона равен по величине отрицательному заряду электрона. В результате в нейтральном атоме должно быть равное количество протонов и электронов.
• Атомная единица массы (а.е.м.) — единица массы, равная одной двенадцатой массы атома углерода-12.

Материалы и авторство

Эта страница была создана на основе содержимого следующими участниками и отредактирована (тематически или широко) командой разработчиков LibreTexts в соответствии со стилем, представлением и качеством платформы:

Как элементы распадаются на протоны, электроны и нейтроны?

Это объяснение предоставлено командой Стивена Рекрофта и Джона Д. Суэйн, профессора физического факультета Северо-Восточного университета.

Сначала, наверное, неплохо было бы рассмотреть, из чего состоит атом. По сути, он содержит ядро, содержащее некоторое количество (назовем его N) положительно заряженных протонов, которое окружено облаком (N) отрицательно заряженных электронов. Сила, удерживающая электроны и протоны вместе, — это электромагнитная сила. Число N говорит вам, какой у вас элемент: для водорода N равно 1, для гелия 2 и так далее.

Одна и та же электромагнитная сила, которая притягивает противоположно заряженные электроны и протоны, пытается оттолкнуть протоны (которые все имеют одинаковый заряд) друг от друга. Чтобы избежать этого разделения, в ядре вступает в игру другая частица: нейтрон. Подобно протону по массе, но без электрического заряда, нейтрон необходим для удержания ядра вместе. На коротких расстояниях (то есть внутри ядра) очень сильная сила, более мощная, чем электромагнетизм, берет верх и притягивает протоны и нейтроны. Для большинства элементов существует несколько возможностей относительно того, сколько нейтронов может поместиться в ядро, и каждый выбор соответствует разному изотопу этого элемента.

Предположим, вы хотите разорвать атом на части. Первое, что вам нужно сделать, это избавиться от электронов. Есть много способов сделать это. Вы можете направить свет на атом или подвергнуть его другому виду электромагнитного излучения с еще более короткой длиной волны. Кроме того, вы можете поразить его частицами, такими как электроны или другие атомы.На самом деле свет состоит из маленьких кусочков, называемых фотонами, поэтому сияющий свет на атоме — это просто особый случай столкновения его с другими частицами.

Heat тоже подойдет, но косвенно. Он заставляет атомы двигаться быстро и ударять друг друга. Первый электрон оторвется довольно легко, оставив объект с чистым положительным зарядом (так называемый ион). Каждый следующий электрон, как правило, сложнее отделить, поскольку он видит себя частью объекта с все более высоким положительным зарядом.

После того, как все электроны исчезнут, у вас останется только ядро. Поскольку сильная сила, удерживающая протоны и нейтроны вместе, сильнее электромагнитной, разрушение ядра на части требует больше энергии, чем удаление электронов. Даже в этом случае принцип тот же: поразите его либо фотонами (но теперь с теми, которые имеют гораздо больше энергии, чем фотоны видимого света), либо любой из огромного зоопарка частиц, открытого физиками высоких энергий. Нейтроны особенно полезны, потому что у них нет электрического заряда.Таким образом, они могут лететь прямо в ядро, не сталкиваясь с электромагнитными силами. Обычно для того, чтобы извлечь вещество из ядра, требуется примерно в миллион раз больше энергии, чем для того, чтобы отделить электрон от атома.

Хотя мы говорили о поэтапном разделении атома на части, вы, конечно, можете чем-нибудь поразить весь атом (электроны и ядро); если ударить достаточно сильно, вы получите кучу кусочков и кусочков.

Возможно, стоит затронуть еще два момента. Во-первых, если вы достаточно сильно ударите по протонам и нейтронам, вы обнаружите, что они, в свою очередь, состоят из еще более мелких частей, называемых кварками. Кварки удерживаются вместе той же сильной силой, которая удерживает ядро ​​вместе (хотя детали того, как это работает в этих двух случаях, немного различаются). Пока что у нас нет доказательств того, что внутри электронов гремит что-то меньшее.

Второй момент заключается в том, что если вы ударяете по предметам с очень высокими энергиями, вы не просто получаете куски, но также создаете совершенно новые частицы, которых раньше не было! Теоретическая основа для описания этого процесса называется квантовой теорией поля, а область физики, которая специализируется на изучении создания и разрушения новых частиц, называется физикой высоких энергий.Есть надежда, что, достаточно глубоко заглянув внутрь материи — разбирая ее и создавая новые формы, — мы лучше поймем механизм, стоящий за вселенной, которую мы видим каждый день.

Атомный номер и массовое число — Атомная структура — AQA — GCSE Chemistry (Single Science) Revision — AQA

Атомный номер

Число протонов в атоме элемента — это его атомный номер. Помните, что:

• все атомы данного элемента имеют одинаковое количество протонов
• атомов разных элементов имеют разное количество протонов

Атом содержит одинаковое количество протонов и электронов.Поскольку протоны и электроны имеют равные и противоположные заряды, это означает, что атомы не имеют общего электрического заряда.

Например, атомный номер натрия равен 11. Каждый атом натрия имеет 11 протонов и 11 электронов. Он имеет 11 положительных зарядов и 11 отрицательных зарядов.

Массовое число

Массовое число атома — это общее количество протонов и нейтронов.

Атомы разных элементов обычно имеют разные массовые числа, но могут быть одинаковыми. Например, массовое число атомов аргона и кальция может быть равно 40.

Расчет числа субатомных частиц

Символ атома может быть написан так, чтобы показать его массовое число вверху и его атомный номер внизу.

Чтобы вычислить количество субатомных частиц в атоме, используйте его атомный номер и массовое число:

• количество протонов = атомный номер
• 14cl02tjo6m.0.0.0.1:0.1.0.$0.$3.$3.$1″> количество электронов = атомный номер
• количество нейтронов = массовое число — атомный номер

Вопрос

Атомный номер атома натрия 11, а его массовое число 23.Подсчитайте количество протонов, нейтронов и электронов в нем.

Показать ответ

Число протонов = 11

Число электронов = 11

Число нейтронов (массовое число — атомный номер) = 23-11 = 12

Наука об электричестве — Энергетическая информация США Администрация (EIA)

Все состоит из атомов

Для понимания электричества полезны некоторые основные сведения об атомах. Атомы — это строительные блоки вселенной. Все во Вселенной состоит из атомов — каждая звезда, каждое дерево и каждое животное. Человеческое тело состоит из атомов. Воздух и вода тоже состоят из атомов. Атомы настолько малы, что миллионы их поместятся на булавочной головке.

Атомы состоят из еще более мелких частиц

Центр атома называется ядром . Ядро состоит из частиц, называемых протонами и нейтронами . Электроны вращаются вокруг ядра в оболочках . Если бы ядро ​​было размером с теннисный мяч, атом был бы размером со сферу диаметром около 1450 футов или размером с один из крупнейших спортивных стадионов в мире. Атомы — это в основном пустое пространство.

Если бы невооруженный глаз мог видеть атом, он был бы немного похож на крошечное скопление шаров, окруженное гигантскими невидимыми пузырями (или оболочки ). Электроны будут на поверхности пузырьков, постоянно вращаясь и перемещаясь, чтобы держаться как можно дальше друг от друга. Электроны удерживаются в своих оболочках за счет электрической силы.

Протоны и электроны атома притягиваются друг к другу. Оба они несут электрического заряда . Протоны имеют положительный заряд (+), а электроны — отрицательный заряд (-). Положительный заряд протонов равен отрицательному заряду электронов. Противоположные заряды притягивают друг друга. Атом находится в равновесии, когда в нем равное количество протонов и электронов.Нейтроны не несут заряда, и их количество может варьироваться.

Число протонов в атоме определяет вид атома, или элемента, это. Элемент — это вещество, состоящее из одного типа атомов. Периодическая таблица элементов показывает элементы с их атомными номерами — количеством протонов, которые они имеют. Например, каждый атом водорода (H) имеет один протон, а каждый атом углерода (C) имеет шесть протонов.

Электричество — это движение электронов между атомами

Электроны обычно остаются на постоянном расстоянии от ядра атома в точных оболочках. Ближайшая к ядру оболочка может содержать два электрона. Следующий снаряд может вместить до восьми штук. Внешние оболочки могут вместить даже больше. Некоторые атомы с множеством протонов могут иметь до семи оболочек с электронами в них.

Электроны в ближайших к ядру оболочках обладают сильной силой притяжения к протонам. Иногда электроны в самых внешних оболочках атома не обладают сильной силой притяжения к протонам. Эти электроны можно вытолкнуть со своих орбит.Применение силы может заставить их переходить от одного атома к другому. Эти перемещающиеся электроны представляют собой электричество.

В природе существует статическое электричество

Молния — это форма электричества. Молния — это электроны, перемещающиеся из одного облака в другое, или электроны, прыгающие из облака на землю. Вы когда-нибудь испытывали шок, когда дотрагивались до предмета после прогулки по ковру? От этого объекта к вам прыгнул поток электронов. Это называется статическим электричеством .

Вы когда-нибудь заставляли волосы встать дыбом, натирая их воздушным шариком? Если да, то вы стерли с воздушного шара несколько электронов. Электроны переместились в ваши волосы из воздушного шара. Электроны пытались уйти подальше друг от друга, двигаясь к кончикам ваших волос. Они толкались или отталкивались друг от друга, заставляя ваши волосы шевелиться. Подобно тому, как противоположные заряды притягиваются друг к другу, как заряды отталкиваются.

Последнее обновление: 17 декабря 2021 г.

Наука на расстоянии

Прочтите каждый из быстрых вопросов ниже и запишите свой ответ.
Когда вы закончите тест, нажмите кнопку ОТВЕТЫ и посмотрите, насколько хорошо вы его выполнили.

Номер теста PS-1030

Быстрые вопросы

1) Все атомы одинаковые. ( T rue / F alse)?

2) Все атомы одного и того же элемента одинаковы. ( T rue / F alse)?

3) Все атомы содержат нейтроны. ( T rue / F alse)?

4) Протоны имеют большую массу, чем нейтроны.( T rue / F alse)?

5) Электроны имеют меньшую массу, чем протоны или нейтроны. ( T rue / F alse)?

6) В нейтральном атоме всегда одинаковое количество протонов и электронов. ( T rue / F alse)?

7) Изотопы — это семейство атомов, все из которых имеют одинаковое количество электронов. ( T rue / F alse)?

8) Электроны находятся в облаках, называемых орбиталями, окружающими атомные центры.( T rue / F alse)?

9) Между атомами иногда происходит обмен электронами. ( T rue / F alse)?

10) Ионы — это атомы, которые приобрели или потеряли электроны. ( T rue / F alse)?

11) Ионы всегда имеют положительный заряд. ( T rue / F alse)?

12) Атомы наиболее стабильны, когда их внешний уровень энергии электронов полностью заполнен или полностью свободен от электронов. ( T rue / F alse)?

13) И атомы водорода, и атомы гелия имеют по два протона в своих атомных центрах, но разное количество нейтронов. ( T rue / F alse)?

14) Атомы водорода и дейтерия имеют одинаковое количество протонов в их атомных центрах, но разное количество нейтронов. ( T rue / F alse)?

15) Атомная масса всех изотопов внутри семейства атомов всегда одинакова.( T rue / F alse)?

16) Атомный номер всех изотопов в семействе атомов всегда один и тот же. ( T rue / F alse)?

17) Атомы одного и того же элемента иногда могут иметь два электрона. ( T rue / F alse)?

18) Атомы разных элементов иногда могут иметь общие электроны. ( T rue / F alse)?

19) Атомы делятся электронами, чтобы заполнить энергетические уровни.( T rue / F alse)?

20) Только восемь электронов могут занимать одну орбиталь. ( T rue / F alse)?

21) Два электрона, общие для двух атомов, создают силу или связь, которая удерживает атомы вместе. ( T rue / F alse)?

22) Иногда атомы разделяют более двух электронов. ( T rue / F alse)?

23) Ковалентные связи могут образовываться только между атомами, которые могут ионизировать.( T rue / F alse)?

24) Ионизация атома водорода дает протон. ( T rue / F alse)?

25) Метан — изотоп углерода. ( T rue / F alse)?

26) Молекулы воды меньше, чем молекулы газообразного кислорода. ( T rue / F alse)?

27) Водород и кислород делят электроны поровну в ковалентных связях молекулы воды.( T rue / F alse)?

28) Полярная молекула — это та, которая наиболее устойчива на полюсах реакции. ( T rue / F alse)?

29) Вода при комнатной температуре является жидкостью, потому что молекулы воды очень симпатичны друг другу. ( T rue / F alse)?

30) Гидрофильные вещества легко растворяются в воде. ( T rue / F alse)?

---

---

Наука на расстоянии
© 1997, 1998, 1999, 2000, профессор Джон Бламир

Атомная структура

---

В самом центре каждого атома находится ядро ​​(new-klee-us).Ядро — это скопление частиц, называемых протонами и нейтронами. Протоны имеют положительный (+) заряд, а нейтроны нейтральны (то есть у них нет заряда).

Ядро очень компактно, и хотя на него приходится большая часть веса атома, оно занимает очень небольшую часть общего объема атома. Странно, да — это как если бы почти весь ваш вес приходился на пупок. (но на меньше!)

На самом деле большая часть атома — это пустое пространство! В остальной части атома, как сумасшедшие, носятся электроны.Электроны имеют отрицательный (-) заряд, поэтому их достаточно, чтобы уравновесить (+) протоны. Однако электроны настолько легкие, что не учитываются при расчете общего веса атома.

Но электроны никуда не летают. Они установили количество энергии. Чем больше энергии у электрона, тем дальше он от ядра. Крайние электроны называются валентными электронами (звучит как «вай-ленты»). У валентных электронов особая работа — они могут образовывать связи или соединяться с другим атомом.

Атомы могут иметь до 8 валентных электронов. (Водород и гелий, эти маленькие возмутители спокойствия, могут иметь 2, но не более). Атом углерода имеет 4 валентных электрона.

Существующие вида атомов называются элементами . Некоторые элементы: серебро, золото, неон и углерод.
Чтобы увидеть все элементы в одном месте, посмотрите на периодическую таблицу. Все элементы, которые существуют, присутствуют в периодической таблице, начиная с водорода под номером 1 и заканчивая более чем 100.Это число, называемое атомным номером , показывает, сколько протонов имеет каждый атом. Итак, водород имеет 1 протон, углерод — 6 протонов, а никель — 28 протонов.

Каждый элемент имеет символ из одной или двух букв. Некоторые из них имеют смысл, например, углерод — это C, а кислород — O, а некоторые — нет, например, символ золота, Au. (На самом деле, Au образовано от латинского слова, обозначающего золото, aurum .)

Когда атомы соединяются вместе, они образуют связей .

Опыт связи

Существует два основных типа связи — ковалентная и ионная .

Ковалентные связи возникают, когда два атома разделяют электроны — вроде как два атома держатся за руки. Когда по крайней мере 2 атома собираются вместе, разделяя электроны, они образуют молекулу .

Ионные связи возникают, когда один атом передает по крайней мере один электрон другому атому. Оуууу, разве это не мило ?!

Представьте себе это: два атома сидят рядом друг с другом. Одному атому нужен электрон, а у другого атома есть лишний электрон. Идеально! Как только электрон передается, атомы перестают быть атомами — они иона , и каждый из них имеет заряд — один плюс (+ положительный) и один минус (- отрицательный).

Помните, что каждый атом вначале имел достаточно (-) электронов, чтобы соответствовать каждому (+) протону в его ядре. Атом, который получает дополнительный электрон, в конечном итоге получает заряд (-) и называется анионом (звучит как анн-око). Атом, который отдает электрон, имеет заряд (+) и называется катионом , (звучит как «кошачий глаз»).

Теперь эти (+) и (-) заряды имеют сильное притяжение друг к другу — они сидят рядом и отказываются двигаться.И угадайте, что? Это ионная связь! — сильное притяжение между ионами с противоположными зарядами. Поваренная соль — хороший пример обычного ионного соединения. (Поваренная соль также называется хлорид натрия ). Щелкните здесь, чтобы получить дополнительную информацию. См. Трехмерную модель ионов здесь.

А что насчет полимеров? Как они связаны друг с другом?

Полимерные скелеты удерживаются вместе ковалентными связями — атомами, разделяющими электроны. Другие атомы или даже группы атомов также прикрепляются к основной цепи ковалентными связями. dp

Спасибо.

---

Привет Борис,

Позвольте мне начать с вашего утверждения: «Если он состоит из протона, электрона и нейтрино, он может быть таким же стабильным, как атом водорода?»

Ответ на этот вопрос таков, что нет. Нейтрон не состоит из протона, электрона и антинейтрино. Эти частицы — только продукты его распада. Нейтрон состоит из трех кварков, одного верхнего кварка, двух нижних кварков и множества «промежуточных частиц», называемых глюонами, которые несут взаимодействие между кварками.Эти глюоны обмениваются очень часто, поэтому кварки чувствуют друг друга.

Нейтроны не всегда распадаются. Позвольте мне быть более конкретным. Вы знаете, что большая часть окружающей нас материи состоит из атомов. У атомов есть ядра и электроны. В ядре обычно встречаются протоны и нейтроны. Я уверен, что вы согласны со мной, что в повседневной жизни вы НЕ ВИДИТЕ машин, домов или … распадающихся, потому что их нейтроны распадаются! Другими словами, когда нейтрон спрятан в атомном ядре, он чрезвычайно стабилен и не распадается в соответствии с тем, что вы написали. (Да, есть некоторые радиоактивные элементы, которые нестабильны, и их нейтроны распадаются на протоны, но давайте оставим их в стороне на секунду.)

С другой стороны, если у вас есть свободный нейтрон, оторванный от ядра, он распадается. Так почему это так? Прежде всего, вы знаете, что до сих пор наука признает 4 типа взаимодействий (сил), а именно электромагнитное, гравитационное, слабое и сильное взаимодействие. Когда нейтрон погружен в ядро, он в основном ощущает сильное взаимодействие.Кварки очень сильно «плотно прижаты» друг к другу, и им не разрешено превращаться в uud (протон), электрон и антинейтрино. За распад нейтрона отвечает слабое взаимодействие. Если нейтрон освободить от ядра, слабое взаимодействие кварков будет играть основную роль, а поскольку протон легче нейтрона, нейтрону позволено перейти на эту более легкую стадию, излучая электрон и антинейтрино.
Если вам все еще интересно, и у вас остались вопросы, спросите

— до свидания,
Арнольд Помпос

Вернуться на главную страницу вопросов по физике

.