Атомы. Состав и строение атомов: протоны, нейтроны и электроны
Атом — это мельчайшая химически неделимая частица вещества, а также наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Химически неделимая
означает, что атом в ходе химических реакций не делится на более мелкие части.
Атомы очень маленькие частицы, их размер находится в диапазоне от одного до пяти ангстрем (обозначается — Å.). Один ангстрем — это 10–10 метра.
Состав и строение атомов
Атомы состоят из ещё более мелких частиц.
В центре любого атома находится положительно заряженное ядро. В пространстве вокруг ядра находятся отрицательно заряженные частицы — электроны, которые образуют так называемое электронное облако
. Таким образом, атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его отрицательно заряженного электронного облака.
Пример. Атом гелия состоит из ядра, в котором находятся два протона и два нейтрона, и двух электронов:
Ядро атома — это центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса и весь положительный электрический заряд. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.
Протон — это частица, которая имеет положительный электрический заряд. Заряд протона в условных единицах равен +1. Символ протона — p+.
Нейтрон — это частица, не имеющая электрического заряда. Заряд нейтрона равен 0. Символ нейтрона — n0.
Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны.
Ядра атомов имеют положительный заряд, так как состоят из протонов с положительным зарядом и нейтронов. По величине заряд равен количеству протонов в ядре и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе.
Электрон — это частица, которая имеет отрицательный электрический заряд. Заряд электрона в условных единицах равен -1. Символ электрона — e .
Протоны, нейтроны и электроны имеют общее название — элементарные частицы или субатомные частицы.
| Название | Символ | Заряд |
|---|---|---|
| Протон | p+ | +1 |
| Нейтрон | n0 | 0 |
| Электрон | e | -1 |
Заряд протона и электрона одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Любой атом содержит равное число протонов и электронов, значит заряд ядра и суммарный заряд всех электронов атома одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Следовательно, атомы являются электронейтральными частицами.
Физики провели новый эксперимент по изучению структуры атомного ядра
Международный коллектив учёных при участии группы физиков НИИЯФ МГУ провёл в лаборатории Томаса Джефферсона (JLAB) новый эксперимент по изучению структуры атомного ядра. Исследователи наблюдали прямое выбивание электронами из ядер протонов и нейтронов, а также определяли импульс, которым выбиваемый нуклон обладал в ядре. Эксперимент показал, что высокоимпульсные нуклоны образуют в ядре коррелированные протон-нейтронные пары. Такой результат не укладывается в традиционные представления оболочечной модели ядра. Исследование опубликовано в престижном научном журнале Nature.
Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Протон и нейтрон имеют практически одинаковую массу (mp = 938,3 МэВ,mn = 939,6 МэВ), но различаются величиной электрического заряда. Протон заряжен положительно Qp = |Qe|, а нейтрон не имеет электрического заряда. Ядерное взаимодействие не зависит от электрического заряда частицы, поэтому эти две частицы объединены одним словом — нуклон. При этом обычно предполагается, что свойства протонов и нейтронов в ядре совпадают со свойствами свободных протонов.
Однако исследования последних десятилетий в области ядерной физики опровергают этот тезис. Так, свободный протон является стабильной частицей, его время жизни больше 1033 лет. Эта величина на много порядков превосходит время существования Вселенной, и все попытки обнаружить распад протона до сих пор оказывались безуспешными. Нейтрон же — частица нестабильная. Время его жизни вне атомного ядра составляет лишь 880,0 ± 0,9 секунд (чуть меньше четверти часа).
Различия в свойствах протонов и нейтронов обусловлены их кварковым составом. Учитывать кварковую структуру нуклонов необходимо также и при описании свойств атомных ядер: протоны и нейтроны, находящиеся на внутренних оболочках атомных ядер, имеют достаточно высокую энергию и сближаются так, что начинает сказываться их внутренняя структура.
Для более детального описания атомных ядер необходимо учитывать кварковую структуру нуклонов, образующих атомное ядро. Для изучения структуры атомных ядер в JLAB была организована коллаборация CLAS, в которую входит 43 организации из 9 стран мира. От России в коллаборации участвуют сотрудники НИИЯФ МГУ и ИТЭФ.
Новый эксперимент по изучению структуры атомного ядра выполнен в лаборатории Томаса Джефферсона (США) при участии группы физиков НИИЯФ МГУ. «В эксперименте наблюдалось прямое выбивание электронами из ядер не только протонов, но и нейтронов, и определялся импульс, которым выбиваемый нуклон обладал в ядре. Было показано, что, например, в ядре свинца, в котором число нейтронов (126) в полтора раза превышает число протонов (82), высокоимпульсных протонов и нейтронов одинаковое количество, как и в ядре углерода (6 протонов и 6 нейтронов). При этом низкоимпульсных нейтронов в ядре свинца, как и следовало ожидать, в полтора раза больше, чем протонов, а в ядре углерода их поровну, — описал исследование один из авторов исследования, главный научный сотрудник НИИЯФ МГУ, заведующий кафедрой общей ядерной физики МГУ Борис Ишханов. — Это означает, что высокоимпульсные нуклоны образуют в ядре коррелированные протон-нейтронные пары. Данный результат, не укладывающийся в рамки традиционных представлений оболочечной модели ядра, меняет наши представления о внутренней области ядер и стимулирует исследования влияния кварковой структуры нуклонов на ядерные свойства».
Существующие модели атомного ядра несовершенны
Атомное ядро — это сложная связанная система протонов и нейтронов, которую невозможно описать простой формулой. Поэтому создаются модели атомных ядер, которые описывают их основные свойства. Одной из первых моделей атомного ядра была капельная модель, развитая в работах Бете и Вайцзеккера, которая успешно описала энергию связи ядра. В этой модели атомное ядро, состоящее из Zпротонов и Nнейтронов, уподоблялось капельке жидкости. В этой модели учитывались следующие факторы: взаимное притяжение между всеми протонами и нейтронами; кулоновское расталкивание между протонами; нахождение части нуклонов на поверхности ядра, что ослабляет их связь; одинаковое число протонов и нейтронов, образующих наиболее связанные ядра; дополнительное связывание в пары частиц одного типа — протоны или нейтроны, но это уже следовало не из свойств жидкой капли, а наблюдалось в экспериментах.
Такая относительно простая модель смогла описать экспериментально измеренные энергии связи ядер с точностью в несколько процентов. Однако по мере расширения знаний об атомных ядрах оказалось, что эта модель не может адекватно описать квантовые характеристики ядер, их возбужденные состояния.
На смену капельной модели пришла другая — оболочечная модель ядра. В этой модели протоны и нейтроны совместно создают квантовую потенциальную яму, в которой частицы размещаются в отдельных состояниях в соответствии принципом Паули. Появление такой модели было достаточно неожиданным, так как к этому времени было установлено, что размеры протона и нейтрона ≈ 0,8 Ферми (1 Ферми = 10‒13 см) и они довольно плотно упакованы в ядре. Расстояние между нуклонами в ядре всего лишь в 3-4 раза превышают их размер. Непонятно, как при этом нуклоны могли двигаться по устойчивым орбитам подобно планетам вокруг Солнца. Ввиду своих недостатков, учёные рассматривают оболочечную модель как полуэмпирическую схему, позволяющую понять некоторые закономерности в структуре ядер, но не способной последовательно количественно описать свойства ядра.
Законы мира квантовых частиц
Квантовый мир отличается от классического, описываемого законами Ньютона и Кеплера. Квантовые частицы подчиняются другим законам. В частности, в силу неопределенности Гайзенберга они не двигаются по каким-то траекториям, а имеют определенные квантовые числа, в соответствии с которыми они создают квантовые объекты. Все объекты квантового мира можно было построить из трех элементарных частиц — протона, нейтрона и электрона.
С появлением ускорителей мир частиц увеличился до нескольких сотен частиц. Стало известно, что протоны и нейтроны не являются элементарными частицами, а состоят из кварков двух типов u и d. Эти кварки имеют примерно одинаковые массы, но различаются величинами электрического заряда. Заряд u-кварка равен +2/3|Qe|, а заряд d-кварка равен ‒1/3|Qe|.
Впервые были обнаружены частицы, имеющие дробный электрический заряд. До сих пор удавалось получать частицы в свободном состоянии и исследовать их свойства. Кварки никакими усилиями не удавалось выбить из протона и нейтрона. Это было связано со свойствами сил, связывающих частицы. Обычно силы взаимодействия между частицами уменьшаются при увеличении расстояния между ними. Кварки внутри протонов и нейтронов связываются глюонами. И притяжение между кварками увеличивается при увеличении расстояние между кварками. Это явление называется конфайнментом (пленение).
В экспериментах, выполненных в JLAB(США), для изучения внутренней структуры протона и нейтрона использовалось рассеяние ускоренных до нескольких ГэВ электронов на протонах и нейтронах, входящих в состав различных ядер C, Al, Fe, Pb. В результате этих экспериментов было показано, что при описании свойств атомных ядер необходимо учитывать кварковую структуру протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, находящиеся на внутренних оболочках атомных ядер, имеют достаточно высокую энергию и сближаются так, что начинает сказываться их внутренняя структура.
Исследование коллаборации CLAS, опубликованное в Nature, расширяет представление о влиянии кварковой структуры на взаимодействие нуклонов и устройство атомного ядра.
|
В настоящее время известно более сотни различных мезонов и других частиц со странными свойствами. Их массы лежат в пределах от 200 электронных масс до масс, в несколько раз превышающих массу протона. Существование всех этих новых частиц скоротечно, ни одна из них не живет дольше нескольких микросекунд, а многие частицы распадаются примерно через 10−23 с после своего образования. Конечные продукты распадов этих частиц – обычные составные части вещества, т.е. протоны, электроны и фотоны, а также нейтрино. Необходимо отметить, что позитроны и антипротоны в свободном состоянии устойчивы, но при взаимодействии с обычным веществом они аннигилируют.
Элементарными следует называть микрочастицы, относительно которых нет доказательств, что они являются составными. Это электроны, протоны, нейтроны и многие другие частицы. Впрочем, ситуация с определением элементарности усложнилась после того, как выяснилось, что многие из этих частиц имеют внутреннюю структуру.
Несмотря на последнее обстоятельство, за этими частицами сохранили название элементарных. И это в какой-то степени оправдано: во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Они могут рождаться и превращаться друг в друга, но не расщепляться на какие-то составляющие.
Поэтому теперь в ядерной физике под термином «элементарные частицы» понимается общее название для всех субатомных частиц, отличных от атомов и атомных ядер.
Итак, частицы, которые мы называем элементарными, ведут себя как единое целое и обладают способностью к рождению и взаимопревращению. Например, распад нейтрона:
Продукты распада нейтрона возникают только в самом этом процессе. До распада их не было совсем, и они не входили в состав нейтрона.
Для элементарных частиц весьма характерна их многочисленность. В настоящее время открыто несколько сотен частиц, подавляющее большинство которых нестабильно.
Источниками заряженных частиц высоких энергий являются в основном ускорители. Вместе с детекторами они позволяют исследовать процессы в которых образуются и взаимодействуют различные элементарные частицы. Вот почему физику элементарных частиц часто называют физикой высоких энергий.
Виды фундаментальных взаимодействий
Современной науке известны четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Сильное взаимодействие осуществляется между нуклонами в атомных ядрах. Оно присуще также большому количеству элементарных частиц, так называемых адронов (протоны, нейтроны, гипероны, мезоны и др.). Электромагнитное взаимодействие осуществляется между электрическими зарядами. К электромагнитным взаимодействиям сводятся обычно воспринимаемые нами силы: химические, молекулярные, упругие, вязкие и др. Слабые взаимодействия вызывают β-распад радиоактивных ядер и вместе с электромагнитными силами присущи лептонам – элементарным частицам, не участвующим в сильных взаимодействиях и обладающих спином ½ (электрон, мюон, нейтрино и др.). Нейтральные лептоны не участвуют в электромагнитных взаимодействиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем частицам.
Энергетика взаимодействий связана со временем их протекания. Для сравнения скоростей взаимодействий обычно берут частицы с одной и той же энергией например, принимают кинетическую энергию сталкивающихся частиц равной 1 ГэВ, характерную для физики элементарных частиц. При таких энергиях сильные взаимодействия осуществляются за времена порядка 10−23 с, электромагнитные – 10−20 с, слабые – 10−9 с.
Вид взаимодействия, присущий определенной частице, определяет и такой параметр, как длина её свободного пробега в веществе. Чем интенсивнее тип взаимодействия, тем меньше длина свободного пробега. Так нейтрино с энергией 10 МэВ может пройти слой железа толщиной 109 км. Сильные и слабые взаимодействия являются короткодействующими. Радиус действия сильных взаимодействий имеет порядок 10−13 см (1 ферми), а слабых – 2·10−16 см. Электромагнитные силы являются дальнодействующими. Их интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между взаимодействующими частицами. Аналогичному закону подчиняются и гравитационные силы. Количественно соотношения интенсивности типов взаимодействий представлены в таблице 4.3.
Остановимся более подробно на характеристике этих взаимодействий.
Практически все элементарные частицы являются нестабильными (за исключением фотона, электрона и трех нейтрино). Время жизни таких частиц варьируется в пределах от 10−18 до 10−11 с (у так называемых резонансов еще меньше). Но в некоторых случаях оно оказывается весьма продолжительным: например, среднее время жизни свободного нейтрона составляет 11.7 мин.
Систематика элементарных частиц
Все частицы (включая и неэлементарные, и так называемые квазичастицы) подразделяют на бозоны и фермионы. Бозоны – это частицы с нулевым или целочисленным спином (фотон, мезоны и др.). Фермионы же – это частицы с полуцелым спином (электрон, мюон, таон, нейтрино, протон, нейтрон и др.).
Практически все элементарные частицы, как уже говорилось, являются нестабильными, распадаясь на другие частицы. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и т.н. резонансы. Резонансами называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия с временем жизни ~10−23 с. Нестабильные частицы с временем жизни, превышающим 10−20 с, распадаются за счет электромагнитного или слабого взаимодействия. По сравнению с характерным ядерным временем (10−23 с) время 10−20 с следует считать большим. По этой причине их и называют квазистабильными. Стабильными частицами (τ → ∞) являются только фотон, электрон, протон и нейтрино.
Это особая группа элементарных частиц, в которую входят фотоны (переносчики электромагнитного взаимодействия), родственные им W- и Z-бозоны (переносчики слабого взаимодействия), так называемые глюоны (переносчики сильного взаимодействия) и гипотетические гравитоны.
Все остальные частицы подразделяют по характеру взаимодействий, в которых они участвуют, на лептоны и адроны.
Это частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин ½. К ним относятся электроны, мюоны, таоны и соответствующие им нейтрино. Лептоны принимают участие в слабых взаимодействиях. За исключением нейтрино, лептоны участвуют и в электромагнитных взаимодействиях.
Все лептоны можно отнести к истинно элементарным частицам, поскольку у них, в отличие от адронов, не обнаружена внутренняя структура.
Так называют элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Как правило, они участвуют и в электромагнитном, и в слабом взаимодействиях. Эти частицы образуют самую многочисленную группу частиц (свыше 400). Адроны подразделяют на мезоны и барионы. Мезоны – это адроны с нулевым или целочисленным спином (т.е. бозоны). К ним относятся π-, K- и η-мезоны, а также множество мезонных резонансов, т.е. мезонов с временем жизни ~10−23 с. Барионы – это адроны с полуцелым спином (т.е. фермионы) и массами, не меньшими массы протона. К ним относятся нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны и множество барионных резонансов. За исключением протона, все барионы нестабильны. Нестабильные барионы с массами, большими массы протона, и большим временем жизни (сравнительно с ядерным ~10−23 с) называют гиперонами. Это гипероны Λ, Σ, Ξ и Ω. Все гипероны имеют спин ½, за исключением Ω, спин которого 3/2. За время τ ~10−19-10−10 с они распадаются на нуклоны и легкие частицы (π-мезоны, электроны, нейтрино, γ-кванты).
Сведем для наглядности основную систематику элементарных частиц в таблицу 4.4.
Античастицы
Существование античастиц является универсальным свойством элементарных частиц. Каждой частице соответствует своя античастица: например, электрону e− – позитрон e+, протону p+ – антипротон p−, нейтрону n – антинейтрон и т.д. Позитрон и антипротон отличаются от электрона и протона прежде всего знаком электрического заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента.
В общем случае античастица отличается от частицы только знаками так называемых зарядов (электрического, барионного, лептонного, странности), с которыми связаны определенные законы сохранения.
Такие же характеристики как масса, спин, время жизни у них одинаковы.
В некоторых случаях античастица совпадает со своей частицей, т.е. все свойства частицы и античастицы одинаковы. Такие частицы называют истинно нейтральными. К ним относятся, например, фотон γ, π0-мезон и η0-мезон.
Понятия частицы и античастицы относительны. Электрон считают частицей, а позитрон – античастицей только потому, что во Вселенной преобладают именно электроны, а позитроны более экзотические частицы. Условившись считать электрон и протон частицами, далее с помощью законов сохранения можно однозначно установить, чем является каждая элементарная частица – частицей или античастицей.
При встрече электрона с позитроном происходит их аннигиляция, т.е. превращение их в γ-кванты, например так:
Заметим, что один γ-квант при этом излучиться не может: в этом случае нарушался бы закон сохранения импульса. Это легко понять, если рассмотреть процесс в Ц-системе, где суммарный импульс электрона и позитрона равен нулю.
Существует процесс, обратный аннигиляции – рождение пар: γ-квант может породить пару e−e+. Для этого необходимо, чтобы энергия γ-кванта была не меньше собственной энергии пары 2·mec2. Этот процесс может происходить только в поле атомного ядра, иначе нарушался бы закон сохранения импульса. В самом деле, в Ц-системе суммарный импульс образовавшейся пары был бы равен нулю, тогда как импульс породившего ее γ-кванта отличен от нуля. При наличии атомного ядра импульс γ-кванта будет восприниматься ядром без нарушения закона сохранения импульса.
Аннигилируют не только электрон с позитроном, но и любая другая частица со своей античастицей. Однако при аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают преимущественно π-мезоны (доля γ-квантов весьма мала). Это обусловлено проявлением различных типов взаимодействий: аннигиляция электрона с позитроном вызывается электромагнитным взаимодействием, тогда как аннигиляция более тяжелых частиц – адронов – сильным взаимодействием.
Более подробную информацию можно скачать здесь (ресурс корпоративной сети ТПУ) или здесь (ресурс корпоративной сети ТПУ).
Некоторые проблемы эволюции Вселенной, нуклеосинтеза и космохронологии с точки зрения физики ядра и элементарных частиц, представлены в книге Ю.Э. Пенионжкевич «Ядерная Астрофизика». В этой работе проводится сравнение процессов, происходящих во Вселенной, с механизмами образования и распада ядер, а также их взаимодействия при высоких энергиях, еаны примеры, показывающие возможности методов ядерной физики в исследовании Вселенной.
| ||||
Строение электронных оболочек атома: что такое нейтрон, протон и электрон
Само слово «атом» впервые упоминалось в трудах философов Древней Греции, и в переводе оно означает «неделимый». Не имея современных приборов, философ Демокрит, используя логику и наблюдательность, пришел к выводу, что любое вещество не может дробиться бесконечно, и в итоге должна остаться какая-то неделимая мельчайшая частица вещества – атом вещества.
И если бы не было атомов, то любое вещество или предмет можно было уничтожить полностью. Демокрит стал основоположником атомистики – целого учения, которое основывалось на понятии об атоме.
Что такое атом?
Атом – это наименьшая электронейтральная частица любого химического элемента. Он состоит из положительно заряженного ядра и оболочки, образованной отрицательно заряженными электронами. Положительно заряженное ядро – это сердцевина атома. Оно занимает мизерную часть пространства в центре атома, и в нем сосредоточены почти вся масса атома и весь положительный заряд.
Из чего состоит атом?
Составляют ядро атома элементарные частицы – нейтроны и протоны, а по замкнутым орбиталям вокруг атомного ядра движутся электроны.
Что такое нейтрон?
Нейтрон (n) представляет собой элементарную нейтральную частицу, относительная масса которой составляет 1,00866 атомной единицы массы (а.е.м.).
Что такое протон?
Протон (р) представляет собой элементарную частицу, относительная масса которой составляет 1,00728 атомной единицы массы, положительным зарядом +1 и спином 1/2. Протон ( переводится с греческого как основной, первый) относится к барионам. В ядре атома число протонов равно порядковому номеру химического элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева.
Что такое электрон?
Электрон ( е–) представляет собой элементарную частицу, масса которой составляет 0,00055 а.е.м.; условный заряд электрона: — 1. Количество электронов в атоме равняется заряду ядра атома (соответствует порядковому номеру химического элемента в Периодической системе Менделеева).
Вокруг ядра электроны двигаются по орбиталям, которые строго определены и образуется электронное облако.
Область пространства вокруг атомного ядра, где с вероятностью более 90% присутствуют электроны, определяет форму электронного облака.
Электронное облако р-электрона по внешнему виду напоминает гантель; на трех р-орбиталях по максимуму могут находиться лишь шесть электронов.
Электронное облако s-электрона представляет собой сферу; на s-энергетическом подуровне максимальное количество электронов, которые могут там находиться – это 2.
Изображают орбитали в виде квадрата, снизу или сверху него прописывают значения главного и побочного квантовых чисел, которые описывают эту орбиталь.
Данная запись носит название графическая электронная формула. Она выглядит следующим образом:
С помощью стрелок в данной формуле обозначают электрон. Направление стрелки соответствует направлению спина – это собственный магнитный момент электрона. Электроны, имеющие противоположные спины (на картинке это направленные в противоположные стороны стрелочки), получили название спаренные.
Электронные конфигурации атомов элементов можно представить в виде формул, в которых:
- Указывают символы подуровня;
- Степень у символа показывает число электронов данного подуровня;
- Коэффициент, стоящий перед символом подуровня обозначает его принадлежность к данному уровню.
Определение числа нейтронов
Для определения числа нейтронов N в ядре нужно воспользоваться формулой:
N=A-Z, где А – массовое число; Z – заряд ядра, который равняется числу протонов (порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева).
Как правило, параметры ядра записывают так: сверху – массовое число, а слева внизу от символа элемента прописывают заряд ядра.
Это выглядит так:
Данная запись обозначает следующее:
- Массовое число равняется 31;
- Заряд ядра (и как следствие, и число протонов) для атома фосфора равняется 15;
- Число нейтронов равно 16. Его высчитывают так: 31-15=16.
Массовое число примерно соответствует относительной атомной массе ядра. Это вызвано тем, что массы нейтрона и протона практически не имеют отличий.
Строение атомов первых десяти химических элементов таблицы Менделеева
Ниже мы представили часть таблицы, в которой приведено строение электронных оболочек атомов первых двадцати элементов Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Полная таблица электронных формул атомов представлена в отдельной нашей публикации.
Химические элементы, в атомах которых происходит заполнение р-подуровня, носят название р-элементы. Электронов может быть от 1 до 6.
Химические элементы, в атомах которых s-подуровень внешнего уровня пополняется 1 или 2 электронами получили название s-элементы.
Число электронных слоев в атоме химического элемента равняется номеру периода.
Правило Хунда
Существует правило Хунда, в соответствии с которым электроны располагаются на однотипных орбиталях одного энергетического уровня так, чтобы совокупный спин был максимально возможным. Это означает, что, когда энергетический подуровень заполняется, каждый электрон сначала занимает отдельную ячейку, и лишь потом запускается процесс их соединения.
Изображение электронной формулы Азота в графическом виде
Изображение электронной формулы Кислорода в графическом виде
Изображение электронной формулы Неона в графическом виде
К примеру, у атома азота все р-электроны будут занимать отдельные ячейки, а у кислорода начнется их спаривание, которое завершится в полной мере у неона.
Что такое изотопы
Изотопы – это атомы одного и того же элемента, которые в своих ядрах содержат одинаковое количество протонов, но число нейтронов будет различное. Изотопы известны для всех элементов.
По этой причине атомные массы элементов в периодической системе представляют собой среднее значение из массовых чисел природных смесей изотопов и имеют отличия от целочисленных значений.
Есть ли что-то меньше ядра атома
Подведем итоги. Атомная масса природных смесей изотопов не может служить главнейшей характеристикой атома, и, как следствие, и элемента.
Подобной характеристикой атома будет являться заряд ядра, который определяет строение электронной оболочки и количество электронов в ней. Это интересно! Наука не стоит на месте и ученые смогли опровергнуть догму о том, что атом является самой маленькой частицей химических элементов. Сегодня мир знает кварки – из них состоят нейтроны и протоны.
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.
Кварки, или откуда берётся масса – аналитический портал ПОЛИТ.РУ
Мы публикуем расшифровку лекции доктора физ.-мат.наук, зав. сектором Петербургского института ядерной физики РАН Дмитрия Дьяконова, прочитанной 10 июня 2010 года в Политехническом музее в рамках проекта “Публичные лекции Полит.ру”.
См. также:
Текст лекции
Я буду рассказывать о самом фундаментальном уровне организации материи, как мы его понимаем сегодня. Я расскажу о фундаментальных частицах, из которых всё состоит — кварках и других, о видах взаимодействия между ними и о том, что все взаимодействия построены по одному принципу. Я объясню, что всё в мире есть “связанные состояния”. Наконец, я постараюсь пояснить, откуда берётся масса всего, что мы видим вокруг, включая нас самих. Я закончу перечислением самых глубоких “тёмных” вопросов. Вот план моего рассказа — см. слайд 1.
Слайд 1
Мы знаем со школы, что вещество, включая живое, состоит из молекул, а молекулы — из атомов. В свою очередь атомы состоят из маленького по размерам, но тяжёлого ядра, вокруг которого витают лёгкие электроны. Ядро склеено сильным притяжением протонов и нейтронов — см. слайд 2.
Слайд 2
Наконец, протоны и нейтроны состоят, каждый, из трёх кварков. На этой картинке я обозначил, что бывают u-кварки, d-кварки и s-кварки. u — это от слова “up”, d — от слова “down”, а s — от слова “strange”. Есть ещё три других сорта кварков, о которых я скажу дальше. В старину протоны и нейтроны называли элементарными частицами, когда не понимали их структуры. Но последние 50 лет мы, в общем, знаем их структуру, мы знаем, что протоны и нейтроны сделаны из кварков. Поэтому называть протоны и нейтроны элементарными частицами язык не поворачивается. Тем не менее, поскольку они, действительно, такие маленькие, протоны и нейтроны иногда по-прежнему называют “элементарными частицами”. По-настоящему элементарными являются кварки.
Дмитрий Дьяконов
(фото А. Чеснокова)
Протоны, нейтроны и другие частицы, которых довольно много, потому что можно по-разному комбинировать сорта кварков, называются “барионы”. Каждый из них состоит из трёх кварков того или иного сорта. Есть ещё другие частицы, которые называют “мезоны”, они обязательно состоят из одного кварка и одного анти-кварка, который я на рисунке обозначил штриховкой. Эта картина довольно старая, она создана, в основном, великим американским физиком Гелл-Манном (Gell-Mann, 1964), который, кстати, в пожилом возрасте полностью бросил физику несмотря на то, что он, действительно, великий человек, получил Нобелевскую премию. Но он бросил физику и ушёл в лингвистику. И вот года два назад, мне говорили, он приезжал в Москву на лингвистический конгресс.
Борис Долгин: Да, он помогал Сергею Старостину и его ученикам.
Дмитрий Дьяконов: Слово “кварк” ввёл в физику именно Гелл-Манн, и вообще он придумал много разных смешных названий, которые я буду по мере надобности употреблять. Гелл-Манн взял слово “кварк” из книги “Поминки по Финнегану” Джойса. Это книга-ребус, там почти все непонятно. В частности, один герой говорит: три кварка для мястера Марка, по-английски “three quarks for Muster Mark”. Кто был в Германии или в Скандинавских странах, знают, что кварк — это просто творог, можно пойти в магазин и купить кварк. И совсем недавно я прочел, что это слово, оказывается, славянского происхождения и буквально происходит от слова “творог”, оно появилось в немецком языке довольно поздно, где-то в XIV веке. Вот у вас Зализняк читал лекцию, надо было у Зализняка спросить про кварк.
Ещё я здесь сбоку нарисовал наше изобретение, чтобы намекнуть, что наука не остановилась на 1964 годе. Мы с коллегами рассчитали, что должно быть более сложное образование из пяти кварков, которое так и назвали “пентакварком”. Я поставил рядом с ним вопрос, потому что есть эксперименты, где его видят, их довольно много, но есть эксперименты, где его не видят, их ещё больше. Поэтому пока ситуация не ясна, но готовьтесь к тому, что, возможно, скоро к этому семейству ещё добавятся пентакварки.
Вот это у меня самый загруженный слайд 3. Мы через него продерёмся, а дальше будут картинки, анимации, то есть будет проще. Я сейчас спустился на самый элементарный уровень того, что мы знаем. Есть частицы двух типов. Одни называются упомянутые кварки, их шесть сортов или типов: u — от up, d — от down, c — от слова charm, s — от слова strange, t — от слова top, а b — сами понимаете — bottom. Итак, имеется шесть сортов кварков, при этом, по-видимому, здесь full stop, т.е. больше никаких других кварков нет. Не то, что мы какие-то сорта кварков ещё не открыли, а есть экспериментальные и теоретические доводы, что больше никаких сортов нет.
Слайд 3
И есть другие частицы, которые тоже идут такой троицей, и они называются лептонами. Из них наиболее известные — это электрон, и частичка, которая называется нейтрино, она не имеет электрического заряда.
Природа почему-то не поскупилась и изготовила электрон в трёх копиях, ещё имеется два лептона, которые называются мюон и тау-лептон. И каждому заряженному лептону соответствует свое собственное нейтрино, причем это всё — разные частицы! Впрочем, копии электрона гораздо тяжелее его. Здесь я выписал массы этих частиц, пользуясь довольно странной единицей, — не граммами, не килограммами, а мега-электрон-вольтами (МэВ). Почему я не использую килограммы для обозначения массы? Потому что масса, скажем, протона и нейтрона составляет порядка 10-27 кг, что, конечно, очень мало. Ясно, что с такими мелкими единицами обращаться неудобно. Величина 1 МэВ или, если полностью, мега-электрон-вольт — это та энергия, которую приобретает электрон, если он проходит разность потенциалов в миллион вольт. Почему я в энергетических единицах меряю массу — потому что Эйнштейн написал небезызвестную формулу: E=mc2. Эта формула говорит, что если у тела есть масса, то его энергия в покое есть mc2. Благодаря этой формуле, в физике элементарных частиц часто меряют массу в единицах МэВ, это удобно. Более примечательны относительные величины: электрон весит половину этой единицы МэВ, что в 2000 раз меньше массы протона и нейтрона. Следующий лептон (мюон) весит в 200 раз больше, а последний (тау-лептон) в 3600 раз больше, т.е. он даже тяжелее протона.
Теперь вернемся к кваркам. Кварки делятся на две группы: одна — это u,d,s — сравнительно лёгкие, u-кварк всего в 8 раз тяжелее электрона. Чепуха, да? d-кварк тоже лёгкий, s-кварк какой-то промежуточный, а вот эти три последних c, t, b очень тяжёлые. Причем, какая удивительная штука, они даже тяжелее, чем сам протон. Протон сделан из кварков, но он сделан из лёгких кварков, а есть ещё отдельные объекты, которые тяжелее, чем составной протон, причём намного тяжелее, t-кварк — совсем тяжёлый. Соответственно, физика частиц, составленных из лёгких кварков, очень отличается от физики частиц, состоящих из тяжёлых кварков. Возвращаясь на слайд 2, видим, что протон сделан из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон, который нейтральный, сделан из двух d-кварков и одного u-кварка. Это стабильные частицы, а вот, например, этот гражданин под названием лямбда-гиперон состоит из u, d и ещё s кварка. Вот такой имеется зверинец.
Материя устроена наподобие матрёшки: открываешь большую матрёшку (молекулу) — там атом, открываешь атом — там ядро и электроны, в ядре — протоны и нейтроны, а в последних — кварки. Это последняя, цельная матрёшка, как и электрон. Сегодня считается, что кварки и лептоны — то, что приведено на слайде 3, — уже не имеет внутренней структуры.
Есть одно чрезвычайно важное обстоятельство, отличающее кварки от лептонов. Каждый из приведенных здесь кварков существует в трёх ипостасях. Кварков каждого сорта на самом деле по три штуки. Эту новую, дополнительную характеристику кварка тот же Гелл-Манн назвал “цветом”. К нашему обычному цвету — красному, зеленому, синему — это не имеет никакого отношения. Это просто такое словечко, чтобы нам жилось веселее. Соответственно, наука, которая изучает взаимодействие кварков, называется квантовая хромодинамика. Она “хромо” не потому, что она обращается с обычными цветами, а потому что она намекает на это словечко “цвет”, который характеризует кварки.
Теперь фундаментальные силы — см. слайд 4. Я немного упрощаю, но во всех популярных книжках написано то, что у меня на этом слайде, — что фундаментальных взаимодействий четыре. Есть гравитация, закон Ньютона: все тела друг к другу притягиваются с силой, пропорциональной массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния. Мы говорим, что переносчиком этого взаимодействия является гравитон. Такая безмассовая частичка, то есть не имеющая массы, она всегда распространяется со скоростью света, поэтому гравитация распространяется со скоростью света. Она обеспечивает то, что есть закон притяжения Ньютона.
Слайд 4
Дальше есть взаимодействия, которые принято называть слабыми. Когда их открыли, они были слабыми. Но, скажем, на большом адронном коллайдере, который сейчас запущен в Женеве, они уже становятся довольно сильными. Но по традиции их называют слабыми, и у них очень маленький радиус действия, они действуют в очень маленьком пределе даже в масштабе элементарных частиц. Так что слабые взаимодействия очень короткодействующие, но они важны: из-за них происходит радиоактивные распады, а главное, слабое взаимодействие участвует в энергетике звёзд. Это уже серьёзно. Короче говоря, без слабых взаимодействий нас бы не было.
Дальше есть электромагнитные взаимодействия, которые даны нам в ощущениях, особенно если засунуть два пальца в розетку, но для меня сейчас важно, что закон взаимодействия очень похож на закон Ньютона. Только здесь он называется законом Кулона, и сила пропорциональна не массам, а зарядам, но сила тоже обратно пропорциональна квадрату расстояния, и тоже переносчиком является безмассовая частица, в данном случае фотон. То есть фотон с одной стороны попадает нам в глаз из лампочки, а с другой стороны тот же самый фотон в другой несколько ипостаси связывает за счёт закона Кулона все атомы, все молекулы, белки и так далее.
И, наконец, и для меня лично самые интересные, так называемые сильные взаимодействия, они же “цветные”. Они ответственны за слипание кварков внутри протонов и нейтронов. Про них, в основном, я и буду говорить. Тут переносчиком являются аналоги фотона, они называются глюоны, от слова “glue” — клей. И понятно, почему такое слово придумано — потому что эти глюоны, а их восемь штук, склеивают кварки внутри протона.
Теперь я хочу вас погрузить в глубокую мысль. Посмотрите на слайд 5. Все знают, что птичка садится на провод, в проводе 500 киловольт, а ей хоть бы хны. Вот если птичка растянется и одной лапкой возьмётся за один провод, а другой лапкой — за другой, вот тут будет нехорошо. Почему? Потому что, говорят, что сам электрический потенциал не имеет физического смысла, он, как мы любим говорить, не наблюдаем. Физики любят наблюдаемые вещи и не любят философию. Есть более точное высказывание, что наблюдаема напряжённость электрического поля. Напряжённость — кто знает — это градиент потенциала. Иначе говоря, скорость изменения потенциала по оси x, y, z — это и называется градиент, и напряжённость электрического поля — это есть изменение потенциала. Не сам потенциал, а изменение потенциала. И оно является наблюдаемым.
Слайд 5
Этот принцип — что наблюдаемо не само значение электрического потенциала, а только его изменение в пространстве и времени — был открыт еще в ХIХ веке. А в квантовой теории в современном виде это было сформулировано нашим замечательным учёным В.А. Фоком в 1926 году, который основал кафедру теоретической физики в Петербурге, которую я заканчивал, правда, несколько позже. Он понял, что есть такой принцип в природе, который он назвал “градиентной инвариантностью”. В книге Ландау и Лифшица тоже называется по Фоку “градиентная инвариантность”. Но сейчас, поскольку все пишут по-английски, это понятие называется “gauge invariance”, по-русски переводится как “калибровочная инвариантность”. “Gauge” — слово не очень употребительное даже в английском языке, мы переводим как калибровка, калибр, но первоначально словом gauge обозначалось расстояние между рельсами. Была узкая колея, была широкая колея — это называлось “gauge”. И почему-то это слово про рельсы оказалось абсолютно кардинальным для понимания фундаментальных взаимодействий.
Оказывается, что если богу понравится некая идея, он её употребляет повсюду. Я говорю “бог” без большого глубокомыслия, просто для краткости речи. Я это подмечал много раз. Вот вы встречаете в какой-то области науки некий механизм, что как-то там устроено, а потом оказывается, что ровно то же самое сконструировано в другой области науки, которая описывает совсем другие явления. Видно, что он экономил и не вводил новых сущностей без крайней надобности.
На этой идее, которая более или менее запечатлена в виде летающих вокруг провода птичек на слайде 5, устроены все четыре фундаментальных взаимодействия. Например, я говорю про “цвет” кварков, то есть имеется некая характеристика, принимающая три значения. Условно будем говорить красный, синий, зеленый. Так вот сам “цвет” кварка, так же как сам потенциал, физического значения не имеет, и он не наблюдаем. Наблюдаемо только изменение “цвета” от точки к точке. Эти слова имеют чёткое математическое воплощение, которое однозначно фиксирует, как конкретно кварки взаимодействуют с глюонами, а те между собой. Идея “калибровочной инвариантности” абсолютно жёстко, без всякой свободы для творчества, определяет эти взаимодействия, и именно эта наука называется квантовая хромодинамика.
Я начал свой список с гравитационного взаимодействия. Оказывается, что оно тоже построено на принципе калибровочной инвариантности, только там независимость не от “цвета”, не от потенциала, а от чего-то другого. Попробую объяснить, от чего. Есть плоское пространство, вот перед ведущим поверхность стола почти плоская, и мы можем нанести координатную сетку на поверхность — см. слайд 6.
Слайд 6
Теперь представим себе, что где-то имеется большая масса. Например, Солнце. Солнце — это большая масса. Что оно делает? Оно как бы прогибает плоское пространство, и пространство делается искривлённым. Очень наглядно. Теперь мы помещаем поблизости Землю, она начинает крутиться вокруг Солнца. На самом деле, образ вполне геометрический: пространство продавлено и в этой лунке крутится наша планета Земля. Посмотрите на слайд — там исказились все координатные линии. И вот, что было самым главным достижением Эйнштейна, когда он выдвинул общую теорию относительности. Он сказал, что все наблюдаемые физические явления не должны зависеть от того, какую мы соизволим нанести координатную сетку и какими часами будем пользоваться.
Это жутко глубокая мысль, которую тоже можно чётко сформулировать математически, и она ведёт к наблюдаемым последствиям, в частности, и к закону всемирного тяготения Ньютона. Теория относительности Эйнштейна была окончательно сформулирована 95 лет тому назад, и с тех проведено огромное количество тончайших сравнений с экспериментом, и мы знаем, что эта идея работает количественно. Поэтому у нас нет ни малейшего сомнения, что эта теория правильная.
Почему я это привёл здесь, потому что это тоже своего рода “калибровочная инвариантность”. Я хотел подчеркнуть, что это всё та же “божественная” идея про то, что наблюдаемые не могут зависеть от чего-то, в данном случае от выбора координат, а зависят наблюдаемые только от кривизны. Если звезда массивна, она сильно прогибает пространство, там большая кривизна, соответственно планетные орбиты там будет меньше, вот это и есть наблюдаемая вещь. Кривизна есть наблюдаемая вещь, и в математическом смысле напряжённость электрического поля — это тоже своего рода кривизна. А потенциал не наблюдаем, птичка, сидящая на одном проводе, жива.
Теперь про “цветные” взаимодействия. Помните, я вам сказал, что есть шесть сортов кварков. Они отличаются электрическим зарядом, они отличаются массами, они отличаются разными другими характеристиками. Общее у них, что все они и каждый из них имеет три “цвета”. Когда кварки склеиваются в протон, а в протоне два кварка сорта u и третий кварк сорта d, у каждого из этих u, u и d есть ещё “цвет”. Так вот, нужно взять один кварк красного цвета, второй синего цвета, третий зелёный — и никак иначе. Нельзя взять два красных и один зелёный или что-то другое, нужно взять именно эти самые три дополнительных цвета, которые делают белый цвет, и тогда получится протон.
На слайде 7 я изобразил жизнь протона во времени. Имеется три кварка, и они обмениваются глюонами, причем глюонов восемь штук. Почему восемь? Потому что когда красный кварк переходит в синий, то он испускает красно-синий глюон. Всего должно быть 3*3=9 разных глюонов. Но их не 9, а 8, потому что есть три комбинации, которые называются диагональными, и тут сумма коэффициентов должна равняться нулю, поэтому одного “диагонального” глюона нет, так я скажу немного мистически.
Слайд 7
Эта наука была создана в 1972 году упомянутым Гелл-Манном, Фритчем и Минковским (Gell-Mann, Fritsch, Minkowski) и названа квантовой хромодинамикой. Она очень похожа на более старую науку квантовую электродинамику, которая диктует, как электроны взаимодействуют с фотонами. Только глюонов не один, как фотон, а восемь, и сами глюоны между собой тоже взаимодействуют. Именно эта, казалось бы, не очень существенная разница приводит к поражающим воображение последствиям, о которых я расскажу дальше.
Вернёмся к связанным состояниям. Я начал с того, что всё в мире суть связанные состояния, а теперь взглянем на них ещё раз. Ещё раз перечислим их, начиная с молекул, и тут мне потребуется понятие энергии связи, она же дефект массы.
Допустим, вам принесли кирпич и вы молодецким ударом ребром ладони разрубаете его пополам, но перед тем, как ударить по кирпичу, вы на очень точных весах взвешиваете его массу. Потом вы его разбили пополам, взяли два куска, аккуратно собрали все осколки до последней молекулы и опять взвесили. Спрашивается, масса одинаковая или нет, а если нет, то в какую сторону они отличаются?
Реплика из зала: Целый кирпич легче.
Дмитрий Дьяконов: Правильно, целый легче. Целый кирпич весит меньше, но я прикинул, насколько он будет меньше весить, — всего на 10-12, на одну триллионную часть. Одна триллионная часть и есть энергия связи кирпича.
Когда вы что-то составляете, то сумма масс составляющих всегда больше, чем то целое, которое образовалось, если это целое, действительно, держится, а не разлетается тут же само собой. Если там есть дефект масс, и оно держится — это называется связанным состоянием. Всё в мире, что мы наблюдаем и не наблюдаем, суть связанные состояния, начиная от каждого из нас — человек, клетка, молекула, атом — это связанные состояния, которые характеризуются энергией связи или дефектом масс.
См. слайд 8.
Слайд 8
Молекулы бывают разные, но типичная энергия связи молекулы — это 1 электрон-вольт, и дефект массы, то есть отношение разницы масс к суммарной массе, очень мало — одна миллиардная. Это означает, что молекулы, в сущности, страшно рыхлые, а тем не менее вся химия, жизнь, всё на свете основано на этой 10-9. У белков энергия связи ещё меньше, именно из-за этого белки имеют столько разновидностей, конформаций и так далее.
Теперь мы идем на более мелкий уровень, видим атомы. Атом — это ядро и витающие вокруг электроны. Электроны тоже связанны, там энергия связей типичная на порядок больше — 10 электрон-вольт, то есть атом крепче завязан, чем молекула и, соответственно, дефект массы 10-8. Дальше мы идем ещё глубже, там ядра — это связанное состояние протонов и нейтронов, и там энергия сразу резко увеличивается. Вы видите на слайде 8, она скачет сразу до 10 МэВ — мега-электрон-вольт, в миллион раз. Одним скачком энергия связи увеличивается в миллион раз. И тут дефект массы уже вполне чувствительный, он составляет примерно 0,001 — это означает, что, измерив массу всех составляющих протонов и нейтронов, а потом склеив их в ядро, получим разницу на одну тысячную. И это, конечно, вполне заметный эффект.
На энергии связи один электрон-вольт или в лучшем случае десяти электрон-вольт работает всё органическое топливо, а на энергии, которая в миллион раз больше, работает ядерная энергетика. Поэтому атомной электростанции нужно в миллион раз меньше топлива, чтобы выдать ту же энергию, чем если б сжигать уголь или мазут.
Как видите, вся история науки состояла в том, чтобы мы занимались самыми разнообразными связанными стояниями, и всегда сумма масс составляющих была больше, чем целого. И вот мы доходим до последнего связанного состояния — это протоны и нейтроны, которые сделаны из трёх кварков, и тут, оказывается, всё наоборот! Масса протона 940 МэВ — см. слайд 9. А масса составляющих кварков, то есть двух u и одного d, — складываем 4+4+7 и получаем всего 15 МэВ. Значит, сумма составляющих масс не больше целого, как привычно, а меньше, и не просто меньше, а в 60 раз меньше! То есть мы впервые в истории науки встречаемся со связанным состоянием, в котором всё наоборот в сравнении с привычным.
Слайд 9
Спрашивается тогда, откуда же эта масса взялась 940 МэВ, если я беру, составляю протон из кварков и получаю только 1/60 от того, что требуется? Вот это и есть тот вопрос, который я поставил в заглавие лекции, и оставшееся время про это поговорю. Я хочу напомнить вам, что масса нашего тела на 99 целых и 95 сотых процента определяется массой протонов и нейтронов. Массу дают они. Электроны очень лёгкие и вносят только 5 сотых процента в массу нашего тела. Поэтому вопрос, откуда у протона масса, — это, в сущности, вопрос из чего мы сделаны. В каждом из нас в этом зале около 2.1028 протонов и чуть больше нейтронов.
Вопрос из зала: Фотоны массу не дают?
Дмитрий Дьяконов: Фотоны массу не дают. Вот ещё одна жуткая вещь. Я перечислял разные связанные состояния от молекулы до ядра, и когда мы говорим, что это связанные состояния, то мы подразумеваем, что если шмякнуть очень сильно, допустим, по электрону в атоме, то произойдет то, что называется ионизацией — электрон выскочит из атома. То есть всегда, затратив некоторую энергию, а вы уже грамотные — это и есть энергия связи, — можно разорвать целое на составляющие. А с кварками не так.
Считается, что между кварками, если пытаться их развести, действует очень большая сила, см. слайд 10. Я когда-то, можно сказать, довольно давно, перевёл единицы измерения, которые мы употребляем в физике элементарных частиц, в общечеловеческие. И с интересом обнаружил, что сила, которая действует между кварками, составляет в человеческих единицах 14 тонн! Это очень много. Это два КАМАЗа могут тянуть какую-то цепь с такой силой. А теперь представьте, что это всё сосредоточенно в микроскопическом объеме, и такая дикая сила действует между кварками. И второй парадокс: во всех фундаментальных взаимодействиях, что я вам перечислял, силы убывали с расстоянием. А здесь сила 14 тонн вообще не убывает с расстоянием, она всё время одна и та же! Мы называем это струной, которая натягивается между кварками.
Слайд 10
Правда, надо оговориться, что если всё дальше и дальше раздвигать кварки, то в какой-то момент струна лопнет, и посередине родятся мезоны, состоящие из кварков и антикварков, где кварки будут снова близко друг от друга, но это уже вторичный эффект.
В качестве анекдота могу добавить, что в разных популярных выступлениях типа сегодняшнего, я и некоторые коллеги эти 14 тонн приводили смеха ради, чтобы аудитория почувствовала, как это много. И каково же было моё удивление, когда это число назвал начальник Росатома Кириенко, отчитываясь о чём-то Медведеву. То есть “наверх” проникло. Это означает, что надо читать популярные лекции, в конце концов, это проникает…
Борис Долгин: Это один из смыслов наших публичных лекций.
Дмитрий Дьяконов: Да. Я обрисовал совершенно невероятную ситуацию, которая ставит нас в тупик. Сегодня имеется не ответ, а несколько проектов ответа, проектов объяснения микроскопического происхождения струны, которая натягивается между кварками, но общепризнанного нет. Потому что очень трудно это сделать количественно. Мы давно прошли уровень качественных объяснений, и нужно иметь количественную теорию. Количественную теорию создать трудно, но я думаю, что одно из тех объяснений этих 14 тонн, которые уже сегодня опубликованы, в конце концов, победит остальные и будет признано правильным. Надеюсь, что это будет то, которое предложили мы с моим товарищем В.Ю.Петровым.
Должен сказать, есть такое любопытное наблюдение, что важные, глубокие явления часто имеют не одно, а несколько правильных объяснений. Они как бы дополняют друг друга, и в каком-то смысле все являются правильными. Но такое понимание возникает только на позднем этапе, а сначала люди спорят. Как когда-то, на заре ХХ века, люди спорили: электрон — это волна или частица? Оказывается, что он и волна, и частица. И то правильно, и это правильно.
Вот ещё одна ужасная вещь, чтобы смутить вас еще больше, см. слайд 11. Давайте мы откачаем воздух, улетим куда-то далеко от всех галактик, где нет абсолютно никакой материи, тогда мы называем это вакуумом. Оказывается, что пустое пространство, вакуум живёт очень сложной и очень богатой жизнью, которая здесь изображена. В данном случае это не карикатура, а самое настоящее компьютерное моделирование самой настоящей квантовой хромодинамики, и есть автор, мой коллега Дерик Лейнвебер (Derick Leinweber), который любезно предоставил мне эту картинку для демонстраций. Причем, что замечательно, наличие материи почти не влияет на вакуумные флуктуации поля. Это глюонное поле, которое таким вот странным образом флуктуирует всё время.
Слайд 11
Это, действительно, фильм во времени (для специалистов скажу — в евклидовом времени), и он периодически повторяется с периодом, обратно пропорциональным температуре системы. Размер каждой крупной флуктуации здесь примерно 10-15 метра, это и есть размер протона, а время существования такой вспышки примерно 10-23 секунды. Конечно, в анимации крайне замедленная съёмка. То есть, флуктуации происходят за очень короткое время и на очень малых расстояниях, но мы и говорим об очень малых размерах, потому что протоны такие маленькие.
В вакууме происходят такие сильные флуктуации, и это, несомненно, играет какую-то роль и в формировании массы, что я поясню, и в формировании струны между кварками. Ещё раз повторю, что есть несколько гипотез, как соединить эти элементы между собой, но я не буду вам рассказывать ни одной, а давайте встретимся лет через 18, и, я думаю, тогда уже будет точно известно.
Это протон в разрезе, см. слайд 12. На самом деле, когда я рисую три кварка-кружочка внутри протона — это карикатура. Будет гораздо более точно, если сказать, что имеется три кварка, а где-то там болтаются временами ещё и кварк и анти-кварк, которые то вспыхивают, то аннигилируют снова, и всё это находится на фоне вот этих зверских флуктуаций, которые были бы и в отсутствии кварков, в пустом пространстве.
Слайд 12
Так как же всё-таки кварк приобретает массу? Тут я должен заранее извиниться. Дело в том, что в любой достаточно развитой науке существуют образы, которые уже не апеллируют к нашему житейскому опыту, но живут своей жизнью. В физике, особенно в ХХ веке, было наработано очень много таких образов, которые не имеют…
Реплика из зала: Здравого смысла!
Дмитрий Дьяконов: Здравый смысл они как раз имеют, они не имеет аналогов в житейском опыте. Но мы эти образы проверяем, потому что у нас есть математические формулы, мы вычисляем по математическим формулам какие-то наблюдаемые физические вещи, сравниваем их с экспериментом, и с шестью знаками после запятой, иногда меньше, иногда больше, происходит совпадение с вычислениями. Это означает, что наши образы были правильные. Каждый человек со студенческой скамьи проходит эти новые вещи, которые трудно понять на житейском языке, но по мере работы и накопления опыта, они становятся такими же реальными, как, например, автобус за окном.
Но это создаёт некоторую трудность для популяризатора. К каким образам следует прибегать, чтобы объяснить то, что не встречается в обыденной жизни? Не хочу никого обидеть, но представьте себе, что есть бактерии, которые размножаются делением. А вы должны объяснить этим бактериям, что, знаете, граждане, бывает ещё размножение половым путем. У этих бактерий нет этого образа! Как им обрисовать этот образ? Вот я сейчас испытываю примерно такие трудности. Я должен для объяснения того, откуда берётся масса, использовать некие образы, которыми, боюсь, не все из вас владеют. Но попробую. То есть я сейчас заведомо буду обманывать, я не могу не обманывать, но постараюсь это сделать минимальным образом.
Вернёмся к этим ужасным флуктуациям глюонного поля. А теперь туда впускаем кварки, см. слайд 13. Что с ними будет происходить? Происходит довольно интересная вещь. Тут тоже мысль не поверхностная, попробуйте в неё вникнуть. Представьте два кварка или кварк и антикварк, которые оказываются одновременно в окрестности такой большой флуктуации. Флуктуация наводит между ними некую корреляцию. А корреляция означает, что они взаимодействуют.
Слайд 13
Тут как раз я могу привести житейский образ. Вы спускаете воду из ванны, там образуется воронка, куда падают две спички, они затягиваются этой воронкой, и обе они крутятся одинаково. То есть поведение двух спичек скоррелированно. И вы можете сказать, что воронка навела взаимодействие между спичками. То есть внешнее влияние наводит взаимодействие между объектами, которые попадают под это влияние. Или, скажем, вы идёте по Мясницкой, и начинается дождь. И почему-то вдруг все поднимают какой-то предмет над головой. Это скоррелированное поведение, получается, что люди взаимодействуют, но они не непосредственно взаимодействуют, а взаимодействие навело внешнее влияние, в данном случае, дождь.
Здесь происходит нечто в том же духе, см. слайд 13. Это, кстати, поняли мы с моим многолетним соавтором В.Ю.Петровым, что сильные флуктуации глюонного поля наводят некоторую корреляцию между кварком и антикварком. Скоррелированных пар кварк-антикварк становится много в пространстве, и, здесь я пользуюсь незаконным приёмом, они образуют квантовый конденсат. Это не есть конденсация водяных паров, это другой конденсат, квантовый, и тут я сдаюсь, я объяснить это быстро не смогу.
Все наверняка слышали про сверхпроводимость, а если в зале есть физики, они объяснят, что механизм сверхпроводимости — это конденсация так называемых куперовских пар электронов в сверхпроводнике. Здесь происходит аналогичное явление, только квантовый конденсат образуют не электроны, а пары кварков и антикварков.
Что же происходит, если кварк попадает в такую среду? Кварк летит, он может выбить один кварк, который уже организовался в такую пару, этот летит дальше, попадает случайным образом в следующую, и так далее, см. слайд 14. То есть кварк путешествует сложным образом по этой среде. И именно это даёт ему массу. Я могу объяснять это на разных языках, но лучше, к сожалению, не станет.
Слайд 14
Математическая модель этого явления, которое носит красивое название “спонтанное нарушение киральной симметрии”, была впервые предложена ещё в 1961 г. одновременно нашими отечественными учёными Ваксом и Ларкиным и замечательным японским учёным Намбу, который всю жизнь прожил в Америке и в 2008 году, в весьма преклонном возрасте, получил за это дело Нобелевскую премию. Вакс жив, слава Богу, Ларкин умер недавно. Я об этой Нобелевской премии написал в прошлом году в “Полит.ру”, можно прочитать. Вакс и Ларкин с одной стороны и Намбу с другой предложили практически одно и то же. Занятно, что в работе как Вакса и Ларкина, так и Намбу, если понимать их буквально, всё неверно, как мы понимаем сегодня, — верна только идея. Кварки, вы помните, были предложены в 1964 году, а это работа 1961 года, так что они никак не могли говорить про кварки, они говорили про что-то другое. Короче говоря, всё неверно, но идея правильная, и её можно реализовать в квантовой хромодинамике, как мы показали.
Я уже заканчиваю. Для развлечения покажу слайд 15. Это город Копенгаген, в центре которого есть большой квартал, который принадлежит пивоварне Carlsberg. Пиво Carlsberg — если не пили, то почти все про него слышали. В глубине фотографии видны огромные цистерны, где варится это самое пиво. А на переднем плане изящная вилла в итальянском стиле, видите, статуи спереди стоят, там барельефы, мозаика и так далее. У основателя этой пивной империи и хозяина виллы были сложные отношения с сыном, и он в конце ХIХ века завещал всё Датской Королевской Академии наук с отдельной строкой в завещании, что на вилле должен жить учёный по назначению Академии наук. Поэтому она называется “Carlsberg Aсademy Villa”. И вот создатель квантовой механики, о которой мы много говорили сегодня, Нильс Бор (Niels Bohr), был жильцом номер три на этой вилле. Я тоже жил здесь с семьёй перед тем, как вернуться в Россию.
Слайд 15
Всё, это мой последний слайд 16. Здесь я упоминаю вещи, про которые вообще не говорил, но чтобы у вас была перспектива — о чём думают люди, занимающиеся фундаментальной физикой. Здесь несколько вопросов, которые я отношу к классу “хоть стой, хоть падай”. Вопросы бывают разные. Если человек невежественный, то для него всё непонятно. Почему пиво пенится, а вино не пенится. Почему небо голубое, а не красное. Почему кварки не вылетают, и почему у протона такая масса. В общем, всё непонятно. Правда, если человек совсем невежественный, то он даже не понимает, что не понимает. Чуть-чуть — и он начинает задавать много вопросов. Дальше, по мере того, как вы обучаетесь, вы начинаете классифицировать вопросы. Есть вопросы, которые я называю лёгкими. Это вопросы, на которые ответ в принципе известен. Может быть, мне лично не известен, но можно найти в Интернете. А, может быть, в Интернете ещё нет ответа, но я понимаю, что моего общего образования хватит, если подумать неделю или 15 минут, чтобы ответить на этот вопрос. Это — лёгкие вопросы. А есть вопросы, которые по моей классификации я называю “хоть стой, хоть падай”. Есть вопросы, когда ты просто немеешь, когда ты просто не знаешь, с какой стороны за это взяться. Тут я перечислил вопросы из класса “хоть стой, хоть падай”.
Слайд 16
Почему кварки никогда не вылетают из протонов и нейтронов? Почему натягивается струна, которая 14 тонн, и не убывает с расстоянием? Это загадка.
Я ничего не говорил, но вы, наверное, слышали, что на самом-то деле все звёзды, все галактики, которые мы видим, составляют всего лишь жалкие 20% массы Вселенной, а 80% массы — неизвестно что. Это называется “тёмная материя”. Из чего состоит эта “тёмная материя”, мы не знаем, мы только догадываемся, но окончательного ответа нет.
Я в самом начале, помните, приводил какие-то странные цифры, в которых не видно было никакой закономерности. Это как бы “затравочные”, исходные массы кварков и лептонов. Откуда берутся эти конкретные числа, абсолютно непонятно, и это тоже вопрос типа “хоть стой, хоть падай”.
И, наконец: я упоминал все четыре фундаментальных взаимодействия, которые мы знаем сегодня, ещё раз перечислю: гравитационное, “цветное”, слабое и электромагнитное. Они все устроены богом по одному принципу — “калибровочной инвариантности”. Когда вы математически начинаете это записывать, формулировать, вы видите, что математика почти одна и та же для всех четырёх взаимодействий. Я бы даже сказал, что совсем одна и та же, если немного абстрагироваться и воспарить. Ясно поэтому, что всё это происходит из одного места, что это единая теория, но буквально создать эту единую теорию пока не удаётся, хотя частичный успех имеется. Электромагнитные и слабые взаимодействия, которые я упоминал, удалось объединить, и теперь это называется электро-слабые взаимодействия. То есть большие куски совершено разнородных явлений удалось свести к одной математике, и это носит название “стандартная модель”, она работает великолепно экспериментально. На этом заканчиваю. Спасибо.
Обсуждение лекции
Дмитрий Дьяконов
(фото А. Чеснокова)
Борис Долгин: Два вопроса, которые вам обязательно зададут. Первый — вас спросят о гипотезах, которые уже есть, почему кварки нельзя развести, явно 18 лет никто ждать не будет. И второй, вас обязательно спросят, а почему вы думаете, что нельзя попробовать разъять уже и сами кварки?
Дмитрий Дьяконов: Абсолютно законные оба вопроса. Начну со второго. Голову на отсечение я не дам, но мизинец, пожалуй, отдам на отсечение, что кварк не составной, он как последняя цельная матрёшка. Дело в том, что если есть сложный составной объект, который имеет протяжённость, то на нём можно рассеять, скажем, электроны и почувствовать, что у него есть какая-то форма. Такого типа эксперименты делались с кварками, и они дали отрицательный результат. Но всякий результат имеет свою точность. Поэтому следующий был бы вопрос, а с какой точностью мы знаем, что кварк не имеет формы, что он как точка? Но это уже уведёт нас далеко, я ограничусь тем, что мы с хорошей точностью знаем, что кварки не имеют структуры.
Борис Долгин: А про гипотезы, смотрите, как вам угодно.
Дмитрий Дьяконов: Вот эта картинка как-то связанна с этой картинкой (показывает анимации на слайдах 10 и 11).
Ирина Якутенко, научный редактор “Лента.ру”: Насколько я поняла из ваших объяснений, глюоны — это то, чем обмениваются кварки. Отсюда вопрос: откуда они берутся в вакууме? И второй вопрос, когда вы дальше рассказывали про то, как возникает масса у кварка, вы упомянули свободный кварк. Но откуда он берётся, если кварки встречаются только в связанном виде?
Дмитрий Дьяконов: Замечательные вопросы, спасибо. Дело в том, что в квантовой теории невозможно остановить флуктуации. Они всё время происходят. Скажем, вот у меня стакан с водой, но если бы он был пустой и не стакан, а хрустальная рюмка, я бы мог туда положить горошину. Если я не дёргаю эту рюмку, то горошина нормально лежит там на дне в самом низком по энергии состоянии. Лежит себе и лежит. В квантовой механике это не так. Горошина не может лежать лежмя на дне, она всё время там дрожит. Это и есть главное открытие ХХ века, называется квантовая теория. Что всё флуктуирует. Ничего не стоит на месте, всё находится в движении и флуктуирует.
То же самое относится к полям. Вы думаете, что электрическое поле, например, есть только между, допустим, пластинами конденсатора или внутри розетки. Это не так. Даже если ничего нет, никаких нет ни батарей, ни генераторов, ни проводов, к электрическому полю применимо то же самое, что и к горошине в рюмке. Электрическое поле всё время флуктуирует. Это называется нулевые колебания вакуума, есть такое красивое слово. И хуже того, энергия этих нулевых колебаний, чтобы вам стало совсем страшно, бесконечна. Короче говоря, я хочу, что бы вы знали, что даже самое обычное, привычное нам электромагнитное поле непрерывно флуктуирует в вакууме, в пустом пространстве в отсутствии источников. Испытывает нулевые колебания.
Дмитрий Дьяконов
(фото А. Чеснокова)
С глюонным полем происходит то же самое. Что новое в глюонах, чего не было у фотонов, — это то, что глюоны взаимодействуют сами с собой. Поэтому эти полностью нормальные колебания, которые происходят даже с фотонами, у глюонов более сложные, они не линейные, поэтому там гуляют всякие солитоны и чёрт знает что. Вот это “чёрт знает что” я изобразил здесь (показывает анимацию на слайде 11), а точнее — это компьютер выдаёт такие флуктуации.
Про свободный кварк — это, конечно, ерунда. Если я употребил слово “свободный”, это была ошибка. Свободных кварков, вы правы, нет.
Яков Борисович: Очень интересно вас послушать. У меня несколько вопросов. Первый вопрос такой, вот вы занимаетесь микромиром. Изучение этого мира укрепило вас в вере в Бога, или сделало неправильными представления относительно Бога, или привело к выводу, что Бог здесь ни при чём? Это один вопрос.
Дмитрий Дьяконов: Можно сразу ответить?
Яков Борисович: Конечно.
Дмитрий Дьяконов: Не связанные вещи.
Яков Борисович: Понятно, спасибо. Второй вопрос, если я вас правильно понял, вы сказали о том, что возникновение массы, откуда у кварка возникает масса, вы объяснить не берётесь? Вы это не понимаете, потому что вы не можете написать формулу процесса?
Дмитрий Дьяконов: Нет, это чисто коммуникационная проблема.
Яков Борисович: Это то, что я хотел понять. То есть вы не можете придумать для нас понятный образ, который объяснит то, что вы для себя понимаете?
Дмитрий Дьяконов: Да, я понимаю эту вещь по крайней мере с трёх разных сторон.
Я могу использовать три разных языка для того, что бы объяснить это явление.
Яков Борисович: То есть для себя вы понимаете? Это проблема объяснения?
Дмитрий Дьяконов: Конечно. А “понимаю”, я хочу подчеркнуть, — это не слова. Это означает, что есть математические формулы, которые описывают эксперимент. И мы считаем, что мы понимаем, если эксперимент описывается хорошо.
Яков Борисович: Теперь я вас очень хорошо понял. То есть рационально это объяснимо. Почему вы тогда не можете объяснить это нам, нарисовать?
Дмитрий Дьяконов: Я должен парочку лекций прочесть предварительно для создания адекватных образов у аудитории. Вся квантовая наука не слишком наглядна.
Яков Борисович: Последний вопрос, совершенно конкретный. Я не физик, но немало читал об элементарных частицах, о гравитации и гравитонах. Что-то выяснено в отношении гравитона, он существует или это гипотетическая частица?
Дмитрий Дьяконов: В буквальном смысле он не пойман в детектор, хотя построено в мире несколько детекторов специально, чтобы зарегистрировать гравитационные волны. Но лично я не сомневаюсь ни одной секунды, что они есть, поскольку теория Эйнштейна, из которой они следуют, проверена в очень многих других отношениях. Но на всякий случай их хотят зафиксировать.
Чехов, старший научный сотрудник: Скажите, пожалуйста, а нулевые колебания, о которых вы говорили, нельзя ли каким-то образом связать со спином этих образований?
Дмитрий Дьяконов: Нулевые колебания испытывают абсолютно все поля, все частицы. Поэтому есть нулевые колебания фотонов, которые имеют спин 1, как вы, наверное, знаете. Есть нулевые колебания электронов, которые имеют спин 1/2, имеются нулевые колебания кварков, которые тоже имеют спин 1/2. Поэтому нулевые колебания могут иметь самый разнообразный спин.
Дмитрий: Скажите, пожалуйста, а имеют ли массу силовые поля, например, электрическое и гравитационное поля?
Дмитрий Дьяконов: Если имеют, то очень малую, и conventional wisdom состоит в том, что они безмассовые. Хотя физики люди осторожные, и вопрос о массе не снят с повестки. Например, академик Л.Б. Окунь всё время спрашивает: а может быть, фотон имеет массу? Это вопрос осмысленный, и на него нужно отвечать количественно. Сегодня мы знаем, что фотон, если имеет массу, то эта масса меньше, чем что-то такое очень маленькое. В общем, из всего, что мы знаем, наиболее естественно считать, что фотон абсолютно без массы и гравитон абсолютно без массы. А вот W-бозоны, участвующие в слабых взаимодействиях, они, наоборот, с большой массой, хотя они очень похожи на фотон.
Дмитрий: Я имел в виду немного другое. Допустим, если у нас есть конденсатор, между пластинами которого есть электрическое поле. Это поле имеет массу?
Дмитрий Дьяконов: Нет.
Дмитрий: А энергию оно имеет?
Дмитрий Дьяконов: Да.
Дмитрий: А mc2?
Дмитрий Дьяконов
(фото А. Чеснокова)
Дмитрий Дьяконов: Хорошо, состряпайте мне замкнутую систему, то есть, включая конденсатор, батарейку, гидроэлектростанцию, источник на солнце и так далее. Вот когда вы состряпаете замкнутую систему, то мы померяем её массу, и я скажу, что Е, которая есть mc2 от этой массы — это есть энергия покоя данной замкнутой системы. Других утверждений я не делаю.
Дмитрий: То есть энергия поля, по сути, — это энергия батареи, проводов и пластин?
Дмитрий Дьяконов: Конечно. Нужно взять замкнутую систему, про неё можно сделать суждение.
Координатор МАИ: Как вы относитесь к теории, что частицы, в том числе и кварки — это колебания струн? Вы ничего по этому поводу не сказали, но наверняка знаете. Ваше отношение к этой разработке?
Дмитрий Дьяконов: Примерно месяц тому назад в Питер приезжал замечательный голландский ученный Тофт, лауреат Нобелевской премии. Мы провели целый день, и, среди прочего, я задавал ему вопросы от “Полит.ру”, они были опубликованы. В частности, ему был задан ровно ваш вопрос: как он относится к теории струн. Он ответил, что относится неважнецки. Не верьте, дескать, моим друзьям-энтузиастам, которые считают, что всё можно объяснить теорией струны. Я скромно скажу, что разделяю мнение нобелевского лауреата в этом вопросе. Но это вопрос дискуссионный. Есть люди, глубоко уважаемые специалисты, которые считают иначе. Это живая область, в которой есть развитие, поэтому, может быть, мы будем иметь однозначный ответ через N лет.
Мельников, биолог: Я процитирую ваше выражение в одном интервью “Полит.ру”: “если вы понимаете квантовую механику, то вы понимаете, как устроен мир вокруг нас”. Сегодня мы присутствовали на прекрасной лекции, где мир моделируется матрёшкой, от молекул до кварков. А теперь давайте пойдём обратно. Можно ли сейчас понять с точки зрения квантовой механики более сложные структуры, нежели молекулы?
Дмитрий Дьяконов: До некоторых пределов, естественно. Нельзя быть упёртым идиотом. Если система достаточно простая, она сводится к каким-то простым вещам. Но, допустим, мы хотим описать кусок металла. Мы знаем, что это в принципиальном плане сводится к квантовой электродинамике, которая очень точная наука, она вычисляет, скажем, аномальный магнитный момент электрона с точностью до 10-8. У нас нет ни малейших сомнений, что это абсолютно правильная наука, и нет ни малейших сомнений, что поведение любого вещества сводится, в конечном счёте, к квантовой электродинамике. Но, конечно, нельзя это тянуть слишком далеко. Если система достаточно сложна, то, хотя в глубине души мы понимаем, что можно её свести к чему-то простому, её свойства отнюдь не определяются этим простым. Определяются чем-то другим — скажем, в том же металле гораздо важнее кристаллическая структура, фононы и всякое такое. А в молекулах белка ещё что-то начинается. А в клетке что-то своё. Физика — это наука о главном, что определяет поведение системы, будь то квантовые эффекты или, к примеру, хаотическая динамика. Нужна ли конкретно квантовая механика, чтобы понимать, например, работу мозга, — не уверен. Хотя ясно, что не помешает.
Максим Борисов, журналист: Вы произнесли фразу про тёмную материю… Вообще-то более привычна нам в последнее время какая-то другая формулировка, что 70-75% — это тёмная энергия, тёмная материя 23%, а вещество чуть ли не 4%, ну разные там цифры. Как понимать вашу формулировку про тёмную материю? Спасибо.
Дмитрий Дьяконов: Ваши проценты правильные, я с ними согласен. Я называл примерную долю видимой материи по отношению к невидимой, “тёмной”. “Тёмная энергия” — это очень в иносказательном смысле “энергия”, я для краткости про неё вообще опустил.
Константин Иванович: Мне хотелось бы узнать, какими разделами математики вы пользуетесь, когда занимаетесь вот этими вещами? Перечислите, пожалуйста, это самое интересное.
Дмитрий Дьяконов: То, что входит в университетский курс, конечно: комплексный анализ, дифференциальные уравнения, риманова геометрия. Теория групп, безусловно. Теорию групп Ли я очень люблю и использую на всю катушку.
Юрий: По вашей гипотезе, масса появляется, когда кварк взаимодействует, во время квантовых флуктуаций, со множеством других виртуальных кварков, да?
Дмитрий Дьяконов: Да.
Юрий: Картина хаотическая, на самом деле?
Дмитрий Дьяконов: Да.
Юрий: И там у вас на слайде массы перечисляются. Масса постоянна? Или она также флуктуирует?
Дмитрий Дьяконов: Реальная масса, которая дана нам в ощущениях, есть результат усреднения, поэтому она по построению постоянна. Это то, что вы усредняете по флуктуирующему вакууму.
Григорий Чудновский: У меня два вопроса. Один простой: вы в заставке написали, что работаете в Петербургском институте ядерной физики и в скобках пометили “ещё полгода”. Что это означает?
Дмитрий Дьяконов: Четыре института объединяются в Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”. Мы были в Академии наук, нас вытащили из Академии и присоединили туда.
Григорий Чудновский: Спасибо, я понял. Теперь по поводу взаимодействия. Вы приводили образ, я понял, что это образ взаимодействия, человеческий образ, при дождливой погоде, когда люди одновременно открывают зонтики. Но очевидно же, что люди при этом не взаимодействуют, они просто датчики восприятия среды.
Борис Долгин: Это не взаимодействие, а корреляция.
Григорий Чудновский: Они ведут себя похоже, без взаимодействия между собой. Правда, взаимодействия между ними не было?
Дмитрий Дьяконов: Подходит поезд — и все бегут. Люди не взаимодействуют друг с другом непосредственно, они смотрят на поезд. Поведение людей выглядит, как если бы между ними было взаимодействие.
Вопрос из зала: Здравствуйте, коллега. У меня вопрос: помогает ли вам в ваших исследованиях астрофизика?
Дмитрий Дьяконов: Спасибо за вопрос. Короткий ответ: да, помогает. Мы много узнаём из астрофизики, огромное количество наблюдательной информации идёт из астрофизики. Наверное, половина того, что мы знаем про нейтрино, — это из астрофизики.
Вопрос из зала: А другие источники информации о нейтрино?
Дмитрий Дьяконов: Есть много экспериментов, использующих нейтрино искусственного происхождения, — например, установка KamLAND в Японии использует антинейтрино, излучаемые ядерными реакторами.
Александр, аспирант: Я хотел спросить: вот вы оперируете очень многими определениями, в том числе, и масса постоянно звучит. Вам не кажется, что те термины, которые сейчас употребляются, немного уже устарели, что они не всегда работают, и пора проводить некоторую модернизацию?
Дмитрий Дьяконов: Если бы казалось, я бы так и поступил.
Александр, аспирант: То есть вы считаете, что все те термины 60-х годов и определения — они до сих пор отвечают действительности, и ими можно оперировать? Или необходимо вводить какие-то новые?
Дмитрий Дьяконов: Когда необходимо, тогда и вводим.
Александр: А новые, вот сейчас, в 2000-х годах?
Дмитрий Дьяконов: Люди сталкиваются с новыми явлениями, и это требует нового языка. Поэтому новые понятия возникают всё время. Но это не означает, что такие вещи, как масса, килограмм, должны исчезнуть.
Борис Долгин: Вероятно, они могут быть как-то пересказаны и на другом языке при необходимости, но непонятно, почему возникает такая необходимость.
Дмитрий Дьяконов: Вопрос только удобства и плодотворности.
Валентин, программист: Добрый день, у вас на одном слайде была красивая анимация про флуктуации глюонов. Анимация “кипящий вакуум”. Можете ли вы просто, популярно объяснить принципы и технологию, как была сделана эта анимация?
Дмитрий Дьяконов: С огромным удовольствием, но я не уверен, что это для всей аудитории интересно. Одна фраза: компьютер разыгрывает конфигурации поля с заданным весом. По существу, это вычисление методом Метрополиса интеграла, в котором порядка 1012 переменных интегрирования.
Бывший студент технического ВУЗа: Вы показали, кажется, на слайде 3, что масса некоторых кварков превышает массу протона и нейтрона. Я так понимаю, что есть некоторые частицы, которые не входят в материю, которую мы наблюдаем. Так вот эти частицы, может быть, пентакварк, могли бы наблюдаться в макромире через какие-то явления? Спасибо.
Дмитрий Дьяконов: Спасибо, резонный вопрос. Пентакварк, если подтвердится экспериментально, примерно в 1,5 раза тяжелее, чем протон и нейтрон, и он живёт очень короткое время, потом распадается на тот же протон или нейтрон. Поэтому из него сапоги не сделаешь. Материю из него нельзя сделать. То же самое и с тяжёлыми кварками, которые быстро распадаются.
Бывший студент технического ВУЗа: Эти частицы проявляются только в микромире?
Дмитрий Дьяконов: Похоже, что да, если не трогать очень раннюю Вселенную и недра сверхплотных звёздных объектов.
Бывший студент технического ВУЗа: То есть на длительном промежутке времени никакого наблюдаемого явления нет?
Дмитрий Дьяконов: На первый взгляд, нет.
Алексей, студент МАИ: У меня скорее исторический вопрос. А вот доказано ли бурление вакуума, и если да, то кто за это и что получил? Спасибо.
Дмитрий Дьяконов: Ответ: доказано. За это дали несколько Нобелевских премий, потому что нулевые колебания вакуума проявляются в очень разных вещах. Хрестоматийный для физики пример — это так называемый “лэмбовский сдвиг”. Есть сверхтонкое расщепление уровней в атоме водорода, которое объясняется взаимодействием электронов с вакуумными флуктуациями. И человек по фамилии Лэмб, американский экспериментатор, получил за его обнаружение Нобелевскую премию. А Фейнман и ряд других теоретиков за объяснение этого явления тоже получили Нобелевскую премию. Поэтому — да, вполне доказано.
Лев Московкин: Ко всеобщности вашей науки. Я занимаюсь эволюционной генетикой, и я получил сегодня дополнительную уверенность в своих построениях. Если я правильно понял, я даже не ожидал, что структура хаоса настолько красиво может быть представлена, хотя я далёк от понимания того, как это делается. И я совершенно не понимаю, зачем всуе упоминать Бога, если можно обойтись без него, потому что меня, например, это отпугивает. А клерикалов привлечет, они сейчас за любое слово хватаются, что бы влезть в школу и в ВАК…
Дмитрий Дьяконов: Это у физиков скорее жаргон, чтобы не говорить долго: вот природа устроена так, что… Мы для краткости речи говорим это слово. Если это кого-то коробит, то я прошу прощения.
Борис Долгин: То есть оно употребляется в кавычках.
Алексей, программист: Существует ли вероятность того, что теория струн никак не подтвердится экспериментально и окажется не имеющей отношения к действительности?
Дмитрий Дьяконов: Запросто.
Алексей: То есть может оказаться, что всё это бред.
Дмитрий Дьяконов: Может.
Алексей: А с вашей точки зрения, с какой вероятностью?
Дмитрий Дьяконов: Это не оценивается по вероятности. Я лично не большой поклонник струн, но я слежу за этим, потому что это входит в квалификацию современного физика. И независимо от того, подтвердится теория струны экспериментально или нет, она, как всякая глубокая наука, наработала много интересных методов, которые пригодятся где-то в другом месте. Даже если буквально она будет не правильна. Поэтому изучать это всё равно нужно. Негативное отношение, кстати, приходит из вдумчивого изучения предмета, а не с потолка.
Вопрос из зала: Экспериментально уже смогли получить в лабораторных условиях кварк-глюонную плазму, а может ли она возникнуть в результате коллапса массивной звезды в её центре? Если она там может возникнуть, то как она себя поведёт? Каких эффектов стоит ожидать?
Дмитрий Дьяконов: Спасибо за вопрос. Это повод мне поговорить ещё минут 40, но я постараюсь ответить кратко. Кварк-глюонную плазму придумал мой хороший приятель Эдуард Шуряк из Новосибирска, а теперь в университете Стоуни Брук, штат Нью-Йорк. Он когда-то написал, что если сталкивать ядра с большой энергией, там будет возникать высокая температура, кварки и глюоны освободятся — и будет что-то вроде плазмы, просто они будут болтаться там и сравнительно слабо взаимодействовать. Отчасти из-за этой его работы было создано несколько ускорителей, то есть Шуряк спровоцировал человечество на то, что были затрачены миллиарды долларов. Ускорители были построены, эксперименты проведены — и оказалось, что там происходит некоторое чудо, которое интересней, чем он или кто-либо другой предполагал. Возникает не слабо взаимодействующая кварк-глюонная плазма, а, наоборот, сильно взаимодействующая, самая идеальная жидкость, которая известна человечеству. Жидкость характеризуется вязкостью. Например, у мазута большая вязкость, у бензина маленькая вязкость, у эфира ещё меньше, у жидкого гелия ещё меньше, а у кварк-глюонной жидкости ещё меньше, чем у гелия. Это открытие буквально последних двух-трех лет. Какие это имеет астрофизические последствия, изучается многими людьми, но я не готов быстро ответить.
Инженер: Скажите, пожалуйста, по мере развития подобного рода теорий, на какие практические дивиденды может рассчитывать человечество по аналогии, скажем, с ядерной физикой?
Дмитрий Дьяконов: Да, тоже благодарю за вопрос. Я отвечу историческим анекдотом. В конце ХIХ века, эта история есть во многих книжках, какой-то молодой человек пришёл к солидному мэтру, и сказал, что хочет стать физиком. Тот ответил: зачем, молодой человек, портить себе карьеру, в физике осталось только два тёмных облачка на светлом горизонте, все остальные проблемы уже, в сущности, решены. Гениальность этого сомнительного советчика заключалась в том, что он указал абсолютно точно именно те два облачка, из-за которых и случилась революция в технологии в XX веке! Одно облачко было фотоэффект, из которого вышла квантовая механика, а второе — опыт Майкельсона–Морли про отсутствие эфира, из которого вышла теория относительности.
Если мы ответим на вопросы, которые я перечислил на последнем слайде, мы будем понимать мир на совершенно другом уровне. Но что из этого последует, никто не знает. Это вечная история. Сто лет тому назад Нильс Бор занимался атомной физикой, пытался понять, почему электроны не падают на ядра, как им надлежало делать согласно классической физике. Атомная физика была совершенно никчёмная, абстрактная наука в те времена. Правильная практическая наука была создание анилиновых красителей, динамита, линкоров, паровозов… Индустриальной державой была та, которая производила много угля и стали. А сейчас половину мировой продукции по стоимости нельзя сделать, если ты не знаешь квантовой механики. Поэтому на самом деле именно Бор в начале ХХ века определил всю технологию конца ХХ века.
И так происходит всё время: сначала понимание новой, поначалу довольно абстрактной науки, потом приходят технологии. Но пока ты, как Бор, не понял, почему электроны не падают на ядро, невозможно сделать процессор для мобилки.
Вопрос из зала: Можно ли сказать, что современная физика, несмотря на все её фантастические достижения, находится в состоянии глубокого фундаментального кризиса?
Борис Долгин: А в чем он заключается?
Вопрос из зала: Я читал Ли Смолина и прочих: кризис противоречия между квантовой механикой и общей теории относительности носит фундаментальный характер, и он не преодолён, и в общем-то всё, что сейчас делается, это некие настройки …
Дмитрий Дьяконов: Я понял ваш вопрос, но, по-моему, не стоит из текущих проблем, которые всегда стоят перед любой наукой, делать кризис. Есть несколько разных идей, как объединить квантовую механику и теорию гравитации — например, через теорию струн или через “BF теорию”, как предлагает тот же Смолин. Это живой научный вопрос, который обсуждается, и профессионалы над этим работают. Поводов говорить, что есть какой-то кризис, нет. Это такой же кризис, какой происходит каждый год во все времена.
Имя неразборчиво: Меня совершенно поразило то, что вы сказали, что взаимодействие между кварками не зависит от расстояния между ними.
Дмитрий Дьяконов: Да, меня это тоже поражает.
Имя неразборчиво: Вы сказали, что можно в каком-то эксперименте как-то разнести один кварк от другого.
Дмитрий Дьяконов: Это то, что называется gedanken, мысленный эксперимент. В реальности кварки невозможно разнести слишком далеко: натянутая между ними струна силой 14 тонн в какой-то момент лопнет, и родятся мезоны, внутри которых кварки снова окажутся близко друг от друга.
Имя неразборчиво: Хорошо, мысленный эксперимент: мы разносим кварки, например, на расстояние от Земли до Солнца. И что произойдет в тот момент, когда мы его отпустим? Один кварк полетит к другому со скоростью света?
Дмитрий Дьяконов: В этом нереалистичном, мысленном эксперименте — да, они полетят назад со скоростью порядка скорости света.
Вопрос из зала: Не могу не спросить про нашумевший бозон Хиггса. Как он вписывается в ту классификацию частиц и как участвует в процессе создания массы для элементарных частиц?
Дмитрий Дьяконов: По стандартной логике, которая не обязана быть правильной, затравочные или исходные массы кварков, которые я перечислял на слайде 3, возникают благодаря взаимодействию с полем Хиггса. Так что он вполне вписывается. Но механизм Хиггса даёт лёгким кваркам слишком маленькую массу — в 60 раз меньше, чем нужно, чтобы объяснить массу протона. Поэтому следующая и гораздо более сложная проблема — как объяснить дальнейшее утяжеление кварков. Здесь уже Хиггс ни при чём, это проблема квантовой хромодинамики. Об этом я и попытался рассказать.
Михаил: Скажите, пожалуйста, где-то год назад в научно-популярной сети прошла информация о теории американского учёного Лизи. Что вы можете сказать о его теории, потому что он претендует на объединение элементарных частиц и теории относительности?
Дмитрий Дьяконов: Это была очередная попытка объединить все имеющиеся известные взаимодействия, включая гравитационные, в одну общую схему, — то, что я на последнем слайде выписал четвёртой проблемой. Я с большим энтузиазмом стал изучать статью Лизи, тем более, что она была созвучна моим собственным мыслям. Но потом я понял, что там ничего не стыкуется… Короче говоря, ерунда.
Алексей: Как вы считаете, может ли быть скрыта какая-нибудь новая физика в тёмной материи? Еще пара неизвестных частиц — и всё будет объяснено?
Дмитрий Дьяконов: Возможно.
Федор, программист: Последний слайд презентации был посвящён вопросам типа “хоть стой, хоть падай”. Однако среди перечисленных не было вопроса о том, почему кварковые комбинации живут разное время. Видимо, этот вопрос по вашей классификации относится к категории лёгких вопросов?
Дмитрий Дьяконов: Да.
Федор, программист: А можно тогда узнать, почему протон стабилен?
Дмитрий Дьяконов: Потому что, как мы говорим, с квантовыми числа протона нет других, более лёгких состояний. Он в своём классе самый лёгкий, поэтому ему распадаться, не нарушая законов сохранения, не на что. Уже нейтрон может распасться на протон, электрон и электронное антинейтрино, что он и делает за 10 минут, если оставить его в покое. Это называется бета-распад ядра.
Федор, программист: По такой логике выходит, что протон вечный?
Дмитрий Дьяконов: Да. Электрон тоже вечный. Хотя, если быть честным, в некоторых гипотетических схемах того великого объединения, на которое я намекал, протон живёт, хотя очень долгое, но конечное время. В принципе он мог бы распадаться. И сейчас несколько лабораторий совершенно серьёзно ищут распад протона. Пока не нашли. Но это научный вопрос, на него надо отвечать.
Дмитрий Ежов, экономист: Я хотел бы проверить свое понимание. Если взять два условно меченных кварка, назовём их Васей и Петей. С силой целых 14 тонн тянет конкретно Васю к Пете или Васю тянет и к Коле, и к Наташе с той же самой силой? Или это память Васи конкретно о Пете?
Дмитрий Дьяконов: Это зависит от комбинации “цветов” у Пети, Коли и Наташи. Может случиться такая комбинация “цветов”, что притяжения не будет.
Анастасия: Насколько я понимаю, в адронном коллайдере сейчас как раз пытаются связать квантовую механику и теорию относительности.
Дмитрий Дьяконов: Это не является целью. Фактически есть две теории относительности. Одна называется “специальная”, вторая — “общая”. Название историческое и неудачное. На самом деле, “общая теория относительности” — это синоним современной теории гравитации. То, что происходит на коллайдере, не имеет отношения к гравитации — это другой масштаб явлений. Что касается “специальной теории относительности”, она стопроцентно важна на коллайдере, потому что там частицы летают со скоростью, очень близкой к скорости света, и поэтому все эффекты “специальной теории относительности” Эйнштейна работают там в полную меру.
Анастасия: Тогда что они пытаются понять?
Борис Долгин: Что вообще интересного ждать от Большого адронного коллайдера?
Дмитрий Дьяконов: У меня на эту тему была статья на “Полит.ру” — посмотрите. Большой адронный коллайдер — это новый микроскоп самого большого увеличения, который появился у человечества. Когда-то мы брали лупу, потом микроскоп, потом электронный микроскоп. В ХХ веке стали строить ускорители протонов — это как бы протонные микроскопы. Чем больше энергия сталкивающихся частиц, тем на меньшие расстояния мы проникаем. БАК — это просто очень большой протонный микроскоп, с помощью которого люди пытаются понять, как устроена материя на беспрецедентно мелких масштабах. Кроме того, большие энергии позволяют рождать неизведанные частицы с большой массой, если таковые есть. Когда переходишь границу познанного, то, что там встретится, неизвестно. Поэтому это и интересно.
Вопрос из зала: В рамках ваших исследований, найдены ли какие-либо механизмы использования больших энергий, чем в классической ядерной физике?
Дмитрий Дьяконов: Знание, понимание того, что происходит за пределами классической ядерной физики, — да, резко увеличилось за последние десятилетия, но практического использования высоких энергий за несколькими исключениями пока не придумано.
Борис Долгин: Спасибо большое. Я думаю, что все основные вопросы были уже заданы, поэтому стоит поблагодарить за замечательную лекцию.
В циклах “Публичные лекции “Полит.ру” и “Публичные лекции “Полiт.ua” выступили:
- Александр Гофман. Социология моды и мода в социологии
- Владимир Кулик. Языковая политика Украины: действия власти, мнения граждан
- Михаил Блинкин. Транспорт в городе, удобном для жизни
- Вадим Скуратовский. 115 лет кино
- Алексей Лидов, Глеб Ивакин. Сакральное пространство древнего Киева
- Алексей Савватеев. Куда идет (и ведет нас) экономическая наука?
- Андрей Портнов. Историк. Гражданин. Государство. Опыт нациестроительства
- Павел Плечов. Вулканы и вулканология
- Наталья Высоцкая. Современная литература США в контексте культурного плюрализма
- Обсуждение с Александром Аузаном. Что такое модернизация по-русски
- Андрей Портнов. Упражнения с историей по-украински: итоги и перспективы
- Дмитрий Дьяконов. Кварки, или Откуда берётся масса
- Алексей Лидов. Икона и иконическое в сакральном пространстве
- Ефим Рачевский. Школа как социальный лифт
- Александра Гнатюк. Архитекторы польско-украинского взаимопонимания межвоенного периода (1918–1939)
- Владимир Захаров. Экстремальные волны в природе и в лаборатории
- Сергей Неклюдов. Литература как традиция
- Яков Гилинский. По ту сторону запрета: взгляд криминолога
- Даниил Александров. Средние слои в транзитных постсоветских обществах
- Татьяна Нефедова, Александр Никулин. Сельская Россия: пространственное сжатие и социальная поляризация
- Александр Зинченко. Пуговицы из Харькова. Все, что мы не помним про украинскую Катынь
- Александр Марков. Эволюционные корни добра и зла: бактерии, муравьи, человек
- Михаил Фаворов. Вакцины, вакцинация и их роль в общественном здравоохранении
- Василий Загнитко. Вулканическая и тектоническая активность Земли: причины, последствия, перспективы
- Константин Сонин. Экономика финансового кризиса. Два года спустя
- Константин Сигов. Кто ищет правду? “Европейский словарь философий”?
- Михаил Кацнельсон. Кванты, нано и графен
- Микола Рябчук. Украинская посткоммунистическая трансформация
- Михаил Гельфанд. Биоинформатика: молекулярная биология между пробиркой и компьютером
- Дмитрий Тренин. Россия и новая Восточная Европа
- Константин Северинов. Наследственность у бактерий: от Ламарка к Дарвину и обратно
- Мирослав Попович. Проблема ментальности
- Михаил Черныш, Елена Данилова. Люди в Шанхае и Петербурге: эпоха больших перемен
- Евгений Сверстюк. Диссидентсво — вечный феномен
- Мария Юдкевич. Где родился, там и пригодился: кадровая политика университетов
- Николай Андреев. Математические этюды — новая форма традиции
- Дмитрий Тренин. Модернизация внешней политики России
- Дмитрий Бак. “Современная” русская литература: смена канона
- Сергей Попов. Гипотезы в астрофизике: чем темное вещество лучше НЛО?
- Вадим Скуратовский. Киевская литературная среда 60-х — 70-х годов прошлого века
- Владимир Дворкин. Стратегические вооружения России и Америки: проблемы сокращения
- Павел Уваров. Реванш социальной истории
- Алексей Лидов. Византийский миф и европейская идентичность
- Наталья Яковенко. Концепция нового учебника украинской истории
- Андрей Ланьков. Модернизация в Восточной Азии, 1945-2010 гг.
- Роман Лейбов. Современная литература и Интернет
- Сергей Случ. Зачем Сталину был нужен пакт о ненападении с Гитлером
- Гузель Улумбекова. Уроки реформ российского здравоохранения
- Джошуа Райт. Антитраст: экономисты против политиков
- Рубен Мнацаканян. Высшее образование после перелома
- Андрей Рябов. Промежуточные итоги и некоторые особенности постсоветских трансформаций
- Владимир Четвернин. Современная юридическая теория либертаризма
- Николай Дронин. Изменение глобального климата и Киотский протокол: итоги десятилетия
- Юрий Пивоваров. Исторические корни русской политической культуры
- Александр Филиппов. Дискурсы о государстве
- Юрий Пивоваров. Эволюция русской политической культуры
- Павел Печенкин. Документальное кино как гуманитарная технология
- Вадим Радаев. Революция в торговле: влияние на жизнь и потребление
- Егор Гайдар. Смуты и институты
- Анатолий Вишневский. Конец североцентризма
- Алек Эпштейн. Почему не болит чужая боль? Память и забвение в Израиле и в России
- Татьяна Черниговская. Как мы мыслим? Разноязычие и кибернетика мозга
- Сергей Алексашенко. Год кризиса: что случилось? что сделано? чего ждать?
- Алексей Миллер. Историческая политика: update
- Владимир Пастухов. Сила взаимного отталкивания: Россия и Украина — две версии одной трансформации
- Александр Юрьев. Психология человеческого капитала в России
- Андрей Зорин. Гуманитарное образование в трех национальных образовательных системах
- Александр Аузан. Национальная формула модернизации
- Владимир Плунгян. Почему современная лингвистика должна быть лингвистикой корпусов
- Никита Петров. Преступный характер сталинского режима: юридические основания
- Сергей Чебанов. Рефренность мира
- Андрей Зубов. Восточноевропейский и послесоветский пути возвращения к плюралистической государственности
- Виктор Живов. Русский грех и русское спасение
- Виктор Вахштайн. Конец социологизма: перспективы социологии науки
- Теодор Шанин. О жизни и науке
- Яков Паппэ. Российский крупный бизнес в период кризиса
- Евгений Онищенко. Конкурсная поддержка науки: как это происходит в России
- Николай Петров. Российская политическая механика и кризис
- Александр Аузан. Общественный договор: взгляд из 2009 года
- Сергей Гуриев. Как изменит кризис мировую экономику и экономическую науку
- Александр Асеев. Академгородки как центры науки, образования и инноваций в современной России
- Олег Мудрак. Язык во времени. Классификация тюркских языков
- Тамара Морщакова. Правосудие: результаты и перспективы реформ
- Амитай Этциони. Новая глобальная архитектура: механизмы перехода
- Ростислав Капелюшников. Конец российской модели рынка труда
- Сергей Иванов. Второй Рим глазами Третьего: Эволюция образа Византии в российском общественном сознании
- Даниил Александров. Школа как место национальной сборки
- Евгений Гонтмахер. Социальная политика в контексте российского кризиса
- Вадим Волков. Трансформация российского государства после 2000 года
- Лев Лифшиц. Что и зачем мы охраняем? Ценностная структура объекта культурного наследия
- Максим Кронгауз. Язык и коммуникация: новые тенденции
- Павел Уваров. У истоков университетской корпорации
- Владимир Бобровников. Безбожники рисуют ислам: советская (анти)религиозная пропаганда в комментариях востоковеда
- Владислав Иноземцев. Сценарии посткризисного развития России
- Алексей Левинсон. Средний класс и кризис
- Марина Бутовская. Эволюционные основы агрессии и примирения у человека
- Николай Розов. Циклы истории России: порождающий механизм и контекст мировой динамики
- Алексей Миллер. Понятие “нация” и “народность” в России XIX века
- Леонид Ионин. Социокультурные последствия кризиса
- Елена Зубкова. Сталинский проект в Прибалтике
- Александр Долгин. Перепроизводство свободы как первопричина кризиса
- Публичное обсуждение. Климатический кризис: вызов России и миру
- Татьяна Черниговская. Язык и сознание: что делает нас людьми?
- Георгий Касьянов. “Национализация” истории в Украине
- Игорь Кон. Раздельное обучение: плюсы и минусы
- Константин Сонин. Экономика финансового кризиса
- Адам Михник. Польша, Россия, Европа
- Ольга Бессонова. Образ будущего России в контексте теории раздаточной экономики
- Александр Кынев. Результаты региональных выборов и тенденции политического процесса
- Александр Аузан. Национальные ценности и российская модернизация: пересчет маршрута
- Леонид Григорьев. Как нам жить с мировым финансовым кризисом
- Евсей Гурвич. Институциональные факторы экономического кризиса
- Дмитрий Тренин. Мир после Августа
- Анатолий Ремнев. Азиатские окраины Российской империи: география политическая и ментальная
- Светлана Бурлак. О неизбежности происхождения человеческого языка
- Лев Гудков. Проблема абортивной модернизации и морали
- Евгений Штейнер. Ориентальный миф и миф об ориентализме
- Михаил Цфасман. Судьбы математики в России
- Наталья Душкина. Понятие “подлинности” и архитектурное наследие
- Сергей Пашин. Какой могла бы быть судебная реформа в современной России
- Ольга Крыштановская. Российская элита на переходе
- Эмиль Паин. Традиции и квазитрадиции: о природе российской “исторической колеи”
- Григорий Ревзин. Современная московская архитектура
- Алексей Миллер. “Историческая политика” в Восточной Европе: плоды вовлеченного наблюдения
- Светлана Боринская. Молекулярно-генетическая эволюция человека
- Михаил Гельфанд. Геномы и эволюция
- Джонатан Андерсон. Экономический рост и государство в Китае
- Кирилл Еськов. Палеонтология и макроэволюция
- Элла Панеях. Экономика и государство: подходы социальных наук
- Сергей Неклюдов. Предмет и методы современной фольклористики
- Владимир Гельман. Трансформация российской партийной системы
- Леонид Вальдман. Американская экономика: 2008 год
- Сергей Зуев. Культуры регионального развития
- Публичное обсуждение. Как строить модернизационную стратегию России
- Григорий Померанц. Возникновение и становление личности
- Владимир Кантор. Российское государство: империя или национализм
- Евгений Штейнер. Азбука как культурный код: Россия и Япония
- Борис Дубин. Культуры современной России
- Андрей Илларионов. Девиация в общественном развитии
- Михаил Блинкин. Этиология и патогенез московских пробок
- Борис Родоман. Автомобильный тупик России и мира
- Виктор Каплун. Российский республиканизм как социо-культурная традиция
- Александр Аузан. Национальные ценности и конституционный строй
- Анатолий Вишневский. Россия в мировом демографическом контексте
- Татьяна Ворожейкина. Власть, собственность и тип политического режима
- Олег Хархордин. Что такое республиканская традиция
- Сергей Рыженков. Российский политический режим: модели и реальность
- Михаил Дмитриев. Россия-2020: долгосрочные вызовы развития
- Сергей Неклюдов. Гуманитарное знание и народная традиция
- Александр Янов. Николай Данилевский и исторические перспективы России
- Владимир Ядов. Современное состояние мировой социологии
- Дмитрий Фурман. Проблема 2008: общее и особенное в процессах перехода постсоветских государств
- Владимир Мартынов. Музыка и слово
- Игорь Ефимов. Как лечить разбитые сердца?
- Юхан Норберг. Могут ли глобальные угрозы остановить глобализацию?
- Иванов Вяч. Вс. Задачи и перспективы наук о человеке
- Сергей Сельянов. Кино 2000-х
- Мария Амелина. Лучше поздно чем никогда? Демократия, самоуправление и развитие в российской деревне
- Алексей Лидов. Иеротопия. Создание сакральных пространств как вид художественого творчества
- Александр Аузан. Договор-2008: новый взгляд
- Энн Эпплбаум. Покаяние как социальный институт
- Кристоф Агитон. Сетевые сообщества и будущее Интернет технологий. Web 2.0
- Георгий Гачев. Национальные образы мира
- Дмитрий Александрович Пригов. Культура: зоны выживания
- Владимир Каганский. Неизвестная Россия
- Алексей Миллер. Дебаты о нации в современной России
- Алексей Миллер. Триада графа Уварова
- Алексей Малашенко. Ислам в России
- Сергей Гуриев. Экономическая наука в формировании институтов современного общества
- Юрий Плюснин. Идеология провинциального человека: изменения в сознании, душе и поведении за последние 15 лет
- Дмитрий Бак. Университет XXI века: удовлетворение образовательных потребностей или подготовка специалистов
- Ярослав Кузьминов. Состояние и перспективы гражданского общества в России
- Андрей Ланьков. Естественная смерть северокорейского сталинизма
- Владимир Клименко. Климатическая сенсация. Что нас ожидает в ближайшем и отдаленном будущем?
- Михаил Юрьев. Новая Российская империя. Экономический раздел
- Игорь Кузнецов. Россия как контактная цивилизация
- Андрей Илларионов. Итоги пятнадцатилетия
- Михаил Давыдов. Столыпинская аграрная реформа: замысел и реализация
- Игорь Кон. Мужчина в меняющемся мире
- Александр Аузан. Договор-2008: повестка дня
- Сергей Васильев. Итоги и перспективы модернизации стран среднего уровня развития
- Андрей Зализняк. Новгородская Русь (по берестяным грамотам)
- Алексей Песков. Соревновательная парадигма русской истории
- Федор Богомолов. Новые перспективы науки
- Симон Шноль. История российской науки. На пороге краха
- Алла Язькова. Южный Кавказ и Россия
- Теодор Шанин, Ревекка Фрумкина и Александр Никулин. Государства благих намерений
- Нильс Кристи. Современное преступление
- Даниэль Дефер. Трансфер политических технологий
- Дмитрий Куликов. Россия без Украины, Украина без России
- Мартин ван Кревельд. Война и современное государство
- Леонид Сюкияйнен. Ислам и перспективы развития мусульманского мира
- Леонид Григорьев. Энергетика: каждому своя безопасность
- Дмитрий Тренин. Угрозы XXI века
- Модест Колеров. Что мы знаем о постсоветских странах?
- Сергей Шишкин. Можно ли реформировать российское здравоохранение?
- Виктор Полтерович. Искусство реформ
- Тимофей Сергейцев. Политическая позиция и политическая деятельность
- Алексей Миллер. Империя Романовых и евреи
- Григорий Томчин. Гражданское общество в России: о чем речь
- Александр Ослон: Общественное мнение в контексте социальной реальности
- Валерий Абрамкин. “Мента тюрьма корежит круче арестанта”
- Александр Аузан. Договор-2008: критерии справедливости
- Александр Галкин. Фашизм как болезнь
- Бринк Линдси. Глобализация: развитие, катастрофа и снова развитие…
- Игорь Клямкин. Приказ и закон. Проблема модернизации
- Мариэтта Чудакова. ХХ век и ХХ съезд
- Алексей Миллер. Почему все континентальные империи распались в результате I мировой войны
- Леонид Вальдман. Американская экономика: 2006 год
- Эдуард Лимонов. Русская литература и российская история
- Григорий Гольц. Происхождение российского менталитета
- Вадим Радаев. Легализация бизнеса: баланс принуждения и доверия
- Людмила Алексеева. История и мировоззрение правозащитного движения в СССР и России
- Александр Пятигорский. Мифология и сознание современного человека
- Александр Аузан. Новый цикл: Договор-2008
- Николай Петров. О регионализме и географическом кретинизме
- Александр Архангельский. Культура как фактор политики
- Виталий Найшуль. Букварь городской Руси. Семантический каркас русского общественно-политического языка
- Даниил Александров. Ученые без науки: институциональный анализ сферы
- Евгений Штейнер. Япония и японщина в России и на Западе
- Лев Якобсон. Социальная политика: консервативная перспектива
- Борис Салтыков. Наука и общество: кому нужна сфера науки
- Валерий Фадеев. Экономическая доктрина России, или Почему нам придется вернуть глобальное лидерство
- Том Палмер. Либерализм, Глобализация и проблема национального суверенитета
- Петр Мостовой. Есть ли будущее у общества потребления?
- Илья Пономарев, Карин Клеман, Алексей Цветков. Левые в России и левая повестка дня
- Александр Каменский. Реформы в России с точки зрения историка
- Олег Мудрак. История языков
- Григорий Померанц. История России в свете теории цивилизаций
- Владимир Клименко. Глобальный Климат: Вчера, сегодня, завтра
- Евгений Ясин. Приживется ли у нас демократия
- Татьяна Заславская. Человеческий фактор в трансформации российского общества
- Даниэль Кон-Бендит. Культурная революция. 1968 год и “Зеленые”
- Дмитрий Фурман. От Российской империи до распада СНГ
- Рифат Шайхутдинов. Проблема власти в России
- Александр Зиновьев. Постсоветизм
- Анатолий Вишневский. Демографические альтернативы для России
- Вячеслав Вс. Иванов. Дуальные структуры в обществах
- Яков Паппэ. Конец эры олигархов. Новое лицо российского крупного бизнеса
- Альфред Кох. К полемике о “европейскости” России
- Леонид Григорьев. “Глобус России”. Экономическое развитие российских регионов
- Григорий Явлинский. “Дорожная карта” российских реформ
- Леонид Косалс. Бизнес-активность работников правоохранительных органов в современной России
- Александр Аузан. Гражданское общество и гражданская политика
- Владислав Иноземцев. Россия и мировые центры силы
- Гарри Каспаров. Зачем быть гражданином (и участвовать в политике)
- Андрей Илларионов. Либералы и либерализм
- Ремо Бодеи. Политика и принцип нереальности
- Михаил Дмитриев. Перспективы реформ в России
- Антон Данилов-Данильян. Снижение административного давления как гражданская инициатива
- Алексей Миллер. Нация и империя с точки зрения русского национализма. Взгляд историка
- Валерий Подорога. Философия и литература
- Теодор Шанин. История поколений и поколенческая история России
- Валерий Абрамкин и Людмила Альперн. Тюрьма и Россия
- Александр Неклесcа. Новый интеллектуальный класс
- Сергей Кургинян. Логика политического кризиса в России
- Бруно Гроппо. Как быть с “темным” историческим прошлым
- Глеб Павловский. Оппозиция и власть в России: критерии эффективности
- Виталий Найшуль. Реформы в России. Часть вторая
- Михаил Тарусин. Средний класс и стратификация российского общества
- Жанна Зайончковская. Миграционная ситуация современной России
- Александр Аузан. Общественный договор и гражданское общество
- Юрий Левада. Что может и чего не может социология
- Георгий Сатаров. Социология коррупции (к сожалению, по техническим причинам большая часть записи лекции утеряна)
- Ольга Седакова. Посредственность как социальная опасность
- Алесандр Лившиц. Что ждет бизнес от власти
- Евсей Гурвич. Что тормозит российскую экономику
- Владимир Слипченко. К какой войне должна быть готова Россия
- Владмир Каганский. Россия и регионы — преодоление советского пространства
- Борис Родоман. Россия — административно-территориальный монстр
- Дмитрий Орешкин. Судьба выборов в России
- Даниил Дондурей. Террор: Война за смысл
- Алексей Ханютин, Андрей Зорин “Водка. Национальный продукт № 1”
- Сергей Хоружий. Духовная и культурная традиции России в их конфликтном взаимодействии
- Вячеслав Глазычев “Глубинная Россия наших дней”
- Михаил Блинкин и Александр Сарычев “Российские дороги и европейская цивилизация”
- Андрей Зорин “История эмоций”
- Алексей Левинсон “Биография и социография”
- Юрий Шмидт “Судебная реформа: успехи и неудачи”
- Александр Аузан “Экономические основания гражданских институтов”
- Симон Кордонский “Социальная реальность современной России”
- Сергей Сельянов “Сказки, сюжеты и сценарии современной России”
- Виталий Найшуль “История реформ 90-х и ее уроки”
- Юрий Левада “Человек советский”
- Олег Генисаретский “Проект и традиция в России”
- Махмут Гареев “Россия в войнах ХХ века”
- Виталий Найшуль “История реформ 90-х и ее уроки”
- Махмут Гареев “Россия в войнах ХХ века”
Как измерить непредставимое и представить неизмеримое
Физики смогли определить характерный размер протона с беспрецедентной точностью
Точное измерение характерного размера протона принципиально важно для расчета уровней энергии и частот излучения атомов. Иллюстрация с сайта www.jlab.org
Журнал Nature опубликовал небольшую статью с результатами эксперимента, проведенного в лаборатории Томаса Джефферсона Министерства энергетики США «A small proton charge radius from an electron-proton scattering experiment» («Малый радиус заряда протона, полученный из эксперимента по электрон-протонному рассеянию»). Почему это важно.
Протон вместе с нейтронами входит в состав ядер всех известных химических элементов. С параметрами протона напрямую связаны некоторые фундаментальные физические постоянные. В частности, постоянная Ридберга, используемая для расчета уровней энергии и частот излучения атомов. Специальная международная комиссия CODATA отслеживает все результаты измерений фундаментальных констант. Теперь работы экспертам комиссии прибавится.
Протон почти не виден
Польскому поэту и философу Станиславу Ежи Лецу принадлежит замечательный афоризм: «И размеры Вселенной могут быть военной тайной». Недаром английский астрофизик Стивен Хокинг в 1990 году подчеркивал: «Очень трудно доказать беспредельность Вселенной, но если мы это сделаем, то сможем объяснить все во Вселенной, основываясь на гипотезе о ее беспредельности, и я думаю, что такая теория будет более экономной и более естественной». Но как минимум неменьшая тайна – размеры объектов на другом конце шкалы масштабов: атомы, не говоря уже об элементарных частицах. И квантовая физика, изучающая эти объекты, существование которых зачастую и представить можно только в виде математической формулы, тоже претендует на объяснение всего во Вселенной.
Действительно, если астрофизические события и объекты мы можем наблюдать и/или визуализировать непосредственно, хотя и с задержкой, порой в миллиарды лет, то получить изображение элементарных частиц не удается принципиально. Не удавалось…
Еще каких-то 10 лет назад можно было, не покривив против «истины» (беру в кавычки, так как абсолютная истина – это все-таки идеальная модель), сказать: «До сих пор считалось, что сфотографировать атом водорода нет никакой технической и технологической возможности. Недаром в современных учебных пособиях для студентов можно прочитать, что «…атомы лежат за пределами нашего восприятия, их нельзя ни увидеть, ни услышать. Атомистические представления не могут возникнуть и из мифа, поскольку миф всегда использует наглядные образы» (см. «НГ-науку» от 24.11.10).
Но как раз в 2010 году физики из Токийского университета сумели впервые в истории сфотографировать отдельный атом водорода. Достижение феноменальное и, казалось, предельное. Проще атома водорода вроде бы природа ничего не создала. Ядро, роль которого играет положительно заряженная элементарная частица, – протон, а вокруг «размыт» по орбите отрицательно заряженный электрон. Диаметр атома водорода примерно 10–8 см, размеры ядра – 10–13 см. Представьте себе, что электрон вращается вокруг шпиля Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова с диаметром орбиты вращения 1 км. Тогда размеры ядра атома на шпиле – не более горошины.
И вот в минувшем ноябре журнал Nature сообщает очередную порцию новостей об… устройстве этой самой «горошины».
До 2010 года измерения радиуса протона проводились двумя методами: рассеяния электронов и атомной спектроскопии. В экспериментах по рассеянию электронов радиус заряда протона определяется по изменению пути электронов после того, как они отразились или рассеялись от протона (упругое электрон-протонное рассеяние). В измерениях методом атомной спектроскопии фиксируются переходы между энергетическими уровнями электронов, вращающихся вокруг ядра водорода или дейтерия. Оба эти метода давали значение радиуса протона около 0,88 фемтометра.
|
Для постановки нового эксперимента по измерению радиуса протона пришлось существенно модернизировать ускоритель непрерывных электронных пучков CEBAF. Фото с сайта www.jlab.org |
В 2010 году физики опробовали новый вариант метода атомной спектроскопии, заменив электроны на мюоны, которые вращаются намного ближе к протону и более чувствительны к радиусу заряда последнего. Этот результат дал значение, которое было на 4% меньше: примерно 0,84 фемтометра. «…Новый метод с использованием мюонных атомов водорода обнаружил существенное расхождение по сравнению с предыдущими результатами, которые стали называться «загадкой радиуса протона», – пишут авторы статьи в Nature. – Несмотря на экспериментальные и теоретические усилия, загадка остается нерешенной. Фактически существует несоответствие между двумя самыми последними спектроскопическими измерениями, проведенными на обычном водороде».
Тогда стали писать о том, что, возможно, мюоны взаимодействуют с протонами не так, как электроны, и это открывает окно в «новую физику», а сам факт несходимости результатов измерений и назвали «головоломкой протонного радиуса». Для наглядности – хотя о какой наглядности здесь можно говорить! – один фемтометр – это 10–15 метра.
При этом протон и электрон в атоме водорода гравитационно притягиваются с силой, которая составляет всего лишь 4 х 10–40 от силы их электростатического притяжения.
А пятому – не бывать!
Надо сказать, что подготовка к новому эксперименту по разгадыванию этой головоломки заняла у американских ученых семь лет.
В 2012 году группа ученых под руководством Ашота Гаспаряна из Университета штата Северная Каролина собралась в лаборатории Томаса Джефферсона Министерства энергетики США, чтобы доработать метод рассеяния электронов. Эксперимент получил название PRad («Протонный радиус»). Специально была проведена модернизация ускорительного комплекса CEBAF (Continuous Electron Beam Accelerator Facility – ускоритель непрерывных электронных пучков). Методика PRad предусматривала три нововведения.
Во-первых, был разработан новый тип мишени. Охлажденный газообразный водород направлялся прямо в поток ускоренных электронов с энергией 1,1 и 2,2 ГэВ, что позволило рассеянным электронам двигаться почти беспрепятственно в детекторы.
Во-вторых, для детектирования рассеянных электронов, возникающих в результате попадания электронов на протоны или электроны водорода, применили калориметр, а не традиционный магнитный спектрометр. Гибридный калориметр HyCal измерял энергию и положение рассеянных электронов, в то время как газовый электронный детектор GEM, специально построенный для этого эксперимента, определял позиции электронов, но с высокой точностью. Данные обоих детекторов сравнивались в реальном времени. Это дало возможность экспериментаторам понять, какое событие они обнаружили: электрон-электронное или электрон-протонное рассеяние. Понятно, что это значительно повысило точность эксперимента.
Были применены и еще некоторые, сугубо технологические, ухищрения, про которые можно сказать – искусство эксперимента.
В итоге полученный по новой методике радиус протона составляет 0,831 ± 0,007 фемтометра. Это самое точное значение на сегодняшний день. Оно меньше, чем предыдущее значение, полученное методом рассеяния электронов (0,88 фемтометра), и неплохо согласуется с результатами мюонной атомной спектроскопии (0,84 фемтометра).
«Мы рады, что годы напряженной работы нашего сотрудничества заканчиваются хорошим результатом, который поможет в решении так называемой головоломки протонного радиуса», – приводит слова Ашота Гаспаряна пресс-релиз Министерства энергетики США.
В самой статье авторы подчеркивают: «Кроме того, наш вывод согласуется с пересмотренным значением (объявленным в 2019 году. – «НГ-наука») для постоянной Ридберга – одной из наиболее точно оцененных фундаментальных констант в физике».
«Это было самое сложное измерение, которое когда-либо пыталась сделать наша лаборатория. Мы добились высочайшего уровня точности в измерении радиуса протона, – отметил ведущий автор исследования, сотрудник департамента физики и астрономии Йоркского университета Эрик Хессельс. – После восьми лет работы над этим экспериментом мы все же смогли провести такое высокоточное измерение, которое помогает решить головоломку протонного радиуса».
Поиск решения этой загадки имеет далеко идущие последствия для понимания законов физики, таких как теория квантовой электродинамики, которая описывает, как взаимодействуют свет и материя.
Опять же это важно хотя бы потому, что разброс в измерениях радиуса протона привел к появлению гипотезы о существовании некоей новой фундаментальной силы природы (отсюда и разговоры о «новой физике»), по-разному действующей на электроны и мюоны. Напомним, сегодня известны четыре фундаментальных взаимодействия в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. А пятому – не бывать! По крайней мере пока.
Тотальная визуализация
Но достижение американских физиков имеет не только сугубо естественно-научное значение – хотя, подчеркнем еще раз, даже сами по себе экспериментальная техника и методология просто удивительны, – но и мировоззренческое, философское значение.
«Человек способен понять вещи, которые он уже не в силах вообразить», – отмечал в свое время нобелевский лауреат Лев Ландау, рассуждая о квантовой механике. И все-таки перевести объекты в изображения – это неистребимая потребность физиков. Соответственно, изобразить нечто, непредставимое в образах принципиально, считалось невозможным. Вернее, эти изображения не могут нести никакого физического смысла и не соответствуют реальному физическому объекту. В общем, материя – это то, что поддается записи математическими формулами. И это – давняя философская традиция. Иммануил Кант, например, считал, что «…в любом частном учении о природе можно найти науки в собственном смысле лишь столько, сколько имеется в ней математики».
«…Начиная с середины 1980-х годов некоторые наиболее интересные и значимые изображения в науке оказываются совершенно неадекватными тем объектам, которые они пытаются репрезентировать… репрезентируют скорее породившую их математику, чем любые изображаемые объекты в пространстве, – пишет профессор Чикагского института искусств Джеймс Элкинс в эссе «Бесполезная визуализация квантовой механики» («Исследуя визуальный мир», Вильнюс, 2010). – В моем визуальном воображении нет ничего соответствующего бариону с его валентностью и морским кварком. Также я не имею ментального изображения электрона, даже оставляя в стороне дозволенные количества спиновых моментов импульсов».
И тем не менее магистральная линия в науке (не только в физике) – визуализация концептов, результатов, гипотез. Хрестоматийный пример «визуализации» непредставимого, но измеримого – ньютоновский закон всемирного тяготения. Ньютону удалось сделать главное – найти образ, который стал наглядным, а потому и запоминающимся, визуальным символом новой загадочной силы – гравитации. Этот образ и материализовался в падающем яблоке…
Вот и с электронами интересная получается картинка…
В 2011 году физики из Имперского колледжа Лондона сообщили, что им удалось определить форму электрона с точностью, которая на много порядков превосходит точность всех сделанных ранее измерений.
Электрон – элементарная частица, отвечающая за перенос электромагнитного взаимодействия. Существующие теории предполагают, что электрон должен иметь практически идеальную сферическую форму. Однако провести точные измерения этого параметра невероятно сложно. Как отмечалось в пресс-релизе Имперского колледжа Лондона, подготовка и проведение эксперимента заняли около 10 лет. С помощью лазерной системы ученые измеряли малейшие колебания, которые совершали находящиеся в молекулах фторида иттербия электроны. В итоге было установлено, что отклонения от идеальной сферической формы в электроне не превышают 10–28 см. Если увеличить размер электрона до размеров Солнечной системы, то размер отклонений окажется меньше толщины человеческого волоса.
В 2015 году международная команда исследователей из России, Дании, Бельгии и Канады под руководством Ганса Якоба Вернера из Высшей технической школы в Цюрихе смогла проследить движение электронов в молекуле с временным разрешением 100 аттосекунд и показала, что этими электронами можно управлять. (Приставка «атто» означает 10–18 с.)…
Итак, фотографию атома водорода мы уже давно имеем. Шарообразность электрона подтверждена с умопомрачительной точностью; само движение электрона отслежено с не менее обескураживающими подробностями. Возможно, нынешнее беспрецедентное измерение характерного размера протона станет тем рубежом в истории науки, пройдя который придется вообще отказаться от понятия «принципиально неизобразимый объект (явление)». Или по крайней мере значительно раздвинет пределы репрезентации физических концептов. Теперь это не только математические формулы, но и картинки. Недаром древние греки не различали понятий «видеть» и «знать».
Что такое атом? | Живая наука
Атомы являются основными единицами материи и определяющей структурой элементов. Термин «атом» происходит от греческого слова «неделимый», потому что когда-то считалось, что атомы — самые маленькие объекты во Вселенной и не могут быть разделены. Теперь мы знаем, что атомы состоят из трех частиц: протонов, нейтронов и электронов, которые состоят из еще более мелких частиц, таких как кварков .
Атомы были созданы после Большого взрыва 13.7 миллиардов лет назад. Когда горячая и плотная новая Вселенная остыла, условия стали подходящими для образования кварков и электронов. Кварки собрались вместе, чтобы сформировать протоны и нейтроны, и эти частицы объединились в ядра. Все это произошло в течение первых нескольких минут существования Вселенной, согласно CERN .
Вселенной потребовалось 380 000 лет, чтобы остыть достаточно, чтобы замедлить электроны, чтобы ядра могли захватить их и сформировать первые атомы. Согласно Jefferson Lab , самыми ранними атомами были в основном водорода и гелий , которые до сих пор являются самыми распространенными элементами во Вселенной.Гравитация в конечном итоге заставила облака газа слиться и образовать звезды, а более тяжелые атомы были (и до сих пор создаются) внутри звезд и разносятся по Вселенной, когда звезда взрывается (сверхновая).
Атомные частицы
Протоны и нейтроны тяжелее электронов и находятся в ядре в центре атома. Электроны чрезвычайно легкие и существуют в облаке, вращающемся вокруг ядра. Электронное облако имеет радиус в 10 000 раз больше, чем ядро, согласно Лос-Аламосской национальной лаборатории .
Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу. Однако один протон примерно в 1835 раз массивнее электрона. Атомы всегда имеют равное количество протонов и электронов, и количество протонов и нейтронов также обычно одинаково. Добавление протона к атому создает новый элемент, а добавление нейтрона создает изотоп или более тяжелую версию этого атома.
Ядро
Ядро было открыто в 1911 году Эрнестом Резерфордом, физиком из Новой Зеландии.В 1920 году Резерфорд предложил название протон для положительно заряженных частиц атома. Он также предположил, что в ядре есть нейтральная частица, что Джеймс Чедвик, британский физик и ученик Резерфорда, смог подтвердить в 1932 году.
Согласно Chemistry, практически вся масса атома находится в его ядре. LibreTexts . Протоны и нейтроны, составляющие ядро, имеют примерно одинаковую массу (протон немного меньше) и имеют одинаковый угловой момент или спин.
Ядро удерживается вместе сильной силой , одной из четырех основных сил в природе. Эта сила между протонами и нейтронами преодолевает электрическую силу отталкивания, которая в противном случае раздвигала бы протоны в соответствии с законами электричества. Некоторые атомные ядра нестабильны, потому что сила связи различается для разных атомов в зависимости от размера ядра. Затем эти атомы распадаются на другие элементы, такие как углерод-14, распадающийся на азот-14.
Вот простой рисунок структуры атома.(Изображение предоставлено Shutterstock)
Протоны
Протоны — это положительно заряженные частицы, находящиеся в атомных ядрах. Резерфорд открыл их в экспериментах с электронно-лучевыми трубками, которые проводились между 1911 и 1919 годами. Протоны примерно на 99,86% массивнее нейтронов.
Число протонов в атоме уникально для каждого элемента. Например, атомов углерода имеют шесть протонов, атомов водорода имеют один и атомов кислорода имеют восемь. Число протонов в атоме называется атомным номером этого элемента.Число протонов также определяет химическое поведение элемента. Элементы расположены в Периодической таблице элементов в порядке возрастания атомного номера.
Три кварка составляют каждый протон — два «верхних» кварка (каждый с положительным зарядом в две трети) и один «нижний» кварк (с отрицательным зарядом в одну треть) — и они удерживаются вместе другими субатомными частицами, называемыми безмассовые глюоны.
Электроны
Электроны крошечные по сравнению с протонами и нейтронами, более чем в 1800 раз меньше, чем протон или нейтрон.По данным Jefferson Lab , электроны примерно на 0,054% массивнее нейтронов.
Джозеф Джон (Дж.Дж.) Томсон, британский физик, открыл электрон в 1897 году, согласно Science History Institute . Первоначально известные как «корпускулы», электроны имеют отрицательный заряд и электрически притягиваются к положительно заряженным протонам. Электроны окружают атомное ядро путями, называемыми орбиталями. Эта идея была выдвинута австрийским физиком Эрвином Шредингером в 1920-х годах.Сегодня эта модель известна как квантовая модель или модель электронного облака. Внутренние орбитали, окружающие атом, имеют сферическую форму, но внешние орбитали намного сложнее.
Электронная конфигурация атома относится к расположению электронов в типичном атоме. Используя электронную конфигурацию и принципы физики, химики могут предсказать свойства атома, такие как стабильность, температура кипения и проводимость, согласно Лос-Аламосской национальной лаборатории .
Нейтроны
Согласно Американского физического общества , существование нейтрона было теоретически обосновано Резерфордом в 1920 году и обнаружено Чедвиком в 1932 году. Нейтроны были обнаружены в ходе экспериментов, когда атомы стреляли в тонкий лист бериллия . Были выпущены субатомные частицы без заряда — нейтрон.
Нейтроны — это незаряженные частицы, находящиеся во всех атомных ядрах (кроме водорода). Масса нейтрона немного больше массы протона.Подобно протонам, нейтроны также состоят из кварков — одного кварка «вверх» (с положительным зарядом 2/3) и двух кварков «вниз» (каждый с отрицательным зарядом в одну треть).
История атома
Теория атома восходит к 440 г. до н. Э. Демокриту, греческому ученому и философу. Демокрит, скорее всего, построил свою теорию атомов на работах философов прошлого, согласно Эндрю Г. Ван Мелсену, автору «От атомоса к атому: история концепции атома» (Duquesne University Press, 1952).
Объяснение атома Демокритом начинается с камня. Разрезанный пополам камень дает две половинки одного и того же камня. Если бы камень резать непрерывно, в какой-то момент существовал бы кусок камня, достаточно маленький, чтобы его больше нельзя было разрезать. Термин «атом» происходит от греческого слова «неделимый», которое, по заключению Демокрита, должно быть точкой, в которой существо (любая форма материи) больше не может быть разделено.
Его объяснение включало идеи о том, что атомы существуют отдельно друг от друга, что существует бесконечное количество атомов, что атомы могут двигаться, что они могут объединяться вместе, чтобы создать материю, но не сливаются, чтобы стать новым атомом, и что их нельзя разделить, согласно Universe Today .Однако, поскольку большинство философов того времени — особенно очень влиятельный Аристотель — считали, что вся материя была создана из земли, воздуха, огня и воды, атомная теория Демокрита была отложена.
Джон Далтон, британский химик, опирался на идеи Демокрита в 1803 году, когда он выдвинул свою собственную атомную теорию, согласно данным химического факультета Университета Пердью . Теория Дальтона включала несколько идей Демокрита, например, атомы неделимы и неразрушимы и что разные атомы образуются вместе, чтобы создать всю материю.Дополнения Дальтона к теории включали следующие идеи: что все атомы определенного элемента были идентичны, что атомы одного элемента будут иметь другой вес и свойства, чем атомы другого элемента, что атомы не могут быть созданы или разрушены и что материя образована атомы соединяются в простые целые числа.
Британский физик, открывший электрон в 1897 году, Томсон доказал, что атомы можно разделить, согласно Фонд химического наследия .Он смог определить существование электронов, изучая свойства электрического разряда в электронно-лучевых трубках. Согласно статье Томсона 1897 года, лучи отклонялись внутри трубки, что доказывало, что внутри вакуумной трубки было что-то отрицательно заряженное. В 1899 году Томсон опубликовал описание своей версии атома, широко известной как «модель сливового пудинга». Выдержка из этой статьи находится на сайте Chem Team . Модель атома Томсона включала большое количество электронов, подвешенных в чем-то, что производило положительный заряд, придающий атому общий нейтральный заряд.Его модель напоминала сливовый пудинг, популярный британский десерт с изюмом, подвешенным в круглом шаре, похожем на торт.
Следующим ученым, продолжившим модификацию и продвижение модели атома, был Резерфорд, который учился у Томсона, согласно химическому факультету Университета Пердью . В 1911 году Резерфорд опубликовал свою версию атома, которая включала положительно заряженное ядро, вращающееся вокруг электронов. Эта модель возникла, когда Резерфорд и его помощники стреляли альфа-частицами в тонкие листы золота.По данным лаборатории Джефферсона, альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, удерживаемых вместе одной и той же сильной ядерной силой, которая связывает ядро.
Ученые заметили, что небольшой процент альфа-частиц был рассеян под очень большими углами к первоначальному направлению движения, в то время как большинство из них прошло сквозь них практически без помех. Резерфорд смог приблизительно определить размер ядра атома золота, обнаружив, что оно по крайней мере в 10 000 раз меньше, чем размер всего атома, причем большая часть атома представляет собой пустое пространство.Модель атома Резерфорда по-прежнему является основной моделью, которая используется сегодня.
Несколько других ученых продвинули модель атома, в том числе Нильс Бор (построенный на модели Резерфорда, включающий свойства электронов на основе спектра водорода), Эрвин Шредингер (разработал квантовую модель атома), Вернер Гейзенберг (заявил, что один не может знать одновременно положение и скорость электрона), а также Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг (независимо разработали теорию о том, что протоны и нейтроны состоят из кварков).
Дополнительные ресурсы:
Эта статья была обновлена 10 сентября 2019 г. участником Live Science Трейси Педерсен.
Число протонов, нейтронов и электронов в атоме
Три части атома — это положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные нейтроны. Выполните эти простые шаги, чтобы найти количество протонов, нейтронов и электронов в атоме любого элемента.
Ключевые выводы: количество протонов, нейтронов и электронов
- Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов.
- Протоны несут положительное электрическое изменение, электроны заряжены отрицательно, а нейтроны нейтральны.
- У нейтрального атома одинаковое количество протонов и электронов (заряды нейтрализуют друг друга).
- Ион имеет неравное количество протонов и электронов. Если заряд положительный, протонов больше, чем электронов. Если заряд отрицательный, электронов в избытке.
- Вы можете узнать количество нейтронов, если знаете изотоп атома.Просто вычтите количество протонов (атомный номер) из массового числа, чтобы найти оставшиеся нейтроны.
Получите основную информацию об элементах
Вам нужно будет собрать основную информацию об элементах, чтобы определить количество протонов, нейтронов и электронов. К счастью, все, что вам нужно, это таблица Менделеева.
Для любого атома нужно помнить следующее:
Число протонов = атомный номер элемента
Количество электронов = количество протонов
Количество нейтронов = массовое число — атомный номер
Найдите число протонов
Каждый элемент определяется количеством протонов, обнаруженных в каждом из его атомов.Независимо от того, сколько электронов или нейтронов имеет атом, элемент определяется количеством протонов. Фактически, действительно возможно иметь атом, состоящий только из протона (ионизированный водород). Таблица Менделеева расположена в порядке возрастания атомного номера, поэтому количество протонов — это номер элемента. Для водорода число протонов равно 1. Для цинка число протонов равно 30. Элементом атома с двумя протонами всегда является гелий.
Если вам дан атомный вес атома, вам нужно вычесть количество нейтронов, чтобы получить количество протонов.Иногда можно определить элементарный состав образца, если все, что у вас есть, — это атомный вес. Например, если у вас есть образец с атомным весом 2, вы можете быть уверены, что это водород. Почему? Легко получить атом водорода с одним протоном и одним нейтроном (дейтерий), но вы не найдете атом гелия с атомным весом 2, потому что это означало бы, что у атома гелия было два протона и ноль нейтронов!
Если атомный вес 4,001, вы можете быть уверены, что это гелий с 2 протонами и 2 нейтронами.Атомный вес ближе к 5 проблематичнее. Это литий с 3 протонами и 2 нейтронами? Это бериллий с 4 протонами и 1 нейтроном? Если вам не сообщают имя элемента или его атомный номер, трудно узнать правильный ответ.
Найдите количество электронов
Для нейтрального атома количество электронов такое же, как и количество протонов.
Часто количество протонов и электронов не совпадает, поэтому атом несет положительный или отрицательный заряд.Вы можете определить количество электронов в ионе, если знаете его заряд. Катион несет положительный заряд и имеет больше протонов, чем электронов. Анион несет отрицательный заряд и имеет больше электронов, чем протонов. У нейтронов нет чистого электрического заряда, поэтому количество нейтронов не имеет значения при расчетах. Число протонов в атоме не может измениться в результате какой-либо химической реакции, поэтому вы добавляете или вычитаете электроны, чтобы получить правильный заряд. Если ион имеет заряд 2+, например Zn 2+ , это означает, что протонов на два больше, чем электронов.
30-2 = 28 электронов
Если ион имеет заряд 1 (просто написано со знаком «минус»), то электронов больше, чем протонов. Для F — количество протонов (из периодической таблицы) равно 9, а количество электронов:
9 + 1 = 10 электронов
Найдите количество нейтронов
Чтобы узнать количество нейтронов в атоме, вам нужно найти массовое число для каждого элемента. В периодической таблице перечислены атомные веса каждого элемента, которые можно использовать для определения массового числа. Например, для водорода атомный вес равен 1.008. Каждый атом имеет целое число нейтронов, но периодическая таблица дает десятичное значение, потому что это средневзвешенное число нейтронов в изотопах каждого элемента. Итак, что вам нужно сделать, это округлить атомный вес до ближайшего целого числа, чтобы получить массовое число для ваших расчетов. Для водорода 1,008 ближе к 1, чем к 2, поэтому назовем его 1.
Количество нейтронов = массовое число — количество протонов = 1-1 = 0
Для цинка атомный вес 65.39, поэтому массовое число ближе всего к 65.
Количество нейтронов = 65 — 30 = 35
Как мы определяем элементы
Как мы определяем элементы
Когда мы исследуем отдельный атом, именно количество протонов определяет
элемент атома. Номер
протонов — атомный номер (Z). Все
атомы углерода имеют в ядре 6 протонов; у всех хлоринов есть 17 протонов в
ядро. Большинство химиков используют
периодическая таблица, чтобы найти такую информацию.
В Интернете есть много мест, где можно найти периодические таблицы.
Посмотрите на тот, что на следующем сайте.
Воспользуйтесь таблицей, чтобы определить атомный номер олова (Sn). Обратите внимание, что каждый элемент может быть представлен двухбуквенным
символ, первая буква которого всегда заглавная, вторая буква, если
есть один, не с большой буквы.
Что еще в ядре?
Нейтроны также находятся в ядре. В
наиболее стабильных ядер количество нейтронов примерно равно количеству
протоны. По мере увеличения числа протонов в ядре увеличивается
количество нейтронов.В
нейтроны, кажется, играют какую-то роль в стабилизации ядра.
В то время как атом хлора всегда имеет 17 протонов, он может иметь любое количество протонов.
нейтроны. Два атома с одинаковым
количество протонов и различное количество нейтронов называются изотопами.
Для хлорида существуют два встречающихся в природе стабильных изотопа.
У одного 18 нейтронов, а у другого 20 нейтронов.
Поскольку протоны и нейтроны — единственные массивные частицы в атоме,
массовое число атома (A) — это протоны плюс нейтроны.
Ион существует, когда протоны не равны электронам.
Если электронов больше, чем протонов, чем атом отрицательно
заряжен. Если протонов больше, чем электронов, чем положительно атом
заряжен. Мы можем описать отдельный атом с помощью символа в
в центре, атомный номер в нижнем левом углу, массовое число в верхнем левом углу и
заряд в правом верхнем углу.
атомный номер = количество протонов
массовое число = протоны + нейтроны
заряд = протоны-электроны
или
Пример:
У этого атома олова 50 протонов, 69
нейтронов и 48 электронов.
Это один из шести стабильных изотопов олова.
Этот изотоп также можно записать как олово-119.
Когда элементы не сочетаются ни с чем другим, они обычно
нейтральный (не заряжается.)
Вы можете добавить эту таблицу Менделеева в закладки.
http://periodic.lanl.gov/
Как определить количество протонов, нейтронов и электронов в изотопах
Материя бывает разных размеров, форм и цветов. Рассмотрим хлор, желтоватый газ, или свинец, серо-черное твердое вещество, или ртуть, серебристую жидкость.Три очень разных элемента, каждый из которых состоит только из одного вида атомов. Различия в материи сводятся к мельчайшим различиям в атомной структуре.
TL; DR (слишком долго; не читал)
Поймите, что изотопы элемента имеют разные массовые числа, но одинаковое количество протонов. Используя Периодическую таблицу, найдите атомный номер элемента. Атомный номер равен количеству протонов. В сбалансированном атоме количество электронов равно количеству протонов.В несбалансированном атоме количество электронов равно количеству протонов плюс противоположный заряд иона. Вычислите количество нейтронов, вычтя атомный номер из массового числа. Если массовое число определенного изотопа неизвестно, используйте атомную массу из Периодической таблицы, округленную до ближайшего целого числа, минус атомный номер, чтобы найти среднее количество нейтронов для элемента.
Структура атомов
Каждый атом состоит из трех основных частиц.Протоны и нейтроны группируются в ядре в центре атома. Электроны образуют вращающееся облако вокруг ядра. Протоны и нейтроны составляют массу атомов. Электроны, крошечные по сравнению с протонами и нейтронами, вносят очень небольшой вклад в общую массу атомов.
Атомы и изотопы
Атомы одного и того же элемента имеют одинаковое количество протонов. Все атомы меди состоят из 29 протонов. У всех атомов гелия есть 2 протона. Изотопы возникают, когда атомы одного и того же элемента имеют разные массы.Поскольку количество протонов элемента не меняется, разница в массе возникает из-за разного количества нейтронов. Медь, например, имеет два изотопа: медь-63 и медь-65. Медь-63 состоит из 29 протонов и массового числа 63. Медь-65 имеет 29 протонов и массовое число 65. Гелий имеет 2 протона и почти всегда имеет массовое число 4. Очень редко гелий образует изотоп гелий-3, который все еще имеет 2 протона, но имеет массовое число 3.
Один из способов написания формулы для изотопа показывает имя элемента или символ, за которым следует массовое число, например, гелий-4 или He-4.Другая сокращенная идентификация изотопов показывает массовое число как верхний индекс и атомный номер как нижний индекс, оба показаны перед атомным символом. Например, 4 2 He указывает на изотоп гелия с массовым числом 4.
Периодическая таблица элементов
Расположение Периодической таблицы элементов предоставляет важную информацию для определения количества протонов, нейтронов и электронов в атомах. . В современной Периодической таблице элементы расположены в порядке их протонов.Первый элемент в таблице, водород, имеет один протон. Последний элемент (по крайней мере, на данный момент) в таблице, Оганессон или Унуноктиум, имеет 118 протонов.
Сколько протонов?
Атомный номер в Периодической таблице определяет количество протонов в любом атоме этого элемента. Медь с атомным номером 29 состоит из 29 протонов. Определение атомного номера элемента показывает количество протонов.
Сколько нейтронов?
Разница между изотопами элемента зависит от количества нейтронов.Чтобы узнать количество нейтронов в изотопе, найдите массовое число изотопа и атомный номер. Атомный номер или количество протонов находится в Периодической таблице. Атомная масса, также найденная в Периодической таблице, является средневзвешенным значением всех изотопов элемента. Если изотоп не идентифицирован, атомную массу можно округлить до ближайшего целого числа и использовать для определения среднего числа нейтронов.
Например, атомная масса ртути равна 200,592. У Меркурия есть несколько изотопов с массовыми числами от 196 до 204.Используя среднюю атомную массу, вычислите среднее количество нейтронов, сначала округлив атомную массу от 200,592 до 201. Теперь вычтите количество протонов, 80, из атомной массы, 201-80, чтобы найти среднее количество нейтронов, 121.
Если массовое число изотопа известно, фактическое количество нейтронов может быть вычислено. Используйте ту же формулу, массовое число минус атомный номер, чтобы вычислить количество нейтронов. В случае ртути наиболее распространенным изотопом является ртуть-202.Используйте уравнение 202-80 = 122, чтобы найти, что ртуть-202 имеет 122 нейтрона.
Сколько электронов?
Нейтральный изотоп не имеет заряда, что означает, что положительный и отрицательный заряды уравновешиваются в нейтральном изотопе. В нейтральном изотопе количество электронов равно количеству протонов. Как и определение количества протонов, определение количества электронов в нейтральном изотопе требует определения атомного номера элемента.
В ионе, изотопе с положительным или отрицательным зарядом, количество протонов не равно количеству электронов.Если протонов больше, чем электронов, изотоп имеет больше положительных зарядов, чем отрицательных. Другими словами, количество протонов превышает количество электронов на то же число, что и положительный заряд. Если количество электронов превышает количество протонов, заряд иона будет отрицательным. Чтобы найти количество электронов, добавьте к количеству протонов противоположность дисбаланса зарядов.
Например, если изотоп имеет заряд -3, как у фосфора (атомный номер 15), то количество электронов на три больше, чем количество протонов.При вычислении количества электронов получается 15 + (- 1) (- 3), или 15 + 3 = 18, или 18 электронов. Если изотоп имеет заряд +2, как у стронция (атомный номер 38), то количество электронов на два меньше, чем количество протонов. В этом случае расчет становится 38 + (- 1) (+ 2) = 38-2 = 36, так что у иона 36 электронов. Обычное сокращение для ионов показывает дисбаланс зарядов в виде верхнего индекса, следующего за атомным символом. В примере с фосфором ион будет записан как P -3 .
Наука об электричестве — У.S. Управление энергетической информации (EIA)
Все состоит из атомов
Для понимания электричества полезны некоторые основные сведения об атомах. Атомы — это строительные блоки вселенной. Все во Вселенной состоит из атомов — каждая звезда, каждое дерево и каждое животное. Человеческое тело состоит из атомов. Воздух и вода тоже состоят из атомов. Атомы настолько малы, что миллионы их поместятся на булавочной головке.
Атомы состоят из еще более мелких частиц
Центр атома называется ядром .Ядро состоит из частиц, называемых протонов и нейтронов . Электроны вращаются вокруг ядра в оболочках . Если бы ядро было размером с теннисный мяч, атом был бы размером со сферу диаметром около 1450 футов или размером с один из крупнейших спортивных стадионов в мире. Атомы — это в основном пустое пространство.
Если бы невооруженный глаз мог видеть атом, он был бы немного похож на крошечное скопление шаров, окруженное гигантскими невидимыми пузырями (или оболочек ).Электроны будут на поверхности пузырьков, постоянно вращаясь и перемещаясь, чтобы держаться как можно дальше друг от друга. Электроны удерживаются в своих оболочках за счет электрической силы.
Протоны и электроны атома притягиваются друг к другу. Оба они несут электрический заряд . 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.
Количество протонов в атоме определяет вид атома, или элемент , это. Элемент — это вещество, состоящее из одного типа атомов. Периодическая таблица элементов показывает элементы с их атомными номерами — количеством протонов, которые они имеют. Например, каждый атом водорода (H) имеет один протон, а каждый атом углерода (C) имеет шесть протонов.
Электричество — это движение электронов между атомами
Электроны обычно остаются на постоянном расстоянии от ядра атома в точных оболочках. Ближайшая к ядру оболочка может содержать два электрона. Следующий снаряд может вместить до восьми штук. Внешние оболочки могут вместить даже больше. Некоторые атомы с большим количеством протонов могут иметь до семи оболочек с электронами в них.
Электроны в ближайших к ядру оболочках обладают сильной силой притяжения к протонам.Иногда электроны в самых внешних оболочках атома не обладают сильной силой притяжения к протонам. Эти электроны могут быть вытеснены 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: 8 января 2020 г.
Radiation Studies — CDC: Ионизированный атом
Атом — Наименьшая частица элемента, которая может вступать в химическую реакцию.
Электрон — Элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и массой 1/1837 массы протона. Электроны окружают ядро атома из-за притяжения между их отрицательным зарядом и положительным зарядом ядра. Стабильный атом будет иметь столько же электронов, сколько протонов. Число электронов, вращающихся вокруг атома, определяет его химические свойства. См. Также нейтрон
Ионизирующее излучение — Любое излучение, способное вытеснять электроны из атомов с образованием ионов.Высокие дозы ионизирующего излучения могут вызвать серьезные повреждения кожи или тканей. См. Также альфа-частица, бета-частица, гамма-излучение, нейтрон, рентгеновское излучение.
Изотоп — нуклид элемента, имеющего такое же количество протонов, но другое количество нейтронов.
Нейтрон — небольшая атомная частица, не обладающая электрическим зарядом, обычно обнаруживаемая в ядре атома. Нейтроны, как следует из названия, нейтральны по своему заряду. То есть у них нет ни положительного, ни отрицательного заряда.Нейтрон имеет примерно такую же массу, что и протон. См. Также альфа-частица, бета-частица, гамма-излучение, нуклон, рентгеновское излучение.
Ядро — Центральная часть атома, содержащая протоны и нейтроны. Ядро — самая тяжелая часть атома.
Протон — небольшая атомная частица, обычно находящаяся в ядре атома и обладающая положительным электрическим зарядом. Хотя протоны и нейтроны примерно в 2000 раз тяжелее электронов, они крошечные.Число протонов уникально для каждого химического элемента. См. Также нуклон.
Радиация — Энергия, движущаяся в форме частиц или волн. Знакомые виды излучения — тепло, свет, радиоволны и микроволны. Ионизирующее излучение — это очень высокоэнергетическая форма электромагнитного излучения.
Радиоактивный распад — Распад ядра нестабильного атома под действием излучения.
Радиоактивность — Процесс спонтанного преобразования ядра, обычно с испусканием альфа- или бета-частиц, часто сопровождаемых гамма-лучами.Этот процесс называется распадом или распадом атома.
Радионуклид — нестабильная и, следовательно, радиоактивная форма нуклида.
[Наверх]
Атомная структура | Группа Грандинетти
Атомная структура
Атом состоит из трех типов субатомных частиц: протон , нейтрон и электрон .
| Частица | Масса / г | Заряд / $ q_e $ | |||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Протон | 1.{-19} $ кулонов. Протроны и нейтронов имеют схожие массы, а электронов намного легче (более чем в 1000 раз легче). Протоны и электронов имеют равные и противоположные заряды, а нейтронов не имеют заряда. У нас есть следующее простое изображение атома . Атом состоит из положительно заряженного ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Это маленькое ядро окружено вращающимися электронами.Поскольку протоны и нейтроны намного массивнее электронов, практически вся масса атома находится в ядре . Легкие отрицательно заряженные электроны движутся по орбите в пространстве вокруг ядра. Мы используем следующий символ для описания атома: A = Z + N, где N — количество нейтронов. Если вы добавите или вычтете из ядра протон , вы создадите новый элемент . Если вы добавите или вычтете из ядра нейтрон , вы создадите новый изотоп того же элемента, с которого вы начали. В нейтральном атоме количество положительно заряженных протонов в ядре равно количеству вращающихся вокруг электронов . Атом водородаДавайте посмотрим на простейший пример атома, атом водорода . Атом состоит из протона и электрона, удерживаемых вместе посредством электромагнитной силы между положительно заряженным протоном и отрицательно заряженным электроном. Электрон вращается вокруг протона, потому что это более легкая частица, вроде как Земля вращается вокруг Солнца. Однако есть большие различия в картине вращения Земли вокруг Солнца и вращения электрона вокруг ядра.1_1 $ H мы можем сделать изотопов водорода. Вот три распространенных изотопа водорода. Если мы добавим к ядру водорода протон , мы получим гелий (другой элемент). Вот два распространенных изотопа гелия. Другой пример — углерод. Поскольку символ элемента и атомный номер являются избыточными, вы часто будете видеть изотопы, написанные без атомного номера. Например, вы увидите только 12 C.{35} _ {17} $ Cl? Число протонов задается атомным номером , нижним числом, поэтому количество протонов равно 17. Это нейтральный атом , поэтому будет равное количество отрицательно заряженных электронов, чтобы уравновесить положительно заряженные протоны, таким образом, число электронов также равно 17. Мы знаем, что атомная масса А = Я + Н где N — количество нейтронов. Переставляя уравнение, получаем N = А — Я Подставляя уже известные числа, получаем N = 35-17 = 18 = количество нейтронов Теперь вы можете подумать, что атомное ядро с большим количеством протонов (например, 12 C) разлетится из-за электрического отталкивания между положительно заряженными протонами.Оказывается, эти силы электрического отталкивания преодолеваются силой притяжения между протонами и нейтронами, называемой сильной ядерной силой. На малых расстояниях внутри ядра эта сила сильнее электромагнитных сил отталкивания, но на больших Атомная массаГрамм — не очень удобная единица измерения атомных масс, поэтому определена новая единица, называемая единицей атомной массы (u) . 1 u = 1.66053904 x 10 -24 г Повторно выразив массы субатомных частиц в атомных единицах массы, получим
Используя инструмент, называемый масс-спектрометром , мы можем очень точно измерить массу атомов и молекул. Вот некоторые измеренные массы изотопов с помощью масс-спектрометра .
|
