Протоны нейтроны и электроны: Как узнать сколько протонов, нейтронов и электронов находится в атоме фтора?

НАЧАЛА ФИЗИКИ

Слева вверху от символа химического элемента указывается суммарное число протонов и нейтронов в ядре этого атома (массовое число). Например, символ

обозначает атом урана, содержащий 92 электрона и 238 протонов и нейтронов в ядре, из которых 92 протона и 146 = 238 — 92 нейтронов. Аналогично символ обозначает атом железа, в котором содержатся 26 электронов (или протонов в его ядре) и 30 = 56 — 26 нейтронов в ядре. Так же обозначают ядра этих элементов: — ядро атома урана, содержащее 92 протона и 146 нейтронов, — ядро атома железа, содержащее 26 протонов и 30 нейтронов.

Существуют атомы, которые имеют одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов. Поскольку у них одинаковое число электронов, то эти атомы обладают одинаковыми химическими свойствами и потому относятся к одному и тому же химическому элементу, но у них разная масса и разные свойства ядер. Такие атомы (и их ядра тоже) называются изотопами одного и того же элемента. Например, изотопами свинца являются атомы , , , , в состав которых входят соответственно 124, 125, 126 и 127 нейтронов. Отметим, что число протонов в ядре, которое, как правило, обозначают буквой Z, принято называть зарядовым, а суммарное количество нейтронов и протонов — массовым числом, которое обозначают буквой A. Число нейтронов обозначают буквой N, но специального называния это число не имеет. Рассмотрим несколько примеров.

Пример 36.5. Сколько α— и β-распадов должно произойти, чтобы ядро превратилось в стабильный изотоп свинца ?

Решение. При α-распаде заряд ядра уменьшается на две, а массовое число — на четыре единицы. При β-распаде заряд ядра увеличивается на одну единицу (за счет испускания электрона), а массовое число не меняется. Поэтому при превращении урана в свинец должно произойти (238 206)/4 α-распадов, во время которых заряд ядра уменьшается на 16 единиц, и 6 β-распадов, чтобы общее уменьшение заряда ядра стало равно (92 — 82) = 10.

Mathway | Популярные задачи

Разница между протоном, нейтроном и электронами — Разница Между

Протоны, нейтроны и электроны обычно называют субатомными частицами. Они являются важными компонентами для построения атома. Каждый атом имеет разное количество протонов, нейтронов и электронов. И им

Главное отличие — Протон против Нейтрона против Электронов

Протоны, нейтроны и электроны обычно называют субатомными частицами. Они являются важными компонентами для построения атома. Каждый атом имеет разное количество протонов, нейтронов и электронов. И именно так атомы сохраняют свою индивидуальность и уникальность. У них разные заряды и разные массы. Кроме того, роли каждой из субатомных частиц весьма отличаются друг от друга. главное отличие между протоном, нейтроном и электронами можно найти их заряды.Протоны заряжены положительно, а нейтроны нейтральны, а электроны заряжены отрицательно.

Что такое протоны

Протоны находятся в ядре атома, и они находятся вместе с нейтронами. Протон был открыт Эрнестом Резерфордом, который утверждал, что большая часть пространства атома пуста, а масса была сосредоточена только в небольшой плотной области внутри атома, называемого ядром. Протоны положительно заряженный, Заряд в этом случае определяется величиной кулоновского заряда электрона. Заряд протона равен заряду электрона и, следовательно, может быть выражен как 1e. (1e = 1,602 * 10^-19 С). Атомное ядро ​​остается положительно заряженным благодаря наличию протонов.

Протоны тяжелы, и у них есть масса 1.672 * 10^-27 кг, Как уже упоминалось выше, протоны легко вносят вклад в массу атома. Протоны вместе с нейтронами называются «нуклонами». В каждом атоме присутствует один или несколько протонов. Число протонов отличается в каждом атоме и образует идентичность атома. Когда элементы группируются в периодической таблице, число протонов используется в качестве атомного номера этого элемента.

Протон символизируется как ‘п. Протоны не участвуют в химических реакциях, а только подвергаются ядерным реакциям.

Что такое нейтроны

Как уже упоминалось выше, нейтроны находятся вместе с протонами в ядре. Однако нейтроны не взимается частицы. Следовательно, он может удобно делить пространство с протонами без каких-либо сил отталкивания. Например, если бы нейтроны были заряжены отрицательно, они бы притягивались к протонам, или, если бы они были заряжены положительно, возникла бы отталкивающая сила. Нейтроны весят немного выше, чем протоны. Тем не менее, это примерно считается масса одной атомной единицы массы, Количество нейтронов, вместе с числом протонов, образуют атомное массовое число. Количество нейтронов и протонов внутри ядра не одинаково. Нейтрон может быть обозначен символом ‘N. » Нейтроны также не участвуют в химических реакциях и подвергаются только ядерным реакциям.

Что такое электроны

Электроны являются третьим типом субатомных частиц, и они находятся на орбите вокруг ядра атома в дискретных оболочках с дискретными уровнями энергии. Электроны отрицательно заряженныйи каждый электрон несет заряд, равный 1e. Вес электронов настолько мал, что считается незначительным по сравнению с массами протонов и нейтронов.

Так же, как число протонов, число электронов в атоме несет идентичность каждого элемента. То, как электроны распределяются в оболочках внутри каждого элемента, выражается их электронной конфигурацией. Количество электронов аналогично количеству протонов, найденных в элементе. Электроны обозначаются как ‘е. Электроны — единственная субатомная частица, которая участвует в химических реакциях. Они также принимают участие в определенных ядерных реакциях.

Разница между протоном, нейтроном и электронами

Определение

Протон является положительно заряженной субатомной частицей, найденной в атоме.

нейтрон нейтральная субатомная частица, найденная в атоме.

электрон является отрицательно заряженной субатомной частицей, найденной в атоме.

Проживание в атоме

Протоны находятся в ядре; они принадлежат к группе нуклонов.

Нейтроны находятся в ядре; они принадлежат к группе нуклонов.

Электроны встречаются на орбите вокруг ядра атома на определенных энергетических уровнях.

Обвинять

Протоны положительно заряжены.

Нейтроны нейтральны.

Электроны отрицательно заряжены.

Вес

Протоны весить 1.672 * 10^-27 кг.

Нейтроны весят немного выше, чем протоны.

Вес электроны ничтожно мал по сравнению с весом протонов и нейтронов.

Символы

Протоны символизируются как «р.»

Нейтроны символизируются как «н.»

Электроны символизируются как «е.»

Реакции

Протоны принимать участие только в ядерных реакциях.

Нейтроны только подвергаться ядерным реакциям.

Электроны принимать участие как в химических, так и в ядерных реакциях.

Изображение предоставлено:

«Кварковая структура протона» от Арпада Хорват — собственная работа.

Как определить протоны, нейтроны и электроны

Атомы состоят из плотного ядра или ядра, которое содержит положительно заряженные частицы, называемые протонами, и незаряженные частицы, называемые нейтронами. Отрицательно заряженные электроны занимают несколько ограниченные области пространства за пределами ядра, называемые орбиталями. Протоны и нейтроны весят почти в 2000 раз больше, чем электроны, и поэтому составляют почти всю массу атома. Для любого данного элемента в периодической таблице количество протонов в ядрах его атомов согласовано. Например, каждый атом углерода содержит шесть электронов. Количество электронов соответствует количеству протонов в нейтральном атоме, но атомы могут приобретать или терять электроны во время химических реакций. Количество нейтронов также меняется от одного атома к другому. Химики называют изотопами атомы одного и того же элемента с разным числом нейтронов. Понимание этих терминов представляет собой ключ к определению протонов, нейтронов и электронов в изотопе.

Определите массовое число изотопа по его символу. По соглашению ученые указывают массовое число изотопа в виде надстрочного числа перед символом элемента, например, 235U, или с дефисом после символа, как в U-235.

Определите количество протонов в ядре изотопа, указав его атомный номер в периодической таблице элементов. В таблице Менделеева элементы упорядочены по возрастанию атомного номера. Например, U представляет собой химический символ урана и имеет атомный номер 92. Это означает, что все атомы урана содержат в своем ядре 92 протона.

Вычислите количество электронов, содержащихся в изотопе, отметив, включает ли его символ заряд. Обозначение заряда представляет собой положительное или отрицательное число, обычно записанное в виде надстрочного индекса после химического символа, например 235U (4+). Это указывает на то, что атом урана потерял четыре электрона. В отсутствие заявленного заряда изотоп обладает нулевым зарядом, а количество его электронов равно количеству протонов. Вычтите положительные заряды из атомного номера или добавьте отрицательные заряды к атомному номеру, если символ содержит указанный заряд. Например, 235U (4+) будет содержать 92-4 = 88 электронов.

Найдите количество нейтронов в изотопе, вычтя количество протонов из массового числа, указанного в символе. Например, 235U, который содержит 92 протона, поэтому содержит 235 — 92 = 143 нейтрона.

Вещи, которые вам понадобятся

• Периодическая таблица элементов
• Калькулятор

Биомолекулы и химия жизни – протоны, нейтроны и электроны

Протоны, нейтроны и электроны

Химия 101 – Субатомная мыльная опера

Когда придет время
к тому же в атомном мире достаточно драмы, чтобы соперничать с самым эпическим
теленовелла. Есть любовь. Есть ненависть. Связи образуются и разрываются. И
да, скандал. Прежде всего, однако, мы должны познакомиться с актерским составом.

Главные герои

Протон
девица с наполовину полным стаканом: у нее положительный заряд, она
в атомном ядре — кому не нравится быть центром
внимание? — и тусуется со своей лучшей подругой, нейтроном . То
Нейтрон полностью согласен с этой ассоциацией, потому что она бесплатно живет в ядре. Возьми? Один протон весит 1,672623 × 10 ^-24 г, а один нейтрон весит чуть больше — 1,6749286 × 10 ^-24 г.
Их «жизнь» буквально вращается вокруг кого-то другого, а их крошечные размеры и масса заставляют их чувствовать себя невидимыми. Неудивительно, что они такие
отрицательный. Ладно, может быть, мы немного проецируем.

Хорошо это или плохо, но эти
протоны, нейтроны и электроны составляют атомов .В
обычный старый атом, там точно такое же количество протонов, как и там
являются электронами. Это означает, что блок в целом электрически
нейтральный: его положительные и отрицательные вибрации уравновешиваются.

В природе,
существует 92 вида атомов. Единственное, что делает один вид атома
отличается от другого вида числом протонов, присутствующих в
ядро, или атомный номер . Каждый вид атома является фундаментальной структурной единицей другого элемента .

Элементы
являются субстанциями, которые нельзя расщеплять дальше, не теряя самого почетного отличия «субстанции». Все элементы перечислены для вашего удовольствия от просмотра в
периодическая таблица элементов.

Например, атом элемента кислорода имеет атомную
номер 8 (это означает, что у него восемь протонов) и является наименьшим «кусочком» кислорода, который вы
может когда-нибудь иметь. Если вы разложите его дальше, у вас будет субатомный
частицы, но они не будут обладать свойствами кислорода.Это было бы
как съесть кусок муки (гадость), когда на самом деле ты хочешь
печенье с шоколадной крошкой.

Представление, углерод ( ¹² C): 

И его дружественный сосед по таблице Менделеева, кислород ( ¹⁶ O): 

By
таким образом, что надстрочное число рядом с элементом равно
общее количество протонов и нейтронов в элементе. Проведя быстрый расчет, мы знаем, что углерод-12, или ¹² C, имеет шесть протонов; следовательно, 12 – 6 = 6 нейтронов. Кислород-16, или ¹⁶ O, имеет восемь протонов и восемь нейтронов.

Закуска для мозгов

Некоторые бактерии образуют крошечные электрические провода, по которым могут течь электроны. Они называются нанопроволоками, и вы можете проверить их здесь.

ОТ «БОЛЬШОГО ВЗРЫВА» К ПРОТОНАМ, НЕЙТРОНАМ И ЭЛЕКТРОНАМ — ФИЗИКЕ ЧАСТИЦ

Блог старшего Пэта Конника, OP

НАЧАЛЬНЫЕ РАЗМЫШЛЕНИЯ:

Начало может быть трудным, и начало Большого Взрыва является напоминанием об этом:

• Вы когда-нибудь были настолько «горячи» (сердиты), что не могли видеть прямо? Успокоение может иметь большое значение и позволить вещам буквально утрястись, верно? Есть интересная параллель с производством элементарных частиц и последующими поколениями материи из самой себя…
• Аналогичным образом, вы когда-нибудь чувствовали себя «тесно» в пространстве или загнанным в угол? Опять же, если вы можете получить немного места (a.к.а. испытайте небольшое расширение), все не будет казаться таким плотным и беспорядочным. Материи требовалось пространство, чтобы выйти из энергии и организоваться в более сложные структуры!
• Да, порядок вещей шел поэтапно. С физикой элементарных частиц строительные блоки действительно сошлись воедино, создавая захватывающие возможности по пути, при условии, что было достаточно места и относительного спокойствия (с точки зрения температуры)!
• Подумайте о том, как ваш необузданный гнев помешал вашему вниманию к сообществу!

НАУКА ЗА РАЗМЫШЛЕНИЯМИ:

ОТ «БОЛЬШОГО ВЗРЫВА» ДО ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ — ФИЗИКА ЧАСТИЦ I

https://3c1703fe8d.site.internapcdn.net/newman/gfx/news/hires/2017/5970d3cba1db6.jpg

В 1920-х годах ученые работали над последствиями работы Эйнштейна по общей теории относительности предыдущего десятилетия. В 1929 году Эдвин Хаббл, американский астроном, наблюдал свет от недавно открытых галактик и обнаружил, что он смещен в красную сторону, то есть наблюдаемые энергии были меньше, чем ожидалось, сдвинуты в сторону относительно более низкой энергии красного цвета и в сторону от фиолетовый свет с более высокой энергией. (По сути, это облегченная версия более знакомого эффекта Доплера, связанного со звуком.Подумайте о проезжающей машине скорой помощи, сирена которой звучит более высоко, когда она приближается к вам, а затем более низко после того, как она проедет и удаляется от вас.) Эти наблюдения согласуются с расширяющейся Вселенной, которую бельгийский астроном и математический (теоретический) физик Джордж Леметр предложил в 1927 году, когда он получил докторскую степень. из Массачусетского технологического института. (Независимая параллельная работа была проделана русским математиком Александром Фридманом примерно в 1922 году.) Эйнштейн осторожно относился к следствиям, вытекающим из этих работ.

Несколько лет спустя Леметр выдвинул свою «гипотезу первичного атома», когда он начал рассматривать последствия обращения временной шкалы, чтобы спросить: «Что может вызвать расширение Вселенной?» Сегодня мы знаем эту идею в народе как теорию «Большого взрыва», изначально пренебрежительное название, данное одним из первых критиков теории Лемэтра, коллегой-астрономом Фредом Хойлом.

В начале согласно науке был «Большой взрыв». Эта идея может звучать так, как будто она противоречит теологии или противоречит ей, но я могу вас уверить, что это не так.Знаете ли вы, что Жорж Леметр тоже был священником-иезуитом, который не видел конфликта между наукой и религией?

Начало Большого Взрыва обязательно было горячим. Рассмотрим всю известную энергию (и будущую материю) Вселенной, ограниченную чрезвычайно малым пространством. Мы не знаем, каким было самое начало, но мы можем понять, что, вероятно, произошло, когда все началось. Образование фундаментальных (или элементарных) частиц произошло в первую миллионную долю секунды, когда Вселенная охладилась до 1 триллиона (1 000 000 000 000 = 10 ¹² ) Кельвина (К).

Примечание читателя . Основываясь на нашем нынешнем, хотя и неизбежно неполном понимании, в физике существует два типа фундаментальных, или элементарных, частиц: фермионов , связанных с самой материей, и бозонов , связанных с взаимодействиями между материей. Эти более поздние частицы связаны с более знакомыми гравитационными и электромагнитными силами и, возможно, менее знакомыми сильными и слабыми ядерными взаимодействиями. Бозон Хиггса связан с идеей массы…

http://palaeos.com/cosmos/primordial/images/birth_of_Universe.jpg

• Эпоха Планка : В начале предполагается, что все 4 взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерное) объединены еще не подтвержденной теорией супергравитации. Начальная температура была около 10 ³²   было только энергии, а еще не было материи.
• Эпоха Великого Объединения : В 10 ^-43 с гравитация отделилась от трех других сил, образовав Великую Объединенную Силу и гравитоны.Вселенная все еще была невероятно горячей, 10 ²⁹
• Инфляционная эпоха : В 10 ^-36 с, когда начальная температура упала всего до 10 ²⁸ К, вторая фундаментальная сила, сильное ядерное взаимодействие, отделилась от других, оставив единственное электрослабое взаимодействие в едином государство. Следовательно, с 10 ^-33 с до 10 ^-32 с известная Вселенная расширилась в 10 ²⁶ раз (!), до размеров грейпфрута.В это время были созданы первые частицы, кварки и лептоны. Помните E = mc ² .
• Электрослабая Эпоха : В 10 ^-12 с, когда электрослабое взаимодействие разделилось на электромагнитное и слабое ядерное взаимодействие, оно создало многочисленные бозоны W и Z и бозоны Хиггса, опосредующие слабое ядерное взаимодействие и массу соответственно. Фундаментальные частицы представляли собой плазму независимых кварков в море глюонов, которое было распространено по «грейпфрутовой» Вселенной. В это время лептоны расщепляются на электроны/позитроны и нейтрино/антинейтрино.Температура: 10 ¹⁴
• Кварковая эпоха : Вскоре после электрослабой эпохи до 10 ^-6 с, то есть в течение большей части последней миллионной доли секунды, по мере того, как температура продолжала повышаться, образовались два типа лептонов, электроны и нейтрино. уменьшиться примерно до 10 ¹²   При этой относительно более низкой температуре электромагнитное и слабое взаимодействия окончательно разделились, образуя теперь в общей сложности четыре отдельных сил. Энергии все еще слишком высоки, чтобы кварки могли объединяться в адроны, такие как протоны и нейтроны.
• К концу первой миллионной секунды было
  • 24 вида фермионов
    • Шесть называются кварками: верхние и нижние, прелестные и странные, верхние и нижние.

    Шесть из них называются лептонами: электрон и его нейтрино, мюон и его нейтрино, тау и его нейтрино.

    • еще шесть являются антикварками.
    • последние шесть являются антилептонами.
  • 4 типа калибровочных бозонов, связанных с каждой из сил во Вселенной
    • (Гравитон, связанный с гравитацией, предполагается, но его еще предстоит найти.)
    • глюонов (сильное ядерное взаимодействие)
    • W-бозоны и Z-бозоны (слабое ядерное взаимодействие)
    • фотон (электромагнитная сила)
  • и 1 скалярный бозон, связанный с концепцией массы

Большой взрыв славной энергии, благослови Господа,
Частицы и античастицы, благослови Господа,
Кварки и лептоны, благослови Господа
Бозоны, связанные с четырьмя фундаментальными силами, благослови Господа, благослови Господа
Хвалите и ликуйте Бога во веки веков!

ОТ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ К ПРОТОНАМ И НЕЙТРОНАМ — ФИЗИКА ЧАСТИЦ II

Электрон, третья часть атома, тоже фермион, но не кваркового типа. Он принадлежит к семейству лептонов, которые отличаются от кварков тем, что лептоны не взаимодействуют с сильным ядерным взаимодействием, как фермионы. На сегодняшний день кварки и лептоны являются самыми маленькими частицами, о которых нам известно.

ВРЕМЕННАЯ ЛИНИЯ ПОСЛЕ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

https://phys.libretexts.org/Bookshelves/University_Physics/Book%3A_University_Physics_(OpenStax)/Map%3A_University_Physics_III_-_Optics_and_Modern_Physics_(OpenStax)/11%3A_Particle_Physics_and_Cosmology/11.7%3A_Evolution_of_the_Early_Universe

Мы продолжаем нашу хронологию ранней Вселенной с конца миллионной доли секунды до 380 000 лет!

• Адронная эпоха: В оставшееся время до истечения первой секунды, когда Вселенная остыла всего до 10 ¹⁰ Кельвина, кварки начали объединяться в адроны. К ним относятся протон (2 верхних кварка и 1 нижний кварк) и нейтрон (1 верхний кварк и 2 нижних кварка). Это пример, демонстрирующий силу сообщества в наименьшем известном масштабе материи, о котором мы в настоящее время знаем.  Нейтрино образовались, когда протоны столкнулись с электронами, образующими нейтроны; некоторые из этих нейтронов и нейтрино снова превратились в электроны и протоны. Эти адроны и антиадроны в значительной степени аннигилировали друг друга, оставив лишь небольшой избыток адронов (материи) над антиадронами (антиматерией).
• Предел энергии, достижимый в настоящее время на Большом адронном коллайдере, заставляет нас полагать, что кварки являются фундаментальными частицами только в наше время, главным образом потому, что в настоящее время мы не можем создавать более высокие температуры внутри ускорителей частиц! Мы полагаем, что именно по этой причине кварки фермионов на основе кварков никогда не наблюдались отдельно от фермионов, частью которых они являются.
• Лептон Эпоха: Теперь, всего через 1 секунду после того, как Вселенная остыла всего до 10 ⁹ Кельвинов, во Вселенной доминировали лептоны и антилептоны. Лептонам и антилептонам потребовалось в 200 раз больше времени (примерно до 3 минут), чтобы аннигилировать друг друга, снова оставив небольшой избыток лептонов (материи) над антилептонами (антиматерией). В частности, когда электроны и позитроны (антиэлектроны) сталкивались и уничтожали друг друга, рождались фотоны, и наоборот.
• Нуклеосинтез Большого Взрыва: Теперь, когда стадия была немного очищена и охлаждение продолжалось до 10 ⁷ Кельвина, позволяя сильному ядерному взаимодействию закрепиться, протоны и нейтроны, наконец, смогли сформировать простые ядра (без атомов с электронами). ), от 3 до 20 минут:
  • [Протоны сами по себе составляют водород-1.Это не «комбинированное» ядро, как другие последующие.]
  • Дейтерий, водород-2, комбинация 1 протона и 1 нейтрона, простейшее «комбинированное» ядро ​​
  • Гелий-3, комбинация 2 протонов и 1 нейтрона.
  • Гелий-4, комбинация 2 протонов и 2 нейтронов.
  • Литий-7, комбинация 2 протонов и 4 нейтронов.

• Примерно до 380 000 лет после Большого взрыва расширение и охлаждение продолжались до температуры чуть выше 4000 К, Вселенная теперь состояла из
  • атомных ядер: примерно 75% водорода-1. Реакции синтеза сделали большую часть оставшихся 25% гелием-4. Гораздо меньшие количества, порядка 0,01%, были сделаны из дейтерия и гелия-3. Также было произведено меньшее количество лития.
  • свободных электронов, несвязанных с ядрами.
  • энергии в виде фотонов.

Протоны и нейтроны, благословите Господа,
Атомные ядра, благословите Господа,
Свободные электроны, благословите Господа,
Фотоны энергии, благословите Господа,
все навсегда!  

ССЫЛКИ — Хронология Большого Взрыва:

https://www.youtube.com/watch?v=HdPzOWlLrbE Видео National Geographic

www.physicsoftheuniverse.com/topics_bigbang_timeline.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Chronology_of_the_universe

https://science.howstuffworks.com/dictionary/astronomy-terms/big-bang-theory4.htm

https://web.njit.edu/~gary/202/Lecture26.html

https://en. m.wikipedia.org/wiki/Big_Bang_нуклеосинтез

Все, что есть — в цифрах

Сегодня все есть — в цифрах.Инженерный колледж Университета Хьюстона представляет сериал о машинах, на которых работает наша цивилизация, и о людях, чья изобретательность их создала.

Цветок. Камень. Тостер печь. Все очень разные вещи. И все сделано из одного и того же материала.

В средней школе мы узнали об основных строительных блоках Вселенной — атомах. Они состоят всего из трех разных частиц — протонов, нейтронов и электронов. Детали немного изменились за эти годы.Электроны больше не вращаются вокруг ядра атома, как планеты вокруг звезды. Теперь они играют в прятки в облаках вероятностей. И мы можем разделить эти крошечные частицы на более мелкие фрагменты, если захотим. Но протоны, нейтроны и электроны — это все, что нам нужно, чтобы хорошо рассмотреть все, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни. Всего три частицы — ингредиенты цветов, камней, тостеров и всего остального.

Электронные орбитали атома неона (Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли)

Наш мир начинает обретать форму, когда мы смешиваем эти ингредиенты.Один протон плюс один электрон дают нам атом водорода. Шесть протонов, шесть нейтронов и шесть электронов, и у нас есть атом углерода. Но не каждая комбинация частиц держится вместе. Всего в природе существует чуть менее 100 типов атомов или элементов. Куда бы вы ни отправились во Вселенной, вы найдете только эти 100 или около того разновидностей атомов.

Не в равных пропорциях, конечно. Два самых легких вещества, водород и гелий, составляют 98 процентов того, что мы видим во Вселенной. У них несправедливое преимущество в том, что они появились вскоре после Большого Взрыва.Большинству других элементов пришлось ждать, пока их произведут гигантские ядерные реакторы, известные как звезды. Как выразился астрофизик Карл Саган, «…кальций в наших зубах, железо в нашей крови… мы сделаны из звездного вещества».

Изображение предоставлено Европейским космическим агентством. Он указан как область звездообразования LH 95 в Большом Магеллановом Облаке. Изображение было получено с помощью космического телескопа Хаббл. (Европейское космическое агентство/Википедия)

Большая часть водорода и гелия во Вселенной все еще заключена в звездах.Здесь, на Земле, во внешней коре преобладают такие элементы, как кислород и калий. В целом всего 8 элементов составляют 99 процентов того, что мы находим здесь, на Земле, — свидетельство простоты.

История начинает усложняться, когда мы смотрим на молекулы — атомы, объединившие силы. Все мы знаем химическую формулу воды: h3O — два атома водорода, связанные с одним атомом кислорода. Но молекулы могут состоять из любого количества атомов. И молекулярные свойства зависят не только от атомов, но и от того, как они связаны друг с другом.ДНК человека представляет собой молекулу, состоящую всего из пяти различных элементов: углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора. Но количество отдельных атомов исчисляется сотнями миллиардов. А, как мы знаем, две нити ДНК, идентичные на 99,9%, могут вести себя совершенно по-разному. Когда атомы объединяются, возможности почти безграничны.

Структура ДНК с подробным изображением структуры четырех оснований, аденина, цитозина, гуанина и тимина, а также расположения большой и малой борозд.(Зефирис/Википедия)

Но все начинается с простой троицы частиц — протонов, нейтронов и электронов. Такая дико богатая вселенная; такое удивительно скромное основание.

Слева направо: цветок Nelumno nucifera в ботаническом саду в Аделаиде (Перипит/Википедия), неизвестная белая скала (Джон Зандер/Википедия) и тостер (Википедия)

Я Энди Бойд из Хьюстонского университета, где нас интересует, как работают изобретательные умы.

(Музыкальная тема)

Почему нейтрон тяжелее протона?

Еще Галилей писал, что книга природы «написана математическим языком». Это правда, что цифры появляются повсюду в жизни ученых и инженеров. Но не все числа равны: одни числа намного значительнее других. Количество кукабарр в Новом Южном Уэльсе в день Рождества может представлять интерес для орнитологов, но вряд ли имеет космическое значение.Однако некоторые числа кажутся фундаментальными для работы Вселенной, поскольку они описывают самые основные процессы в природе. Первыми в этом списке стоят массы субатомных частиц. Физикам известны десятки частиц, но наиболее знакомыми являются составляющие атомы: электроны, протоны и нейтроны. Протон примерно в 1836 раз тяжелее электрона; никто не знает, почему природа выбрала именно это число. Нейтрон очень немного тяжелее протона, примерно на 0.1%, или 1,00137841887 по лучшим измерениям. Почему это? Возможно, Великий Космический Создатель изначально предполагал, что протон и нейтрон будут иметь одинаковую массу, но затем добавил немного больше для нейтрона в качестве запоздалой мысли?

Разница в массах нейтрона и протона может показаться тривиальной, но она имеет важные последствия, потому что масса — это форма энергии (помните, E = mc2). Нейтрон, как оказалось, имеет немного большую массу (и, следовательно, энергию), чем протон и электрон вместе взятые. В природе существует общий принцип, согласно которому физические системы, оставленные в покое, ищут свое самое низкое энергетическое состояние.Конечно же, изолированный нейтрон скоро, в среднем за 15 минут, спонтанно превратится в электрон и протон, процесс, известный как бета-распад. (Другая частица, называемая антинейтрино, также задействована, но это не должно нас здесь интересовать, поскольку она почти не имеет массы.) Единственная причина, по которой нейтроны все еще существуют, заключается в том, что через несколько минут после горячего Большого взрыва, образовавшего Вселенную, , некоторые нейтроны прилепились к протонам. Сильная сила связи нейтрон-протон изменяет энергетический баланс — ненамного, но достаточно, чтобы стабилизировать нейтроны.

Если бы Великий Конструктор сделал наоборот, с протонами примерно на 0,1% тяжелее нейтронов, произошла бы катастрофа. В этих условиях изолированные протоны превращались бы в нейтроны, а не наоборот. Некоторые протоны можно было бы спасти, присоединившись к нейтронам. Но водород, простейший химический элемент, не содержит стабилизирующего нейтрона; атомы водорода состоят только из протона и электрона. В этой отсталой Вселенной водород не мог существовать. Не могло быть и стабильных долгоживущих звезд, использующих водород в качестве ядерного топлива.Более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород, образующиеся в крупных звездах, тоже могут никогда не образоваться. Без стабильных протонов не было бы воды и, возможно, биологии. Вселенная была бы совсем другой.

Тот факт, что вселенная, которую мы знаем, включая наше собственное существование в ней, так тонко зависит от точного значения отношения масс нейтрона к протону, вызвал жаркие споры среди ученых. Было ли это просто счастливой случайностью, что законы физики обернулись именно так? Или он предлагает что-то более глубокое?

Ученые не склонны верить в удачу, поэтому наблюдается всплеск интереса к теории мультивселенной, согласно которой наша Вселенная с отношением масс нейтронов к протонам, равным 1. 00137841887 — лишь один из многих. В других вселенных соотношение будет другим, и, возможно, лишь малая часть будет содержать воду и звезды, которые затем образуют атомы, такие как углерод, из которых может возникнуть жизнь. Только в этой фракции могли быть наблюдатели, чтобы обдумать этот факт. Поэтому неудивительно, что мы оказываемся во вселенной, где нейтронная масса столь благоразумно уравновешена, чтобы допустить сложную химию и наше присутствие как мыслящих, наблюдающих существ.

Предшествующий аргумент основывается на возможности того, что массы нейтрона и протона являются «свободными параметрами», то есть они могли быть разными.Это, казалось, имело место еще в 1950-х годах, когда впервые обсуждалось критическое значение отношения масс. Однако теперь мы знаем, что нейтроны и протоны на самом деле не являются элементарными частицами (в отличие от электрона, который кажется таковым). Скорее, это составные тела с более мелкими частицами внутри. Эти субъядерные составляющие, известные как кварки, обладают собственной массой. Внутри нейтронов и протонов также содержится огромное количество энергии из-за чрезвычайно сильной силы, склеивающей кварки вместе, и это тоже влияет на общую массу (еще раз E = mc2!).Эта структурная сложность делает практически невозможным вычисление точных значений масс протона и нейтрона путем анализа их составляющих, не говоря уже о том, чтобы выяснить, что потребуется для того, чтобы массовый вклад того или иного кварка сместился настолько, чтобы нарушить это критическое отношение массы нейтрона к протону.

Итак, на данный момент 1,00137841887 — это просто «одно из тех чисел», на которых природа остановилась без всякой причины, которую люди могут понять. Если бы значение было немного неправильным, не было бы людей — Галилея или кого-то другого — даже попытки понять.

Получайте обновления научных статей прямо на свой почтовый ящик.

Определение протонов, нейтронов и электронов

Новые измерения экзотического магния предполагают неожиданное изменение формы

Это оборудование на японском заводе по производству пучков радиоактивных изотопов в Вако, Япония, использовалось в эксперименте по созданию экзотического изотопа магния.(Источник: Хизер Кроуфорд/Лаборатория Беркли) )

Чуть более десяти лет назад ученые довели атомы магния до новых пределов, запихивая в их ядра дополнительные нейтроны, приближаясь — и, возможно, достигая — максимального предела для этого элемента.

Теперь международная группа под руководством ученых из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли Министерства энергетики (Berkeley Lab) воспроизвела эту экзотическую систему, известную как магний-40, и получила новые и удивительные сведения о ее ядерной структуре.

«Магний-40 находится на перекрестке, где возникает много вопросов о том, как он выглядит на самом деле», — сказала Хизер Кроуфорд, штатный научный сотрудник отдела ядерных наук в лаборатории Беркли и ведущий автор этого исследования, опубликованного в Интернете 15 февраля. 7 в журнале Physical Review Letters. «Это чрезвычайно экзотический вид».

В то время как количество протонов (имеющих положительный электрический заряд) в его атомном ядре определяет атомный номер элемента – место в периодической таблице – количество нейтронов (не имеющих электрического заряда) может различаться.Самый распространенный и стабильный тип атома магния, встречающийся в природе, имеет 12 протонов, 12 нейтронов и 12 электронов (имеющих отрицательный заряд).

Изображение «коктейля» вторичного пучка, полученного в циклотронном центре в Японии для исследования Mg-40, экзотического изотопа магния. Ось X показывает отношение массы к заряду, а ось Y показывает атомный номер. Это изображение было размещено на обложке журнала Physical Review Letters. (Кредит: Х.Л. Кроуфорд и др., Phys. Rev. Lett.122, 052501, 2019)

Атомы одного и того же элемента с разным числом нейтронов известны как изотопы. Изотоп магния-40 (Mg-40), который изучали исследователи, имеет 28 нейтронов, что может быть максимумом для атомов магния. Для данного элемента максимальное количество нейтронов в ядре называется «линией нейтронного капельного полива» — если вы попытаетесь добавить еще один нейтрон, когда он уже заполнен, лишний нейтрон немедленно «стечет» из ядра. .

«Он чрезвычайно богат нейтронами, — сказал Кроуфорд.«Неизвестно, находится ли Mg-40 на линии капельного полива, но наверняка очень близко. Это один из самых тяжелых изотопов, который в настоящее время можно экспериментально получить вблизи капельной линии».

Форма и структура ядер вблизи границы стока особенно интересны физикам-ядерщикам, потому что они могут научить их фундаментальным вещам о том, как ядра ведут себя в экстремальных условиях существования.

«Интересный вопрос, который постоянно возникает у нас в голове, когда вы подходите так близко к линии капельного полива, звучит так: «Изменяется ли способ расположения нейтронов и протонов?», — сказал Пол Фэллон, старший научный сотрудник отдела ядерных исследований лаборатории Беркли. Отдел и соавтор исследования.«Одной из основных целей в области ядерной физики является понимание структуры от ядра элемента до линии капельного полива».

Такое фундаментальное понимание может дать информацию о теориях взрывных процессов, таких как создание тяжелых элементов при слиянии звезд и взрывах, сказал он.

Исследование основано на экспериментах на заводе по производству пучков радиоактивных изотопов (RIBF), расположенном в Центре ускорительных исследований RIKEN Nishina в Вако, Япония.Исследователи объединили мощность трех циклотронов — типа ускорителя частиц, впервые разработанного основателем лаборатории Беркли Эрнестом Лоуренсом в 1931 году — для создания пучков частиц очень высокой энергии, движущихся со скоростью около 60 процентов от скорости света.

Исследовательская группа использовала мощный пучок кальция-48, стабильного изотопа кальция с магическим числом протонов (20) и нейтронов (28), чтобы поразить вращающийся диск из углерода толщиной в несколько миллиметров.

Некоторые ядра кальция-48 столкнулись с ядрами углерода, в некоторых случаях образовав изотоп алюминия, известный как алюминий-41.Ядерно-физический эксперимент отделил эти атомы алюминия-41, которые затем были направлены на попадание в пластиковую мишень толщиной в несколько сантиметров (CH ₂ ). Удар этой вторичной мишенью выбил протон из некоторых ядер алюминия-41, создав ядра Mg-40.

Эта вторая мишень была окружена детектором гамма-излучения, и исследователи смогли исследовать возбужденные состояния Mg-40 на основе измерений гамма-лучей, испускаемых при взаимодействии луча с мишенью.

В дополнение к Mg-40 измерения также зафиксировали энергии возбужденных состояний в других изотопах магния, включая Mg-36 и Mg-38.

«Большинство моделей говорили, что Mg-40 должен быть очень похож на более легкие изотопы, — сказал Кроуфорд. «Но это не так. Когда мы видим что-то, что выглядит совсем по-другому, задача новых теорий состоит в том, чтобы зафиксировать все это».

Поскольку теперь теории расходятся с тем, что было замечено в экспериментах, необходимы новые расчеты, чтобы объяснить, что меняется в структуре ядер Mg-40 по сравнению с Mg-38 и другими изотопами.

Исследование, проведенное лабораторией Беркли, опубликовано на обложке журнала Physical Review Letters. (Источник: Physical Review Letters)

Фэллон сказал, что многие расчеты предполагают, что ядра Mg-40 сильно деформированы и, возможно, имеют форму футбольного мяча, поэтому два добавленных нейтрона в Mg-40 могут жужжать вокруг ядра, формируя так называемое гало-ядро, а не встраиваясь в него. форма, которую демонстрируют соседние изотопы магния.

«Мы размышляем о некоторых физических явлениях, но это должно быть подтверждено более подробными расчетами», — сказал он.

Кроуфорд сказал, что дополнительные измерения и теоретическая работа над Mg-40 и соседними изотопами могут помочь точно определить форму ядра Mg-40 и объяснить, что вызывает изменение в ядерной структуре.

Исследователи отметили, что центр ядерной физики для пучков редких изотопов, новый объект управления науки Министерства энергетики США, который строится в Мичиганском государственном университете, в сочетании с массивом отслеживания энергии гамма-излучения (GRETA), строящимся в лаборатории Беркли, позволит дальнейшие исследования других элементов вблизи ядерной границы.

Исследователи Центра Нисина RIKEN и кампуса RIKEN в Сайтаме, Осакского университета, Токийского университета и Токийского технологического института в Японии; Университет Святой Марии и ТРИУМФ в Канаде; Институт ядерной физики во Франции; Йоркский университет в Великобритании; и Центр исследований тяжелых ионов им. Гельмгольца GSI в Германии также участвовали в исследовании.

Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики США, Королевским обществом и Министерством энергетики США.K. Совет по научно-техническим средствам.

###

Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли, основанная в 1931 году на убеждении, что самые большие научные проблемы лучше всего решаются командами, и ее ученые были отмечены 13 Нобелевскими премиями. Сегодня исследователи из лаборатории Беркли разрабатывают устойчивые энергетические и экологические решения, создают новые полезные материалы, расширяют границы вычислительной техники и исследуют тайны жизни, материи и Вселенной. Ученые со всего мира полагаются на оборудование лаборатории для своих собственных научных открытий.Лаборатория Беркли — это многопрофильная национальная лаборатория, управляемая Калифорнийским университетом для Управления науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт science.energy.gov .

.