Изучавайки структурата на материята, физиците научиха от какво са направени атомите, стигнаха до атомното ядро и го разделиха на протони и неутрони. Всички тези стъпки бяха дадени доста лесно - трябваше само да се ускорят частиците до необходимата енергия, да се сблъскат една с друга и след това те самите се разпаднаха на съставните си части.
Но този трик не работи с протони и неутрони. Въпреки че са съставни частици, те не могат да бъдат „разбити на парчета“ дори при най-силния сблъсък. Ето защо на физиците им бяха необходими десетилетия, за да измислят различни начини да погледнат вътре в протона, да видят неговата структура и форма. В наши дни изследването на структурата на протона е една от най-активните области на физиката на елементарните частици.
Природата дава намеци
Историята на изучаването на структурата на протоните и неутроните датира от 30-те години на миналия век. Когато освен протоните бяха открити и неутрони (1932), чрез измерване на тяхната маса, физиците с изненада откриха, че тя е много близка до масата на протона. Освен това се оказа, че протоните и неутроните "усещат" ядрено взаимодействие по абсолютно същия начин. Толкова същото, че от гледна точка на ядрените сили, протон и неутрон могат да се разглеждат като две проявления на една и съща частица - нуклон: протонът е електрически зареден нуклон, а неутронът е неутрален нуклон . Разменете протоните с неутрони и ядрените сили (почти) няма да забележат нищо.
Физиците изразяват това свойство на природата като симетрия – ядреното взаимодействие е симетрично по отношение на замяната на протоните с неутрони, точно както пеперудата е симетрична по отношение на замяната на лявото с дясното. Тази симетрия, освен че играе важна роля в ядрената физика, всъщност беше първият намек, че нуклоните имат интересна вътрешна структура. Вярно е, че тогава през 30-те години физиците не разбраха този намек.
Разбирането дойде по-късно. Започна с факта, че през 40-те – 50-те години на миналия век, в реакциите на сблъсъци на протони с ядра на различни елементи, учените с изненада откриват все повече и повече частици. Не протони, не неутрони, неоткрити по това време пи-мезони, които задържат нуклони в ядрата, а някакви напълно нови частици. Въпреки цялото си разнообразие, тези нови частици имаха две общи неща. Първо, те, подобно на нуклони, много охотно участваха в ядрени взаимодействия - сега такива частици се наричат адрони. И второ, те бяха изключително нестабилни. Най-нестабилните от тях се разпадат на други частици само за една трилионна от наносекундата, без да имат време да летят дори с размерите на атомно ядро!
Дълго време в адронния зоопарк беше пълна бъркотия. В края на 50-те години на миналия век физиците вече научиха много различни видове адрони, започнаха да ги сравняват един с друг и изведнъж видяха някаква обща симетрия, дори периодичността на техните свойства. Предполага се, че във всички адрони (включително нуклони) има някои прости обекти, които се наричат "кварки". Комбинирайки кварките по различни начини, можете да получите различни адрони, а именно от този тип и с такива свойства, които са открити в експеримента.
Какво прави един протон протон?
След като физиците откриха кварковото устройство на адроните и научиха, че има няколко различни вида кварки, стана ясно, че много различни частици могат да бъдат конструирани от кварки. Така че не беше изненада за никого, когато последващи експерименти продължиха да откриват нови адрони един след друг. Но сред всички адрони беше открито цяло семейство частици, състоящо се, точно като протона, само от две u-кварки и един д-кварк. Един вид "братя" на протона. И тук физиците ги очакваха изненада.
Нека първо направим едно просто наблюдение. Ако имаме няколко обекта, състоящи се от едни и същи "тухли", то по-тежките съдържат повече "тухли", а по-леките - по-малко. Това е много естествен принцип, който може да се нарече принцип на комбинацията или принцип на надстройка и работи добре както в ежедневието, така и във физиката. То се проявява дори в подреждането на атомните ядра - в края на краищата по-тежките ядра просто се състоят от по-голям брой протони и неутрони.
На ниво кварки обаче този принцип изобщо не работи и, трябва да призная, физиците все още не са разбрали напълно защо. Оказва се, че тежките братовчеди на протона също се състоят от същите кварки като протона, въпреки че са един и половина или дори два пъти по-тежки от протона. Те се различават от протона (и се различават помежду си) не композиция,но взаимно местоположениекварки, състоянието, в което тези кварки са един спрямо друг. Достатъчно е да променим взаимното положение на кварките - и получаваме друга, много по-тежка частица от протона.
И какво ще стане, ако все пак вземете и съберете повече от три кварка? Ще има ли нова тежка частица? Изненадващо, няма да работи – кварките ще се счупят на три и ще се превърнат в няколко разпръснати частици. По някаква причина природата "не обича" да комбинира много кварки в едно цяло! Едва съвсем наскоро, буквално през последните години, започнаха да се появяват намеци, че някои мултикваркови частици наистина съществуват, но това само подчертава колко много природата не ги харесва.
От тази комбинаторна теория следва едно много важно и дълбоко заключение – масата на адроните изобщо не се събира от масата на кварките. Но ако масата на адрон може да бъде увеличена или намалена чрез просто рекомбиниране на съставните му тухли, тогава самите кварки изобщо не са отговорни за масата на адроните. Всъщност в последващи експерименти беше възможно да се установи, че масата на самите кварки е само около два процента от масата на протона, а останалата част от гравитацията възниква поради силовото поле (специални частици - глуони съответстват на it), който свързва кварките заедно. Променяйки взаимното подреждане на кварките, например, отдалечавайки ги един от друг, ние по този начин променяме глюонния облак, правим го по-масивен, поради което масата на адрона се увеличава (фиг. 1).
Какво се случва вътре в бързо движещ се протон?
Всичко описано по-горе се отнася до стационарен протон, казано на езика на физиците - това е устройството на протона в неговата рамка за покой. В експеримента обаче структурата на протона е открита за първи път при различни условия – вътре бързо летенепротон.
В края на 60-те години на миналия век при експерименти върху сблъсъци на частици в ускорители се забелязва, че протоните, летящи със скорост, близка до светлината, се държат така, сякаш енергията вътре в тях не е разпределена равномерно, а е концентрирана в отделни компактни обекти. Известният физик Ричард Файнман предложи да наричаме тези бучки материя вътре в протони партони(от английски част -част).
При последващи експерименти са изследвани много свойства на партоните – например електрическият им заряд, техният брой и частта от енергията на протона, която всеки от тях носи. Оказва се, че заредените партони са кварки, а неутралните партони са глуони. Да, да, същите тези глуони, които в рамката на покой на протона просто "обслужват" кварките, привличайки ги един към друг, сега са независими партони и заедно с кварките носят "материя" и енергията на бързо летящ протон. Експериментите показват, че около половината от енергията се съхранява в кварки, а половината в глуони.
Партоните се изучават най-удобно при сблъсъка на протони с електрони. Факт е, че за разлика от протона, електронът не участва в силни ядрени взаимодействия и сблъсъкът му с протон изглежда много прост: електронът излъчва виртуален фотон за много кратко време, който се разбива в зареден партон и в крайна сметка генерира голям брой частици (фиг. 2). Можем да кажем, че електронът е отличен скалпел за „отваряне“ на протона и разделянето му на отделни части – макар и само за много кратко време. Знаейки колко често се случват такива процеси в ускорител, е възможно да се измери броят на партоните вътре в протона и техните заряди.
Кои всъщност са партони?
И тук стигаме до друго невероятно откритие, направено от физици, изучаващи сблъсъци на елементарни частици при високи енергии.
При нормални условия въпросът от какво се състои даден обект има универсален отговор за всички референтни рамки. Например, една водна молекула се състои от два водородни атома и един кислороден атом - и няма значение дали разглеждаме неподвижна или движеща се молекула. Това правило обаче изглежда толкова естествено! - се нарушава, когато говорим за елементарни частици, движещи се със скорости, близки до скоростта на светлината. В една референтна система сложна частица може да се състои от един набор от подчастици, а в друга референтна система – от друга. Оказва се, че композицията е относително понятие!
Как може да бъде това? Ключът тук е едно важно свойство: броят на частиците в нашия свят не е фиксиран – частиците могат да се раждат и изчезват. Например, ако се сблъскате заедно два електрона с достатъчно висока енергия, тогава в допълнение към тези два електрона може да се роди фотон, или двойка електрон-позитрон, или някои други частици. Всичко това е позволено от квантовите закони и точно това се случва в реалните експерименти.
Но този „закон за несъхранение“ на частиците работи при сблъсъцичастици. Но как става така, че един и същ протон от различни гледни точки изглежда като състоящ се от различен набор от частици? Въпросът е, че протонът не е просто три кварка, подредени заедно. Между кварките има глуонно силово поле. Най-общо, силовото поле (като гравитационно или електрическо поле) е вид материално „същност“, което прониква в пространството и позволява на частиците да упражняват силово влияние една върху друга. В квантовата теория полето също се състои от частици, макар и от специални – виртуални. Броят на тези частици не е фиксиран, те непрекъснато се "отделят" от кварки и се поглъщат от други кварки.
Почивайпротонът наистина може да се разглежда като три кварка, между които скачат глуони. Но ако погледнем същия протон от различна референтна система, сякаш от прозореца на минаващ „релативистичен влак“, ще видим съвсем различна картина. Тези виртуални глуони, които слепват кварките заедно, ще изглеждат по-малко виртуални, "по-реални" частици. Те, разбира се, все още се раждат и поглъщат от кварките, но в същото време живеят сами известно време, летят до кварките, като истински частици. Това, което изглежда като обикновено силово поле в една референтна система, се превръща в поток от частици в друга рамка! Имайте предвид, че ние не докосваме самия протон, а само го гледаме от друга референтна система.
Освен това. Колкото по-близо е скоростта на нашия "релативистичен влак" до скоростта на светлината, толкова по-удивителна картина ще видим вътре в протона. Приближавайки скоростта на светлината, ще забележим, че вътре в протона има все повече и повече глуони. Освен това те понякога се разделят на двойки кварк-антикварк, които също летят наблизо и също се считат за партони. В резултат на това ултрарелативистичен протон, тоест протон, движещ се спрямо нас със скорост, много близка до скоростта на светлината, изглежда като взаимнопроникващи облаци от кварки, антикварки и глуони, които летят заедно и сякаш се поддържат един друг (фиг. . 3).
Читател, запознат с теорията на относителността, може да се притесни. Цялата физика се основава на принципа, че всеки процес протича по същия начин във всички инерционни референтни системи. И тогава се оказва, че съставът на протона зависи от референтната система, от която го наблюдаваме ?!
Да, точно така, но това по никакъв начин не нарушава принципа на относителността. Резултатите от физическите процеси - например кои частици и колко се получават в резултат на сблъсък - всъщност се оказват инвариантни, въпреки че съставът на протона зависи от референтната система.
Тази ситуация, необичайна на пръв поглед, но удовлетворяваща всички закони на физиката, е илюстрирана схематично на фигура 4. Тя показва как изглежда сблъсъкът на два високоенергийни протона в различни референтни системи: в останалата система на един протон, в рамката на центъра на масата, в рамката за почивка на друг протон ... Взаимодействието между протоните се осъществява чрез каскада от разделящи се глюони, но само в един случай тази каскада се счита за „вътрешността” на един протон, в другия случай – част от друг протон, а в третия – той е просто обект, който се обменя между два протона. Тази каскада съществува, тя е реална, но към коя част от процеса трябва да се припише зависи от референтната рамка.
3D портрет на протон
Всички резултати, които току-що описахме, се основават на експерименти, проведени преди доста отдавна - през 60-те и 70-те години на миналия век. Изглежда, че оттогава всичко трябва да се проучи и всички въпроси трябва да намерят своите отговори. Но не – структурата на протона все още е една от най-интересните теми във физиката на елементарните частици. Освен това през последните години интересът към него отново нарасна, защото физиците измислиха как да получат „триизмерен“ портрет на бързо движещ се протон, който се оказа много по-сложен от портрета на неподвижен протон.
Класическите експерименти върху сблъсъка на протоните говорят само за броя на партоните и тяхното енергийно разпределение. В такива експерименти партоните участват като независими обекти, което означава, че е невъзможно да се научи от тях как партоните са разположени един спрямо друг, как точно се събират в един протон. Можем да кажем, че дълго време физиците са имали достъп само до „едноизмерен“ портрет на бързо летящ протон.
За да се конструира реален, триизмерен портрет на протон и да се установи разпределението на партоните в пространството, са необходими много по-фини експерименти от тези, които са били възможни преди 40 години. Физиците са се научили да поставят подобни експерименти съвсем наскоро, буквално през последното десетилетие. Те осъзнаха, че сред огромния брой различни реакции, които възникват, когато електрон се сблъска с протон, има една специална реакция - дълбоко виртуално комптоново разсейване, - което ще може да разкаже за триизмерната структура на протона.
Най-общо, еластичният сблъсък на фотон с частица, като протон, се нарича Комптоново разсейване или ефектът на Комптън. Изглежда така: пристига фотон, поглъща се от протон, който за кратко време преминава във възбудено състояние и след това се връща в първоначалното си състояние, излъчвайки фотон в някаква посока.
Комптоновото разсейване на обикновените светлинни фотони не води до нищо интересно – това е просто отражение на светлината от протон. За да се „влезе в действие“ вътрешната структура на протона и да се „усети“ разпределението на кварките, е необходимо да се използват фотони с много висока енергия – милиарди пъти повече, отколкото при обикновената светлина. И точно такива фотони - истински, виртуални - лесно генерират падащ електрон. Ако сега комбинираме едното с другото, тогава получаваме дълбоко виртуално Комптъново разсейване (фиг. 5).
Основната характеристика на тази реакция е, че не унищожава протона. Случващият се фотон не просто удря протона, а сякаш внимателно го сондира и след това отлита. Посоката, в която отлита и каква част от енергията му отнема протонът, зависи от структурата на протона, от относителното положение на партоните вътре в него. Ето защо, изучавайки този процес, е възможно да се възстанови триизмерният вид на протона, сякаш „да се извайва неговата скулптура“.
Вярно е, че е много трудно за експериментален физик да направи това. Необходимият процес е рядък и труден за регистрация. Първите експериментални данни за тази реакция са получени едва през 2001 г. в ускорителя HERA в немския ускорителен комплекс DESY в Хамбург; нова серия от данни сега се обработва от експериментаторите. Въпреки това, дори днес, въз основа на първите данни, теоретиците чертаят триизмерни разпределения на кварки и глуони в протон. Физическата величина, за която физиците правеха само предположения, най-накрая започна да се „проявява“ от експеримента.
Има ли неочаквани открития в тази област? Вероятно отговорът е да. Като илюстрация да кажем, че през ноември 2008 г. се появи интересна теоретична статия, в която се твърди, че бързо летящият протон не трябва да има формата на плосък диск, а на двойно вдлъбната леща. Това се случва, защото партоните, разположени в централната област на протона, са по-силно компресирани в надлъжна посока, отколкото партоните, разположени в краищата. Би било много интересно да тестваме тези теоретични прогнози експериментално!
Защо всичко това е интересно за физиците?
Защо физиците изобщо трябва да знаят как точно се разпределя материята в протоните и неутроните?
Първо, самата логика на развитието на физиката изисква това. В света има много удивително сложни системи, които съвременната теоретична физика все още не може да овладее напълно. Една такава система са адроните. Занимавайки се със структурата на адроните, ние усъвършенстваме способностите на теоретичната физика, която може да се окаже универсална и може би ще помогне в нещо съвсем различно, например при изучаване на свръхпроводници или други материали с необичайни свойства.
Второ, има непосредствени ползи за ядрената физика. Въпреки почти вековната история на изучаване на атомните ядра, теоретиците все още не знаят точния закон за взаимодействието между протони и неутрони.
Те трябва да отгатнат този закон отчасти въз основа на експериментални данни, отчасти да конструират въз основа на знания за структурата на нуклоните. Тук ще помогнат новите данни за триизмерната структура на нуклоните.
Трето, преди няколко години физиците успяха да получат не по-малко от ново агрегатно състояние на материята - кварк-глюонна плазма. В това състояние кварките не седят вътре в отделни протони и неутрони, а свободно обикалят целия куп ядрена материя. Може да се постигне например по следния начин: тежките ядра се ускоряват в ускорител до скорост, много близка до скоростта на светлината, след което се сблъскват челно. При този сблъсък за много кратко време възниква температура от трилиони градуси, която разтапя ядрата в кварк-глюонна плазма. Така се оказва, че теоретичните изчисления на това ядрено топене изискват добро познаване на триизмерната структура на нуклоните.
И накрая, тези данни са много необходими за астрофизика. Когато тежките звезди експлодират в края на живота си, те често оставят след себе си изключително компактни обекти - неутронни и евентуално кваркови звезди. Ядрото на тези звезди се състои изцяло от неутрони и може би дори от студена кварк-глюонна плазма. Такива звезди отдавна са открити, но какво се случва вътре в тях може да се гадае. Така че доброто разбиране на кварковите разпределения може да доведе до напредък в астрофизика.
На първо място, трябва да разберете, че има четири отделни вида освободена енергия:
1) химическа енергия, която захранва нашите автомобили, както и повечето устройства на съвременната цивилизация;
2) енергия на ядрено делене, използвана за генериране на около 15% от електроенергията, която консумираме;
3) енергията на горещия ядрен синтез, която захранва слънцето и повечето звезди;
4) енергията на студения ядрен синтез, която се наблюдава от някои експериментатори в лабораторни изследвания и съществуването на която се отхвърля от повечето учени.
Количеството освободена ядрена енергия (топлина / паунд гориво) и от трите вида е 10 милиона пъти повече от химическата енергия. Как се различават тези видове енергия? За да разберете този въпрос, ви трябват известни познания в областта на химията и физиката.
Възползвайки се от предложенията на този онлайн магазин, който продава стоки за дома, можете лесно да закупите всякакви стоки на разумни цени.
Природата ни е дала два вида стабилно заредени частици: протони и електрони. Протонът е тежка, обикновено много малка, положително заредена частица. Електронът обикновено е лек, голям, с размити граници и има отрицателен заряд. Положителните и отрицателните заряди се привличат един към друг, както например северният полюс на магнита привлича южния. Ако донесете магнит със северния полюс до южния полюс на друг магнит, те ще се сблъскат. Сблъсъкът ще освободи малко количество енергия под формата на топлина, но тя е твърде малка, за да бъде лесно измерена. За да изключите магнитите, трябва да вършите работа, тоест да изразходвате енергия. Това е приблизително същото като повдигане на камък обратно нагоре по хълм.
Когато камък се търкаля надолу по хълм, се генерира малко количество топлина, но повдигането на камъка обратно изисква енергия.
По същия начин положителният заряд на протона се сблъсква с отрицателния заряд на електрона, те се "залепват заедно", освобождавайки енергия. Резултатът е водороден атом, обозначен с Н. Водородният атом не е нищо повече от размит електрон, който обгръща малък протон. Ако избиете електрон от водороден атом, ще получите положително зареден Н+ йон, който не е нищо повече от оригиналния протон. „Йон“ е име, прилагано към атом или молекула, която е загубила или придобила един или повече електрони и следователно вече не е неутрална.
Както знаете, в природата има повече от един вид атоми. Имаме кислородни атоми, азотни атоми, атоми на желязо, хелий и други. Как всички са различни? Всички те имат ядра от различен тип и всички ядра съдържат различен брой протони, което означава, че имат различен положителен заряд. Ядрото на хелия съдържа 2 протона, което означава, че има заряд плюс 2, а за да се неутрализира зарядът са необходими 2 електрона. Когато 2 електрона се „залепят” за него, се образува хелиев атом. Кислородното ядро съдържа 8 протона и има заряд 8. Когато 8 електрона се „залепят” за него, се образува кислороден атом. Азотният атом има 7 електрона, железният атом - около 26. Въпреки това структурата на всички атоми е приблизително еднаква: малко, положително заредено ядро, разположено в облак от размити електрони. Разликата в размера между ядрото и електроните е огромна.
Диаметърът на слънцето е само 100 пъти диаметъра на Земята. Диаметърът на облак от електрони в атом е 100 000 пъти диаметъра на ядрото. За да се получи разликата в обемите, е необходимо тези числа да се конструират в куб.
Вече сме готови да разберем какво е химическа енергия. Атомите, тъй като са електрически неутрални, всъщност могат да се слеят един с друг, освобождавайки повече енергия. С други думи, те могат да бъдат комбинирани в по-стабилни конфигурации. Електроните вече са в атома, опитвайки се да бъдат разпределени така, че да се доближат възможно най-близо до ядрото, но поради дифузната си природа изискват определено пространство. Въпреки това, когато се комбинират с електроните на друг атом, те обикновено образуват по-плътна конфигурация, което им позволява да се доближат до ядрата. Например 2 водородни атома могат да се комбинират в по-компактна конфигурация, ако всеки водороден атом дари своя електрон на облак от 2 електрона, който е разделен между два протона.
Така те образуват група, състояща се от два електрона в един облак и два протона, разделени един от друг с пространство, но въпреки това разположени вътре в електронния облак. В резултат на това възниква химическа реакция, която протича с отделяне на топлина: H + H => H G (знакът "=>" означава "влиза" или "става"). Конфигурацията на Н2 е водородна молекула; когато купите цилиндър с водород, не получавате нищо повече от молекула H. Освен това, чрез комбиниране, два електрона H 2 и 8 електрона на O атом могат да образуват още по-компактна конфигурация - водна молекула HO плюс топлина. В действителност, водната молекула е единичен облак от електрони, вътре в който има три точкови ядра. Такава молекула е минималната енергийна конфигурация.
По този начин, когато изгаряме нефт или въглища, ние преразпределяме електроните. Това води до образуването на по-стабилни конфигурации от точкови ядра вътре в облаците от електрони и е придружено от отделяне на топлина. Това е природата на химическата енергия.
В предишната дискусия пропуснахме една точка. Защо ядрата в природата първоначално съдържат два или повече протона? Всеки протон има положителен заряд и когато разстоянието между положителните заряди е толкова малко, че е съизмеримо с пространството около ядрото, те силно се отблъскват взаимно. Отблъскването на подобни заряди е като отблъскването, което се случва между северните полюси на два магнита, когато те се опитват да ги свържат неправилно. Трябва да има нещо, което да преодолява това отблъскване, в противен случай биха съществували само водородни атоми. За щастие виждаме, че това не е така.
Има и друг вид сила, която действа върху протона. Това е ядрена енергия. Поради факта, че е много голям, частиците се задържат здраво практически една върху друга. Освен това има и втори тип тежки частици, които се различават от протоните само по това, че нямат нито положителен, нито отрицателен заряд. Те не се отблъскват от положителния заряд на протона. Тези частици се наричат "неутрони", защото са електрически неутрални. Особеността е, че неизменното състояние на частиците е възможно само вътре в ядрото. Когато една частица е извън ядрото, в рамките на около 10 минути тя се превръща в протон, електрон и много леко антинеутрино. Въпреки това, вътре в ядрото, то може да остане непроменено за произволно дълго време. Както и да е, неутронът и протонът са много силно привлечени един от друг. Когато се приближат достатъчно, те се комбинират, за да образуват много силна двойка, така наречения деутерон, който се обозначава с D +. Един деутерон се комбинира с един електрон, за да образува тежък водороден или деутерий атом, обозначен с D.
Втора ядрена реакция възниква, когато взаимодействат два деутерона. Когато два деутерона са принудени да взаимодействат, те се комбинират, за да образуват частица, която има двоен заряд. Група от два протона и два неутрона е дори по-стабилна от групата протон-неутрон в деутрона. Новата частица, неутрализирана от 2 електрона, се превръща в ядрото на хелиевия атом, който е обозначен като He. В природата също има големи групи, които са ядра на въглерод, азот, кислород, желязо и други атоми. Съществуването на всички тези групи е възможно поради ядрената сила, която възниква между частиците, когато те взаимодействат помежду си или споделят общия обем пространство, равен на размера на ядрото.
Вече можем да разберем същността на конвенционалната ядрена енергия, която всъщност е енергия на ядрено делене. По време на ранната история на Вселената са се образували масивни звезди. Когато такива масивни звезди избухнаха, много видове ядра се образуваха и избухнаха отново в космоса. От тази маса са се образували планети и звезди, включително Слънцето.
Възможно е по време на експлозията да са се появили всички възможни стабилни конфигурации на протони и неутрони, както и такива практически стабилни групировки като урановото ядро. Всъщност има три вида ядра в урановите атоми: уран-234, уран-235 и уран-238. Тези "изотопи" се различават по броя на неутроните, но всички те съдържат 92 протона. Ядрата на урановите атоми от всякакъв тип могат да се превърнат в по-малко енергийни конфигурации чрез изхвърляне на хелиеви ядра, но този процес се случва толкова рядко, че земният уран запазва свойствата си за около 4 милиарда години.
Има обаче друг начин да се наруши конфигурацията на урановото ядро. Най-общо казано, протонните и неутронните групи са най-стабилни, когато съдържат около 60 двойки протон-неутрон. Броят на такива двойки, съдържащи се в урановото ядро, е три пъти по-голям от тази цифра. В резултат на това той има тенденция да се раздели на две части, като същевременно отделя голямо количество топлина. Природата обаче не му позволява да се раздели. За да направи това, той първо трябва да премине в по-висока енергийна конфигурация. Въпреки това, един от видовете уран - уран-235, обозначен като 235 U - получава необходимата енергия чрез улавяне на неутрон. След като по този начин получи необходимата енергия, ядрото се разпада, освобождавайки огромно количество енергия и едновременно с това освобождавайки допълнителни неутрони. Тези допълнителни неутрони от своя страна могат да се разделят на ядрата на уран-235, което води до верижна реакция.
Именно този процес се случва в атомните електроцентрали, където топлината, която е крайният продукт на ядреното делене, се използва за кипене на вода, генериране на пара и завъртане на електрически генератор. (Недостатъкът на този метод е отделянето на радиоактивни отпадъци, които трябва да бъдат надеждно изхвърлени).
Вече сме готови да разберем същността на горещия синтез. Както беше казано в урок 5, групите от протони и неутрони са най-стабилни, когато броят на протоните и неутроните приблизително съответства на техния брой в ядрото на железен атом. Подобно на урана, който обикновено съдържа твърде много неутрони-протони, леките елементи като водород, хелий, въглерод, азот и кислород съдържат твърде малко такива пари.
Ако се създадат необходимите условия за взаимодействие на тези ядра, те ще се обединят в по-стабилни групи с отделяне на топлина. Това е процесът на синтез. Среща се естествено в звезди като слънцето. В природата компресираният водород се нагрява силно и след известно време протича реакция на синтез. Ако първоначално процесът се проведе с деутрони, които вече съдържат удвоени протон и неутрон, реакциите в звездите биха протекли сравнително лесно. Скоростта, с която даден атом от всеки конкретен тип се движи в облак от подобни атоми, е пряко зависима от температурата. Колкото по-висока е температурата, толкова по-висока е скоростта и толкова по-близо са атомите един до друг, което прави еднократен сблъсък.
При звездите температурата е достатъчно висока, за да могат електроните да напуснат ядрата си. По този начин можем да кажем, че в действителност имаме работа със смесен облак от електрони и ядра. При много висока температура ядрата в момента на сблъсък са толкова близо едно до друго, че се включва ядрена сила, която ги привлича едно към друго. В резултат на това ядрата могат да се "залепят" и да се превърнат в група с по-ниска енергия от протони и неутрони, отделяйки топлина. Горещият ядрен синтез е опит за извършване на този процес в лабораторни условия с помощта на деутерий и троен водород (ядрото на който съдържа 1 протон и 2 неутрона) под формата на газ. За горещ синтез е необходимо да се поддържа температура на газа от стотици милиони градуси, което може да се постигне с помощта на магнитно поле, но само за 1-2 секунди. Надяваме се, че ще бъде възможно да се поддържа температурата на газа за по-дълъг период от време. Докато температурата е достатъчно висока, в момента на сблъсък на ядра протича ядрена реакция.
Основната форма, в която се освобождава енергия, е освобождаването на високоенергийни неутрони и протони. Протоните много бързо се превръщат в топлина. Енергията на неутроните също може да се превърне в топлина, но след това оборудването става радиоактивно. Обеззаразяването на оборудването е много трудно, така че горещият синтез не е подходящ като метод за търговско производство на енергия. Във всеки случай енергията от горещ синтез е мечта, която съществува от поне 50 години. Въпреки това повечето учени разглеждат горещия синтез като единствения начин за генериране на енергия от синтез. В процеса на горещ синтез се генерира по-малко радиация, отколкото при делене, това е екологично чист и практически неограничен източник на гориво на Земята (спрямо съвременното потребление на енергия би било достатъчно за много милиони години).
Накрая стигаме до обяснението на студения синтез. Студеният синтез може да бъде прост и нерадиоактивен начин за освобождаване на енергия от синтез. В процеса на студен синтез протоните и неутроните на едно ядро взаимодействат с протоните и неутроните на друго по съвсем различен начин.
В същото време ядрената сила допринася за това, че те образуват по-стабилна конфигурация. За всяка ядрена реакция е необходимо реагиращите ядра да имат общ обем пространство. Това изискване се нарича подравняване на частиците. При горещ синтез частиците се комбинират за кратко време, когато се преодолява силата на отблъскване на два положителни заряда и ядрата се сблъскват. По време на студен синтез, условието за подравняване на частиците се постига чрез принуждаване на деутериевите ядра да се държат като размити частици, като електрони, а не като малки точкови частици. Когато към тежък метал се добави лек или тежък водород, всеки „атом“ на водорода заема позиция, при която е заобиколен от всички страни от атоми на тежкия метал.
Тази форма на водород се нарича междинна. Електроните на водородните атоми, заедно с междинния водород, стават част от електронната маса в метала. Всяко водородно ядро осцилира като махало, преминавайки през отрицателно зареден облак от метални електрони. Тази вибрация се появява дори при много ниски температури, в съответствие с постулатите на квантовата механика. Това движение се нарича движение в нулева точка. В този случай ядрата се превръщат в замъглени обекти, като електрони в атом. Тази неяснота обаче не е достатъчна, за да позволи на едно водородно ядро да взаимодейства с друго.
Необходимо е още едно условие, за да могат две или повече водородни ядра да имат едно и също общо пространство. Електрическият ток, пренасян от електрони в метал, се държи като вибрираща материална вълна, а не като точкови частици. Ако електроните не се държаха като вълни в твърди тела, днес нямаше да има транзистори или съвременни компютри. Електрон под формата на вълна се нарича електрон с функция на Блох. Тайната на студения синтез е в необходимостта да се получи деутерон от функцията на Блок. За да могат два или повече дейтерон да имат общ обем пространство, е необходимо да се получат вълнови дейтерони вътре или на повърхността на твърдо тяло. Веднага след като се създадат деутрони от функцията на Блок, ядрената сила започва да действа и протоните и неутроните, които съставляват деутрона, се реорганизират в по-стабилна конфигурация на хелия на функцията на Блох, което е придружено от освобождаване на топлина.
За да изследва студения синтез, експериментаторът трябва да накара деутроните да преминат във вълново състояние и да ги поддържа в това състояние. Експерименти за студен синтез, показващи излишно генериране на топлина, доказват, че това е възможно. Досега обаче никой не знае как да извърши такъв процес по най-надеждния начин. Използването на студен синтез обещава да се получи енергиен ресурс, който ще продължи милиони години, докато няма да има проблеми с глобалното затопляне или радиоактивност - поради което трябва да се положат сериозни усилия за изследване на това явление.
Актобе, 2014 г
адрон.Клас елементарни частици, участващи в силни взаимодействия. Адроните са изградени от кварки и са разделени на две групи: бариони (от три кварка) и мезони (от кварк и антикварк). Повечето от материята, която наблюдаваме, се състои от бариони: протони и нуклони, които съставляват ядрата на атомите.
Активност на източника на радиация- съотношението на общия брой разпади на радиоактивни ядра в радиоактивен източник към времето на разпад.
Алфа лъчение- вид йонизиращо лъчение - потокът от положително заредени частици (алфа частици), излъчвани при радиоактивен разпад и ядрени реакции. Проникващата сила на алфа лъчението е ниска (забавя се от лист хартия). Изключително опасно е алфа източниците да влязат в тялото чрез храна, въздух или увреждане на кожата.
Алфа разпад(или α-разпад) - спонтанно излъчване на алфа частици (ядра на хелиев атом) от атомни ядра
Алфа частица- частица, състояща се от два протона и два неутрона. Идентично на ядрото на хелиев атом.
Анихилация- взаимодействието на елементарна частица и античастица, в резултат на което те изчезват, а енергията им се превръща в електромагнитно излъчване.
Анихилацията е реакция на трансформация на частица и античастица при сблъсък в други частици.
Античастицата е частица, която има същите стойности на маса, въртене, заряд и други физични свойства като нейната "близнак" -частица, но се различава от нея по признаци на някои характеристики на взаимодействие (например в знака на електрически зареждане).
Античастиците са близнаци на обикновени елементарни частици, които се различават от последните по знака на електрическия заряд и по признаците на някои други характеристики. Частица и античастица имат еднакви маси, завъртания и времена на живот.
КАТО- атомна електроцентрала - промишлено предприятие за производство на електрическа или топлинна енергия, използващо един или повече ядрени енергийни реактора и набор от необходими системи, устройства, оборудване и конструкции с необходимия персонал,
атом- най-малката частица от химичен елемент, която запазва свойствата си. Състои се от ядро с протони и неутрони и електрони, движещи се около ядрото. Броят на електроните в атома е равен на броя на протоните в ядрото.
Атомна масае масата на атом от химичен елемент, изразена в атомни масови единици (amu). За 1 аму Взима се 1/12 от масата на въглероден изотоп с атомна маса 12. 1 amu = 1,6605655 · 10-27 kg. Атомната маса е сумата от масите на всички протони и неутрони в даден атом.
Атомно ядро- положително заредената централна част на атома, около която се въртят електроните и в която е концентрирана почти цялата маса на атома. Състои се от протони и неутрони. Зарядът на ядрото се определя от общия заряд на протоните в ядрото и съответства на атомния номер на химичен елемент в периодичната таблица на елементите.
Бариони- частици, състоящи се от три кварка, които определят техните квантови числа. Всички бариони, с изключение на протона, са нестабилни.
Басейн за съхранение- инсталация, разположена на реакторната площадка на атомна електроцентрала за временно съхранение на отработено ядрено гориво под слой вода с цел намаляване на радиоактивността и отделянето на остатъчна топлина.
Бекерел(Bq) е единицата SI за активността на радиоактивно вещество. 1 Bq е равен на активността на такова радиоактивно вещество, при което един разпад настъпва за време от 1 s.
β γ лъчи- поток от бързи електрони.
α-лъчи- поток от хелиеви ядра.
гама лъчи- електромагнитни вълни с много къса дължина на вълната (L ~ 10 -10 m).
Бета радиация- вид йонизиращо лъчение - потокът от електрони или позитрони, излъчвани при ядрени реакции или радиоактивен разпад. Бета-лъчението може да проникне в телесните тъкани на дълбочина до 1 см. Опасно е за човека както от гледна точка на външната, така и от вътрешната радиация.
Бета частици- електрони и позитрони, излъчвани от атомни ядра, както и свободен неутрон по време на бета разпад. При електронния бета разпад на атомно ядро се излъчва електрон e - (а също и антинеутрино), при позитронния разпад на ядрата - позитрон e + (и неутрино ν). При разпадане на свободен неутрон (n) се образуват протонен (p) електрон и антинеутрино: n → p + e - +.
Електрон и позитрон- стабилни частици със спин J = 1/2 (вътрешен механичен ъглов момент), принадлежащи към класа на лептоните. Позитронът е античастицата по отношение на електрона.
Биологична защита- радиационна бариера, създадена около активната зона на реактора и неговата охладителна система, за да се предотврати вредното въздействие на неутронните и гама лъчения върху персонала, населението и околната среда. В атомна електроцентрала бетонът е основният материал за биологична защита. За реактори с висока мощност дебелината на бетонния защитен щит достига няколко метра.
бозони(от името на индийския физик С. Бозе) - елементарни частици, атомни ядра, атоми с нулев или целочислен спин (0ћ, 1ћ, 2ћ,…).
Бързи неутрони- неутрони, чиято кинетична енергия е по-висока от определена определена стойност. Тази стойност може да варира в широк диапазон и зависи от приложението (физика на реактора, екраниране или дозиметрия). Във физиката на реактора тази стойност най-често се избира равна на 0,1 MeV.
камера на Уилсън- пистов детектор на елементарни заредени частици, при който пистата (следата) на частицата се образува от верига от малки капчици течност по траекторията на нейното движение.
Гама лъчение- вид йонизиращо лъчение - електромагнитно излъчване, излъчвано при радиоактивен разпад и ядрени реакции, разпространяващо се със скоростта на светлината и притежаващо висока енергия и проникваща способност. Ефективно отслабва, когато е изложен на тежки елементи като олово. За отслабване на гама-лъчението в ядрени реактори на атомни електроцентрали се използва дебелостенен защитен екран, изработен от бетон.
Законът за радиоактивния разпад- законът, по който се намира броят на неразпадналите се атоми: N = N 0 2 -t / T.
Деутерий- "тежък" изотоп на водорода с атомна маса 2.
Детектор за йонизиращи лъчения- чувствителен елемент на измервателен уред, предназначен да регистрира йонизиращи лъчения. Действието му се основава на явленията, които възникват при преминаване на радиация през вещество.
Радиационна доза- в радиационната безопасност - мярка за ефекта на йонизиращото лъчение върху биологичен обект, по-специално човек. Разграничаване на експозиция, абсорбирана и еквивалентни дози.
Излишна маса(или масов дефект) Дали разликата между масата на неутрален атом и произведението на броя на нуклоните (общия брой протони и неутрони) в ядрото на този атом за единица атомна маса, изразена в енергийни единици
Изотопи- нуклиди, които имат същия атомен номер, но различни атомни маси (например уран-235 и уран-238).
Изотопи- атомни ядра с еднакъв брой протони Z, различен брой неутрони N и следователно различно масово число A = Z + N. Пример: калциеви изотопи Ca (Z = 20) - 38 Ca, 39 Ca, 40 Ca , 41 Ca, 42 Ca.
Радиоактивните изотопи са изотопни ядра, които претърпяват радиоактивен разпад. Повечето от известните изотопи са радиоактивни (~ 3500).
камера на Уилсън- устройство за наблюдение на следите от микрочастици (електрони, протони, а-частици и др.), движещи се с висока скорост. Създаден през 1912 г. от английския физик Уилсън.
Кваркът е елементарна заредена частица, която участва в силни взаимодействия. Протоните и неутроните са съставени от три кварка.
Космическа радиация- фонова йонизираща радиация, която се състои от първична радиация, идваща от космоса и вторична радиация в резултат на взаимодействието на първичната радиация с атмосферата.
Космически лъчи - потоци от заредени елементарни частици с висока енергия (главно - протони, алфа частици и електрони), разпространяващи се в междупланетното и междузвездното пространство и непрекъснато "бомбардиращи" Земята.
Фактор на възпроизвеждане- най-важната характеристика на верижната реакция на делене, показваща съотношението на броя на неутроните от дадено поколение към броя на неутроните от предишното поколение в безкрайна среда. Често се използва и друго определение на коефициента на умножение - съотношението на скоростите на генериране и поглъщане на неутрони.
Критична маса- най-малката маса гориво, в която може да се осъществи самоподдържаща се верижна реакция на ядрено делене с определен дизайн и състав на активната зона (зависи от много фактори, например: състав на горивото, модератор, форма на ядрото и др.).
Кюри (Ки)- извънсистемна единица на активност, първоначално активността на 1 g от изотопа на радий-226. 1Ci = 3,7 1010 Bq.
Критична маса(m k) - най-малката маса ядрено гориво (уран, плутоний), при която възниква верижна ядрена реакция.
Кюри(Ki) - извънсистемна единица за активност на радиоактивно вещество. 1 Ci = 3,7 10 10 Bq.
лептони(от гръцки leptos - лек, малък) - група точкови частици със спин 1/2ћ, не участващи в силни взаимодействия. Размер на лептон (ако съществува)<10 -17 см. Лептоны считаются точечными бесструктурными частицами. Существует три пары лептонов:
- електрон (e -) и електронно неутрино (ν e),
- мюон (μ -) и мюон неутрино (ν μ),
- тау лептон (τ -) и тау неутрино (ν τ),
Магическите ядра са атомни ядра, съдържащи така наречените магически числа на протони или неутрони.
| З | |||||||
| н |
Тези ядра имат енергия на свързване, по-голяма от съседните ядра. Те имат висока енергия на отделяне на нуклони и повишено изобилие в природата.
Масово число(A) е общият брой нуклони (протони и неутрони) в атомното ядро; една от основните характеристики на атомното ядро.
Скорост на дозата- съотношението на увеличението на дозата на радиация през интервала от време към този интервал (например: rem / s, Sv / s, mrem / h, mSv / h, μrem / h, μSv / h).
Неутрон- неутрална елементарна честота с маса, близка до тази на протона. Заедно с протоните неутроните образуват атомно ядро. В свободно състояние той е нестабилен и се разпада на протон и електрон.
Нуклид- вида на атома с определен брой протони и неутрони в ядрото, характеризиращ се с атомна маса и атомен (порядков) номер.
Обогатяване (изотоп):
2. Процесът, при който съдържанието на определен изотоп в смес от изотопи се увеличава.
Обогатяване на урановата руда- набор от процеси за първична обработка на минерални урансъдържащи суровини, насочени към отделяне на урана от други минерали, които съставляват рудата. В този случай няма промяна в състава на минералите, а само механичното им разделяне за получаване на руден концентрат.
Обогатено ядрено гориво- ядрено гориво, в което съдържанието на делящи се нуклиди е по-високо, отколкото в изходната природна суровина.
Обогатен уран- уран, в който съдържанието на изотопа уран-235 е по-високо, отколкото в естествения уран.
Полуживот(T) е интервалът от време, през който половината от първоначалния брой ядра се разпада.
Полуживот- времето, през което половината от радиоактивните ядра се разпадат. Тази стойност, обозначена с T 1/2, е константа за дадено радиоактивно ядро (изотоп). Стойността на T 1/2 ясно характеризира скоростта на разпадане на радиоактивните ядра и е еквивалентна на две други константи, характеризиращи тази скорост: средният живот на радиоактивно ядро τ и вероятността за разпад на радиоактивно ядро за единица време λ.
Погълната доза радиация- съотношението на погълнатата енергия Е на йонизиращо лъчение към масата на облъченото вещество.
Постулатите на Бор- основните предположения, въведени без доказателство от Н. Бор, които формират основата на квантовата теория на атома.
Правило за изместване:по време на a-разпад ядрото губи своя положителен заряд 2e и масата му намалява с около 4 amu; при b-разпад зарядът на ядрото се увеличава с 1e, но масата не се променя.
Период на полуразпад на радионуклид- времето, през което броят на ядрата на даден радионуклид в резултат на спонтанен разпад ще бъде намален наполовина.
позитрон- античастица на електрон с маса равна на масата на електрон, но с положителен електрически заряд.
протон- стабилна положително заредена елементарна частица със заряд 1,61 · 10-19 C и маса 1,66 · 10-27 kg. Протонът образува ядрото на "лекия" изотоп на водородния атом (протий). Броят на протоните в ядрото на всеки елемент определя ядрения заряд и атомния номер на този елемент.
Радиоактивност- спонтанна трансформация (радиоактивен разпад) на нестабилен нуклид в друг нуклид, придружена от излъчване на йонизиращо лъчение.
Радиоактивност- способността на някои атомни ядра да се трансформират спонтанно в други ядра, като същевременно излъчват различни частици.
Радиоактивен разпад- спонтанна ядрена трансформация.
Реактор за размножаване- бърз реактор, в който коефициентът на преобразуване надвишава 1 и се извършва разширено размножаване на ядрено гориво.
Брояч на Гайгер(или брояч на Гайгер-Мюлер) е напълнен с газ брояч на заредени елементарни частици, електрическият сигнал от който се усилва поради вторичната йонизация на газовия обем на брояча и не зависи от енергията, оставена от частицата в този сила на звука.
Горивен прът- горивен елемент. Основният конструктивен елемент на активната зона на хетерогенен реактор, под формата на който в него се зарежда гориво. Разделянето на тежки ядра U-235, Pu-239 или U-233 се случва в горивните елементи, придружено от освобождаване на енергия, а от тях има пренос на топлинна енергия към охлаждащата течност. Горивните пръти се състоят от горивна сърцевина, облицовка и крайни части. Видът на горивния елемент се определя от вида и предназначението на реактора, параметрите на охлаждащата течност. Горивният елемент трябва да осигурява надеждно отвеждане на топлината от горивото към охлаждащата течност.
Работно тяло- среда (топлоносител), използвана за преобразуване на топлинна енергия в механична енергия.
Тъмна материя- невидима (неизлъчваща и неабсорбираща) субстанция. Неговото съществуване определено се доказва от гравитационните ефекти. Данните от наблюдения също показват, че тази енергия на тъмната материя е разделена на две части:
- първата е така наречената тъмна материя с плътност
W dm = 0,20–0,25, - неизвестни, слабо взаимодействащи масивни частици (не бариони). Това могат да бъдат например стабилни неутрални частици с маси от 10 GeV/s2 до 10 TeV/s2, предвидени от суперсиметрични модели, включително хипотетични тежки неутрино;
втората е така наречената тъмна енергия с плътност
W Λ = 0,70–0,75), което се интерпретира като вакуум. Това се отнася до специална форма на материята – физически вакуум, т.е. най-ниското енергийно състояние на физическите полета, проникващи в пространството.
Реакции на синтез- реакции на сливане (синтез) на леки ядра, протичащи при високи температури. Тези реакции обикновено протичат с освобождаване на енергия, тъй като в по-тежкото ядро, образувано в резултат на сливането, нуклоните са свързани по-силно, т.е. имат средно по-висока енергия на свързване, отколкото в първоначалните сливащи се ядра. В този случай излишната обща енергия на свързване на нуклони се освобождава под формата на кинетичната енергия на реакционните продукти. Името "термоядрени реакции" отразява факта, че тези реакции протичат при високи температури ( > 10 7 –10 8 K), тъй като за синтез леките ядра трябва да се приближават на разстояния, равни на радиуса на действие на ядрените гравитационни сили, т.е. на разстояния ≈10 -13 cm.
Трансуранови елементи- химични елементи със заряд (брой протони) по-голям от този на урана, т.е. Z> 92.
Верижна реакция на делене- самоподдържаща се реакция на делене на тежки ядра, при която неутроните се възпроизвеждат непрекъснато, разделяйки все повече и повече ядра.
Верижна реакция на делене- последователността на реакцията на делене на ядрата на тежки атоми, когато те взаимодействат с неутрони или други елементарни частици, в резултат на което се образуват по-леки ядра, нови неутрони или други елементарни частици и се отделя ядрена енергия.
Ядрено верижна реакция- последователността на ядрените реакции, възбуждани от частици (например неутрони), родени при всеки акт на реакция. В зависимост от средния брой реакции, следващи една предишна – по-малка, равна на или по-голяма от една – реакцията се нарича затихваща, самоподдържаща се или нарастваща.
Ядрени верижни реакции- самоподдържащи се ядрени реакции, в които последователно участва верига от ядра. Това се случва, когато един от продуктите на ядрена реакция реагира с друго ядро, продуктът от втората реакция реагира със следващото ядро и т.н. Възниква верига от ядрени реакции, следващи една след друга. Най-известният пример за такава реакция е реакцията на ядрено делене, причинена от неутрона
Екзотермични реакции- ядрени реакции с освобождаване на енергия.
Елементарни частици- най-малките частици от физическа материя. Концепцията за елементарни частици отразява етапа в познанието за структурата на материята, което е постигнато от съвременната наука. Бяха открити около 300 елементарни частици заедно с античастици. Терминът "елементарни частици" е произволен, тъй като много елементарни частици имат сложна вътрешна структура.
Елементарни частици- материални обекти, които не могат да бъдат разделени на съставни части. В съответствие с тази дефиниция, молекулите, атомите и атомните ядра, които се поддават на разделяне на съставните си части, не могат да бъдат класифицирани като елементарни частици - атомът се разделя на ядро и орбитални електрони, ядрото на нуклони.
Енергиен добив от ядрена реакция- разликата между енергията на покой на ядрата и частиците преди и след реакцията.
Ендотермични реакции- ядрени реакции, включващи поглъщане на енергия.
Енергия на свързване на атомно ядро(E bv) - характеризира интензивността на взаимодействието на нуклони в ядрото и е равна на максималната енергия, която трябва да се изразходва, за да се раздели ядрото на отделни невзаимодействащи нуклони, без да им се придаде кинетична енергия.
Mossb ефект uerah - феноменът на резонансно поглъщане на гама кванти от атомни ядра без загуба на енергия за връщане на импулс.
Ядреният (планетарен) модел на атома- в центъра е разположено положително заредено ядро (диаметър е около 10 -15 m); около ядрото, подобно на планетите на Слънчевата система, електроните се движат по кръгови орбити.
Ядрени модели- опростени теоретични описания на атомните ядра, базирани на представянето на ядрото като обект с предварително известни характерни свойства.
Реакция на ядрено делене- реакцията на делене на атомни ядра на тежки елементи под действието на неутрони.
Ядрена реакция- реакцията на трансформация на атомните ядра в резултат на взаимодействие помежду си или с някакви елементарни частици.
Ядрената енергия- Това е енергията, освободена в резултат на вътрешното преструктуриране на атомните ядра. Ядрената енергия може да бъде получена в ядрени реакции или радиоактивен разпад на ядра. Основните източници на ядрена енергия са реакциите на делене на тежки ядра и синтеза (съединение) на леки ядра. Последният процес се нарича още термоядрени реакции.
Ядрени сили- сили, действащи между нуклони в атомните ядра и определящи структурата и свойствата на ядрата. Те са краткодействащи, обхватът им е 10-15 m.
Ядрен реактор- устройство, в което се осъществява контролирана верижна реакция на ядрено делене.
Самоподдържаща се верижна реакция на делене е верижна реакция в среда, за която коефициентът на умножение е k> = 1.
Ядрена авария- ядрена авария е загуба на контрол върху верижна реакция в реактор или образуване на критична маса по време на зареждане с гориво, транспортиране и съхранение на горивни елементи. В резултат на ядрена авария, поради дисбаланса на отделената и отведената топлина, горивните елементи се повреждат с отделяне на радиоактивни продукти на делене навън. В този случай става потенциално възможно опасно излагане на хора и замърсяване на околната среда. .
Ядрена безопасност- общ термин, характеризиращ свойствата на ядрена инсталация по време на нормална експлоатация и, в случай на авария, за ограничаване на радиационното излагане на персонала, населението и околната среда до допустими граници.
Ядрено делене- процес, придружен от разцепване на ядрото на тежък атом при взаимодействие с неутрон или друга елементарна частица, в резултат на което се образуват по-леки ядра, нови неутрони или други елементарни частици и се отделя енергия.
Ядрени материали- всякакви изходни материали, специален ядрен материал и понякога руди и рудни отпадъци.
Ядрена трансформация- превръщане на един нуклид в друг.
Ядрен реактор- устройство, в което се извършва контролирана ядрена верижна реакция. Ядрените реактори се класифицират по предназначение, неутронна енергия, тип охлаждаща течност и забавител, структура на активната зона, дизайн и други характерни характеристики.
Ядрена реакция- трансформацията на атомните ядра, причинена от взаимодействието им с елементарни частици или помежду си и придружена от промяна в масата, заряда или енергийното състояние на ядрата.
Ядрено гориво- материал, съдържащ делящи се нуклиди, който, когато се постави в ядрен реактор, позволява да настъпи ядрена верижна реакция. Има много висока консумация на енергия (при пълно делене на 1 kg U-235 се отделя енергия равна на J, докато изгарянето на 1 kg изкопаемо гориво освобождава енергия от порядъка на (3-5) J, в зависимост от вида на горивото).
Ядрено горивен цикъл- набор от мерки за осигуряване функционирането на ядрени реактори, извършвани в системата от предприятия, свързани помежду си с поток от ядрен материал, включително уранови мини, заводи за преработка на уранова руда, преобразуване, обогатяване и производство на уран, ядрени реактори, съхранение на отработено гориво съоръжения, отработено гориво за заводи за преработка и свързаните с тях временни складове и съоръжения за погребване на радиоактивни отпадъци
Ядрена инсталация- всяко съоръжение, в което се генерират, обработват или циркулират радиоактивни или делящи се материали в такива количества, че е необходимо да се вземат предвид въпросите на ядрената безопасност.
Ядрената енергия- вътрешната енергия на атомните ядра, освободени при ядрено делене или ядрени реакции.
Ядрено енергиен реактор- ядрен реактор, чиято основна цел е да генерира енергия.
Ядрен реактор- ядрен реактор е устройство, предназначено за организиране на контролирана самоподдържаща се верижна реакция на делене - последователност от реакции на ядрено делене, при които се отделят свободни неутрони, необходими за деленето на нови ядра.
Бърз ядрен реактор- реакторите се различават значително по спектъра на неутроните - разпределението на неутроните в енергията и следователно в спектъра на погълнатите (причиняващи делене на ядра) неутрони. Ако ядрото не съдържа леки ядра, специално проектирани за забавяне в резултат на еластично разсейване, тогава практически цялото забавяне се дължи на нееластично разсейване на неутрони от тежки и средни ядра. В този случай повечето от деленията са причинени от неутрони с енергия от порядъка на десетки и стотици keV. Такива реактори се наричат бързи реактори.
Термичен ядрен реактор- реактор, чиято активна зона съдържа такова количество забавител - материал, предназначен да намалява енергията на неутроните без забележимо поглъщане, че повечето от деленията се причиняват от неутрони с енергия под 1 eV.
Ядрени сили- силите, които задържат нуклони (протони и неутрони) в ядрото.
Ядрените сили са къс обхват ... Те се проявяват само на много малки разстояния между нуклони в ядрото от порядъка на 10 -15 м. Дължината (1,5 - 2,2) 10 -15 се нарича обхват на ядрени сили .
Ядрените сили откриват таксуване независимост , тоест привличането между два нуклона е еднакво независимо от зарядното състояние на нуклоните - протон или неутрон.
Ядрените сили притежават свойство на насищане , което се проявява във факта, че един нуклон в ядрото взаимодейства само с ограничен брой от най-близките съседни нуклони. Почти пълно насищане на ядрените сили се постига в α-частицата, която е много стабилна формация.
Ядрени сили зависят от ориентацията на спиновете на взаимодействащите нуклони ... Това се потвърждава от различния характер на разсейване на неутрони от орто- и водородни парни молекули.
Ядрени сили не са централни сили .
- Превод
В центъра на всеки атом има ядро, малка колекция от частици, наречени протони и неутрони. В тази статия ще изследваме природата на протоните и неутроните, които са съставени от още по-малки частици - кварки, глуони и антикварки. (Глуоните, подобно на фотоните, сами по себе си са античастици). Кварките и глуоните, доколкото знаем, могат да бъдат наистина елементарни (неделими и не съставени от нещо по-малко по размер). Но за тях по-късно.
Изненадващо, протоните и неутроните имат почти еднаква маса - с точност до процент:
- 0,93827 GeV / c 2 за протон,
- 0,93957 GeV / c 2 за неутрон.
Тъй като са толкова сходни и тъй като тези частици съставляват ядра, протоните и неутроните често се наричат нуклони.
Протоните са идентифицирани и описани около 1920 г. (въпреки че са открити по-рано; ядрото на водородния атом е само един протон), а неутроните са открити някъде през 1933 г. Фактът, че протоните и неутроните са толкова сходни един с друг, беше разбран почти веднага. Но фактът, че те имат измерим размер, сравним с размера на ядрото (около 100 000 пъти по-малък от атом по радиус), не е известен до 1954 г. Това, че те са съставени от кварки, антикварки и глуони, постепенно се осъзнава от средата на 60-те до средата на 1970-те. До края на 70-те и началото на 80-те години нашето разбиране за протоните, неутроните и това, от което са направени, беше до голяма степен установено и остава непроменено оттогава.
Нуклоните са много по-трудни за описване от атомите или ядрата. Да не кажа, че атомите по принцип са прости, но поне може да се каже без колебание, че хелиевият атом се състои от два електрона в орбита около малко хелиево ядро; а ядрото на хелия е доста проста група от два неутрона и два протона. Но с нуклоните всичко вече не е толкова просто. Вече писах в статията „Какво е протон и какво има вътре?“ Че атомът е като елегантен менует, а нуклонът е като див купон.
Сложността на протона и неутрона изглежда е реална и не произтича от непълно физическо познание. Имаме уравнения, използвани за описание на кварки, антикварки и глуони и силните ядрени взаимодействия, които възникват между тях. Тези уравнения се наричат QCD, от "квантовата хромодинамика". Точността на уравненията може да бъде тествана по различни начини, включително измерване на броя на частиците, появяващи се в Големия адронен колайдер. Замествайки уравненията на QCD в компютър и извършвайки изчисления на свойствата на протоните и неутроните и други подобни частици (наричани общо адрони), ние получаваме прогнози за свойствата на тези частици, които доближават много до наблюденията, направени в реалния свят. Следователно имаме основание да вярваме, че уравненията на QCD не лъжат и че нашите познания за протона и неутрона се основават на правилните уравнения. Но само наличието на правилни уравнения не е достатъчно, защото:
- Простите уравнения могат да имат много сложни решения,
- Понякога е невъзможно да се опишат сложните решения по прост начин.
Поради присъщата сложност на нуклоните, вие, читателят, ще трябва да направите избор: колко искате да знаете за описаната сложност? Колкото и далеч да стигнете, най-вероятно няма да ви донесе удовлетворение: колкото повече научавате, толкова по-ясна ще ви става темата, но крайният отговор ще остане същият - протонът и неутронът са много сложни. Мога да ви предложа три нива на разбиране, с нарастващи детайли; можете да спрете след всяко ниво и да преминете към други теми, или можете да се гмурнете до последното. За всяко ниво възникват въпроси, отговорите на които мога да дам частично в следващото, но новите отговори пораждат нови въпроси. В крайна сметка - както правя в професионалните дискусии с колеги и напреднали студенти - мога да ви насоча само към данни, получени в реални експерименти, към различни влиятелни теоретични аргументи и компютърни симулации.
Първо ниво на разбиране
От какво са направени протоните и неутроните?Ориз. 1: Прекалено опростена версия на протони, съставена само от два кварка нагоре и един надолу, и неутрони, съставени само от два низходящи кварка и един нагоре
За да се опрости нещата, много книги, статии и уебсайтове показват, че протоните се състоят от три кварка (два нагоре и един надолу) и рисуват нещо като фиг. 1. Неутронът е същият, само се състои от един горен и два долни кварка. Това просто изображение илюстрира какво са вярвали някои учени, главно през 60-те години на миналия век. Но скоро стана ясно, че тази гледна точка е твърде опростена до степен, че вече не е вярна.
От по-сложни източници на информация ще научите, че протоните са съставени от три кварка (два нагоре и един надолу), държани заедно от глуони - и картина, подобна на фиг. 2, където глуоните са изтеглени под формата на пружини или нишки, държащи кварки. Неутроните са едни и същи, само с един горен кварк и два низходящи кварка.
Ориз. 2: подобряване на фиг. 1 поради акцента върху важната роля на силното ядрено взаимодействие, което улавя кварките в протон
Не е толкова лош начин за описание на нуклони, тъй като подчертава важната роля на силното ядрено взаимодействие, което задържа кварки в протона поради глуони (точно както фотонът е свързан с електромагнитното взаимодействие, частицата, която изгражда светлината). Но това също е объркващо, защото всъщност не обяснява какво представляват глуоните и какво правят.
Има причини да продължа напред и да опиша нещата по начина, по който направих аз: протонът се състои от три кварка (два нагоре и един надолу), куп глуони и планина от двойки кварк-антикварк (предимно нагоре и надолу кварки , но има и няколко странни) ... Всички те летят насам-натам с много високи скорости (приближаващи скоростта на светлината); целият този набор се държи заедно от силни ядрени сили. Демонстрирах това на фиг. 3. Неутроните отново са същите, но с един нагоре и два надолу кварка; кваркът, който е променил принадлежността си, е обозначен със стрелка.
Ориз. 3: по-реалистично, макар и все още несъвършено изображение на протони и неутрони
Тези кварки, антикварки и глуони не само се движат безумно напред-назад, но и се сблъскват помежду си и се превръщат един в друг чрез процеси като анихилация на частици (при които кварк и антикварк от един и същи тип се превръщат в два глуона или порок обратно) или поглъщане и излъчване на глуон (при което кварк и глуон могат да се сблъскат и да генерират кварк и два глуона, или обратно).
Какво е общото между тези три описания:
- Двата нагоре кварка и долния кварк (плюс нещо друго) на протона.
- Един кварк нагоре и два надолу кварка (плюс нещо друго) за неутрона.
- „Нещо друго“ за неутроните съвпада с „нещо друго“ за протони. Тоест, нуклоните имат „нещо друго“ същото.
- Леката разлика в масата между протона и неутрона се появява поради разликата в масите на долния и горния кварк.
- горните кварки имат електрически заряд, равен на 2/3 e (където e е зарядът на протона, -e е зарядът на електрона),
- долните кварки имат заряд от -1 / 3e,
- глуоните имат заряд 0,
- всеки кварк и съответния му антикварк имат общ заряд 0 (например, анти-нисш кварк има заряд от + 1 / 3e, така че по-нисшият кварк и по-нисшият антикварк ще имат заряд от –1/3 e +1/3 e = 0),
- общият електрически заряд на протона е 2/3 e + 2/3 e - 1/3 e = e,
- общият електрически заряд на неутрона е 2/3 e - 1/3 e - 1/3 e = 0.
- колко "нещо друго" има вътре в нуклона,
- какво прави там,
- откъде идват масата и енергията на масата (E = mc 2, енергията, която присъства там, дори когато частицата е в покой) на нуклона.
Ориз. 1 предполага, че кварките всъщност представляват една трета от нуклон - подобно на протон или неутрон представляват една четвърт от ядрото на хелий или 1/12 от ядрото на въглерода. Ако тази цифра беше вярна, кварките в нуклона биха се движили сравнително бавно (със скорости, много по-ниски от скоростта на светлината) с относително слаби взаимодействия, действащи между тях (макар и с някаква мощна сила, която ги държи на място). Масата на кварка, нагоре и надолу, тогава би била от порядъка на 0,3 GeV / c 2, около една трета от масата на протона. Но този прост образ и идеите, които му налага, са просто погрешни.
Ориз. 3. Дава съвсем различна представа за протона, като котел от частици, които се въртят в него със скорости, близки до светлината. Тези частици се сблъскват една с друга и при тези сблъсъци някои от тях се унищожават, докато други се създават на тяхно място. Глуоните нямат маса, масите на горните кварки са от порядъка на 0,004 GeV / s 2, а масите на долните са от порядъка на 0,008 GeV / s 2 - стотици пъти по-малко от протон. Откъде идва енергията на масата на протона, въпросът е сложен: част от нея идва от енергията на масата на кварки и антикварки, част от енергията на движението на кварки, антикварки и глуони и част (евентуално положителна, вероятно отрицателен) от енергията, съхранявана в силно ядрено взаимодействие, държащо кварки, антикварки и глуони заедно.
В известен смисъл, фиг. 2 се опитва да елиминира разликата между фиг. 1 и фиг. 3. Опростява фиг. 3, премахвайки много двойки кварк-антикварк, които по принцип могат да се нарекат ефимерни, тъй като те постоянно възникват и изчезват и не са необходими. Но създава впечатлението, че глуоните в нуклоните са пряка част от силната ядрена сила, която държи протоните. И не обяснява откъде идва масата на протона.
Фиг. 1 има още един недостатък, освен тесните рамки на протона и неутрона. То не обяснява някои от свойствата на други адрони, като пиона и ро-мезона. Оризът има същите проблеми. 2.
Тези ограничения доведоха до факта, че моите ученици и на моя сайт, давам снимка от фиг. 3. Но искам да ви предупредя, че той също има много ограничения, които ще разгледам по-късно.
Струва си да се отбележи, че изключителната сложност на структурата, загатната от фиг. 3, може да се очаква от обект, който се държи заедно от такава мощна сила като силната ядрена сила. И още нещо: три кварка (два горни и един долен в протона), които не са част от група двойки кварки-антикварки, често се наричат "валентни кварки", а двойките кварки-антикварки - "море на кваркови двойки". Такъв език е технически удобен в много случаи. Но това създава погрешното впечатление, че ако можете да погледнете вътре в протона и да погледнете определен кварк, бихте могли да разберете веднага дали е част от морето или валентността. Това не може да се направи, просто няма такъв начин.
Протонна маса и неутронна маса
Тъй като масите на протона и неутрона са толкова сходни и тъй като протона и неутрона се различават само чрез замяна на горния кварк с низходящ кварк, изглежда вероятно техните маси да са предоставени по същия начин, да идват от един и същ източник и тяхната разлика е малка разлика между горните и долните кварки. ... Но показаните три фигури показват наличието на три много различни възгледа за произхода на протонната маса.Ориз. 1 предполага, че горните и долните кварки са просто 1/3 от масата на протон и неутрон: около 0,313 GeV / s 2, или поради енергията, необходима за задържане на кварки в протон. И тъй като разликата между масите на протон и неутрон е част от процента, разликата между масите на горния и долния кварк също трябва да бъде част от процента.
Ориз. 2 е по-малко ясно. Каква част от масата на протона се дължи на глуони? Но по принцип от фигурата следва, че по-голямата част от масата на протона все още идва от масата на кварките, както е на фиг. един.
Ориз. 3 отразява по-фин подход към това как всъщност се появява масата на протона (както можем да проверим директно чрез компютърни изчисления на протона и косвено с помощта на други математически методи). Тя е много различна от идеите, представени на фиг. 1 и 2, и се оказва, че не е толкова лесно.
За да разберем как работи това, трябва да се мисли не по отношение на масата на протона m, а по отношение на неговата масова енергия E = mc 2, енергията, свързана с масата. Концептуално правилният въпрос няма да бъде „откъде идва протонната маса m“, след което можете да изчислите E, като умножите m по c 2, а напротив: „откъде идва енергията на протонната маса E“, след което можете да изчислите масата m, като разделите E на c 2 ...
Полезно е приносът към енергията на протонната маса да се класифицира в три групи:
А) Масовата енергия (енергията на покой) на съдържащите се в нея кварки и антикварки (глуони, безмасови частици, не допринасят).
Б) Енергия на движение (кинетична енергия) на кварки, антикварки и глуони.
В) Енергия на взаимодействие (енергия на свързване или потенциална енергия), съхранявана в силни ядрени взаимодействия (по-точно в глуонни полета), които задържат протона.
Ориз. 3 предполага, че частиците вътре в протона се движат с висока скорост и че е пълен с безмасови глуони, следователно приносът на B) е по-голям от A). Обикновено в повечето физически системи B) и C) са сравними, докато C) често е отрицателен. Така че масовата енергия на протон (и неутрон) се получава главно от комбинация от B) и C), а A) допринася малка част. Следователно масите на протона и неутрона се появяват главно не поради масите на частиците, които те съдържат, а поради енергиите на движението на тези частици и енергията на тяхното взаимодействие, свързана с глуонни полета, които генерират сили, които задържат протона. В повечето други системи, с които сме запознати, енергийният баланс се разпределя по различен начин. Например в атомите и в Слънчевата система А) доминира, а В) и В) са много по-малки и са сравними по размер.
Обобщавайки, отбелязваме, че:
- Ориз. 1 предполага, че енергията на протонната маса идва от принос A).
- Ориз. 2 предполага, че и двата приноса A) и C) са важни, а B) допринася малко от своя дял.
- Ориз. 3 предполага, че B) и C) са важни, а приносът на A) се оказва незначителен.
Ако фиг. 3 не лъже, масите на кварка и антикварка са много малки. Какви са те всъщност? Масата на горния кварк (като антикварка) не надвишава 0,005 GeV / c 2, което е много по-малко от 0,313 GeV / c 2, което следва от фиг. 1. (Масата на горния кварк е трудна за измерване и тази стойност се променя поради фини ефекти, така че може да се окаже много по-малко от 0,005 GeV / c 2). Масата на долния кварк е с около 0,004 GeV/s 2 по-голяма от масата на горния кварк. Това означава, че масата на всеки кварк или антикварк не надвишава един процент от масата на протона.
Забележете, че това означава (противоречи на фиг. 1), че съотношението на масата на долния кварк към горния кварк не е близко до единица! Масата на долния кварк е поне два пъти по-голяма от масата на горния кварк. Причината, че масите на неутрона и протона са толкова сходни, не е, че масите на горните и долните кварки са сходни, а защото масите на горните и долните кварки са много малки - и разликата между тях е малка, по отношение на масите на протона и неутрона. Не забравяйте, че за да превърнете протон в неутрон, просто трябва да замените един от горните му кварки с долния (фиг. 3). Тази промяна е достатъчна, за да направи неутрона малко по-тежък от протона и да промени заряда му от + e на 0.
Между другото, фактът, че различни частици вътре в един протон се сблъскват помежду си, и постоянно се появяват и изчезват, не влияе на нещата, които обсъждаме - енергията се запазва при всеки сблъсък. Енергията на масата и енергията на движение на кварки и глуони могат да се променят, както и енергията на тяхното взаимодействие, но общата енергия на протона не се променя, въпреки че всичко вътре в него непрекъснато се променя. Така масата на протона остава постоянна въпреки вътрешния му вихър.
В този момент можете да спрете и да усвоите получената информация. Удивително! Почти цялата маса, съдържаща се в обикновената материя, идва от масата на нуклоните в атомите. И по-голямата част от тази маса идва от хаоса, присъщ на протона и неутрона – от енергията на движението на кварки, глуони и антикварки в нуклони, и от енергията на работата на силни ядрени взаимодействия, които поддържат нуклона в цялото състояние. Да: нашата планета, нашите тела, нашето дишане са резултат от такова тихо и доскоро невъобразимо безобразие.
Всички физически тела в природата са изградени от вид материя, наречена материя. Веществата се делят на две основни групи – прости и сложни вещества.
Сложните вещества са тези вещества, които чрез химични реакции могат да бъдат разложени на други, по-прости вещества. За разлика от сложните, простите вещества са тези, които не могат да бъдат химически разложени до още по-прости вещества.
Пример за сложно вещество е водата, която чрез химична реакция може да се разложи на две други, по-прости вещества - водород и кислород. Що се отнася до последните две, те вече не могат да се разлагат химически на по-прости вещества и следователно са прости вещества или, с други думи, химични елементи.
През първата половина на 19-ти век в науката е имало предположение, че химичните елементи са неизменни вещества, които нямат обща връзка помежду си. Руският учен Д. И. Менделеев (1834 - 1907) обаче за първи път през 1869 г. разкрива връзката на химичните елементи, показвайки, че качествената характеристика на всеки от тях зависи от неговата количествена характеристика - атомно тегло.
Изучавайки свойствата на химичните елементи, Д. И. Менделеев забелязва, че техните свойства периодично се повтарят в зависимост от атомното им тегло. Той показа тази периодичност под формата на таблица, която влезе в науката под името „Периодичната таблица на елементите на Менделеев“.
По-долу е представена съвременната периодична таблица на химичните елементи на Менделеев.
атоми
Според съвременните концепции на науката всеки химичен елемент се състои от съвкупност от най-малките материални (материални) частици, наречени атоми.
Атомът е най-малката част от химичен елемент, която вече не може да бъде разложена химически на други, по-малки и по-прости материални частици.
Атомите на различни химични елементи се различават един от друг по своите физикохимични свойства, структура, размер, маса, атомно тегло, собствена енергия и някои други свойства. Например водородният атом се различава рязко по своите свойства и структура от кислородния атом, а последният от урановия атом и т.н.
Установено е, че атомите на химичните елементи са изключително малки по размер. Ако условно приемем, че атомите имат сферична форма, тогава техните диаметри трябва да са равни на сто милионни части от сантиметър. Например, диаметърът на водородния атом - най-малкият атом в природата - е равен на сто милионна част от сантиметъра (10-8 cm), а диаметърът на най-големите атоми, като атома на урана, не надвишава три сто милионни от сантиметъра (3 · 10 -8 см). Следователно водородният атом е толкова пъти по-малък от топка с радиус един сантиметър, колкото последната е по-малка от земното кълбо.
Поради много малкия размер на атомите, тяхната маса също е много малка. Например масата на водороден атом е m = 1,67 · 10 -24 г. Това означава, че един грам водород съдържа около 6 · 10 23 атома.
За конвенционалната единица за измерване на атомните тегла на химичните елементи се взема 1/16 от теглото на кислороден атом. В съответствие с това атомно тегло на химичен елемент се извиква абстрактно число, което показва колко пъти теглото на даден химичен елемент е повече от 1/16 от теглото на кислородния атом.
Атомните тегла на всички химични елементи са дадени в периодичната таблица на елементите на Д.И.Менделеев (вижте номера под името на елемента). От тази таблица виждаме, че най-лекият атом е водородният атом, който има атомно тегло 1,008. Атомното тегло на въглерода е 12, кислорода е 16 и т.н.
Що се отнася до по-тежките химични елементи, тяхното атомно тегло надвишава атомното тегло на водорода с повече от двеста пъти. И така, атомният верт на живака е 200,6, радия е 226 и т.н. Колкото по-висок е порядъкът на числото, заето от химичен елемент в периодичната таблица на елементите, толкова по-голямо е атомното тегло.
Повечето от атомните тегла на химичните елементи се изразяват в дробни числа. Това до известна степен се обяснява с факта, че такива химични елементи се състоят от набор от колко вида атоми с различни атомни тегла, но едни и същи химически свойства.
Химически елементи, които заемат едно число в периодичната таблица на елементите и следователно имат еднакви химични свойства, но различни атомни тегла, се наричат изотопи.
Изотопи се намират в повечето химични елементи, има два изотопа, калций - четири, цинк - пет, калай - единадесет и т.н. Много изотопи се получават чрез изкуство, някои от тях са от голямо практическо значение.
Елементарни частици на материята
Дълго време се смяташе, че атомите на химичен елемент са границата на деленето на материята, тоест сякаш елементарните „градивни елементи“ на Вселената. Съвременната наука отхвърли тази хипотеза, като установи, че атомът на всеки химичен елемент е съвкупност от дори по-малки материални частици от самия атом.
Според електронната теория за структурата на материята, атом на всеки химичен елемент е система, състояща се от централно ядро, около което се въртят "елементарни" материални частици, наречени електрони. Ядрата на атомите, според общоприетите възгледи, се състоят от набор от "елементарни" материални частици - протони и неутрони.
За да разберем структурата на атомите и физикохимичните процеси в тях, е необходимо поне накратко да се запознаем с основните характеристики на елементарните частици, изграждащи атомите.
Определи това електронът е реална частица с най-малкия отрицателен електрически заряд, наблюдаван в природата.
Ако условно приемем, че електронът като частица има сферична форма, тогава диаметърът на електрона трябва да бъде равен на 4 · 10 -13 см, тоест е десетки хиляди пъти по-малък от диаметъра на всеки атом.
Електронът, както всяка друга материална частица, има маса. "Масата на покой" на електрона, тоест масата, която той притежава в състояние на относителен покой, е равна на m o = 9,1 · 10 -28 g.
Изключително малката "маса на покой" на електрона показва, че инертните свойства на електрона са изключително слаби, което означава, че електронът, под въздействието на променлива електрическа сила, може да осцилира в пространството с честота от много милиарди периоди на второ.
Масата на електрона е толкова малка, че ще са необходими 1027 единици, за да се получи един грам електрони. За да имаме поне някаква физическа представа за това колосално голямо число, ще дадем пример. Ако един грам електрони може да бъде поставен в права линия близо един до друг, тогава те биха образували верига с дължина четири милиарда километра.
Масата на електрона, като всяка друга материална микрочастица, зависи от скоростта на неговото движение.Един електрон, намиращ се в състояние на относителен покой, има "маса на покой" от механично естество, като масата на всяко физическо тяло. Що се отнася до "масата на движение" на електрона, която нараства с нарастването на скоростта на неговото движение, тя е от електромагнитен произход. Дължи се на наличието на електромагнитно поле в движещ се електрон като вид материя с маса и електромагнитна енергия.
Колкото по-бързо се движи електронът, толкова повече се проявяват инерционните свойства на неговото електромагнитно поле, толкова по-голяма е масата на последното и съответно неговата електромагнитна енергия. Тъй като електронът с неговото електромагнитно поле представлява единна, органично свързана материална система, естествено е, че масата на движение на електромагнитното поле на електрона може да бъде пряко приписана на самия електрон.
Електронът освен свойствата на частица има и вълнови свойства. Експериментално е установено, че потокът от електрони, подобно на светлинния поток, се разпространява под формата на вълнообразно движение. Естеството на вълновото движение на електронния поток в пространството се потвърждава от явленията на интерференция и дифракция на електронните вълни.
Електронни смущенияе феноменът на наслагване на електронни завещания една върху друга, и дифракция на електрони- това е феноменът на електронните вълни, които се огъват около ръбовете на тесен процеп, през който преминава електронният лъч. Следователно, електронът не е просто частица, а "вълна от частици", чиято дължина зависи от масата и скоростта на електрона.
Установено е, че електронът, освен транслационното си движение, извършва и въртеливо движение около оста си. Този тип движение на електрони се нарича "спин" (от английската дума "spin" - шпиндел). В резултат на това движение електронът освен електрическите свойства, дължащи се на електрическия заряд, придобива и магнитни свойства, наподобяващи в това отношение елементарен магнит.
Протонът е реална частица с положителен електрически заряд, равен по абсолютна стойност на електрическия заряд на електрона.
Масата на протона е 1,67 · 10-24 g, тоест е приблизително 1840 пъти по-голямо от "масата на покой" на електрона.
За разлика от електрон и протон, неутронът няма електрически заряд, тоест той е електрически неутрална "елементарна" частица материя. Масата на неутрона е практически равна на масата на протона.
Електроните, протоните и неутроните, които са в състава на атомите, взаимодействат един с друг. По-специално, електроните и протоните се привличат взаимно като частици с противоположни електрически заряди. В същото време електрон от електрон и протон от протон се отблъскват като частици с еднакви електрически заряди.
Всички тези електрически заредени частици взаимодействат чрез своите електрически полета. Тези полета са специален вид материя, състояща се от колекция от елементарни материални частици, наречени фотони. Всеки фотон има строго определено количество енергия (енергиен квант), присъщо за него.
Взаимодействието на електрически заредени материални частици се осъществява чрез обмен на фотони един с друг. Силата на взаимодействие на електрически заредени частици обикновено се нарича електрическа сила.
Неутроните и протоните в ядрата на атомите също взаимодействат помежду си. Това взаимодействие между тях обаче вече не се осъществява чрез електрическо поле, тъй като неутронът е електрически неутрална частица материя, а чрез така нареченото ядрено поле.
Това поле също е специален вид материя, състояща се от колекция от елементарни материални частици, наречени мезони. Взаимодействието на неутрони и протони се осъществява чрез обмен на мезони един с друг. Силата на взаимодействие на неутрони и протони един с друг се нарича ядрена сила.
Установено е, че ядрените сили действат в ядрата на атомите на изключително малки разстояния – около 10 – 13 cm.Ядрените сили значително надвишават по величина електрическите сили на взаимното отблъскване на протоните в ядрото на атома. Това води до факта, че те са в състояние не само да преодоляват силите на взаимното отблъскване на протоните вътре в ядрата на атомите, но и да създават много силни системи от ядра от съвкупността от протони и неутрони.
Стабилността на ядрото на всеки атом зависи от съотношението на две конфликтни сили – ядрена (взаимно привличане на протони и неутрони) и електрическа (взаимно отблъскване на протоните).
Мощните ядрени сили, действащи в ядрата на атомите, допринасят за превръщането на неутроните и протоните един в друг. Тези взаимно преобразувания на неутрони и протони се извършват в резултат на освобождаването или поглъщането от тях на по-леки елементарни частици, например мезони.
Частиците, които разгледахме, се наричат елементарни, защото не се състоят от съвкупност от други, по-прости частици материя. Но в същото време не трябва да забравяме, че те са в състояние да се трансформират един в друг, да възникнат за сметка един на друг. По този начин тези частици са някакви сложни образувания, тоест тяхната елементарна природа е условна.
Химическа структура на атомите
Най-простият атом в неговата структура е водородният атом. Състои се от съвкупност само от две елементарни частици – протон и електрон. Протонът в системата на водороден атом играе ролята на централно ядро, около което се върти електрон в определена орбита. На фиг. 1 схематично е показан модел на водородния атом.
Ориз. 1. Схема на структурата на водородния атом
Този модел е само грубо приближение към реалността. Факт е, че електронът като "вълна от частици" няма обем, рязко ограничен от външната среда. А това означава, че трябва да се говори не за някаква точна линейна орбита на електрона, а за един вид електронен облак. В този случай електронът най-често заема някаква средна линия на облака, която е една от възможните му орбити в атома.
Трябва да се каже, че самата орбита на електрона не е строго неизменна и неподвижна в атома - тя също, поради промяната в масата на електрона, извършва някакво въртеливо движение. Следователно движението на електрон в атом е сравнително сложно. Тъй като ядрото на водородния атом (протон) и въртящият се около него електрон имат противоположни електрически заряди, те се привличат взаимно.
Едновременно с това свободната енергия на електрона, въртяща се около ядрото на атома, развива центробежна сила, която се стреми да го отстрани от ядрото. Следователно електрическата сила на взаимното привличане на ядрото на атом и електрон и центробежната сила, действаща върху електрона, са противоречиви сили.
В равновесие техният електрон заема относително стабилна позиция в някаква орбита в атома. Тъй като масата на електрона е много малка, то за да се балансира силата на привличане към ядрото на атома, той трябва да се върти с огромна скорост, равна на около 6 · 10 15 оборота в секунда. Това означава, че електрон в системата на водороден атом, както всеки друг атом, се движи по своята орбита с линейна скорост, надвишаваща хиляда километра в секунда.
При нормални условия електронът се върти в атом от рода по най-близката до ядрото орбита. Освен това той има минималното възможно количество енергия. Ако по една или друга причина, например, под въздействието на всякакви други материални частици, нахлули в атомната система, електронът се премести в орбита, по-отдалечена от атома, тогава той вече ще има малко по-голямо количество енергия.
Въпреки това, електронът остава в тази нова орбита за незначително време, след което отново се завърта към орбитата, най-близка до ядрото на атома. В този ход той се отказва от излишната си енергия под формата на квант магнитно излъчване - лъчиста енергия (фиг. 2).
Ориз. 2. Един електрон, когато преминава от далечна орбита в орбита, по-близка до ядрото на атома, излъчва квант лъчиста енергия
Колкото повече енергия получава електронът отвън, толкова повече се движи към орбита, отдалечена от ядрото на атома, и толкова по-голямо е количеството електромагнитна енергия, което излъчва, когато се върти към орбитата, най-близка до ядрото.
Чрез измерване на количеството енергия, излъчвано от електрона по време на прехода от различни орбити към тази, която е най-близо до ядрото на атома, беше възможно да се установи, че електронът в системата на водородния атом, както и в системата на всеки друг атом, не може да отиде на произволна орбита, до строго определена в съответствие с тази енергия, която получава под въздействието на външна сила. Орбитите, които електронът може да заема в атом, се наричат разрешени орбити.
Тъй като положителният заряд на ядрото на водородния атом (зарядът на протона) и отрицателният заряд на електрона са числено равни, общият им заряд е нула. Това означава, че водородният атом, намиращ се в нормалното си състояние, е електрически неутрална частица.
Това важи за атомите на всички химични елементи: атом на всеки химичен елемент в нормално състояние е електрически неутрална частица поради численото равенство на положителните и отрицателните заряди.
Тъй като ядрото на водороден атом съдържа само една "елементарна" частица - протон, така нареченото масово число на това ядро е равно на единица. Масовият брой на ядрото на атом на всеки химичен елемент е общият брой на протоните и неутроните, които съставляват това ядро.
Естественият водород се състои главно от набор от атоми с масово число, равно на едно. Той обаче съдържа и друг вид водородни атоми, с масово число, равно на две. Ядрата на тези тежки водородни атоми, наречени деутрони, са изградени от две частици - протон и неутрон. Този изотоп на водорода се нарича деутерий.
Естественият водород съдържа много малки количества деутерий. За всеки шест хиляди леки водородни атома (масово число, равно на едно), има само един деутерий (тежък водороден) атом. Има и друг изотоп на водорода - свръхтежък водород, наречен тритий. В ядрата на атом от този водороден изотоп има три частици: протон и два неутрона, свързани заедно с ядрени сили. Масовото число на ядрото на тритиевия атом е три, тоест тритиевият атом е три пъти по-тежък от лекия водороден атом.
Въпреки че атомите на водородните изотопи имат различна маса, те все пак имат еднакви химични свойства.Например лекият водород, влизайки в химично взаимодействие с кислорода, образува с него сложно вещество – вода. По подобен начин изотопът на водорода, деутерий, се комбинира с кислород, за да образува вода, която за разлика от обикновената вода се нарича тежка вода. Тежката вода се използва широко при производството на ядрена (атомна) енергия.
Следователно химичните свойства на атомите не зависят от масата на техните ядра, а само от структурата на електронната обвивка на атома. Тъй като атомите на лекия водород, деутерий и тритий имат еднакъв брой електрони (по един за всеки атом), тези изотопи имат еднакви химични свойства.
Не случайно химичният елемент водород заема първото число в периодичната таблица на елементите. Факт е, че има някаква връзка между броя на всеки елемент в периодичната таблица на елементите и величината на заряда на ядрото на атома на този елемент. Може да се формулира по следния начин: поредният номер на всеки химичен елемент в периодичната система от елементи е числено равен на положителния заряд на ядрото на този елемент и, следователно, на броя на електроните, въртящи се около него.
Тъй като водородът заема първото число в периодичната таблица на елементите, това означава, че положителният заряд на ядрото на неговия атом е равен на единица и че един електрон се върти около ядрото.
Химическият елемент хелий се нарежда на второ място в периодичната таблица на елементите. Това означава, че то има положителен електрически заряд на ядрото, равен на две единици, тоест ядрото му трябва да съдържа два протона, а в електронната обвивка на атома - два електрода.
Естественият хелий се състои от два изотопа - тежък и лек хелий. Масовото число на тежкия хелий е четири. Това означава, че освен гореспоменатите два протона, в състава на ядрото на тежкия хелиев атом трябва да влязат още два неутрона. Що се отнася до лекия хелий, масовото му число е три, тоест освен два протона, в състава на ядрото му трябва да влезе още един неутрон.
Установено е, че в естествения хелий броят на леките хелиеви атоми е приблизително една милионна от тежките гениални атоми. На фиг. 3 показва схематичен модел на хелиевия атом.
Ориз. 3. Схема на структурата на хелиевия атом
По-нататъшното усложняване на структурата на атомите на химичните елементи се дължи на увеличаване на броя на протоните и неутроните в ядрата на тези атоми и едновременно с това поради увеличаване на броя на въртящите се около ядрата електрони (фиг. 4). С помощта на периодичната система от елементи е лесно да се определи броят на електроните, протоните и неутроните, които съставляват различни атоми.
Ориз. 4. Схеми на структурата на атомните ядра: 1 - хелий, 2 - въглерод, 3 - кислород
Поредният номер на химичен елемент е равен на броя на протоните в ядрото на атома и едновременно с това на броя на електроните, въртящи се около ядрото. Що се отнася до атомното тегло, то е приблизително равно на масовия номер на атома, тоест на броя на протоните и неутроните, взети заедно в ядрото. Следователно, изваждайки от атомното тегло на елемент число, равно на поредния номер на елемента, е възможно да се определи колко неутрона се съдържат в дадено ядро.
Установено е, че ядрата на леките химични елементи, които имат в състава си равен брой протони и неутрони, се отличават с много висока якост, тъй като ядрените сили в тях са относително големи. Например, ядрото на атом от тежък хелий е изключително издръжливо, тъй като се състои от два протона и два неутрона, свързани заедно с мощни ядрени сили.
Ядрата на атомите на по-тежки химични елементи вече съдържат в състава си неравен брой протони и неутрони, поради което връзката им в ядрото е по-слаба, отколкото в ядрата на леките химични елементи. Ядрата на тези елементи могат да бъдат относително лесно разделени, когато бъдат бомбардирани с атомни "снаряди" (неутрони, хелиеви ядра и др.).
Що се отнася до най-тежките химични елементи, по-специално радиоактивните, техните ядра се отличават с толкова ниска якост, че спонтанно се разпадат на съставните си части. Например, атомите на радиоактивния елемент радий, състоящ се от комбинация от 88 протона и 138 неутрона, спонтанно се разпадат, превръщайки се в атоми на радиоактивния елемент радон. Атомите на последните от своя страна се разпадат на съставните си части, преминавайки в атомите на други елементи.
След като се запознахме накратко със съставните части на ядрата на атомите на химичните елементи, нека разгледаме структурата на електронните обвивки на атомите. Както знаете, електроните могат да се въртят около ядрата на атомите само в строго определени орбити. Освен това те са толкова групирани в електронната обвивка на всеки атом, че могат да бъдат разграничени отделни слоеве от електрони.
Всеки слой може да съдържа брой електрони, който не надвишава строго определен брой. Така например в първия електронен слой, най-близък до ядрото на атома, може да има максимум два електрона, във втория - не повече от осем електрона и т.н.
Тези атоми, в които външните електронни слоеве са напълно запълнени, имат най-стабилната електронна обвивка. Това означава, че даден атом здраво държи всичките си електрони и не е необходимо да получава допълнително количество от тях отвън. Например, един хелиев атом има два електрона, напълно запълващи първия електронен слой, а неоновият атом има десет електрона, от които първите два напълно запълват първия електронен слой, а останалите - втория (фиг. 5).
Ориз. 5. Схема на структурата на атома на неона
Следователно, атомите на хелия и неона имат доста стабилни електронни обвивки, те не се стремят да ги модифицират по никакъв начин количествено. Такива елементи са химически инертни, тоест не влизат в химично взаимодействие с други елементи.
Въпреки това повечето химични елементи имат атоми, в които външните електронни слоеве не са напълно запълнени с електрони. Например, калиев атом има деветнадесет електрона, от които осемнадесет напълно запълват първите три слоя, а деветнадесетият електрон е в следващия, незапълнен електронен слой. Слабото запълване на четвъртия електронен слой с електрони води до факта, че ядрото на атома много слабо задържа най-външния - деветнадесетия електрон, и следователно последният може лесно да бъде изтръгнат от атома. ...
Или, например, кислороден атом има осем електрона, от които два напълно запълват първия слой, а останалите шест са разположени във втория слой. Така за пълното завършване на изграждането на втория електронен слой в кислородния атом му липсват само два електрона. Следователно кислородният атом не само държи здраво шестте си електрона във втория слой, но също така има способността да привлича два липсващи електрона към себе си, за да запълни втория си електронен слой. Това той постига чрез химическа комбинация с атомите на такива елементи, при която външните електрони са слабо свързани с техните ядра.
Химическите елементи, чиито атоми нямат външните електронни слоеве, напълно запълнени с електрони, като правило, са химически активни, тоест доброволно влизат в химично взаимодействие.
И така, електроните в атомите на химичните елементи са подредени в строго определен ред и всяка промяна в тяхното пространствено разположение или количество в електронната обвивка на атома води до промяна във физикохимичните свойства на последния.
Равенството на броя на електроните и протоните в атомната система е причината общият й електрически заряд да е нула. Ако се наруши равенството на броя на електроните и протоните в системата на атома, тогава атомът се превръща в електрически заредена система.
Атом, в чиято система е нарушено равновесието на противоположни електрически заряди поради факта, че е загубил част от своите електрони или, обратно, е придобил излишно количество от тях, се нарича йон.
Напротив, ако един атом придобие някакъв излишен брой електрони, тогава той се превръща в отрицателен йон. Например, хлорен атом, след като получи един допълнителен електрон, се превръща в еднозареден отрицателен хлорен йон Сl -. Кислороден атом, който е получил два допълнителни електрона, се превръща в двойно зареден отрицателен кислороден йон О и т.н.
Атом, който се е превърнал в йон, се превръща в електрически заредена система по отношение на външната среда. А това означава, че атомът започва да притежава електрическо поле, заедно с което съставлява единна материална система и чрез това поле осъществява електрическо взаимодействие с други електрически заредени частици на материята - йони, електрони, положително заредени ядра на атоми и т.н. .
Способността на различни йони да се привличат взаимно е причината те да се комбинират химически, образувайки по-сложни частици от материята - молекули.
В заключение трябва да се отбележи, че размерите на атома са много големи в сравнение с размерите на тези материални частици, от които са съставени. Ядрото на най-сложния атом, заедно с всички електрони, заема една милиардна част от обема на атома. Едно просто изчисление показва, че ако един кубичен метър платина може да бъде притиснат толкова плътно, че вътрешно-атомните и междуатомните пространства да изчезнат, тогава ще се получи обем, равен на около един кубичен милиметър.
